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复合s b r 系统脱氮除磷的研究 摘要 本文采用城市生活污水，研究了序批式生物膜反应器对氮 磷和有机污染物的去除效果，其中着重考察了碱度、温度、碳 氮比、碳磷比、溶解氧以及泥龄对氮磷、有机物去除效果的影 响。试验结果表明，直垫透鎏物的去除率通常大于9 5 ，总氮 的去除率在9 0 以上，而总磷的去除率在9 8 左右。由于该工 艺结合了序批式活性污泥法和生物膜反应器的共同优点，去除 效果良好。本文同时也对生物膜增长模型和有机底物的代谢模 型进行了验证，结果表明该工艺与表面反应模型之问有一定的 误差，不能很好有机污染物、氮磷的去除过程和降解速率。最 后本文就可能引起误差的因素进行了分析。 “馥镰馥 s t u d y o n n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a li nac o m b i n e d s b ra n db i o f i l mp r o c e s s a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n do r g a n i c s u b s t a n c er e m o v a l si nac o m b i n e dr e a c t o ro fb i o f i l m - s b rp r o c e s su s i n gd o m e s t i c w a s t e w a t e ra sf e e d t h ef a c t s t oi n f l u e n c er e m o v a le f f i c i e n c i e so fo r g a n i c s u b s t a n c e ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，s u c ha sa l k a l i n i t y , t e m p e r a t u r e ，t h er a t i oo f c a r b o nt on i t r o g e n ，t h er a t i oo fc a r b o nt op h o s p h o r u s ，d i s s o l v e do x y g e na n ds r t , a r e e m p h a t i c a l l y s t u d i e d i ti ss h o w nt h a tt h r o u g ht h ec u l t i v a t i o n ，r e m o v a l e f f i c i e n c i e so fc o d t o t a l - na n dt o t a l - pr e a c hm o r et h a n9 5 ，9 0 a n d9 8 ， r e s p e c t i v e l y t h i sp r o c e s s o b t a i n ss a t i s f a c t o r yr e m o v a le f f i c i e n c i e s ，b e c a u s ei t c o m b i n e st h em e r i t so f s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o ra n db i o l o g i c a lf i l mr e a c t o la sa r e s u l t ，t h i sp a p e rv a l i d a t e st h e k i n e t i c so fb i o f i l mg r o w t h ，s u b s t r a t er e m o v a l ， n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw i t hb i o f i l m s b r ，w h i c hd o e s n ta c c o r dw i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h eb i o f i l mm o d e ld o e s n t c o r r e c t l y d e s c r i b et h e s u b s t r a t er e m o v a la n dm e t a b o l i cr a t i o n f i n a l l yt h ef a c t st oc a u s et h ee r r o rb e t w e e n e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h eb i o f f l mm o d e la r ca n a l y z e d k e yw o r d ：s b r n i t r o g e np h o s p h o r u s b i o - f i l mm o d a l 致谢 衷心感谢我的导师张之源教授对我论文的选题、课题研究 以及论文写作等方面提出的宝贵意见。导师严谨的治学态度， 一丝不苟的敬业精神，诲人不倦的高尚师德和平易近人的生活 作风永远值得我学习。 在论文的研究过程中，得到周元祥老师和环境科学研究所 各位老师的支持和帮助，在此一并表示深深的谢意。 感谢在我求学过程中给予我支持和帮助的所有老师和同 学，尤其感谢裘湛同学在试验过程中对我的帮助。 。点；雏 2 0 0 2 年3 月 合肥工业大学硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 - 4 图1 5 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 - 2 3 图3 2 4 图3 - 2 5 插图清单 生物脱氮工艺的三种基本类型 三级生物脱氮工艺流程 二级生物脱氮工艺流程 单级生物脱氮系统的演变 s b r 工艺的基本运行操作 序批式反应器的装置示意图 s b r 反应器同时脱氮除磷的运行方式 s b r 反应器的运行模式示意图 各种运行方式下c o d 的去除过程曲线 运行方式1 的氮磷去除过程曲线 运行方式2 的氮磷去除过程曲线 运行方式3 的氮磷去除过程曲线 运行方式4 的氮磷去除过程曲线 运行方式5 的氮磷去除过程曲线 运行方式6 的氮磷去除过程曲线 运行方式7 的氮磷去除过程曲线 不同碱度条件下c o d 的去除过程曲线 碱度条件l 时氨氮和硝态氮的去除过程曲线 碱度条件2 时氨氮和硝态氮的去除过程曲线 不同碱度条件下磷的去除过程曲线 两种条件下碱度的变化过程曲线 两种条件下p h 的变化过程曲线 混合液中溶解氧浓度的变化( 运行6 ) 溶解氧对硝化反硝化的影响 溶解氧浓度对除磷的影响 c o d 有机负荷与氨氮去除率的关系 c o d 有机负荷与总氮去除率的关系 c o d 有机负荷与总磷去除率的关系 碳氮比与氨氮去除率之间的关系 碳氮比与总氮去除率之间的关系 不同碳氮比条件下c o d 的去除过程曲线 。泰， 翰姻埘删椰彻彻彻彻彻婀婀婀婀删删删删删枷椰删删 _ - 一 _ - 一 - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 合肥工业大学硕士学位论文 图3 2 6 碳氮比为1 3 2 时氮的去除过程曲线 图3 2 7 碳氮比为8 4 时氮的去除过程曲线 图3 2 8 碳氮比为4 6 时氮的去除过程曲线 图3 2 9 不同碳磷比进水条件下的平均总磷去除率 图3 3 0 有机物、硝酸盐氮和磷酸盐浓度的变化 图3 3 l 脱氮除磷效率与泥龄之间的关系 图4 1 生物膜增长动力学模型的模拟 图4 也生物膜最大比增长率的确定 图4 3 进水底物浓度对生物膜总量的影响 图4 - 4 溶解氧对生物膜增长率的影响 图4 5 溶解氧对生物膜净增长率的影响 图4 6 生物膜的表面状态 图4 7s b r 反应器的物料衡算图 图4 8 底物浓度随时间的变化曲线 图4 9 生物除磷过程生化反应模式 图4 - 1 0 厌氧条件下同时释磷和反硝化的代谢模型 芸礼。 删埘删鞠聊删啪鹕棚棚棚删删删 二| 合肥工业大学硕士学位论文 表格清单 表2 1 测试指标及方法 表2 2 培养驯化期间的去除效果 表3 1 各种运行模式下有机物、氮磷的去除效果 表3 2 两组不同碱度条件下的进出水水质指标 表3 3 两组不同碱度条件下的操作参数 表3 4 不同温度条件下有机物、氮磷的去除率 表3 5 泥龄与除磷率的关系 。巍瓤；囊。“。媳孰_ 盘瀛。l ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 8 ) ( 2 2 ) ( 2 8 ) 合肥工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 从6 0 年代初开始，水体的水质富营养化问题在全球范围内呈日益严重的 发展趋势。其危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类 健康，富营养化水体在很多用途方面都被认为是劣质水体。富营养化对水体功 能和水质的影响及危害主要表现在以下几个方面： ( 1 )使水味变得腥臭难闻，大大降低了水的质量，而且直接影响、烦扰人们 的正常生活，给人以不适的感觉。 ( 2 )降低水的透明度，水体的感官性状大大下降。 ( 3 ) 消耗水体的溶解氧，加速底泥中营养物质的释放，造成水体营养物质的 高负荷，形成富营养水体的恶性循环。 ( 4 )向水体释放有毒物质，这样不仅危害动物，而且对人类健康产生严重影 响 ( 5 )影响供水水质并增加制水成本。 ( 6 )扰乱水体正常的生态平衡，导致水生生物的稳定性和多样性降低。 ( 7 )鱼的种群结构发生变化，影响鱼的质量，从而导致渔业经济效益的明显 下降。 随着氮磷污染问题的尖锐化以及公众环境意识的加强，越来越多的国家和 地区制订了相当严格的污水氮磷排放标准和不同等级的实施规划。因此，近 2 0 3 0 年来，污水的氮磷去除技术一直是污水处理领域的研究开发和应用热 点。排放标准的内容和数值指标也在不断改进，考核标准越来越严格，例如， 允许排放的数量和浓度越来越低，氮的考核内容由单一的氨氮发展到总氮( 氨 氮、硝态氮、有机氮) 。 自1 9 8 3 年国际水污染控制协会( 国际水质协会的前身) 在哥本哈根组织召 开第一次氮磷去除国际会议之后，各种类型的氮磷去除技术国际会议一直不断。 国际水质协会将氮磷营养化的去除列为主要的议题之一。 我国是发展中国家，社会经济总体发展水平明显落后于西方工业化国家。 但改革开放以来，我国的社会经济得到快速发展，工业化和城市化程度不断提 高，加上工农业生产尚未摆脱粗放型的生产经营模式，以及实施污染治理政策 方面的一些失误，城市和工业污水排放总量不断增加的同时，氮磷化合物排放 总量也明显增加，导致水体环境污染和水质富营养化状况日益严重。在许多地 区，防止饮用水源污染和水体富营养化已成为防治水污染的重要问题。 1 2 污水生物脱氮除磷技术的发展 1 2 1 污水生物脱氮技术 - 0i焉磊! 夏_ _ 纂；戛：瑟瑟蠹。l 合肥工业大学硕士学位论文 在生物脱氮系统中，不但要去除有机物，还要将污水中的含氮物质通过生 物硝化反硝化作用转化为氮气，最终从污水中除去。生物脱氮包括下面三个过 程： 1 ) 同化过程，污水中一部分氨氮被同化为新细胞物质，以剩余污泥的形式去 除； 2 ) 硝化过程，即硝化菌将氨氮转化为硝态氮 3 ) 反硝化过程，即反硝化菌将硝态氮转化为氮气，然后使氮气从污水中释入 大气。 利用这三个过程进行生物脱氮的工艺流程有三种基本类型，如图卜1 所示。 过j 基五e 叫二茧至二 - 蚤i i i ： 帆分级碳氧化、硝化和反硝化 b 碳氧化硝化，单独反硝化 c 碳氧化硝化和反硝化合并处理 图卜1 生物脱氮工艺的三种基本类型 图i - i a 是一种三级生物脱氮处理方式，其工艺流程如图i - 2 。 图卜2 三级生物脱氮工艺流程 在上图所示的生物脱氮方式中，第一级去除含碳有机物，第二级将第一级 的出水进行硝化处理，第三级将第二级出水中的硝酸盐转变为氮气。第一级和 第二级应维持好氧状态，第三级则应维持缺氧条件，不进行曝气，只采用搅拌 使污泥处于悬浮状态并与污水有良好的混合。在这种工艺中，含碳有机物大部 分在第一级生物处理构筑物内被去除，第二级处理构筑物进水的b o d 。t n 。比值 小于3 ，因此，硝化菌比率较高，硝化速度较快。但是在硝化过程中同时消耗碱 度，使p h 值下降，进而降低硝化反应速度。如果原污水碱度不足，需要加碱调 节p h 值。在反硝化过程中需投加甲醇作为外加碳源。这种工艺的优点是好氧菌、 硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构筑物中，均可在各自最适宜的环境条件 2 。翻菇。1 台肥工业大学硕士学位论文 下生长繁殖，所以反应速度快，可以得到相当好的有机物去除效果和脱氮效果。 但是这种工艺流程长、构筑物多、附属设备多，投资费用高。 图卜1 b 是一种二级生物脱氮处理方式，其工艺流程如图卜3 ： 污泥回流排泥污泥回流排泥 图1 - 3 二级生物脱氮工艺流程 该工艺将含碳有机物的氧化、有机氮的氨化和硝化合并在一个生物处理构 筑物中进行，系统中减少了一个生物处理构筑物，但仍需投加外加碳源。该系 统的优缺点与三段生物脱氮处理方式相似。 在图i - l c 所示的生物脱氮方式中，将含碳有机物和氧化、硝化和反硝化 在一个构筑物中实现，即单级生物脱氮处理方式。在该系统中，不需要补充外 加碳源，利用污水中的含碳有机物或微生物内源代谢产物作为反硝化的电子供 体。单级生物脱氮系统有多种形式，如以微生物代谢产物为反硝化碳源的 w u h r m a n n 工艺、以污水中含碳有机物为反硝化碳源的l u d z a c k e t t i n g e r 工艺、 厌氧缺氧好氧( a 2 0 ) 工艺、v i p ( v i r g i n i a i n i t i a t i v ep l a n t ) 工艺和 u c t ( u n i v e r s i t yo fc a p e t o w n ) 工艺等，这些工艺中均只有一个缺氧区；而 b a r d e n p h o 工艺和改良型u c t 工艺是具有两个缺氧池的单级生物脱氮工艺，上 述各工艺流程如下： a w u h r m a n n 脱氮工艺 b l u d z a c k e t t i n g e r 脱氮工艺 t 卦瓤罐 j 熬麓 一毫毫a 巍。：糕惫妊魏鍪懑 合肥工业大学硕士学位论文 混合液回流 鉴悃培同流污泥翻i 奈靖泥 c 改良l u d z a c k e t t i n g e r 工艺 混合液回流( 1 0 0 - 3 0 0 ) d a 2 o 除磷脱氮工艺 混合液回流4 0 0 e 四段b a r d e n p h o 脱氨工艺 混合液回流4 0 0 f 五段b a r d e n p h o 脱氨工艺 g u c t 除磷脱氨工艺 缸沁二： 水 水 台肥工业大学硕士学位论文 缺氧混合液回流( 1 0 0 2 0 0 ) 硝化混合液回流( i 0 0 2 0 0 ) h 改良型u c t 工艺 图卜4 单级生物脱氮系统的演变 以内源代谢产物为碳源的单级生物脱氮系统由w u h m a n n 首先提出“1 ，称为 w u h r m a n n 工艺，如图i - 4 a 。该工艺流程由两个串联的反应器组成，第一个生化 反应器为好氧反应器，污水在其中进行含碳有机物、含氮有机物的氧化及氨氮 的硝化反应。硝酸盐利用第一个好氧反应器中微生物内源代谢物质作碳源进行 反硝化。这种脱氮工艺的优点是不需投加甲醇作为外加碳源，但由于以微生物 内源代谢物质作碳源，反硝化速率很低，势必使缺氧池容积变大。该工艺并未 在生产上得到实际应用，但它是单级生物脱氮系统的先驱。 1 9 6 2 年，l u d z a c k 和e t t i n g e r 首次提出利用污水中可生物降解的有机物作 为反硝化碳源的碳氧化硝化反硝化工艺。1 ，其工艺流程示于图卜4 b ，由两个反 应器串联组成，而且两个反应器内的流体保持相连。污水在第一个反应器中只 搅拌不曝气，维持缺氧状态。第二个反应器进行曝气使含碳有机物氧化并产生 硝化作用。但是由于两反应器问的液体交换缺乏控制，因此脱氮效果受到影响。 1 9 7 3 年，b a r n a r d 提出了改良型的l u d a c k e t t i n g e r 工艺，即m l e ( m o d i f i e d l u d a c k e t t i n g e r ) 工艺，如图卜4 c 所示。该工艺将缺氧反应器和好氧反应器完 全分离，并增加了从好氧反应器至缺氧反应器的混合液回流，从而提高了系统 的脱氮效率。在生物除磷的a o 工艺厌氧池和好氧池中间增加一个缺氧池，即 成为如图卜4 d 所示的厌氧缺氧好氧工艺( a 2 o ) 。在缺氧池前设置的厌氧池， 起厌氧选择器的作用，可以促进菌胶团的细菌繁殖并抑制丝状菌在缺氧池和好 氧池中的繁殖。后来，b a r n a r d 提出在m l e 工艺好氧池后再增加一个缺氧池， 如图1 - 4 e 所示，这种工艺称之为四阶段b a e d e n p h o 工艺。在四阶段b a r d e n p h o 工艺流程前端再增加一个厌氧池，称为五阶段b a r d e n p h o 工艺，如图卜4 f 。所 增加的厌氧池使该工艺具有脱氮除磷功能。如果无除磷要求的，工艺前端的厌 氧池也可作为生物选择器，抑制丝状菌的繁殖。 为了消除回流污泥中携带的硝酸盐对工艺的不利影响，南非开普敦大学研 究提出了如图1 - 4 g 所示的u c t 工艺，这种工艺与m l e 工艺和a 2 o 工艺的不同 之处在于最终沉淀池回流污泥不是回流到a 2 o 工艺的厌氧池而是回流到缺氧 池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系 蹦翁菇鑫滋霪 合肥工业大学硕士学位论文 统的除磷效率。此外该工艺还增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流。v i p 工 艺流程与u c t 工艺很相似，主要有两点不同。其一：v i p 工艺中厌氧、缺氧和 好氧三个反应器都是由各个完全混合反应点串联组成的，代替u c t 工艺中每一 段的单个生化反应器，这样使在有机物浓度较高的第一个好氧反应器中强化了 磷的吸收速率，改善了系统的除磷效果；其二：v i p 工艺有机负荷比u c t 工艺 高，可以采用比u c t 短的泥龄，所以v i p 工艺反应器容积比u c t 工艺小。 如图卜4 h 所示，在厌氧池和好氧池中间再增加一个缺氧池，称为改良型 u c t 工艺。其中第二缺氧池并不是利用内源代谢作反硝化碳源，只是对由好氧 池回流的硝酸盐氮进行反硝化。第一缺氧池利用污水中的含碳有机物作碳源对 回流污泥带入第一缺氧池中的硝酸盐氮进行反硝化。该系统包括两个内回流。 其中一个是从好氧池至第二个缺氧池的内回流，另外一个是第一缺氧池至厌氧 池的内回流。这种工艺旨在减少进入厌氧池的硝酸盐数量。这种工艺形式可以 通过提高好氧池至第二缺氧池混合液回流比提高系统脱氮率，也可通过第一缺 氧池至厌氧池的回流减少硝酸盐氮对厌氧池除磷功能的干扰。 此外还有多缺氧区的单级生物脱氮系统，如氧化沟0 1 ( o x i d a t i o nd i t c h ) 、 序批式活性污泥法“( s e q u e n c i n 8b a t c ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 和循环 曝气系统( c y c l i c a la e r a t e ds y s t e m ) 等。如s b r 脱氮工艺，该系统可以采用限 制曝气或半限制曝气的运行方式在时间序列上实现缺氧好氧或厌氧缺氧好 氧的组合并控制每一部分合适的时间比例，就能得到较好的脱氮或脱氮除磷效 果。作为生物脱氮工艺，由于不需要a o 系统那样的污泥回流和混合液回流， 因而降低了运行费用。 与传统的多级生物脱氮工艺相比，单级生物脱氮工艺的优点很多，其流程 简单，构筑物少，医此可以大大节省基建费用，同时运行费用低，占地面积少； 缺氧段可起到生物选择器的作用，可改善活性污泥的沉降性能，以利于控制污 泥膨胀；可以补偿硝化过程中对碱度的消耗；以原污水中的含碳有机物和内源 代谢产物作为反硝化的碳源物质，节省了投加外碳源的费用。但是单级生物脱 氮系统脱氮效率低于多级生物脱氨系统，对污水中的有毒有害物质也较敏感。 1 2 2 污水生物除磷技术”1 城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐( 简称磷或总 磷) ，其主要来源于：人类活动的排泄物及废弃物、工商企业、合成洗涤剂和 家用清洗剂。 在常规的二级生物处理系统中，b o d 的生物降解过程伴随着微生物菌体的 合成，磷作为微生物正常生长所需要的元素也成为生物污泥的组分，从而引起 磷的去除。在常规的活性污泥系统中，微生物正常生长时活性污泥含磷量一般 为干重的1 5 2 3 ，通过剩余污泥的排放仅能获得1 0 3 0 的除磷效果，主 6 ，蕊i 纛。蠹矗篷l 合肥工业大学硕士学位论文 要取决于进水b o d t p 比值、泥龄、污泥处理方法及处理液回流量等因素。 污水生物除磷技术的发展起源于生物超量除磷现象的发现，即微生物吸收 的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量，通过污水生物处理系统的设计改进 和运行方式的改变，使细胞含磷量相当高的细菌群体能在处理系统的基质竞争 中取得优势。 早在1 9 5 5 年，g r e e n b u r g 等人就提出活性污泥可吸收超过微生物正常生长 所需要的磷量“1 。根据l e v i n 和s h a p i r o 的说法，最早报道污水处理厂污泥出 现生物除磷现象的是在印度的s r i n a t h 、d i l l a 等人( 1 9 5 9 ) 和在美国的 a l a r c o n ( 1 9 6 1 ) ，他们各自独立观测到活性污泥出现这样的特殊现象：有时活性 污泥从液相去除的磷量超过正常的代谢需求，而且磷的去除量似乎与曝气强度 有关。活性污泥经过充足的曝气之后，混合液的溶解磷的浓度可迅速降低，甚 至降到接近o m g l ，但如果连续曝气的话，磷又会重新缓慢释放到液相中。但 是s r i n a t h 等人当时对超量释磷的原因一无所知。 通过7 0 年代所开展的研究工作才弄清了除磷所需的运行条件，并有意识 地将其工程化，设计、建成了生产性污水生物除磷工程。许多学者提出的经验 设计准则为后来的研究提供了重要的基础，他们认为下列运行条件有利于生物 除磷：1 ) 推流式曝气池，污水仅在入口端进；2 ) 反向渐减曝气，曝气池的后 部有足够的溶解氧( 大于2 m g l ) ；3 ) 避免硝化的发生。这些准则体现了污泥 在厌氧好氧状态下交替循环的重要性，并需要在厌氧区投加基质。 到8 0 年代和9 0 年代，通过全面的基础研究、生产性实验和工程运行总结， 污水生物除磷技术不管是理论还是实践都有重大的进展和突破。总的来说，污 水生物除磷技术经历了5 个发展阶段： 1 ) 对具有明显除磷能力的污泥和生产性污水处理厂进行了观测和试验研究， 证明了除磷作用的生物学本质和生物诱导化学沉淀的辅助作用。 2 ) 认识到好氧区之前设置厌氧接触区，污泥进行厌氧好氧交替循环的必要 性，从而开发了多种生物除磷工艺流程，并开始工程化应用： 3 ) 在试验研究和工程实践中，认识到避免缺氧和好氧性电子受体( 硝态氮和 溶解氧) 进入厌氧区的必要性，开发了优化生物除磷性能的工艺技术和运 行技术； 4 ) 认识到简单低分子量( 可快速生物降解) 基质的作用及存在的必要性，引 入了生物化学和生物力能学理论，使污水生物除磷技术进入了定量化模拟 和优化阶段； 5 ) 人工强化除磷系统中，供给快速生物降解基质( 低分子有机物) ，同时建 立了污水生物除磷的数学模型，使污水生物除磷技术在世界范围内得到了 广泛的重视和应用。 7 曩蠹誊氛施遴。餮 合肥工业大学硕士学位论文 1 3 序批式反应器的发展 序批式生物膜反应器是在序批式活性污泥反应器中引入生物膜的一种新 型复合式生物膜反应器，近年来引起了研究者们的兴趣。 序批式活性污泥法( s b r ) ，也称间歇式活性污泥法，是污水活性污泥生化 处理系统的先驱。早在1 9 1 4 年，a r d e n 和l e c k e t 首次提出活性污泥法的概念 时，采用的操作方式就是间歇式的，当时称为充入排出处理法( f i l la n dd r a w p r o c e s s ) 。但由于受到当时的监测与自动控制技术水平的限制，这种间歇操作 方式只适用于小规模的污水处理。2 0 年代后，由于污水处理厂的规模逐渐趋于 大型化，同时由于间歇操作烦琐、曝气装置易于堵塞等原因，连续式的处理方 法取代了间歇式处理方法，使其未能得以发展和应用。 近年来，随着监测与测试技术的飞速发展，大量新设备被研制出来，如溶 解氧测定仪、电动阀、气动阀、电磁阀、水位计、自动计时器，特别是计算机 自动控制系统的应用，使监测手段趋于自动化，初期的s b r 反应器间歇运行的 复杂操作问题得以解决。随着自动化程度的不断提高，同时连续式活性污泥法 的运行日趋复杂化。2 0 世纪7 0 年代初，为了解决连续式污水处理法存在的问 题，由美国i r v i n e 教授等人所发起，对序批式活性污泥法进行了重新评价和 研究，认为该工艺的优点有”“”：投资少，操作简单；理想的推流过程使生化 反应推力大，效率高；序批式活性污泥法还可有效地控制丝状菌的生长并防止 污泥膨胀；污泥沉淀效果好，且易浓缩；该工艺还可有效的进行脱氮除磷捌“。 随着研究的不断深入，该工艺方法的机理和优越性逐渐被认识，同时随着污水 处理设施的小规模分散化发展以及氮磷排放标准的日益提高，能适应这种趋势 的s b r 工艺得到前所未有的发展。1 9 8 0 年i r v i n e 等人将美国印地安那州日流 量为1 4 3 7 立的连续流活性污泥法系统改建成s b r 系统，b o d 。和s s 去除率达 9 4 左右，n h 。一n 去除率达5 3 。 继i r v i n e 之后，在日本、澳大利亚等国也都进行了对s b r 工艺的研究。 至1 9 9 1 年，美国已有1 5 0 座污水处理厂采用s b r 工艺，我国于1 9 8 5 年建成首 座处理肉类废水的s b r 处理系统后，又陆续在城市污水和鱼品、啤酒、制药等 工业污水方面有所研究和应用“”“”。从美国、加拿大和日本等国家的应用情况 看，s b r 是一种高效、经济、可靠、管理简便、适合中小水量污水处理的工艺， 是符合我国国情的污水处理工艺，有广阔的应用前景。 序批式活性污泥法与传统的连续活性污泥法的主要不同在于曝气、沉淀和 澄清均在同一反应器内进行的，而后者的曝气、沉淀和澄清则是分别在曝气池 和沉淀池内进行的。就目前的操作来讲，序批式活性污泥法一般依序进行如下 五个工序过程，即进水、反应( 曝气) 、沉淀、排放和闲置，见图卜1 。 另一方面，与传统的活性污泥法相比，生物膜反应器操作简便，剩余污泥 少，抗冲击负荷等优点。具体来讲，该工艺具有如下几个方面的特征： 0 鞲滋穰蕊滏薹 合肥工业大学硕士学位论文 进水阶段反应阶段沉淀阶段排水( 排泥) 阶段闲置阶段 图1 - 5s b r 工艺的基本运行操作 1 微生物相多样化，生物的食物链长，并能有存活世代时间较长的微生物。 2 微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高。 3 污泥沉降性能良好，易于固液分离；剩余污泥产量少。降低污泥处理与处 置费用。 4 。耐冲击负荷，对水质水量变动具有较强的适应性，并能处理低浓度的污水。 基于上面所述的序批式活性污泥法的工艺过程及有关特征，再加上生物膜 反应器本身内在的优点，将生物膜的优势引入到悬浮生长处理系统形成组合工 艺，充分利用各自的优点，这样一种新型序批式生物膜反应器就应运而生“”。 f a n g 等人用序批式生物膜反应器处理合成污水的小试研究中“”，发现采用软纤 维填料作为生物膜附着载体可以更有效地去除c o d 和n h 。一n ，与传统的s b r 相 比，序批式生物膜反应器因省去沉淀工序而使整个周期缩短；而且生物膜内部 能进行有效的反硝化作用。 1 4 选题的目的及内容 为了全面消除水环境的严重污染，西方发达国家在6 0 一7 0 年代开始全面普 及污水的二级处理。但是常规二级生化处理的去除目标是有机污染物和悬浮固 体，对污水中同时存在的氮、磷等营养物只能去除其中的一小部分，残存的大 部分氮磷将随着出水排放到受纳水体，并汇同其它来源的氮磷营养物，使受纳 水体的富营养化呈上升趋势。所以，常规二级污水处理的普及并不能全面解决 水污染问题。 同时，在常规的生物脱氮除磷工艺中，污泥在厌氧、缺氧和好氧段之间往 复循环，该污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其他多种微生物组成。由于 不同菌群的最佳生长环境不同，脱氮与除磷之间存在矛盾，所以实际应用中， 经常出现脱氮效果好时。除磷效果较差；而除磷效果好时，脱氮效果不佳的情 形“”。主要原因是各个因素之间互相影响，相互制约。比如，硝化菌世代繁殖 时间长，要求较长的泥龄，但磷从系统中去除主要是通过剩余污泥的排放，因 此，提高效率要求缩短泥龄“”。 本课题针对常规生物脱氮除磷工艺存在的问题，将生物膜法与活性污泥法 9 ，。疆纛纛囊豢擅 合肥工业大学硕士学位论文 结合在一起，充分利用各自的优势，而将其相互影响，相互制约的因素加以分 解，使不同菌类生长在各自的最佳环境条件下，因而脱氮和除磷效果可同时达 到最佳状态。 本课题所研究的主要内容如下： 1 ) 确定同时脱氮除磷工艺中好氧厌氧时间段的分配 2 ) 分别从溶解氧、碱度、碳氮比、碳磷比、污泥负荷及泥龄等各个方面 来分析这一复合系统脱氮除磷的特性。 3 ) 对生物膜底物去除动力学模型进行验证，并对试验结果与理论模型之 间的差别进行分析。 1 5 课题的意义 我国的城市污水处理尚处于发展阶段，污水脱氮除磷方面的研究和应用规 模化、系统化的工作较少“”。据统计，我国城市污水集中处理率仅为7 ，而且 现有的城市污水处理厂绝大多数不具备脱氮除磷的能力，8 0 的污水未经有效 处理就排入江河湖泊，使我国的水污染和水质富营养化问题日益加剧。严重的 水污染不但严重制约国民经济的可持续发展，造成相当可观的经济损失，而且 对人民生活和身体健康，甚至对人民的基本生存条件造成了很大威胁。在许多 地区，防止饮用水水源污染和水质富营养化已经成为防治水污染的重要问题。 在此背景下，污水除磷脱氮技术曾被列为“七五”和“八五”国家及省市重点 科技攻关计划。中国市政工程华北设计研究院、华东师范大学、上海市政工程 设计院、北京市环境保护科学研究院、同济大学、清华大学、天津市污水研究 所、天津市市政工程设计研究院等几十个单位先后开展了污水除磷脱氮技术的 研究、开发和工程应用。因此，研究污水的脱氮除磷，探索适合我国国情且经 济有效的方法有很重要的实际意义。同时，该研究作为中德合作项目“巢湖富 营养化治理技术研究”的一部分，对于解决城市水体、湖泊的富营养化问题有 一定的参考价值和借鉴意义。 1 0 合肥工业大学硕士学位论文 第二章材料与方法 2 1 试验装置 试验所用反应器为2 0 3 0 x 4 0 a m 的有机玻璃槽，有效容积为1 8 l ，反应器 内放置y d t 弹性立体填料，填料高度为1 5 c m ，上下固定，使生物膜附着于填料 表面。该复合系统兼有接触氧化和s b r 工艺的特点。由时间程序控制器控制进 图2 - 1 序批式反应器的示意图 水、厌氧、曝气、沉淀和排水全过程，并根据需要选定各段的启动、关闭时间。 混合液的s v 、s v i 、m l s s 和m l v s s 等运行参数采取定期取样测定，并根据参数 分析判断反应器的运行状况，及时加以调整。d o 、p h 和温度由在线测定仪测 定。 2 2 试验用水 琥珀山庄污水处理厂处理水是来自于琥珀山庄小区的生活污水。本试验采 用琥珀山庄污水厂的沉沙池出水作为进水。各项水质指标为：c o d 为4 0 0 5 0 0 m g l ，b o d s 为1 5 0 2 0 0m g l ，n 如一n 在3 5 m g l 左右，t 在4 0 m g l 左右， t n 在4 0 m g l 左右，t p 在6 5 m g l 左右。 2 3 测试指标及方法 生物膜指标：与微生物的悬浮培养不同，生物膜是固定在载体的表面，很 难直接测定。一般在分析以前首先把生物膜从载体表面剥落下来。生物膜的剥 落技术在生物膜的多项分析中起着关键作用，剥落回收率的高低直接影响分析 x i 蕊落薮冀；塞遽霪 一矗赫 合肥工业大学硕士学位论文 的精确度，常用的生物膜剥落技术有机械剥落“、超声剥落和超声+ 化学剥落 1 1 1 。鉴于试验条件所限，本试验中采用机械剥落法，而且载体形状规则、表面 光滑，由此引起的误差是可以允许的。 生物膜干重：首先从生物膜反应器中取出一定量的生物膜载体，用蒸馏水 轻轻冲洗，以便去除未固定的生物景。经过洗涤的生物载体，用机械剥落法将 生物膜剥落。将含有生物膜的溶液经事先称重的0 4 5 u m 滤膜过滤。把滤膜置 于温控在1 0 5 c 的烘干箱内，烘至恒重。过滤前后滤膜的重量之差即为剥落生 物膜重。把生物膜绝对干重折算成单位载体表面或单位反应器体积所有的生物 膜量，即为生物膜干重。 可挥发性生物膜量：测定了生物膜干重后。将样品再置于5 5 0 的马福炉 内灼烧到恒重，一般1 5 m i n 即可。经灼烧后总干重的失重即为可挥发性生物膜 部分。 生物膜厚度：采用直接显微法，操作方法为：从反应器中取出生物膜样品， 直接放置于显微镜观察平台上并加以固定。选定观察倍数后，对生物膜表面进 行对焦，直至获得清晰图象，记下此时的显微镜微调刻度数。然后继续通过微 调钮调节物镜对载体表面进行对焦直至获得对载体表面的清晰图象，记下此时 的微调钮读数。两次成像时，微调钮读数之差，经校正后，即为所测生物膜厚。 要在生物膜表面各处测量后取其平均值作为生物膜的观察厚度。 生物膜c o d ：按照测生物膜干重时，将生物膜剥落，剥落后的样品由传统法 测定生物膜c o d 表2 - 1 水质指标及测试方法一览表 水质指标测试方法 b o d 。标准稀释倍数法 c o d 。，快速重铬酸钾法 n 1 3 一n钠氏试剂分光光度法 t n k ，消解后，钠氏试剂分光光度法 n 0 3 - n紫外分光光度法 m l s s 过滤后于1 0 5 c 烘至恒重 m l v s s 过滤后于5 5 0 c 的马福炉中灼烧至恒重 p 0 4 - p 氯化亚锡还原光度法 t p 硝酸一硫酸消解后，氯化亚锡还原光度法 碱度电位滴定法 2 4 污泥驯化及挂膜 1 2 夏i 蠢撼! 滋遵 合f l i 业大学硕士学位论文 取琥珀山庄污水处理厂内氧化沟的回流污泥，沉降后弃去上清液，以沉降 污泥作为菌种进行培养。期间采取的运行方式为：进水l h ，曝气6 h ，沉淀和 排水1 h 。此阶段主要是为了培养活性污泥。大约两周后，填料上有稀薄的菌 胶团和大量的游离细菌，但结合较为疏松。之后继续进水，并调整运行状态为： 进水( 搅拌) l h ，曝气3 h ，厌氧2 h ，曝气l h ，沉淀排水1 5 h 。该阶段主要是 为了培养驯化硝化菌、反硝化菌和聚磷菌。培养驯化阶段的主要运行结果如表 2 - 2 。在c o d 去除率达9 5 ，n h ，一n 去除率达9 0 ，t n 去除率达8 0 ，t p 去除率 达9 0 时驯化结束，开始投入正常的运行阶段。 表2 2培养驯化期间的去除效果( 单位为m g l ) 日c o d c fn h a - nt nt p 期进出去除进出去除 进出去除进出去除 水水 率( ) 水水 率( ) 水水 率( ) 水水 率( ) 3 2 l4 4 71 0 77 63 4 12 66 34 1 21 9 85 25 8 53 4 54 1 3 2 44 6 41 2 67 33 3 49 _ 37 23 9 51 6 25 96 1 0 3 3 64 5 3 2 74 7 59 08 l3 0 58 27 33 8 71 4 36 35 8 7 2 8 85 l 3 _ 3 04 2 64 3、9 02 8 75 78 03 7 91 4 06 36 2 5 2 5 65 9 4 24 8 95 98 83 4 66 98 04 0 81 4 36 56 1 4 2 1 5 6 5 4 55 1 l4 69 13 5 16 78 14 1 71 3 86 75 9 11 7 17 l 4 84 5 93 29 33 0 64 68 53 9 11 1 7 7 05 9 51 4 97 5 4 1 14 3 82 69 42 9 53 58 83 8 5l o 47 36 0 81 0 9 8 2 4 1 44 6 21 49 73 2 33 68 93 9 69 97 55 7 30 9 78 3 4 1 74 9 11 79 63 4 23 19 14 1 89 1 97 85 9 5 0 6 58 9 4 2 04 8 2l o9 83 3 72 49 34 0 57 7 引6 0 50 6 19 0 4 2 35 0 71 59 73 4 52 49 33 8 97 8 8 05 9 80 5 49 1 。巍；涵。：靠锄：。爨? 滏；鎏 合肥工业大学硕士学位论文 第三章结果与讨论 3 1 运行模式的确定 由于s b r 系统是在一个反应器中的不同运行阶段完成脱氮和除磷的不同 过程的，因而为了获得良好的处理效果，进行合理的运行控制设计便显得尤为 重要。所有生物除磷工艺的一个共同特征是厌氧区的设置，使聚磷菌( 贮磷菌) 吸收基质，产生选择性增殖。但在该工艺中，污水生物除磷工艺构造的设计变 革是基于硝化和反硝化方面的考虑，使处理系统在发生硝化反硝化的情况下也 能保证良好的除磷性能。图3 1 所示为考虑脱氮和除磷所需运行条件而提出的 改进操作流程。混合液的初始体积为8 l ，反应器的有效容积为1 8 l 。充水阶段 进水流量恒定，为1 0 l m 。各段的时间为：充水时间1 h ，排水时间0 2 5 h ，沉淀 时间为0 7 5 h ，反应时间为7 h 。 进水搅拌曝气停曝搅拌沉淀排泥排水 图3 一ls b r 反应器同时脱氮除磷的运行方式 为保证污泥在厌氧条件下充分利用进水中基质进行磷的充分释放。进水期 严格采用限量曝气- 搅拌的方式，同时严格控制d o 不大于o 2 m g l 。曝气阶段 除进行有机物的分解外，需保证硝化和摄磷的运行条件，需要有足够的运行时 间和溶解氧。在曝气阶段结束后，为保证良好的脱氮效果，增加一道停曝搅拌 过程，此阶段进行反硝化作用。由于此时混合液中含有较高浓度的硝酸盐，因 而磷的提前释放受到抑制。此阶段历时一般2 0 小时以上，时间延长，一方面 可提高脱氮效率，另一方面可降低进水阶段混合液中硝酸盐的浓度，有利于磷 的充分释放。为防止在沉淀阶段发生磷的提前释放，将排泥和沉淀阶段同时进 行，而将排水阶段置后。同时应将排泥和排水控制在较短的时间内完成。 3 2 试验结果 运行周期和各阶段运行时间的分配，对有机物降解、除磷脱氮影响较大， 为了确定释磷、硝化和反硝化所需时间，图3 - 2 中列出了各种时间的组合。 l 麓菇瀛i 纛溢；墓 合肥工业大学硕士学位论文 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 图3 - 3 3 1 0 是采用各种运行模式得出的污染物去除过程曲线。 图3 - 2s b r 反应器的运行模式示意图 o123456