（环境工程专业论文）强化ab法工艺氮磷脱除功能的试验研究.pdf

摘要 摘要 强化a b 法工艺氮磷脱除功能的试验研究 水体富营养化对城市水环境正常功能的发挥构成了严重威胁，加强污水处理，控制氮、磷等营养物 质进入水体是解决富营养化问题的关键措施之一。我国现行污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对城市二 级污水处理厂出水的氮磷指标提出了较为严格的要求，在此基础上，国家制定城镇污水厂污染物排放 标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) ，并对城镇污水处理厂氮磷排放提出了更高的要求。这样，不但新建污水处理厂 的出水须满足除磷脱氮要求，一些无除磷脱氮设施的原有污水厂也必须进行技术改造，使其具有氮磷脱 除功能。a b 法工艺具有工艺稳定，对有机物的去除效率高等优点。国内已有多家污水处理厂采用此工 艺。但由于a b 法工艺本身的局限性，脱氮除磷效果较差。为此，本文借鉴了国内外以往对a b 法工 艺及传统活性污泥法工艺的改造经验，以a b 法工艺污水厂实际生产进水为研究对象，采用间歇曝气工 艺对a b 法工艺氮磷脱除功能进行了小试研究。 在试验进行期间，由于污水厂a 段出水有机物含量较低，c n 比达不到脱氮除磷要求，在以a 段 出水进行试验时，脱氢除磷效果较差。但与污水厂实际运行情况相比，氨氮及总氮去除率仍有较大幅度 提高。 为增加进水碳源，在第一阶段试验中，从污水厂内部碳源方面考虑，采取了两种措施：( 1 懈a 段 污泥部分( 6 5 呦回流到b 段间歇曝气池；( 2 ) 保留a 段污泥回流到b 段间歇曝气段，同时将泥区硝化池 进泥经物化除磷处理措施后，按污水厂实际生产进水与水区排放到泥区泥量的比例将处理后的污泥引入 小试系统贮水箱进行试验。试验结果表明：在措施( 1 ) 、( 2 ) 中，系统对n i l 3 - n 和 in 的去除率有较大幅 度的提高，系统的脱氮效果令人满意。但没能实现生物强化除磷。分析主要原因在于系统碳源仍偏低， 不能同时满足生物脱氮除磷功能的需求。 为增加进水碳源，第二阶段从厂内、厂外两方面碳源考虑：厂内碳源采取的措施主要是保留a 段 污泥部分回流到间歇曝气池( b 段) + 厂外碳源采取的措施主要是投加乙酸钠，分别对4 种工况进行试验， 试验结果表明，投加外碳源可以取得满意的氮磷脱除效果。 此外，作者回顾了近年来国内外在生物脱氮除磷机理研究方面的进展，并在试验中初步探讨了各运 行参数对小试系统运行效果的影响，为后续试验各运行参数提供了参考。 关键词：废水处理生物氮磷去除强化a b 法间歇曝气 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e u r o p h i c a t i o ni sc o n s t i t u t e dac o n s i d e r a b l em e n a c et ou r b a na q u a t i ce n v i r o n m e n t a n dt h e r e m o v a lo f n - pf r o mw a s t e w a t e ri so n eo f t h em a i nm e t h o d sf o re u r o p h i c a t i o nc o n t r 0 1 i nc h i n a , 也ep r e s e n td i s c h a r g es t a n d a r df o rw a s t e w a t e r ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 、( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) p u tf o r w a r d s t r i c ts t a n d a r do nn - pf o rt h ee m u e n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h u s n o to n y n e w l y b u i l tw a s t e w a t e rp l a n t sm u s to b s e r v et h ed i s c h a r g es t a n d a r d , b u ta l s ot h ee x i s t i n g w a s t e w a t e rp l a n t sw i t h o u tn pr e m o v a lf i m c t i o nn e e dt oa m e l i o r a t et h et r e a t m e n tp r o c e s st o p o s s e s st h i sf u n c t i o n i nc h i n a , s e v e r a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t sa d o p tt h ea bp r o c e s sb e c a u s eo f i t ss t a b i l i t ya n dh i g ho r g a n i cc o m p o u n d sr e m o v a le f f i c i e n c y b u tt h en - pr e m o v a lc a p a e i t yo fa b p r o c e s si sc o m p a r a t i v e l yw e a k s ot h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ee x p e r i m e n tp r o j e c to fe n h a n c i n g t h en pr e m o v a le m c i e n c yo f a bp r o c e s s t h er e s u l to fi a b s c a l ee x p e r i m e n ts h o w st h a t ：d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , t h ec o do fe f f i u e n t o fas t a g ei sc o m p a r a t i v e l yl o wt h a tr e s u l t si n v e r yl o wc nr a t i o s ot h en pr e m o v a l e m c i e n c i e sa r eu n s a t i s f a c t o r yw h e nu s i n ge f f i u e n to f as t a g ea st h ei n f l u e n to f e x p e r i m e n t i no r d e rt oe n h a n c et h ec o n d e n s a t i o no fo r g a n i ca b s t r a c t i o no ft h ei n f l u e n t ，t w om e a s u r e s a r et a k e n ：( 1 ) t ob r i n gt h es l u d g eo fa s t a g et oi n f l u e n c eo fb s t a g ea tt h ec o n s t a n tr e t u r nr a t i o ( i nt h ee x p e r i m e n t ，i tw a s6 5 ) ；( 2 ) t or e m a i nt h em e a s u r em e n t i o n e da b o v e ，a tt h es a l n et i m e ， t a k et h es l u d g e ，w h i c hc o m ef r o ms l u d g ez o n ea n dh a v e b e e nd i s p o s e db yc h e m i c a lp r e m o v a l m e a s u r e s a tt h er e a lr a t i oi nt h ep l a n tt ot h ei n f l u e n to fl a b s c a l ee x p e r i m e n t a st ot h er e m o v a l o f t n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t , i nm e a s i l r e ( 1 ) a n d ( 2 ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h er e m o v a lo f n h 3 一 na n dt nh a v ei m p r o v e dg r e a t l yc o m p a r i n gt h ep r e v i o u s ，i ss a t i s f a c t o r y b u t , t h es y s t e md o e s n t a c h i e v ee x c e s sp h o s p h o r u sr e m o v e t h em a i nr e a s o ni ss t i l lt h ec o m p a r a t i v e l yl o wc 1 4r a t i o i nt h ef u r t h e re x p e r i m e n t s ，t oi n c r e a s e 也ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i ca b s t r a c t i o ni nt h e i n f i u e n t ，t w oa s p e c t sa r ec o n s i d e r e d f i r s t ，m a i n t a i nt h es l u d g er e t u r nm e a s u r eo fas t a g et ob s t a g ei nt h ep l a n t ；s e c o n d ，a d do r g a n i ca b s t r a c t ，w h i c hc o n c l u d et h e m a i nt y p e s _ 一n a a c ，t o t h ei n f l u e n t 。t h er e s u l tm a n i f e s t st l l a tt h es y s t e ma t t a i n ss a t i s f a c t o r yn pr e m o v a lr a t e i i la d d i t i o n ，t h i sp a p e rr e v i e w st h ep r e s e n td e v e l o p m e n t so ft h em e c h a n i s mr e s e a r c ho nt h e n i t r o g e nr e m o v a la n dt h ee n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h a t er e m o v a l a n dd i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo f s e v e r a lt o e 伍c i e n t st ot 1 1 el a b - s c a l ee x p e r i m e n t a le f f e c t a n da l s op r e s e n t ss u i t a b l ep a r a m e t e r so f c o e f f i c i e n t sf o rt h en e x te x p e r i m e n t k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，a bp r o c e s s ， i n t e r m i t t e n ta e r a t i o ns y s t e m ，o r g a n i ca b s t r a c t i i y9 2 8 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查垒兰日期：塑型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名! 丕望! 呈= 2 日期：2 卯 第一章前言 第一章前言 1 1 国内外研究现状及发展动态 1 1 1 氮磷污染的危害及水污染控制标准 i 氮磷的存在形式和危害 氮磷均为生物体的重要营养元素，自然界的氮以三种形式存在：分子氮、有机氮化合物和无机氮化合 物。在自然界物质循环中，三种形式的氮在微生物、植物和动物的协同作用下相互转化，构成氮循环；磷 包含三种形态的磷：含磷有机物( 例如核酸，植酸及卵磷脂) 、无机磷化合物及p h ，。 氮磷随污水进入水体后会产生多种危害：当水源水中氨氮浓度过高时，导致自来水中加氯量增加， 自来水中有机氯量也随之增加，对人体的健康不利；同时，水中较高浓度氨氮氧化时将消耗水中的溶解氧， 溶解氧的大量消耗会严重影响和威胁鱼类的生存：水中硝酸盐过量则会导致婴幼儿患上高铁血红蛋白症， 当饮用水中硝态氮( n 0 3 - n ) 含量高于l o m g l 时就可能导致6 个月以下的婴幼儿死亡；另外，硝酸盐和 亚硝酸盐转化为亚硝胺，则会产生“致癌、致变、致畸”的三致作用f 1 】：而更为普遍的是，氮磷等营养物 质进入水体会引起水体富营养化现象。 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是湖泊学的术语，指湖泊从贫营养湖向富营养湖发展，是其自身演替的过 程，也是自然衰亡的过程。富营养化分天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化一般非常缓慢，常需 几千年甚至上万年。常说的富营养化指人为富营养化，即人为排放含有营养物质的工业废水或生活污水， 使生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，水质中营养物质增多，促使大型 绿色植物和主要分布于水体上层的微型藻类等自养型生物旺盛生长，随着水体富营养化的发展，藻类的个 体数量迅速增加，而种类则逐渐减少，自然水体中本以硅藻和绿藻等为主，最后变为以蓝藻、裸藻或甲藻 为主，而此种藻类繁殖迅速，生长周期短，有限的营养物质在短期内能一再被重复利用，一旦遇适宜环境 就暴发性地繁殖，致使水体中溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。 富营养化的指标大致分为物理、化学和生物学三种。判断水体富营养化通常采用的指标是：氮含量超 过0 2 - - 0 3 m g l ，p 含量大于o 。0 1 0 0 2 m g l ，b o d 大于1 0 m g l ，p h 值7 9 的淡水中细菌总数超过1 0 万 个毫升，叶绿素a 含量大于1 0l ag l 】。 目前，富营养化一词是湖泊、近海赤潮、河流附着藻类大量增长等的统称，习惯上人们把藻类大量繁 殖，水体表面颜色发生变化的现象又称为“水华”。 富营养化对水体的影响及危害主要表现为如下七方面【2 j ：( 1 ) 使水味变得腥臭难闻；( 2 ) 降低水体的透 明度；( 3 ) 影响水体的溶解氧；( 4 ) 向水体释放有毒物质；( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本；( 6 ) 对水生生 态产生影响：( 7 ) 对渔业的影响。 历史上，最早关于富营养化对水体危害的记载是在公元前3 2 5 年，当时记载在现在的冰海近海，海面 上浮起一层厚厚的粘状物；在日本的镰仓时代，也曾记录了海面、湖面变色的现象。十九世纪中叶，当时 的科学家s t 沃克( s t 删k e r ) 、w 韦布( w w e b b ) 、h j h 卡特( j c a r t e r ) 、日本的野元、丸川、西川等 【3 】就针对赤潮的迁移、赤潮的生物种类、发生环境、危害进行了若干项研究。但直到二战后由于有害赤潮 的频繁发生引起人们的广泛关注，才开始了有关富营养化发生机理的系统研究。 战后，随着经济的高速发展，全世界因水体富营养化引发的重大污染事件连续发生，并有明显的稳定 性，近年来更呈加剧的趋势，赤潮发生的频率、规模和危害大增，8 0 年代以前赤潮主要发生在一些工业发 达国家的近海，日本是重灾区 4 1 ；8 0 年代后，赤潮的发生波及几乎世界所有沿海国家的海域，1 9 9 0 年联合 国将赤潮列为世界三大近海污染之一。澳大利亚新南威尔士洲达令河系，毒性与非毒性水华频繁发生，1 9 9 1 年底，该河系发生世界上有记录以来最大规模的蓝绿藻水华，绵延1 0 0 0 多公里【5 1 。 在我国，随着经济建设的高速发展，水体富营养化问题也己发展到十分严重的地步。近年来我国赤潮 发生的频率越来越高，地区越来越广。据不完全统计，1 9 8 0 一1 9 9 2 年，在我国海域共发生赤潮3 0 0 起，是 7 0 年代的1 5 倍，赤潮发生的范围涉及南海、东海、黄海和渤海。另据国家海洋局的一项公报，9 0 年代的 1 0 年间，我国近海共发生赤潮2 0 0 多起，其中较大规模的有4 5 起，总共造成的经济损失超过2 0 亿元。如 深圳近岸海域、深圳湾、大鹏湾、大亚湾由于水污染仅在1 9 8 9 年至1 9 9 2 年共计发生1 5 次赤潮，造成不 东南大学硕士学位论文 同程度鱼、贝类的死亡，经济损失严重，1 9 9 8 年3 、4 月份发生有史以来最大规模的赤潮，直接造成经济 损失2 0 0 0 万元【6 】。中国海洋报报道2 0 0 0 年5 月1 8 日，我国东海海域发生面积约4 0 0 0 平方公里的特大赤 潮；2 0 0 0 年7 月2 3 日，渤海湾的西北海面有大片海蛰死亡，死亡区东谣长约2 5 公里，南北宽1 0 公里。 与此相对应，我国内河、湖泊富营养化现状亦日趋严峻，富营养化趋势发展迅速。1 9 9 0 年太湖水藻爆发， 无锡4 6 家企业停产，直接经济损失就达1 3 亿元【7j 。1 9 9 7 年水利部及环境保护部门公布的湖泊、水库水环 境调查结果显示，在调查总数中的6 7 个湖泊、1 2 座水库已处于富营养化水平，对湖泊生态环境构成严重 影响；内河方面：2 0 0 2 年中国环境状况公报指出n h 3 - n 已成为长江、珠江、海河、辽河的主要污染 指标之一；又如四川省五大河流中嘉陵江、岷江、沱江的n h 3 - n 超标率分别为3 0 6 、3 0 8 、5 7 2 t 8 】 水体富营养化严重破坏了水体功能，降低水资源的利用价值，对城市经济、政治和自然环境均构成了 严重威胁。 2 富营养化与氮磷浓度的关系及水污染控制标准 与水体的富营养化有关的水质因子，有氮、磷、c o d 、透明度、叶绿素a 或浮游生物量、d o 、s s 及光 照等。一般认为水体中的氮、磷是判断陆地水域、海域富营养化程度的关键性指标。水体富营养化的突出 表现为藻类的异常繁殖，而藻类生长的限制因素通常为氮和磷，其含量通常决定着藻类的收获量。日本学 者对某水体藻类生产能力( a g p ) 的实验表明：当水中氮、磷分别增至1 0 r a g 1 和o 1 m 鲫时，a g p 可从2 5 m g 1 增至7 0m g l ；二级处理出水( t n = 1 1 2m g 1 ，n h a - n = 5 8m g 1 ) 的a g p 为1 2 5m g l ，脱氮后出水( t n = 2 6 m g 1 ) 为4 5m g l ，而经脱氮除磷后的出水( t n = 2 6m g 1 ，t p = 0 0 4m g 1 ) a g p 仅为3m g 1 f 9 】。另从藻类对 氮、磷需求的关系来看，磷的需要往往更为重要，生产力受磷的限制更为明显。因此控制污染源、降低废 水中的氮含量特别是磷含量是防止水体富营养化的主要任务。 为了防治水体富营养化，水环境控磷是主要的方法。欧洲水环境控磷已有近5 0 年的历史，主要策略 是洗衣粉禁磷【lo 】和污水处理除磷；通过污水处理除磷是西方国家一贯使用且不存在异议的控磷手段。此外， 一般认为防止富营养化应该尽可能地同时对氮和磷进行控制，故世界各国对废水氮磷的去除十分重视，制 定了越来越严格的污水排放标准。欧共体于1 9 9 8 年起实施的污水排放标准，规定污水厂出水总氮应小于 1 0 m g l ，总磷应小于1 0 m g l ；荷兰1 9 9 8 年起，规定污水厂总氮去除率应大于7 5 ，出水总氮应小于1 0 m g ， 总磷应小于1 0 m g 1 i j ”。 我国1 9 8 8 年颁布“污水综合排放标准”，规定了排入蓄水性河流和封闭性水域的磷酸盐( 以磷计) 最高 允许浓度，见表1 1 。但是在关于城市二级污水处理厂污染物最高允许排放浓度的规定中，却只有c o d ， b o d ，s s 三项指标，而没有氮磷方面的指标。鉴于国内氮磷污染日趋严重，我国对原有城市污水综合排 放标准进行了修订，颁布了新的标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，从1 9 9 8 年1 月1 日起实施。排放标准对氮、磷的均 提出了具体要求【1 2 】，见表1 2 。在此基础上，国家制定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 ) ， 对城镇污水处理厂氮磷排放提出了更高要求，见表1 5 。这就意味着，今后绝大多数城市污水处理厂都要 考虑除磷处理，大部分城市污水处理厂要考虑硝化处理或脱氮处理。此外，国家分别在海水水质标准 ( g b 3 0 9 7 8 2 ) 、地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) r 9 规定了氮、磷的相关浓度，见表1 3 、1 4 。 1 1 2 生物脱氮除磷的基本原理 1 生物脱氮的基本原理 污水中的氮主要以氨氮0 , , a 1 3 - n ) 、硝酸氮( n 0 3 - n ) 、亚硝酸氮( n 0 2 - 邶以及有机氮( 氨基酸、蛋白质) 等 形式存在。污水进入生化反应器后，进水中的总氮可有三种出路( 见图1 1 ) ：一部分转化为n 2 ，n 。o ，n h 3 等氮的气体形态从反应器的上方逸入大气；另一部分在反应过程中被结合入细胞或被微生物吸附，随剩余 污泥排除；余者则随出水排出。生物脱氮的目的在于尽可能降低出水中总氮，而努力增加另外两种途径的 排氮量。 由于微生物对于氮的需求十分有限，细胞中的含氮量不大，通常为1 0 左右。考虑吸附等因素，由剩 余污泥排除实现的脱氮量约占进水总氮的3 0 左右，因此通过该途径难以达到显著的脱氮效果。 把各种形态的氮转化为气体形态并排入大气是目前生物脱氮的主要途径。通常这需要涉及以下过程： 有机氮氢丝n h 3j 啦0 2 - - n 邋州0 3 - - n 一叵碰l + n 2 ，in x o ? 2 第一章前言 表1 1g b 8 9 7 8 8 8 中规定排入蓄水性河流和封闭性水域磷排放标准 一级标准二级标准 最高允许排放浓度 新扩改 现有新扩改 现有 磷酸盐m g l 0 51 01 02 0 表1 2g b 8 9 7 8 1 9 9 6 中氮磷排放标准 污染物m g 1 适用范围一级标准二级标准 医药原料药、染料、石油、化工工业 1 55 0 氨氮 m g l 其它排污单位 1 52 5 磷酸盐( 以p 计) m g l 一切排污单位 0 51 o 表1 3 ：海水中有害物质最高允许浓度( 摘录) 项目名称第一类 第二类 第三类 无机氮m g l 0 1 0 0 2 0 o 3 0 无机磷m g l 0 0 1 50 0 3 00 0 4 5 表1 4 ：地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) ( 摘录) 序号参数i 类i i 类类类v 类 9 硝酸盐 一2 8 6 才能保证反硝化的顺利进行。b o h n k e 对德国多家a b 法污水处理厂的研究认为，这个结 论对于传统的两段活性污泥法系统可能是合适的，但对a b 法而言，污水经过a 段处理后，大部分的不溶 解性物质通过吸附、絮凝和沉淀而被去除，而那些相对容易降解的溶解性物质其相当一部分流过a 级，进 入低负荷b 段。而且，当a 段以兼氧方式运行时，污水中长链的难分解的基质可被打开分解成短链的化合 物，即某些难生物降解的有机物能在兼氧条件下转化成易降解物，从而改善a 段出水的可生化性，有利于 b 段的反硝化作用以及对有机物的进一步去除，据此认为低负荷的b 段能有效完成硝化功能，同时对反硝 化来说亦有足够易生物分解的、主要以溶解态存在的有机物。因此，a 段出水b o d ；n 比值在3 左右就足 以保证反硝化效果 引。迄今为止对于b o d 5 n 值为3 就足以保证反硝化的问题尚有争议，因为上述比值仅 是理论值，不少学者认为进行反硝化所需的b o d 5 n 值不宜小于4 5 。 b o h n k e 教授的关于污水经a 段处理后的b o d 5 n 比值仍能满足反硝化要求的结论，是在对多家德国 a b 法工艺污水处理厂调研的基础上得出的，该结论是否适用于我国城市污水的水质呢? 这是一个值得研 究的问题。笔者认为，a b 法工艺污水厂的b 段污水是否有足够的反硝化碳源，应根据具体的情况而定， 如a 段对b o d 5 和氮的去除率；污水水质，特别是氮含量、b o d 5 和c o d 的组成情况；运行参数的控制等。 在设前置反硝化系统时，内循环的混合液带进的溶解氧将首先消耗部分b o d ，对这一不利因素也需加以 考虑；另外我国城市污水中工业废水的比重往往较大，即使a 段，在兼氧运行时有些难降解有机物仍难以 转化为易降解有机物。对于某种特定的城市污水的b o d 5 n 比值是否能满足反硝化的要求，应根据具体的 试验来确定，并非是一个定值。 1 3 东南大学硕士学位论文 实际上，对于某些城市污水来说，即使进水中的易降解有机物较高也难以满足脱氮除磷的要求。a b 法工艺的a 段对b o d 5 、c o d 的去除率可高达6 0 7 0 ，在这种情况下，将b 段改进为生物脱氮系统时， 很可能面临碳源不足的问题。解决碳源不足的方法一般有两种：一是从系统外补加碳源。可投加甲醇或选 择含易生物降解c o d 组分高的工业废水与城市污水混合；二是从系统内部寻找碳源，可采取的措施包括： 调节a 段运行，降低对b o d 5 、c o d 的去除率，若原污水有机物浓度较低，还可超越a 段，污水直接 进入改进的b 段脱氮除磷系统；将a 段污泥部分回流到b 段；将污泥消化液回流至b 段等。 ( 2 ) a b 法工艺的除磷效果 根据有关文献报导r 7 1 】，a b 法的除磷效果明显高于传统一段活性污泥法。当a 段按好氧状态运行时， a 段的磷去除率可达到3 5 5 0 ，是常规一段活性污泥法的两倍以上，a b 法工艺对磷的总去除率可达到 5 0 7 0 【7 2 】。a b 法工艺对磷的去除般认为主要是依靠a 段的絮凝吸附作用，一般城市污水中约3 0 的总 磷是以悬浮( 胶体) 状态存在的，随着生物絮凝吸附作用的发生，大部分不溶解性磷和部分溶解性磷可以 得到去除；也有研究者认为a 段中存在聚磷菌，聚磷菌超量吸磷对磷的去除起一定作用，主要依据是溶解 氧浓度的变化对a 段除磷有很大影响，这与聚磷菌的除磷特性相一致，理论基础是取消初沉池后，原污水 中的微生物实际上是在厌氧，缺氧( 沟渠或管道) 和好氧( a 段曝气池) 选择性环境下生长，而这种环境非 常适于聚磷菌的生长，当污水进入a 段好氧环境后，可出现较明显的过度吸磷特型7 2 j 。a 段是否存在聚磷 菌过度吸磷作用还需进一步研究确认。污水经过a 段处理进入b 段后，通过微生物机体的合成可进一步去 除部分剩余的磷。 与a b 法工艺对氮的去除相似，虽然常规a b 法工艺对磷的去除率高于传统活性污泥法，但是出水磷 含量一般达不到现行污水排放标准，无法满足防止水体富营养化的要求。 ( 3 ) 反应容积问题 a b 法工艺b 段的水力停留时间一般为2 6 h 。在如此短的时间内，是难以实现高效脱氮除磷功能的。 所以，在将a b 法工艺改进为具有脱氮除磷效果的工艺时，通常需要对原有设施进行改建和扩建，以满足 脱氮除磷过程所必需的反应容积。 4 a b 法脱氮除磷功能强化i ，j j 根据城市污水脱氮除磷的机理，要将无脱氮除磷功能的城市污水处理厂改建为具有脱氮除磷效果的污 水处理厂必须具备三个条件。第一，要提供脱氮除磷过程所必需的足够的碳源；第二，要提供脱氮除磷反 应所必需的反应容积；第三，要提供脱氮除磷过程所必需的缺氧、厌氧、好氧环境。对a b 法氮磷脱除功 能强化，常规的作法主要是将b 段改为a o 生物脱氮工艺、a o 生物除磷工艺、a 2 o 生物脱氮除磷工艺 或辅以物化除磷处理措施【7 0 1 ，以上改进措施通常需对原有设施进行不同规模的改建或扩建，投资较大。也 可通过运行方式的改变对a b 法进行改进，如采用间歇曝气工艺，可在充分利用原有设施的基础上，由曝 气方式的改变，达到氮磷脱除功能强化的目的。 总之，对于a b 法工艺的改造，应根据各污水厂的具体情况，如处理流程，进水水质等，作出适当的 改进措施，充分利用原有设施，使原有设施与生物脱氮除磷工艺或物化处理工艺有机结合起来，以提高出 水水质，达到污水排放标准的要求和降低污水处理成本。 1 2 本课题的研究目的及意义 随着水体富营养化及水资源短缺日益严重，国内外对废水氮、磷的去除十分重视。加强污水处理， 控制氮、磷等营养物质的排放是解决水体富营养化的关键措施，也是实施可持续发展的需要。世界各国纷 纷制定严格的污水排放标准限制氮磷的排放。污水脱氮除磷技术的研究也成为水污染控制领域中的重要研 究课题。城市污水处理的传统目标是去除好氧性的有机物，后来为了进一步去除好氧性物质氨氮，在传统 工艺的基础上又增加了硝化功能。我国已建成的污水处理厂大多数采用的都是传统污水处理工艺。随着经 济水平的提高和环境保护事业的发展，我国现行的污水排放标准对城市污水处理提出了更高的要求，不仅 要去除好氧性有机物，而且对污水处理厂出水氮、磷指标提出较严格的排放标准。因此，目前不具备脱氮 除磷功能的污水处理厂面临着如何在原有设施的基础上，进行技术改造，增加氮磷脱除功能的现实问题。 对于我国这样一个发展中国家，由于经济技术实力还相对薄弱，客观上那些流程过长，投资大的改造措施， 在近期内是难以推广利用的。所以，原有污水处理厂的改造应从我国的具体国情出发，在充分利用原有设 1 4 第一苹前言 施的基础上，开发简捷、高效、实用的脱氮除磷工艺，应用于污水处理厂的改造实践。这也是水污染控制 研究人员面临的课题之一。 a b 法工艺由于具有工艺成熟，对有机物的去除效率高等优点。国内已有多家污水处理厂采用了a b 法工艺。但是，由于a b 法工艺本身的局限性，脱氮除磷效果较差，其出水尚达不到防止水体富营养化的 要求。因此，需要对a b 法工艺进行适当的改进，才能达到氮磷脱除的目的。迄今为止，大多数对a b 法 工艺的改造是将b 段改进为a o 或a 2 o 生物脱氮除磷工艺，或辅以物化处理措施【9 列。这种改造方法通常 需要对原有设施进行不同规模的改建或扩建，客观上讲投资较大。那么，是否可以开阔一下思路，一方面 继续发挥a b 法工艺的优点，另一方面又充分利用原有设施，作适当改进，从而达到提高氮磷脱除效果的 目的昵? 我们认为在这方面是有所作为的。如第一章所述，间歇曝气工艺是在传统活性污泥法的改造实践 中发展起来的一种脱氮除磷工艺。该工艺所具有的显著特点是：硝化、反硝化；释磷、吸磷以及有机物的 氧化都是在同一生化反应器中进行。利用间歇曝气工艺改进原有污水处理厂时，只需对曝气方式作适当改 变。当有数组曝气池时，按规定的时间启闭各组曝气池的阀门，轮流供气即可。从而达到对原有设施的有 效利用。间歇曝气工艺已成功地应用于传统推流式活性污泥法的改造1 6 剐1 6 9 1 。那么能否将间歇曝气工艺用于 a b 法工艺的改造呢? 本课题的目的就是要探讨采用间歇曝气工艺改进a b 法工艺氮磷脱除功能的可行性。 本研究对于a b 法工艺的改进及其他污水处理厂的新厂建设及老厂改造都有重要的参考意义。 1 3 本课题研究内容 青岛市海泊河污水处理厂系采用a b 法工艺的城市污水处理厂，于1 9 9 3 年投入运行，设计流量为 8 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 m 3 d ，主要构筑物的实际水力停留时间分别为：曝气沉砂池，1 0 1 5 m i n ；a 段曝气池，0 5 0 8 h ； 中间沉淀池，1 3 1 5 h ：b 段曝气池，5 - 6 h ；终沉池，4 - 4 5 h 。污水厂进出水水质如表1 6 ： 表1 6 青岛市海泊河污水处理厂a b 法工艺进出水水质单位：m g 1 项目b o d 5 c o d 。 n i - 1 3 - n t nt p 进水 2 5 0 5 0 06 0 0 1 0 0 08 0 1 0 01 1 0 1 4 02 5 3 5 中沉池出水 1 0 0 一2 5 03 0 0 5 0 04 0 7 02 0 2 5 出水 2 0 - 4 03 0 8 01 5 3 04 0 8 01 0 2 0 由表1 6 可见，该污水厂采用的a b 法工艺对b o d 5 ，c o d 的去除率较高，达9 0 左右，但是，由于 a b 法工艺本身的局限性，总氮与总磷的去除率较低。同时，污水厂进水水质的一个特点是总氮、总磷含 量相对较高，也给脱氮除磷带来了一定困难。 本课题拟采用模型试验装置以污水厂实际污水为研究对象，对a b 法工艺氮磷脱除功能进行试验研究。 试验研究的主要内容与措施为： 1 探讨a b 法采用间歇曝气工艺强化氮磷脱除功能的可行性 、 1 ) 将中间沉淀池出水或曝气沉砂池出水引入模型试验装置，进行连续流间歇曝气试验。考察该工艺对 有机物、氮、磷等的去除效果，并与污水厂的实际处理效果相对比，以确定a b 法采用间歇曝气工艺强化 氮磷脱除功能的可行性，并对后续试验方案或生产性试验提供适当的工艺参数。 小试实验装置由曝气池和二沉池组成，其水力停留时间( h r t ) 分别采用与污水厂相对应的实际构筑 物的设计值，以模拟污水厂实际运行工艺；间歇曝气由时间继电器自控；曝气池设搅拌桨，且维持搅拌， 以保证曝气时池内溶解氧均匀分布和保持停气时污泥处于悬浮状态；实验进水取自污水厂实际生产工艺中 的中间沉淀池出水。 2 ) 利用污水厂厂内、厂外碳源，进一步探讨a b 法采用间歇曝气工艺对氮磷脱除功能的可行性。试验 研究的主要内容与措施为： 在1 ) 实验研究成果的基础上，以强化a b 法工艺除磷功能为中心，围绕碳源不足展开实验，对a b 法 工艺采用全程小试模拟，进行连续流间歇曝气试验研究，以确定碳源不足是否为影响生物超量除磷的决定 性因素之一。解决碳源不足拟分两阶段进行： 第一阶段，在污水厂内部寻找碳源。主要采取两种措施，其一是将中间沉淀池污泥部分回流到b 段曝 1 5 东南大学硕士学位论文 气池；其二是将泥区消化液引入b 段曝气池，同时保留中沉池污泥回流到b 段的措施。 第二阶段是投加外碳源，主要是乙酸钠，亦加入少量甲醇和葡萄糖，以确定在碳源充足条件下的运行 效果和探讨采用各种不同运行参数，如曝气方式等对出水水质的影响。 通过以上三阶段实验考察该工艺对有机物、氮、磷等的去除效果，探讨利用间歇曝气工艺改进a b 法 工艺的可行性，并对后续试验方案或生产性试验提供适当的工艺运行参数。 2 论证在老厂改造和新厂建设方面，间歇曝气工艺是否可以成为改进城市污水厂脱氮除磷功 能的有效技术之一 间歇曝气工艺属于一种新型的脱氮除磷工艺，该工艺具有流程简捷、投资省、经常运转费较低、运行 管理方便等优点，故在老厂改造及新厂建设两方面都有良好的应用前景。 3 对间歇曝气脱氮除磷工艺的部分机理进行初步探索 生物脱氮除磷需解决好碳源矛盾和好氧、缺氧、厌氧环境交替循环等问题，在间歇曝气工艺曝气停气 过程中，微生物历经好氧、缺氧、厌氧条件的变化。考察有机物、氮、磷等指标随工艺条件的变化规律， 以期对间歇曝气工艺的氮磷脱除机理进行初步探索。 1 4 本课题在的理论意义与实用价值 在我国，随着经济建设的高速发展，水体富营养化问题也已经到了十分严重的地步。据6 8 个城市8 l 条河流的1 31 个监测点的检测结果，氨氮超标的河段占5 7 1 ，亚硝酸盐氮超标的占2 0 4 ，而且仍有加 重的趋势。我国近年来赤潮发生的频率也越来越高，地区也越来越广，据不完全统计，1 9 8 0 - - 1 9 9 2 年，在 我国海域共发生赤潮3 0 0 起，是7 0 年代的1 5 倍，赤潮发生的范围涉及南海、东海、黄海和渤海。另据国 家海洋局的一项公报，9 0 年代的1 0 年间，我国近海共发生赤潮2 0 0 多起，其中较大规模的有4 5 起，共造 成经济损失超过2 0 亿元。中国海洋报报道2 0 0 0 年5 月18 日，我国东海海域发生面积约4 0 0 0 k m 2 的特大 赤潮：7 月2 3 日，渤海湾的西北海面有大片海蛰死亡，死亡区东西长约2 5 k m ，南北宽1 0 k m 。与此相对应， 我国内河湖泊富营养化现状日趋严峻，富营养化趋势发展迅速。据调查，8 0 年前，我国绝大多数湖泊处于 贫中营养或中富营养状态，已经达到富营养和重富营养的湖泊面积只占调查面积的0 3 。但在8 0 年 代的十年间，富营养状态湖泊所占面积的比例从5 剧增到5 5 。目前我国2 4 个主要湖泊中，除洱海尚处 于贫营养状态外，其它均已达到中营养或富营养化状态【6 j 。富营养化亦对给水厂的正常运行造成不良影响， 改造前的武汉市东湖水厂，高藻期滤池运行周期只有2 3 小时，8 7 年夏季，合肥第四水厂因藻类影响被 迫停产，使全市工业产值损失近1 亿元【lj 。 我国新近实施的国家城镇综合排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 已明确了适用于所有城镇污水处理厂的 较严格的氨氮排放标准，这就意味着今后绝大多数城市污水和工业废水处理厂大多数都需要考虑氨氮的硝 化和脱氮处理。城市污水处理的传统目标是去除好氧性的有机物，后来为了进一步去除好氧性物质氨氮， 在传统工艺的基础上又增加了硝化功能。我国已建成的污水处理厂大多数采用的是传统污水处理工艺，随 着经济水平的提高和环境保护事业的不断发展，我国现行的污水排放标准对城市污水处理厂出水提出了更 高的要求。因此，目前不具备脱氮功能的城市污水处理厂就面临着如何在原有设施的基础上，进行技术改 造，增加脱氮功能的现实问题。我国是一个发展中国家，经济技术实力相对比较薄弱，客观上那些流程长， 投资大的改造措施，不符合我国的国情，在近期内难以推广利用。所以，在充分利用原有设施的基础上， 开发简捷、高效、实用的脱氮工艺，应用于污水处理厂的改造实践，是我国水污染控制研究人员面临的重 要课题之一。 海泊河污水处理厂是青岛市一座采用a b 法工艺城市污水厂，始建于1 9 9 3 年，污水厂对b o d 5 ，c o d 的去除率较高，达9 0 左右，但是，由于a b 法工艺本身的局限性，总氮与总磷的去除率较低。同时，污 水厂进水水质的一个特点是总氮、总磷含量相对较高，也给脱氮除磷带来了一定困难。所以，能找到改造 a b 法脱氮除磷新工艺将推动我国水污染控制工作的顺利进行，并产生强大的社会效益、环境效益和经济 效益。 1 6 第二章试验方法手段 2 1 试验污水种类及水质 第二章试验方法手段 2 1 1 海泊河污水处理厂进水水质 海泊河污水厂于1 9 9 3 年投入运行，海泊河污水处理厂设计处理污水8 1 2 万吨天；实验期间进水约 7 万吨厌，其中工业污水占5 0 以上，工业污水主要包括以下：印染废水、电镀废水、含油废水、味精废 水以及农药废水等。进水水质较复杂，对水厂进水取样测得主要指标平均值如表2 1 和图2 1 ( a ) 一( d ) 。 通过青岛市排水监测站对海泊河污水厂进水取样监测各指标值进行统计，结果如表2 2 和图 2 2 ( a ) 一( c ) 。 从上述数据知，污水厂进水水质逐时、逐月变化较大，一天中主要特征是上午c o d 、n h 3 - n 、p 0 4 3 - p 偏高，而下午上述三种指标均有所，但下午的c t n 比值较上午的高，而c p 0 4 3 - p 比上午的低；从五月份 到八月份c o d 逐月递减，主要因为夏季多雨、生活污水组成变化和部分工业企业夏季停产造成；n h 3 n 、 t p 值较高，虽然变化亦较大，但规律性不强，t p 变化可能与污水厂服务区域内的农药厂时运转时停业有 关。总之，污水厂服务区域内存在较多类型工业企业以及工业废水占总污水量分额较大，使实验水质复 杂多变，增大了小试试验难度。 表2 1 水质逐时变化表 、项目 时间 c o d 。g ，in h 3 一n m g ，lp 0 4 3 - p m 朗p h 值 上午9 ：0 0 8