（环境工程专业论文）奥贝尔氧化沟工艺功能升级改造试验研究.pdf

摘要 潍坊市污水处理厂采用奥贝尔氧化沟工艺，由于潍坊市环保局提高了污水厂 的排放标准，因此需要对其进行升级改造，以达到城镇污水处理厂污染物排放 标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级b 类标准。 依据最大限度的利用现：有处理构筑物，尽量减少改造的工程量和便于日后运 行管理的原则，结合潍坊市污水厂奥贝尔氧化沟工艺特点，充分利用污泥龄长， 抗冲击负荷强和具有稳定性的特征，对氧化沟进行整体改造，提出了强化脱氮除 磷的改造方案，即分段进水a o 生物脱氮+ 化学除磷工艺，并对改造方案的关键运 行参数进行中试研究。研究结果表明在等进水分配比、溶解氧在1 - 2 m g l 、污泥 回流比为7 5 情况下，系统可取得良好的处理效：果，c o d 、氨氮及总氮均达到一 级b 标准，但总磷处理效果较差，这说明该工艺不具备除磷的功能，考虑增加化 学除磷工序以达到除磷目标。 为了更好的分析分段进水a o 生物脱氮工艺+ 化学除磷工艺的可行性，以及为 水厂实际运行各种参数提供参考，将潍坊市污水厂其中一组氧化沟进行改造，与 另一组氧化沟工艺进行对比，试验研究表明，改造后分段进水a o 生物脱氮工艺 对各种污染物有很好的处理效果，出水水质稳定，除总磷外完全能使出水达到一 级b 标准。通过对耗氧速率、硝化速率以及反硝化速率的比较，结果表明，分段 进水a o 生物脱氮工艺的活性污泥具有较高的活性。为了达到除磷标准，烧杯试 验和生产试验结果表明，通过投加4 5 m g l 的p a c 或氯化铁均可使总磷降到l m g l 以下。 本研究对奥贝尔氧化沟工艺升级改造提出的改造方案，工程改造量较小，处 理效果好，便于日后运行管理，为进一步生产性试验提供了基础数据，对后面奥 贝尔氧化沟工艺改造具有一定的指导意义。 关键词奥贝尔氧化沟；分段进水；生物脱氮；化学除磷 a b s t r a c t w e i 胁gc i t yw a s t e ，a t e rt r e a t m e n tp l a n t a d o p t so r b a l 。x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s d u et ot h e i m p r o v i n go ft h es e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d b yw e i 胁ge n v i r o i u l l e n t a i p r o t e c t l o na g e n c nt h ep r i o c e s sn e e d st o u p g r a d et oa c h i e v e “u r b a ns e w a g et r e a t m e n t p l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ”( g b18 918 - 2 0 0 2 ) s t a n d a r db o fc 1 a s sa f h e p r o c e s s i n gb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fm a x i m u mu s eo f e x i s t i n gs t r u c t u r e sa n d f a c i l i t i e s ，m i n i m i z et h em n o u n to fr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t sa n db e n e f i c i a lt ot h ef u t u r e o p e r a t l o na n dm a n a g e m e n tp r i n c i p l e s m o r eo v e r ，c o m b i n et h e o r b a lo x i d a t i o nd i t c h p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fw e i f a n gc i t yw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ，a 1 1 d 切k et h e a d v a n t a g e so fl o n ga g e ，s t r o n gs h o c kr e s i s t a n c ea n ds t a b i l i t yo fs l u d g e ， m a l ( e si t p o s s i b l et od oao v e r a l lt r a m s f o r m a t i o no ft h eo x i d a t i o nd i t c h i tp r o p o s e dap r o g r 锄t o s t r e n g t h e nt h ef e a t u r eo f r e ：m o x ，i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，n a m e l y , t h es t e p f e e da o b l o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l & c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s t h e n ，as m a l ls c a l e r e s e a r c hf o rt h ek e yo p e r a t i o n a lp a r a m e t e ro fr e h a b i l i t a t i o np r o g r a m sw a sc a r r i e d o n t h er e s u l t ss h o w st h a tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i s t r i b u t i o n r a t i oi nt h eo t h e r 、v a t e r d l s s o l v e do x y g e ni nt h e i 2 m g l ，s l u d g er e t u mr a t i oo f7 5 ，e x p e r i m e n th a s a c h l e v e dag o o dr e s u l t s c o d ，a m m o n i aa n dt o t a l n i t r o g e nr e a c h e dt h es t a n d a r dbo f c l a s sa y e tt h et pt r e a t m e n th a sl e s se f f e c t i v es h o w s t h a tt h ep r o c e s sd o e sn o th a v et h e 劬c t i o no fd e p h o s p h o r i z a t i l 3 n a n da p p l yt h ec h e m i c a lp h o s p h o r o u sr e m o v a l p r o c e s st o a c h i e v eg o a l si sn e c e s s a r y 1 no r d e rt ob e t t e ra n a l y z et h es t e p - f e e da ob i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s p l u st h ef e a s i b i l i t yo fc h e m i i z a lp h o s p h o r u sr e m o v a l p r o c e s s ，a n dp r o v i d et h ew a s t e w a t e r t r 锄m e n tp l a n tw i t hv a r i o u sr e f e r e n c e si ni t sa c t u a lo p e r a t i o n ，o n eo x i d a t i o nd i t c h w a s u p g r a d e qa n dc o m p a r e dw i t ha n o t h e ro n e p i l o t s t u d i e sh a v es h o w nt h a t ， a r e r t r a n s f o r m a t i o n ，s t e p 。f e e d a ob i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sf o rd i 筇：r e n t p o l l u t a n t sh a v eac o m m e n d a b l et r e a t m e n te f f e c t t h eq u a l i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ee f f i u e n t w h l c hh a sat o t a lp h o s p h e l r u sr e m o v a lc a n r e a c ht h es t a n d a r dbo fc 1 a s sa b v c o m p a n n gt h er a t eo fo x y g e nc ：o n s u m p t i o n ， n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dd e n i t r i f i c a t i o nr a t e r e s u l t ss h o wt h a t ，t h es l u d g eo f s t e p - f e e da ob i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sh a s i 工工 ab e t t e ra c t i v i t y i no r d e rt oa c h i e v et h ep h o s p h o r u sr e m o v a ls t a n d a r d ， b e a k e rt e s ta n d d r o d u c t i o nt e s tw e r ec a h i e do n a n dt h er e s u l t ss h o w t h a t ，b yw a yo fa d d i n g4 5 m g l o fp a co rf e r r i cc h l o r i d e ，t h et o t a lp h o s p h o r u s c a nb er e d u c e dt olm g la n d b e l l o w i n1 抽ss t u d y ，t h er e c o n s t m c t i v ep r o g r a m s f o ru p g r a d i n go r b a lo x i d a t i o n d i t c h p r o c e s so n l yn e e d sa s m a l la m o u n to fe n g i n e e r i n gt oa c h i e v et h eg o o de f f e c t ，w h i c hi s 1 _ 1 0 to n l vc o n v e n i e n tf o rf u t u r eo p e r a i o na n dm a n a g e m e n t ，b u ta l s op r o v i d et h e b a s i ct e s t d a t af o f 鼬e rp r o d u c t i 。ne x p e r i m e n t a n di th a sap r o p e ri n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c e f o r t h eu p g r a d i n go fo r b a lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s k e yw o r d ：o r b a lo x i d a t i o nd i t c h ；s t e p - f e e d ；b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ；c h e m i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 鼍詈皇鼍曼皇鼍詈皇毫量詈晕皇詈皇詈鲁皇= 墨皇詈詈皇= 詈暑詈皇詈! 鼍鼍詈置阜皇葛暑摹鼍詈皇搴暑备鼍；暑皇三皇皇皇詈喜= 詈暑暑! 暑皇詈毫皇詈詈皇曼詈皇 第1 章绪论 1 1 我国水环境的现状 “水是生命之源，没：有水，就没有未来”。水资源是人类社会赖以生存的前提， 直接关系到人类社会的可持续发展。进入二十一世纪，水资源的合理开发和利用 - 问题已受到世界各国的极大关注，各国政府都在采取积极的措施和政策，促进水 资源的合理利用，治理水环境污染，解决水资源短缺，保证水资源质量，以适应 人类可持续发展的需要。 我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，占全球水资 源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 3 0 0 m 3 ， 仅为世界水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均资源最 贫乏的国家之一。据统计，2 0 0 6 年我国6 6 9 座城市中有4 0 0 多个城市存在供水不 足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国缺水总量为6 0 亿m 3 【1 翻。然而 随我国国民经济的迅速发展，城市规模不断扩大，人口急剧增加，环境污染问题 日益突出，尤其是氮、磷等植物生长限制性元素过量排放，导致水体富营养化问 题日益严重。 据2 0 0 2 年中国环境状况公报，2 0 0 2 年，我国七大水系7 4 1 个重点监测断面中 2 9 1 的断面满足i - - - i i i 水质要求，3 0 的断面属于、v 类水质，4 0 9 的断面 属于劣v 类水质。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿m 3 ，比 上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿m 3 ，比上年增加2 3 ；城镇生活污 水排放量2 3 2 3 亿m 3 ，比上年增加0 9 。由于8 0 以上的污水未经处理就直接排 入水域，已造成9 0 以上的城市水域严重污染，近5 0 的重点城镇水源不符合饮 用水标准，就连城市地下水都有5 0 受到严重污染。 面对日益严峻的水污染形势，截止到2 0 0 4 年底，全国6 6 1 个设市城市有污水 处理厂7 0 8 座，处理能力为4 9 1 2 万m 3 ，是2 0 0 0 年的两倍多，平均运行负荷率为 6 5 ，比2 0 0 1 年提高了5 个百分点。但是，随着我国国民经济的快速发展，污水 的年排放量也在大幅的增加，相应的c o d 和氮磷排放量也在增加，其污染程度有 愈演愈烈之势。因此，为了改：善水环境质量，氮、磷排放标准在逐步提高，传统 的生物脱氮除磷工艺已很难达到要求。因此，开发高效、经济、低耗的生物脱氮 除磷技术已成为当前城市污水处理技术研究的热点。 1 2 污水处理工艺存在的问题 长期以来，我国的污水处理厂多采用传统活性污泥法，该工艺旨在降低污水 中的有机物和悬浮颗粒物，但在脱氮、除磷方面效果较差。一般情况下，污水经 传统活性污泥法处理后，c o d 的去除率可达7 0 以上，b o d 的去除率可达9 0 以上，s s 的去除率可达8 5 以上，然而氮磷的去除效果不甚理想，只有3 0 左右。 近年来，随着水体富营养化问题的日益严重，为降低水污染状况、缓解水资源的 紧张状况，我国的污水排放标准不断提高，污水处理厂从单一的去除c o d 和s s 转变为具有脱氮除磷能力的深度处理阶段。另外，我国污水处理还存在处理率低、 污水处理技术和运行设备落后、运行费用高等问题。 1 3 城镇污水生物脱氮除磷理论和技术现状与发展 污水脱氮除磷的技术包括物理法、化学法和生物法，物理法和化学法有吹脱、 选择性离子交换、折点加氯、电渗析等。由于物化法工艺复杂、成本高、以及容 易产生二次污染等原因，应用较少。而生物法具有去除效率高、运行费用省等优 点而受到污水处理界的青睐3 1 。 1 3 1 传统生物脱氮除磷理论 1 、生物脱氮机理 在城市生活污水中，氮以有机态氮、氨态氮、亚硝酸氮、硝酸氮四种形式存 在，在微生物作用下可以相互转化。从化合态氮到气态氮进而从根本上去除氮污 染物质的转化过程主要通过氨化、硝化和反硝化过程【4 】o 生物脱氮过程如图1 1 所 示： 好氧 好、厌氧厂 厌氧 有机氮_ n h 4 + - n _ n 0 2 。n 0 3 。 n ，等 氨化反应亚硝化反应硝化反应 反硝化 厌氧菌亚硝酸菌 硝酸菌 图1 - 1 生物脱氮过程示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ( 1 ) 氨化反应 氨化反应是将有机氮在氨化细菌分解作用下转化为氨的过程，主要发生的反 青岛理工大学工学硕士学位论文 应如下： r c h n h 2 c 0 0 h + h 2 0 一r c o c o o h + n h 3 ( 1 1 ) r c h n h 2 c o o h + 0 2一r c o c o o h + n h 3 ( 1 - 2 ) 在好氧和缺氧环境中，几乎所有的异养菌都具有分解蛋白质等含氮有机物的 能力，含氮有机物经细菌分解产生氨氮，以n h 3 和n h 4 + 等形式存在。氨化过程效 率高，反应时间短，不是脱氮过程的关键步骤。 ( 2 ) 硝化反应 硝化作用是在好氧条件下由硝化细菌来完成的，该过程包括两个步骤，第一 步是由亚硝化单胞菌( n i t r o s o m o n a s ) 将氨氮氧化为亚硝酸盐，第二步是由硝酸杆 菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，反应式如下： 2 n h 4 + + 3 0 2 叶2 n 0 2 。+ 2 h 2 0 + 4 h + ( 1 3 ) a g o ( w ) = 2 7 0 k j ( m o l n h 4 + - n ) n 0 2 。+ o 5 0 2 n 0 3 ( 1 - 4 ) a g o ( w ) = 8 0 k j ( m o l n o e + - n ) 总反应是为 n i t 4 + + 2 0 2 n 0 3 + h 2 0 + 2 h 十 ( 1 5 ) 这两类微生物均为化能自养型，革兰氏染色阴性，不生芽孢的短杆状细菌和 球菌，广泛存在于土壤中。，前者世代周期较短、生长较快，后者时代周期较长、 生长速率低，在一定条件下可形成亚硝酸盐的积累，两类硝化菌的特征见表1 1 1 0 】。 表1 - 1 亚硝化菌和硝化菌的特征 t a b 1 1c h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o s o m o n a sb a c t e r i aa n dn i t r i f y i n g b a c t e r i a 青岛理工大学工学硕士学位论文 自养型硝化菌的增殖与底物去除的动力学可用m o n o d 方程表示： u ：j l (1-6)ltmax 1 - 6u 2 ( 腼+ s 式中，“为微生物的比增长速率，d ； g m a x 为微生物的最大比增长速率，d ； k s 为饱和常数，m g l ； s 为底物浓度，m g l 。 由式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 可知，n h 4 + - n 氧化为n 0 2 + - n 时所产生的能量远大于n 0 2 + - n 氧化为n 0 3 + - n ，因此在稳态条件下，污水处理系统中不会产生亚硝酸盐的累积， 对于亚硝化反应和硝化反应m o n o d 方程中的饱和常数k s 都小于l m g l 。所以硝化 反应中速率限制步骤是亚硝化细菌将n h 4 + - n 氧化为n 0 2 + - n 的过程【5 】o 影响硝化 反应的影响因素有【6 】： 温度 生物硝化可以在4 4 5 0 c 的范围内进行，最佳温度大约是3 0 0 c 温度不但影响 硝化细菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。硝化细菌的最大比增长速率“n 与温度的关系遵从a r r h e n i u s 公式，温度每增加1 0 0 c ，n 值增加一倍。在5 - 3 0 0 c 范围内，随着温度增高，硝化反应速率也增加；温度超过3 5 0 c ，硝化反应速率降 低。当温度低于4 0 c 时，硝化细菌的活性基本停止。对于同时去除有机物和进行 硝化反应的系统，温度低于1 5 0 c 时，发现硝化速率急剧下降。低温对硝化细菌的 抑制作用更为强烈，因此在低温条件下常常会出现亚硝酸盐的累积。 ( 爹溶解氧 硝化细菌有强烈的好氧性，硝化反应必须在好氧条件下才能进行。d o 浓度还 会影响硝化反应速率和硝化细菌的生长速度，为t * n 足正常的硝化反应，在活性 污泥系统中，d o 浓度要大于2 m g l ，一般应为2 3 m g l ；生物膜系统d o 则应大 于3 r n g l 。当d o 浓度低于0 5 “- 0 7 m g l 时，硝化反应将受到限制。 碱度和p h 由式( 1 3 ) 可知，硝化反应每氧化1 9 氨氮就要消耗7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) ， 因此如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，p h 会急剧下降，而硝化细菌 对p h 非常敏感，亚硝化细菌和硝化细菌分别在7 0 - 7 8 和7 7 8 1 时活性最强， p h 超出这个范围，其活性就会急剧下降。p h 是影响硝化反应速率的重要因素。 青岛理工大学工学硕士学位论文 = ! = = = = ! ! ! = ! ! = = g 自= e ! = 自! = e 2 自自e = ! = = = = = e = 自! = ! ! l 自! = ! 目! ! ! = ! ! 自! ! = = = = ! ! = = = = = ! = = 自= 2 c n 研究表明，活性污泥中的硝化菌的含量与c o d t k n 有关。因为硝化菌的比 增长速率要比异养型微生物的比增长速率小一个数量级，如果c o d t k n 比值过 高，则有机基质浓度过高，会使污水处理系统中比增长速率较高的异养菌数量大 大增加，生长为优势菌种，进而抑制了硝化菌的增长，削弱了硝化作用。因此， c o d t k n 比值不能过高，一般认为b o d 负荷小于o 1 5 9 b o d ( gm l s s d ) 时， 系统的硝化反应才能正常进行。 污泥龄 由于硝化菌是自养菌，生长缓慢，其世代时间比较长。因此，为了使硝化细 菌菌群能在系统中生长，就必须保证系统的s r t 大于自养型硝化菌的最小世代时 间，否则硝化菌的流失率大于其增长率，硝化菌会从系统中流失。一般来说，为 保证硝化反应，s r t 应大于1 4 天。 最近一些研究表明【7 】：硝化过程不仅有自养菌完成，有些异养菌也可参与硝化 作用，有些微生物可同时进行硝化和反硝化。某些细菌在硝化反硝化的过程中利 用n 0 2 或者n 0 3 作为电子受体将氨态氮直接氧化成了气态氮化物。试验研究发现： 厌氧反应器中氨的浓度的降低和n 0 3 - 的去除存在一定的比例关系，这一重大发现 为改进传统的生物脱氮技：术提供了理论依据 8 ，9 】。 ( 3 ) 反硝化反应 反硝化反应是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的生物化学过程，包括变形 菌( p r o r e u s ) 、假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、芽孢杆菌( b a c i l l u s ) 、无色杆菌 ( a c h r o m o b a c t e r ) 、产碱杆菌( a l c a l i g e n e s ) 等，它们在缺氧( 不存在分子态溶解 氧) 条件下，利用有机碳源作为电子供体，亚硝酸氮和硝酸盐氮作为电子受体， 将其还原成气态氮。其反应式如下： 2 n 0 2 。+ 3 h 2 n 2 4 2 0 h 。+ 2 h 2 0 ( 1 7 ) 2 n 0 3 + 5 h 2 _ n 2 4 。2 0 h 。+ 4 h 2 0 ( 1 8 ) 影响反硝化细菌进行同化作用和异化作用的底物有两种n 0 3 和有机物。 s i n c l a i r 、s h o d a 等人的研究表明，反硝化菌的增殖和有机物的关系可用下式表示 1 0 1 ： “：丝噬璺兰型( 1 - 9 ) 。 ( k + s ) ( k + a ，) 式中：反硝化细菌的比增长速率，h ； 。一反硝化细菌的最大比增长速率，h 1 ； s 污水中有机物浓度，r a g l ； n 污水中n 0 3 。的浓度，m g l ； k s ，k n 分别相应于有机物和n 0 3 的饱和常数，m g l ； 式中参数一和k s 与有机物的性质有关，当以甲醇为外加碳源时，。= o 3 3 ， k s = 4 - 7 13 m g l ，k n = 0 1 0 2 m g l 。 硝化后水中的n 0 3 - n 常大于1 2 m g l ，所以k n 与n 相比可忽略；为了能使反硝 化以最大速度进行，必须有过量有机物存在，这时k s 与s 相l g 很d , 可以忽略，于 是式1 - 9 可化简为a = m 。 即在过量有机物存在时，反硝化速度遵循零级反应关系。有研究表明，只要 硝酸盐浓度超过0 1 m g l 时，反硝化速度与硝酸盐浓度表现为零级反应。李军等人 在序批式生物膜法脱氮试验中证实，反硝化速率只和反硝化菌浓度有关，而和硝 酸盐浓度无关1 1 1 。 反硝化反应的影响因素有【6 】： 温度 温度对反硝化速率的影响遵从a r r h e n i u s 公式，表示如下： q d ，t = q d ，2 0 0 ( t - 2 0 ) ( 1 1 0 ) 式中e d t 为温度t 。c 时的反硝化速率，g n 0 3 ( gv s s d ) ；q d ，2 0 为温度2 0 。c 时的反 硝化速率，g n 0 3 - ( gv s s d ) ；为温度系数，1 0 3 - 一1 1 5 ，设计时，可取1 0 9 。 溶解氧 反硝化细菌属于异养兼性厌氧菌，在无分子氧存在条件下，他们可以利用硝 酸盐、亚硝酸盐中的氧进行呼吸，将其还原。一旦系统中分子氧的浓度过高，氧 将代：替硝酸盐、亚硝酸盐成为电子受体，分子氧还会抑制反硝化菌体内硝酸盐还 原酶的合成及其活性。一般来说，溶解氧应控制在0 5 m g l 以下 碳源 反硝化反应是由异养型微生物完成的生化反应，它们在溶解氧浓度极低的条 件下利用硝酸盐作为电子受体，有机物作为碳源和电子供体。碳源物质不同，反 青岛理工大学工学硕士学位论文 硝化速率也不同。反硝化碳源可分为三类：第一类是易于生物降解的溶解性有机 物，如甲醇、乙醇、挥发性有机物和糖蜜等；第二类是慢速生物降解的溶解性有 机物，如淀粉、蛋白质、大部分城市污水等；第三类是用内源代谢产物作为反硝 化碳源，但是其反硝化速率远远低于甲醇作碳源时的反硝化速率，从而增大反硝 化容积。 碱度和p h 反硝化过程最适宜的p h 为7 0 - - - 7 5 ，反硝化反应还会产生碱度，这补充了 硝化反应中消耗的一部分碱度，有助于把p h 维持在所需的范围内。 c m 理论上将1 9 硝酸盐氮还原为氮气需要碳源有机物( 以b o d 表示) 2 8 6 9 。 因实际污水中只有一部分快速生物降解的b o d 可以作为反硝化碳源物，所以c n 需要高一些。一般认为当b o d t k n 4 6 时，可认为碳源充足。 生物硝化和反硝化反应的过程特性，如1 2 表所示【1 0 】： 表1 - 2 生物硝化和反硝化反应过程特性 t a b 1 2b i o l o g i c a ln i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s 微生物 好氧和兼性菌n i t r 。s 。m 。n a s 能源 氧源( h 受体) ( 异氧型性细 有机物 自氧性细菌 化学能 n i t r o b a c t e r 兼性菌异氧型性细 自氧性细菌菌 化学能有机物 0 2 0 20 2n 0 3 一，n 0 2 溶解氧 1 2 m 盯。以上2 m g l 以上2 m 。d l 以上0 0 5 m g a 。 碱度 氧化1 m g n h 4 + - n 需 没有变化没有变化 要7 1 4 r a g 的碱度 氧的消 分解l m g lb o d s 氧化1 m g n h 4 + - n 需氧化l m g n 0 2 飞 耗 需氧2 m g a 。氧3 4 3 m g 需氧1 4 r a g 还原l m g n 0 3 一- n n 0 2 - n 生成 ，h t 口p 分解1 m g c o d 需氧 n 0 2 - - n o 5 8 r a g ， n o ：n 0 3 5 m g 提 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 、生物除磷机理 传统的生物除磷理论是聚磷菌( p a o ) 的摄傲磷原理。聚磷菌是在厌氧好氧 交替运条件下培养出的一类异养型兼性微生物。在厌氧条件下，聚磷菌充分吸收 醋酸盐或其它挥发性脂肪酸( v f a ) ，并以生物聚合物的形式贮存于细胞内( 主要 是p h b 和碳源) ，这一代谢过称所需的能量主要来自于其细胞内存储的磷酸盐的 水解，磷酸盐水解过程中能释放出大量能量，同时释放正磷酸盐到外界。在好氧 条件下，此时聚磷菌则利用体内贮存的p h b 提供生长所需的能量和碳源，p h b 被 氧化为c 0 2 ，而n a d h 2 被释放并转化为三磷酸腺苷a t p ，a t p 产生能量用于聚磷 菌生长，聚磷菌生长的同时不断的在细胞内以聚磷酸盐的形式贮存磷和合成糖原 物质，此时吸收的磷大大超过了厌氧时释放的磷，实现了磷的超量吸收 12 1 ，最终 聚磷菌以剩余污泥的形式排除系统，实现了除磷的目的。除磷过程如图1 2 所示： 厌氧条件下 好氧条件下 有嘤，凄递。多机磷 无机足遮群多机磷 ( 聚磷菌、厂聚磷菌) i 溶解磊论p h bp 矿舔机物i 溶解基质尸代 图1 - 2 生物除磷过程示惹图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s 荷兰代尔夫特工业大学( t ud e l f t ) 和1 日本东京大学( u t ) 研究表明【”，1 4 】：传统生 物脱氮除磷的活性污泥系统中有部分聚磷菌( d p b ) 既能以溶解氧又能以硝酸盐 作为电子受体，在进行反硝化的同时能完成过量吸磷反应。这使得摄磷和反硝化 这两个不同的生物过程借助同一个细菌在同一个环境中完成，摄磷和脱氮过程的 结合不仅节省了脱氮对碳源的需要，而且摄磷在缺氧内完成可缩小曝气区的体积， 青岛理工大学工学硕士学位论文 同时节省了能源。 1 3 2 生物脱氮除磷技术现状与发展概况 1 、a o 和a 2 o 工艺 1 5 - 2 ) a o 工艺是b a r n a r d 在19 7 3 年在l u d z a c k e t t y n g e r 工艺的基础上改进而成的， 通过在普通活性污泥法前增加缺氧段，又称前置式“反硝化生物脱氮系统”。工艺流 程如图1 - 3 0 内回流 图1 - 3m o 工艺流程图 f i g 1 3t h ef l o wc h a r to f m o 内回流 图1 - 4 a 2 o 工艺流程图 f i g 1 4t h ef l o wc h a r to f 。 , 2 o 在a d o 脱氮工艺中，二沉池中的回流污泥和好氧池的消化液同时回流到缺氧 池中，缺氧池中的反消化细菌可以充分利用污水中的有机物进行反硝化脱氮，系 统流程简单顺畅，脱氮效果较好，但出水存在硝态氮，在二沉池中反硝化，容易 导致污泥上浮，除磷效率也很低，在缺氧段之前增加一个厌氧池，即为a 2 o 工艺 ( 见图1 4 ) ，则兼有除磷功能。a o 工艺、a 2 o 工艺都是比较简单的脱氮除磷工 艺，它们将厌氧段、缺氧段放在工艺的第一级，可以充分发挥厌氧菌群承受高浓 度、高有机负荷的能力，充分利用厌氧菌群和好氧菌群各自的优势，所以处理效 果好。但由于脱氮除磷比较复杂，在实际运行过程中存在下列问题：( 1 ) 好氧区 青岛理工大学工学硕士学位论文 回流污泥携带的硝酸盐会造成厌氧区反硝化菌和聚磷菌的竞争，使聚磷菌无法进 行充分释磷，影响后期磷的吸收而导致除磷效率降低。减小回流量虽然可以降低 回流硝酸盐含量，但是这对脱氮来说却存在着风险【2 1 】。( 2 ) 污泥龄的控制，由于 a 2 o 工艺内存在不同功能的亚硝化菌、硝化菌、聚磷菌及其他多种微生物，长泥 龄有利于硝化菌生长并可在一定程度上提高硝化速率，但却降低了有机物降解和 反硝化速率【2 2 1 ，同时较长的泥龄还会导致系统内糖原累积非聚磷微生物( o a o s ) 的 增长，从而导致除磷效率降低【2 3 】。( 3 ) 处理c n 比较低的污水时，会造成反硝化 c 源不足，总氮去除率难以提高。 2 、u c t 工艺 。 在缺氧池前增加厌氧池可以促进菌胶团的细菌繁殖和抑制污泥膨胀。南非开普 敦大学研究开发出了u c t 工艺，如图所示，该工艺与a 2 0 工艺的最大不同在于二 沉池污泥回流至缺氧池，并在缺氧池和厌氧池之间增加缺氧回流。这样能避免回 流污泥中携带的硝酸盐进入厌氧池对释磷产生影响【2 4 ，2 5 1 。 为了提高脱氮效率、保证活性污泥具有良好的沉淀性能，在u c t 工艺厌氧池 和缺氧池之间再增加一个缺氧池，第一段缺氧池利用进水中的有机碳源，将回流 污泥携带的硝酸盐反硝化去除，第二段缺氧池对好氧池回流的硝酸盐进行反硝化， 该工艺成为m u c t 工艺 2 6 , 2 7 】，如图1 5 所示。 混合液回流( 1 0 0 3 0 0 ) 回流污泥( 5 0 一1 0 0 )剩余污泥 图1 5 u c t 工艺流程图 f i g 1 5t h ef l o wc h a r to fu c t 锱黻( 1 0 0 - 2 0 0 ) 槲觇( 1 0 0 9 6 - - 2 0 0 9 6 ) 回黼( 5 0 - 1 0 0 )乘峥僦 图1 - 6 改良型u c t 工艺 f i g 1 - 6t h em o d i f i e df l o wc h a r to fu c t 3 、氧化沟工艺 氧化沟是活性污泥法的一种改型，它把连续环式反应池用作生物反应池。混 合液在该反应池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。氧化沟通常在延时曝气 条件下使用，因为这时水和固体的停留时间长，有机物质的负荷低，它使用一种 带方向控制的曝气和搅动装置，向反应池中的物质传递水平速度，从而使被搅动 的液体在闭合式曝气渠道中循环。氧化沟具有多种改型，主要有以下几种 2 8 】：荷 兰d h v 公司开发的c a r r o s e l 2 0 0 0 型氧化沟、丹麦k r u g e r 公司开发的d e 型氧化沟 和南非开发的o r b a l 型氧化沟。c a r r o s e l 2 0 0 0 型氧化沟使用立式表曝机，曝气机安 装在沟的一端，形成了曝气机下游的富氧区和上游的缺氧区，并采用内部前置反 硝化，可达到较好的脱氮效果。d e 氧化沟为双沟系统，通过配水井对水流流向的 切换，堰门的起闭以及曝气转刷的调速，在沟中创造交替的缺氧，好氧条件，以 达到硝化反硝化反应脱氮的目的 2 9 , 3 0 】。o r b a l 氧化沟2 0 世纪7 0 年代在美国得到迅 速发展，它一般由三条圆形或椭圆形同心沟渠组成，每一条沟渠都是一个完全混 合的反应器，内、中、外三沟溶解氧一般分别控制为2 m g l 、1 m g l 、0 m g l ，形 成稳定的缺氧、好氧区，为硝化反硝化创造了条件【3 1 】。氧化沟工艺具有流程简洁、 耐冲击负荷强、处理效果稳定、剩余污泥量少、运行管理简单等优点，缺点为占 地面积较大，设备维护维修量大。 3 、s b r 工艺 序批式反应器交替进行进水、厌氧搅拌、曝气和沉淀滗水，一个反应器 就能形成一个序列上的a 2 0 系统，同时各阶段反应历时可根据水质及需达到 的处理目标加以调整，实现脱氮除磷的目的。s b r 法脱氮除磷原理与其他方法 相同，其反应是在同一容器中进行。在同一容器中进水时形成厌氧、缺氧，而 青岛理工大学工学硕士学位论文 后停止进水，开始曝气充氧，完成脱氮除磷过程，并在同一容器中沉淀，再通 过撇水器出水，完成一个程序。这种方法与以空间进行分割的连续流系统有所 不同，它不需要回流污泥，也无专门厌氧、缺氧、好氧区，而是在同一容器中， 分时段进行搅拌、曝气、沉淀。形成厌氧、缺氧、好氧过程。这种方法大多数 用于水量较小的场合，以便于控制。 i d l e a 工艺、c a s s 工艺、i c e a s 工艺是在传统s b r 基础上发展起来的一系列 新工艺，具有较强的冲击能力、流程大大简化、处理构筑物较少，节省占地面积 和投资等特点 3 2 - 3 5 】。m s b r 是由a 2 o 工艺与s b r 系统串联而成，具有脱氮除磷 功能，实现了连续进水和连续出水，与传统s b r 有很大的区别，近年来，s e g h e r s 公司提出的u n i t a n k 系统是s b r 的有一种变型和发展，已经成为一种高效、经 济、灵活和成熟的污水处理工艺【3 6 , 3 7 】。为了提高s b r 工艺的脱氮除磷功能，开发 了c a s t 工艺【3 8 】。该工艺最大的改进是在反应池前端增加一个选择段，污水首先 进入选择段后与来自主反应区的混合液混合，在厌氧条件下聚磷菌首先繁殖，为 高效除磷创造了条件，同时还可以有效地抑制丝状性细菌的大量繁殖，克服污泥 膨胀提高系统的稳定性。 4 、曝气生物滤池 曝气生物滤池是在生物接触氧化工艺的基础上发展成的一种新工艺。它 以3 8 m m 的颗粒填料作为微生物膜生长的载体，滤料层下部鼓风曝气，使空 气与污水逆向或同向接触，当废水在垂直方向上通过填料层时，填料上附着生 长的! 生物膜利用水中的溶解氧对污染物进行氧化分解，同时填料对废水中的悬 浮物进行过滤截留，以去除废水中的污染物，从而达到处理废水的目的【3 。在 曝气生物滤池工艺中填料的选择对b a f 的设计和运行起关键的作用，同时决 定出水水质是否满足要求39 1 。曝气生物滤池后可不设二次沉淀池，通过反冲洗 再生，实现滤池周期运行。由于其良好性能，应用范围逐渐扩大。曝气生物滤 池工艺需要借助铁盐、铝盐等凝聚剂，对污水进行化学除磷。 1 4 分段进水a o 生物脱氮工艺 1 4 1 工艺原理 分段进水生物脱氮工艺是今年来快速发展的生物脱氮新工艺【4 0 州 。进水沿池 长分段投配而回流污泥在第一段的首端进入。各段的缺氧池与好氧池连接成为一 青岛理工大学工学硕士学位论文 个单元( 段) ，系统一般为2 4 个单元，见图1 。分段进水系统可看作几个缺氧好 氧处理单元的串联体，各池均采用完全混合式。首段的缺氧区主要对回流污泥在 的n 0 3 - n 进行反硝化，同时，进入该区的污水q 1 为反硝化提供碳源。然后，混 合液进入好氧区进行硝化反应，反应后的混合液流入第二段的缺氧区进行反硝化， 同时第二段缺氧区进水为反硝化提供碳源。混合液再进入到第二段的好氧区进行 硝化反应，以后各段以此类推。 图1 7 分段进水生物脱氮系统 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e p f e e db i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 该工艺有以下特点 ( 1 ) 节约能耗并能充分利用原水中的碳源 一般对于传统a o 生物脱氮工艺，需进行混合液内回流才能完成硝酸盐反硝 化，回流比越高，脱氮效率越高。因此为了获得较高的脱氮效率而采用较高的内 回流比，一般为2 0 0 4 0 0 。而分段进水a d o 生物脱氮工艺硝化液从各段的好氧 区直接流入下一段的缺氧区，取消了内回流系统，因此大大降低了能耗。同时， 上一段硝化产生的硝酸盐在下一段完全硝化所需的碳源由下一段进水提供，最大 程度的利用了进水中的有机碳源，节省了外碳源的投加。 ( 2 ) 脱氮效率高 分段进水a o 生物脱氮工艺中的氮经过多级硝化反硝化而被去除，工艺达到 最高脱氮率时应该满足上一段硝化产生的硝酸盐在下一段完全反硝化掉，即不产 生硝酸盐的累积且最后一段的进水流量最小。