（环境工程专业论文）颗粒污泥—泥层过滤反应器的试验研究.pdf

c l a s s i f i e d 娥x ：x7 0 3 1 u d c ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e r d e g r e ei ne n g i n e e r i l l g s t u d yo nr e a c t o rw i t hg r a n u l e s a n ds l u dg ef i u r e r d 叮g c a n d i d a t e ： s u p e n r i s o r ： a c a d e m i cd e g 心e a p p i i e df o r ： s p e c i a i 锣： d a t eo fo 豫ie x a m i n a t i o n ： u n 打e r s i 锣： x ux m i i p r o fg u a n x 巧u n m a s t e ro fe n g i l l e e 血g e n v i r o n m 饥t a le n g i i l e 酬溘玛 j u l l e ，2 0 1 0 q i i l g 出的t e d m o l o g i c a lu 1 1 i v e r s i t y 硕士学位论文 颗粒污泥泥层过滤反应器的试验研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： l 口6 | 葛 嗡懈 职心 鳖超 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要。 a b s t r a c t 目录 i 第1 章绪论l 1 1 既述l 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究目的1 1 1 3 研究意义2 1 2 废水生物处理技术概论3 1 2 1 厌氧生物处理一3 1 2 2 好氧生物处理一4 1 2 3 好氧颗粒污泥一5 1 2 4 污泥减量技术一7 1 2 5 红虫简介一9 1 3 本课题的处理工艺简介9 1 3 1 工艺说明一9 1 3 2 工艺控制条件l0 1 4 课题研究的主要内容1 5 第2 章课题研究思路及反应流程分析 1 6 2 1 本课题的特色及研究思路1 6 2 1 1 课题特色l6 2 1 2 研究思路1 6 2 2 反应器的结构与反应流程分析1 7 2 2 1 反应器的结构简介1 7 2 2 2 反应器的反应流程分析1 7 2 3 试验研究方案1 8 第3 章颗粒污泥泥层过滤反应器的试验研究2 1 3 1 试验的材料与方法2 1 i 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 1 试验的材料2 l 3 1 2 试验的分析项目与方法2 3 3 2 试验过程与结果分析2 6 3 2 1 反应器快速启动及污泥培养驯化阶段的试验研究2 6 3 2 2 咖、氨氮去除效果的研究阶段3 l 3 2 3 红虫现象及其对污泥的影响，污泥减量效能研究阶段4 3 3 3 本章小结4 8 第4 章结论与建议 4 1 主要结论5 0 4 2 建议5 l 参考文献。一一。一。一一一。5 2 攻读硕士学位期问发表白缸学术论文及科研工作 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 在全球环境问题日趋严重的今天，“发展低碳经济，实现经济社会发展与生态 环境保护双赢”，成为社会热点话题。“十一五”期间国家对废水主要污染物化学 需氧量实行排放总量控制计划管理，随着控制标准越来越严格，对于分散的小企 业和居民在大面积上的少量水污染的分散排放来说，迫切需要治理。 针对食品加工、机械电子等工厂企业废水、医院污水、小区生活污水等分布 较为分散，较难实现污水集中处理的现状，本课题开发研究了“颗粒污泥泥 层过滤反应器一。该反应器小巧精致，高效节能，便于产业化：反应器具有较好的 除碳脱氮效能，便于实现中水回用；另外，“基于微型动物捕食作用的污泥减量技 术 是本课题的一个亮点，“泥层过滤刀是本课题提高污水处理效率的一个特色。 本课题试验采用青岛市团岛污水处理厂的回流污泥作为接种污泥，利用实验 室自行配制的面粉废水对其进行不同影响因素和设计控制参数的试验研究，其中 对颗粒污泥的培养、有机物的去除、氨氮脱除效果、污泥减量化效能，进行了较 为详细的试验研究，主要试验结果如下： ( 1 ) 反应器在水力停留时间2 4h ，c o d c r 容积负荷达到1 5k 耿m 3 d ) 时，成 功培养出大量的好氧颗粒污泥： ( 2 ) c c ，容积负荷最高达到5 0k 趴m 3 d ) ，且对应的c o d c r 去除率稳定在 9 7 ，对应的水力停留时问为1 2h ： ( 3 ) 反席器耐有机负荷冲击性强，且对c o d c r 的去除效率高。在水力停留时 间1 2 2 4h ，c c ，浓度l 0 0 0 3 0 0 0m g l ，c o d c r 容积负荷1 0 5 ok 烈m 3 d ) 范 围内，c o d c r 去除率稳定在9 7 以上，出水c o d 凸在6 0m g l 以下，低于 g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准中的二级标准1 5 0m g l 的要求； ( 4 ) 反应器对氨氮的脱除效果较好，在进水氨氮浓度达到9 0 m g l 时，出水 氨氮浓度可稳定在2 0m g ，l 以下，满足g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准中的二 级标准2 5m g l 的要求，并可满足用于城市绿化的中水回用要求( g b 厂r1 8 9 2 0 2 0 0 2 城市杂用水水质标准) ；在水力停留时间1 3 1 4h 、c o d c ，容积负荷小于 3 8 5 k g ，( m 3 d ) 的条件下，氨氮容积负荷在o 0 3 2 0 1 8 5k ( m 3 d ) 范围内，对氨氮的 去除率达8 0 以上，出水氨氮浓度低于1 5m g 几( 最低浓度达到5m g 几) ，体现了 青岛理工大学工学硕士学位论文 反应器对氨氮具有较好的去除效果； ( 5 ) 红虫的存在实现了该反应器的污泥减量效能。试验期间，在缺氧反应区 及厌氧泥层出现大量红色线虫，它们捕食了掉大量的污泥，但经适当调整后并未 对出水水质造成明显的影响；由于红虫的存在，大大减少了该系统的产泥量，很 好的实现了污泥减量化效能。 关键词：高效反应器，好氧颗粒污泥，容积负荷，c o d 去除率，氨氮去除率，红 虫，污泥减量 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t b d a y ，t h ep r o b l e m so fe n 、，i r o l 蚰e n ta r ei n c 他弱i n 酉ys e v e 陀nb e c o m e st h eh o t t o p i ct 0d e v e l o pl 们h 棚饥i ne c o n 伽呵， m a i n t a i nt h c 、i v i n - w 耐s 协l 曲l 心b e 伯，蝴 e c 0 m yd e c e l o p m e m 如de c o l o 舀c a ls a f e 哆h lt l l el l 廿l 矗v e - y e 盯p l 砌n gp e f i o d ，o 盯 c 0 皿时聆d u c e sm ee m i s s i 蚰c o d c fo f 眦rp o l l m 叠m t sb ye x e r c i s i n gc 伽仃0 l l j i 蟛 t o t a l 删s s i o nv o l u i n l l t h ec o m m lc r i 蜘o ni sm o 心锄dm o 砖s 仃i n 嚣艇t s o ，t h e a d i n “贻蚰d e c e n 触l i z e dp o l l u t i i s 啪他柚dm o 把i m p e 硎v c t h i ss t u d yw 弱a b o u ta 他蝴诚h 鄹柚l i l 铭彻ds i u d g ef i 痂l g i tw 淞m a d ci n t h ec 0 槭缸o no ft h e r i o 璐w a l e r d i s p e 侣e dd i 伍j s e dp o u l n i o n1 k 陀蜘w 鹤s m a n 也砒i tc o l l l d 鼹v e 伽嘲r ，a n da c h i e v ei n d 璐t r i a l 诬五o nh m d 姗o v cc o d c ra l l d n h 3 - np e 蛐，s oi tw 弱i nf a v o fo fg 町w a 嘧坝螨m o 瑚懈，o 鹏o fm eh i g h p o i 心o f 血i ss t l 】由w 鹬m es l u d g e 血n i 妇匝训o n 咖d e r 锄a n 觚i l l l a l s 嘲，i n gb e s i d e s ， o 北o f 也ec h a 功c t e r i s t i c so f i tw 鹊s l u d g ef i l 哟吐i o 也 1 1 l i ss t u d y 潞e dr e l c 哪e ds l u d g c 嬲v 眦i n a ls l u d g e t h es l u d 萨船舶mn i a n i s l 锄ds e 、 ，a g en e a n i l e n tp l a l i tq i n gd i t 峭e dm 觚砌p f e l 娜a l i o fo i g i n i c w a s t e w a t e r ( n o u rw a s t e w a t e r ) nd e t a i l e d 证v e s t i g 砷e dt h ec l u d v a 畸o no ft h e m b i c 孕锄u l e s ，r e m 0 、，e m e n to fo 则c s ，陀m o v a lo fi l i 仃o g e i l 觚ds l u d g er e ( 1 u 嘶o n n 圮m a i n e x p e r i m e n t mr e s u d t sw e 他l i s t c d 弱f 0 i l o w s ： ( 1 ) t h e r o b i c 胂曲l e ss l u d g ec o u l db ec u n i v a t e di no w 陀a c t 阢a n di tw 雒 u n d e r 舭s i t u 撕o no f v o l 眦el o a d i n gr e a c l 川1 5k g c o d c 以m 3 d ) ，a n d 玎玎w 弱2 4h ( 2 ) u n d e rt h es i t u a t i o no f 疆1 2h ，t h ev o l u m e t 血。础l o a d i n g 硪t eo f c o d q 豫l c h e di t sh i 曲e s tl e v e l ，5 0 蛾m 3 d ) 删i t sr e m 0 v a lo f c o d c ，w 孙加u t9 7 ( 3 ) mr e 锨0 rw 私g o o da t 硼n o v i n gc o d c r 加l di t so r g a n i cl o a d i n gc a p a c 时w 私 a l s o9 0 0 d e m u e n tc o n c c 昀而o no fc o d c fc o u l db es t a l b i l i z e d 衄d c r6 0m g l i tw 弱 f 蔚蛐d e rt l l e c o n d a 巧s t 锄d a mo ft h eh l t e 卿e d 愀w a 钯r d i s c h 嘲e 她m d a r d i 丁n d e r t h ec o n d i t ：i o 璐o f 疆1 2 2 4h ，距dc o d c ，c o n c e n 仃砸o n1 0 0 0 3 0 0 0m g l ，1 j i 圮 v o l u i i l 硎co r g a i l i cl o a c “n gr a t e1 0 5 ok g c o d c r ( m 3 d ) ，i t sr e i n o v a lo fc o d c r w 弱 a t 0 、，e9 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) t h ee 钕to fn h 3 - n s 陀m o v i n gw 嬲9 0 0 d u n d e rt h ec o n 赦i o no f t h ei n n u e m c o n c e n t r a t i 蚰o fn h 3 - nw 髂9 0 m l ，i t se m u e mc o n c e 曲r a t i o nw 嬲硼d e r2 0m g ，l s t l 昌a d y hw 弱f 打u n d 盯t h es e c o n d a d ，s t a n 删o fm ei l l t e 掣删w 觞t 铡忸t c rd i s c h 戤g c s 伽l d a r d nw 弱a l s os 撕s f i e d 埘t l lt i l er a q u i r e m e n t so fo n eo fm eg r a yw a t e rr e u 鹤， w 量l i c hw 弱u r b a na 丘0 他s 谢o no rb i l i l d i l l go p c 枷。吣e s p i a j l y ，岫d c rt h e n 击o 璐 o f 订1 3 1 4h ，a n dn h 3 - nv o l 啪e t r i cl o a d i l l g 眦0 0 3 2 o 1 8 5k 叭m j 。d ) ，廿把 r e m o v a ir a t ew 弱a b o v e8 0 a n di t se m u e n tc 0 e n 雠i o nw 嬲咖【l e r1 5m g l 1 1 圮 妇v 妇、a s5m 叽佻a l l 矾e 硼雠卿姗砌o f 砒no f 啦n e w r 塌【c t i 阮 ( 5 ) 1 1 圮b 1 0 0 dw i d n 璐h e l p c dt l l es y s 白锄h i e v es l u d g cm i n j m i z 鲥0 1 1 d i m n gu 圮 s t u d y ，廿l e f ew e f es om a n yb 1 0 0 dw 蝴j n 曲es j u d g eo f t h e 锄痢ca n d 锄壕锄d b j ca 坞弱 e v e ni ft l 圮b 1 0 0 dw o m 坞p r e y e d t h es l u d g e ，也ee m 嘲tq u a l 毋期塔s t d lg d b e 伽o fm eb 1 0 0 dw o n 鼢也cs l u d g e 锄i i n tw 弱同u c e dl a 学虹t h i s 埘也e s l u d g bm i n i m i 蒯o n m e 缸u e 1 ( e yw o r d s ：e 伍c i 钮t 他戤蜘臣联l r ( ，b i c 乎硼柚a rs l u d g e ，v o l 哪硎c 伪翟a n i cl o 幽g 豫钯， c o d 他m o v a l 侬t e ，n h 3 - nr e m o lf a t e ，b l o o dw o 咖s ，s l u d g cm i n i m i z a t i 伽 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 据水文地理学家的估算【l l ，目前，地球上的水资源总量约为1 3 8 亿立方公里， 其中有9 7 5 的是海水，淡水资源仅占2 5 ，而其中又有8 7 的淡水资源由于被 冻结在南极和北极的冰盖中，因而难以被利用。人类真正能够利用的淡水资源仅 仅是江、河、湖泊、地下水中的一部分，约占地球总水量的o 0 1 。全球水资源状 况迅速恶化，。水危机一日趋严重，许多国家已经或者将要陷入缺水的困境。但是 就在这样的情况下，水污染问题依然广泛存在，而且在很多国家和地区水污染问 题非常严重。据第三届世界水论坛会议提供的联合国水资源世界评估报告显示， 全世界每天约有2 0 0 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8 升淡水； 所有流经亚洲城市的河流均被污染：美国4 0 的水资源流域被加工食品废料、金 属、肥料和杀虫剂污染；欧洲5 5 条河流中仅有5 条水质差强人意。 环境保护是我国的一项基本国策。在众多的环境问题中，尤以水污染环境问 题最为严重。根据国家环境保护部在2 0 0 9 年世界环境日公布的2 0 0 8 年中国环境 状况公报资料，我国地表水总体水质属中度污染，在国家环境监测网监测的2 0 0 条河流的4 0 9 个监测断面中，一类至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例 分别为5 5 0 、2 4 2 和2 0 8 ：在监测营养状态的2 6 个湖泊及水库中，呈富营养 状态的占4 6 2 。因此，治理水污染，保护水资源，维护水环境及水生生态的均衡， 对污染的江河、湖海进行综合整治，已成为刻不容缓的任务。“十一五 期间国家 对废水主要污染物化学需氧量实行排放总量控制计划管理，随着控制标准越来越 严格，分散的小企业和居民在大面积上形成的少量水污染的分散排放，对于这些 面源污染的治理越来越迫切。 1 1概述 1 1 1课题来源 本课题来源于山东省科技厅科研课题( j 0 9 l b l 4 ) ，以及国家发明专利( 申请 号：2 0 0 8 1 0 2 4 9 6 6 3 1 ) 好氧颗粒污泥泥层过滤反应器的试验研究。 1 1 2 研究目的 青岛理工大学工学硕士学位论文 依据当前水环境的污染现状以及r 益严格的污水排放标准，开发研究新型、 合理、实用的高效污水处理反应器，以满足现代水处理技术要求，促进经济与生 态环境和谐发展，这是本课题研究的主要目的。 本课题的研究主要针对小型食品加工、机械电子等工厂企业废水、医院污水、 小区生活污水等分布较为分散，较难实现污水的集中处理，有些乡镇地区污水甚 至未经处理而直接排入自然水体，给水环境带来极大危害的现状，通过开发研究 颗粒污泥泥层过滤反应器，加速培养反应器内颗粒污泥的形成，从而使反应 器迅速形成大规模的好氧颗粒污泥：同时，通过泥层过滤使出水水质稳定，使反 应器达到高负荷和好的处理效果，以实现在污染处就地处理，并达标排放。 本课题通过开发研究颗粒污泥泥层过滤反应器，探讨该反应器培养产生 好氧颗粒污泥的条件，验证其达到高负荷、高有机物去除率、高污泥减量效能的 处理效果，同时研究该反应器对氨氮的脱除效率以及泥层过滤的效果，使出水水 质达到稳定。 1 1 3 研究意义 生物处理方法是去除废水中胶体和有机物等最经济、最有效的方法，尤其是 对生物需氧量( b o d ) 高的有机废水更为适宜f 2 l 。我国针对现状加快了环境保护设 施的建设，但由于一些废水处理工艺本身存在着结构复杂、处理效率低下、运行 维护费用高、脱氮效果差等缺点而导致工业废水无法得到有效彻底的治理，并且， 对于医院污水、小区生活污水以及农村人畜生活污水等废水，污染较为严重、分 布较为分散、较难实现污水集中处理。在这种情况下，研发简单、经济、高效的 新型污水处理工艺及反应器，经其处理后的废水可直接达标排放，具有非常重要 的现实意义。 本课题开发研究该“颗粒污泥泥层过滤反应器，通过优化反应器结构， 实现其工艺流程简单、产泥量少、污水处理系统的容积小、占地面积小、投资和 运行成本低、工程实用性强的特点，为实际污水处理工程提供理论基础，有助于 有效解决城镇某些污水分散不均、处理难的问题，符合我国乃至全球推行低碳经 济模式以实现社会可持续发展的要求。 本课题所研发的“颗粒污泥泥层过滤反应器 ，通过培养颗粒污泥来实现 除碳脱氮与污泥减量效能，同时，较好的出水水质也为中水回用提供了条件。中 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 水回用不仅能够有效缓解城市水资源短缺的压力，而且可以减少污染排放、节约 能源，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益，对建设资源节约型和环境友 好型社会，顺利完成节能减排的目标，实现经济社会可持续发展和人与自然和谐 发展，具有重大的现实意义，并将起到越来越重要的作用。为了落实国务院 d c 法除率 图3 8 进出水c o d q 浓度及其去除率变化曲线 f i g 3 - 8 嘶0 f 姗a n d e 慨咖蛐0 f c o d c f a n d 如舳硎眦 1 52 02 53 0 3 5 4 0 4 55 05 5 运行时间( d ) + 污泥浓度( 9 一容积负荷( k g c o d 矾b d ) ) 图3 - 9c o d q 容积负荷和污泥浓度变化曲线 f i g 3 9c 盯v eo fv o l 啪嘶co 玛a l l i cl o a d i i 培r a t e 髓dm l s s 6 5 4 3 2 l 0 二、 勺 詈 q o 甚 篾 稼 斌 器 稚 m 9 8 7 6 5 4 一，1墨一蟋爨霹孵 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 52 0 2 53 03 54 04 55 0 5 5 运行时间( d ) + s 值( 衄旭) 一容积负荷( k g c 0 1 ) c r ，( 瞄d ) ) 图3 - 1 0c o 阢容积负荷和s 值变化曲线 f i g 3 一1 0c l 珊o f v o l u m e t r i co r g a n i cl o a d i n gm 钯锄ds 2 63 1 3 64 14 65 15 6 运行时间( d ) + 容积负荷( k g c o 】) c 哟帕d ) ) _ - 总曝气量( i 知i f l ) 图3 - 1 1c o d c r 容积负荷和总曝气量变化曲线 f 噜3 - 1 lc u eo f v o l 啪e t r i co 蟛血cl o a d i n gm t ea n dt 0 t a l0 x y g 3 5 2 4 0 2 0 0 公pctu)jqqou篁v稼斌娶肄 7 6 5 4 3 2 l 0 鳄 如 髓 踯 乃 加 jgv眢 3吣1、删矿鳖躅 o o 6 2 o 0 l l 8 4 o 6 5 4 3 2 1 o 畲ciii)joqo萤v枢斌器肄 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 0 0 2 42 42 21 6 1 41 3 1 21 4 水力停留时间( h ) + c o d r 去除率( ) 一容积负荷( k g c o d c 坝吣d ) ) 图3 1 2c o d c ，去除率和容积负荷随水力停留时间的变化情况 3 1 2 删眦锄d v d 啪喇c0 f 圈n i cl o 撕n g m ：t e o f c o d 口砒d i 】触l 珉风 由图3 8 可以看山，该阶段c o d c t 的去除率均在9 5 以上，且随着容积负荷 的不断提高，总体上基本处于上升趋势，最高达到9 8 5 ：出水的c o d c ，浓度稳 定在6 0m g ，l 以下，远远低于g 旧8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准中的二级标准 1 5 0m 叽的要求。其中，第3 5 天至3 7 天的c o d c r 去除率略有降低，这是由于出 水表面出现的少量浮泥的影响所致，而出水表面出现浮泥可能是由于反硝化作用 产生的气体带着底部污泥过滤层沉淀区的泥团上升至出水表面所致；第4 5 天时 c o d c 。的去除率略有下降趋势，但是并不明显，基本稳定在9 7 9 8 之问，即使 在第4 9 天再次提升负荷也并未对c o d b 的去除率造成较大影响；而对于c o d c r 的去除率小幅降低可能是由于负荷较高而导致系统的除碳能力有所下降，也可能 是南于出水表面浮泥较多所致。并且，后3 0 天的试验过程中，尽管进水c o d c r 浓度和负荷的提升速度较快、幅度较大，但c c r 的去除率却能够稳步提高，这 表明该反应系统的处理效果好且稳定，且耐有机负荷冲击能力较强。该阶段的出 水情况总体来说较为稳定，处理效果较好。 由图3 9 可以看出，随着容积负荷的不断提高，污泥浓度总体上呈现上升趋势， 且后3 0 天较前1 0 天的增幅要大一些，到第4 8 天时达到最大污泥浓度l o 6g l ； 由图3 1 0 可以看出，随着容积负荷的不断提高与水力停留时间不断减小，s 值 在总体上稍微有些提升，但变化不大，基本保持在9 4m l g 左右，污泥沉降性较好。 apn基蔷iog枢疆嚣肄 6 5 4 3 2 l o 8 6 4 2 鳐 舛 s 摹v静篮也oqou 青岛理工大学工学硕士学位论文 由图3 1 l 可以看出，整个系统的曝气量基本上是在逐步提高的，这是由于随 着污泥的不断增殖，系统所需要的供氧量也在不断增加，为了保证反应器内各个 部分的供气充足，试验过程中根据测得的氧化还原电位的大小来调节各个曝气头 曝气量的大小。 由图3 1 2 可以看出，水力停留时间1 4 1 6 h 、容积负荷2 5 5 o k g c 唰( m 3 d ) 的条件下该系统对c o d c r 的去除率较高且稳定，处理效果较好。合适的水力停留 时间有利于刺激微生物的活性，促进胞外多聚糖的分泌，改善细胞的疏水性能， 而这些又都有利于好氧颗粒污泥的除污效果。 从以上图中可以看到，当容积负荷在2 5 4 5k g c 酬( m 3 d ) 时，该系统对 c o i ) c r 的去除率稳定在9 8 4 左右，而当容积负荷达到4 5 5 0k g c o 】狮3 d ) 时， 该系统对c c i d b 的去除率稳定在9 7 0 左右，这可能是由于负荷较高而导致系统 对c o d 臼的去除能力有所下降，又根据t a y 等f 6 1 1 对不同有机负荷( 分别为 1 0 k g c 0 e 吲恤3 d ) 、4 ok g c 0 1 ) q 恤3 d ) 和8 0k g c a d c 以m 3 d ) ) 条件下颗粒污泥系 统运行稳定性的研究，颗粒污泥在高负荷下结构疏松，不利于系统的稳定运行， 因而试验未继续提高负荷。 该阶段的试验达到了本课题试验的预期目的：反应器在普通曝气的情况下， c o d c f 去除率较高，容积负荷可以快速提高到设计最高负荷5 0k g c o d c 敢m 3 d ) ： 相对于常规好氧生物处理反应器( 纯氧曝气除外) 来说，已经达到了较高的容积 负荷。 综上所述，该反应器较为成功的培养出了好氧颗粒污泥，为实际工程上的反 应系统培养和产生好氧颗粒污泥提供了试验依据，从而为该反应器今后的进一步 完善及好氧颗粒污泥的大规模培养提供了广阔的空间和前景。 2 氨氮的去除研究 l l 】传统生物脱氮的原理与工艺 污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮 气的过程，其中包括硝化和反硝化两个过程f 4 9 】。 ( 1 ) 硝化反应 硝化反应是由一个自养好氧微生物群体来完成的，它分为两个阶段，分别由 亚硝酸菌和硝酸菌来完成。第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮；第 二阶段是由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮。亚硝酸菌和硝酸菌统称 3 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 为硝化菌，是一类自养型菌，其生理活动不需要有机营养物质，而主要是从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧化中获取能量。 硝化反应的方程式可表示为： 阿：+ 昙o ：里曼堕n o j + h 2 0 + 2 h + + 能量 n o ；+ 去0 2j 骂n o ； 二 ( 2 ) 反硝化反应 反硝化是由一个异养型兼性厌氧微生物群体来完成的，它的主要作用是在缺 氧条件下，将硝酸盐氮h 酗- - n 或亚硝酸盐氮n 0 2 n 还原为氮氧化物或氮气。广 义上讲，微生物将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为低价态氮的过程统称为生物反硝 化，它包括同化还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌可利用 亚硝酸盐和硝酸盐中的氧为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化分解而提 供能量，将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气，反应方程式为： 5 c ( 有机碳) + 2 日2 d + 4 d 3 一互堕坠骘2 2 + 4 d 日。+ 5 cd 2 反硝化反应一般以有机物作为碳源和电子供体，但当反应体系中缺乏有机物 时，无机物( 如h 2 、h 2 s 等) 也可作为其电子供体，微生物还可以通过内源呼吸 进行反硝化，反应式可表示为： c 5 日7 d 2 + 4 d 3 一5 c d 2 + 日3 + 2 2 + 4 d 日一( 其中，c 5 h 帕代表反 硝化微生物的细胞组成) 。 目前公认的从n 0 3 一还原为n 2 的过程为： d 3 一一d 2 。一d 一2 d 一2 ， 因此传统生物脱氮途径可以简写为： 日4 + 专d 2 一一d 3 j d 2 一一2 卜1 酊邪孵f _ 卜百孺轩踊踵r _ 生物脱氮过程本身是一个矛盾的统一体，一方面，硝化作用需要氧气，硝化 菌是一类严格好氧菌；另一方面，反硝化作用需要在缺氧环境中进行，反硝化菌 是一类兼性厌氧菌。同时，对于是否存在有机物的问题，二者也是矛盾的：一方 面，相对于好氧异养菌来说，自养硝化菌在大量有机物存在时，在对氧气和营养 物的竞争中占劣势，从而导致反应器内异养菌占优势；另一方面，反硝化作用又 3 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 需要有机物充当电子供体来完成脱氮过程。而异养菌生长速率过快会导致好氧颗 粒污泥结构松散、稳定性能差1 6 2 彤l ，从而影响了好氧颗粒污泥技术在实际废水处 理中的应用。因此，硝化菌和反硝化菌性质的差异导致了生物脱氮反应器的不同 组合，如单一污泥工艺和双污泥工艺。单一污泥工艺是硝化与反硝化由同一污泥 系统完成的，通过交替的好氧区和厌氧区来实现；而双污泥工艺是由不同污泥系 统完成的，通过使用分离的硝化和反硝化反应器来实现。如果硝化在后，需要将 硝化废水进行回流；如果硝化在前，反硝化时需要外加碳源作为电子供体，这在 实际运行时就给传统生物脱氮工艺带来许多问题。传统的生物脱氮工艺普遍存在 着基建投资和运行费用较高，且运行控制较为复杂等不足1 6 q 。 1 a y 等【6 9 踟】对经特殊荧光试剂染色的、粒径2 4m m 的好氧颗粒污泥结构进行 了研究，发现其构成主体为中外层的好氧微生物，随着溶解氧浓度的减少，微生 物群体逐渐向厌氧微生物转化，且数量也逐渐减少( 见表3 4 ) 。好氧颗粒污泥内 部可能发生的与脱氮相关的反应【7 l l 列举如表3 - 5 所示。 表3 _ 4 好氧颗粒污泥分层结构参数 删e3 - 4a 代删呼p 越铷n i 蜘o f 龇缸i b i c 霉锄1 毗 表3 5 好氧颗粒污泥内部可能发生的与脱氮相关的反应 呦l e3 5p 0 s s i b l e 豫t i 删r e l 勘e dt on i 叻g 饥锄dp h o 讪o n 玛础删 i i l s i d eo f 勰f c i b i c 鲫u l a rs l u d g c 目前应用广泛的序批式间歇活性污泥法s b r ( s e g u e n c i n gb a 位hr c a c t o r ) 法， 是通过时间顺序上的控制，将脱氮除磷等反应在同一反应器中完成。它通过控制 适当的曝气和停曝，为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧硝化、缺氧反硝化 3 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 脱氮条件。此外，反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化，因此脱氮效果相对 较好。 【2 】本课题试验反应器脱氮特点及其试验数据与结果分析 本课题试验采用连续进水的运行方式，在同一反应器内实现硝化与反硝化， 克服了传统生物脱氮工艺中存在的一些问题；同时，根据该反应器的独特结构设 计，反应器中具备了实现同步硝化反硝化脱氮的环境。本课题主要研究该反应器 对氨氮的脱除效果。 从工程的角度来看，当硝化反应和反硝化反应在两个反应器中独立进行或在 同一个反应器中顺次进行时，硝化过程产生的酸会导致 i + 的积累从而引起反应系 统中p h 值的下降，将影响上述两反应的速度，这在高氨氮废水脱氮时表现得更为 明显。但对同步硝化反硝化工艺而言，反硝化产生的0 r 可就地中和硝化产生的 矿，减少了p h 值的波动，从而使两个生物反应过程同时受益，提高了反应效率。 该阶段水力停留时间为1 2 1 5h ，试验数据的变化曲线如图3 1 3 、3 1 4 、3 1 5 、 3 1 6 所示。 6 3 03 54 04 55 05 56 06 57 07 58 0 运行时间( d ) 一c o 跚容积负荷( k g c o a 郴d ) ) + 氨氮去除率( ) 图3 1 3c o d 口容积负荷与氨氮去除率变化曲线 f i g 3 1 3c 咖o f v 0 l 瑚1 曲删cl o 撕l l gr a t e 锄dn h 3 n 豫n o v a lr a t e ，一、 零 、_ ， 锝 笾 稍 聪 酶 5 4 3 2 l 0 爸基)ju(iou篁v稼娶饰8qou 青岛理工大学工学硕士学位论文 l o o 0 7 5o 夺 褥 篮 稍 6 5 案 5 5 3 03 54 0 4 55 05 5的6 57 07 5 的 运行时间( d ) 一进水氨氮浓度( 哩皿) o 一出水氨氨浓度( 哩皿) + 氨氮去除率( ) 图3 一1 4 进出水氨氮浓度及其去除率变化曲线 f i g 3 1 4 c 唧o f 蝴砌锄删删咖o f 3 - n a n d i t s 衄删眦 a 勺 喜 _ 、- ， 枢 斌 娶 稚 腻 厮 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 o 0 5 0 0 0 0 0 3 0 3 54 04 55 05 5 6 06 57 07 58 0 运行时间( d ) + 氨氮容积负荷( 由)十氨氮去除率( ) 图3 1 5 氨氮容积负荷与氨氮去除率变化曲线 f i g 3 一1 5c 盯v eo f n h 3 - nv o l 删cl o a d i n g 腑彻dr a n 0 砌眦 4 l 8 5 加 _ 、 7 5 摹 、- ， 褥 7 0 篮 稍 6 5 鬈 6 0 5 5 舳 加 蚤v越蠖撩嵫 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 0 0 0 2 5 0 0 毫2 0 0 0 壹 蜊1 5 0 0 罐 占1 0 0 0 o u 5 0 1 0 0 、 姆 9 6 篮 硝 8 口 9 48 3 03 54 0 4 55 05 5 6 5 7 07 5加 运行时间( d ) + 进水c o d 谳度( 皿叽) 十出水c 球度( 如班) + c o d 娃除率( ) 图3 1 6 进出水c o d q 浓度及其去除率变化曲线 f i 9 3 - 1 6c l m o f 劬】e m 砌锄l e m 删傩o f c o 阢8 n d 缸舢硎础 由图3 1 3 、3 1 4 可以看到，本阶段的试验可分为四个负荷水平，当有机负荷 在3 螂例狮3 d ) 左右时，进水氨氮分别在3 0m 班和6 0m 班两个浓度的情况 下，系统对氨氮的去除率均在8 4 左右；当有机负荷在4 蜘d i 甜耐d ) 左右时， 进水氨氮分别在3 0m g ，l 、6 0n l j 吕l 和9 0m g l 三个浓度的情况下，系统对氨氮的 去除率均在8 0 左右；当有机负荷在4 5l 【g c ( ) d c 妖m 3 d ) 左右时，进水氨氮分别在 5 0m g l 和9 0m 班两个浓度的情况下，系统对氨氮的去除率均在7 3 左右；而当 有机负荷达到5 0k g c o d ( 瑚3 d ) 左右时，进水氨氮浓度为5 0m g l ，此时的氨氮 去除率只有6 0 。由此可知，碳氮比在6 0 ：l 2 5 ：l 的范围内，对氨氮的去除能 力影响不大，而较高的有机负荷降低了系统内微生物对氨氮的利用率，从而影响 了对氨氮的去除率。 由图3 1 5 、3 - 1 6 可知，在c o d b 容积负荷小于3 8 5 蚴3 d ) 的条件下，在氨 氮容积负荷0 0 3 2 o 1 8 5k g ( m 3 d ) 的范围内，该反应器对氨氮的去除率稳定在8 0 以上，出水氨氮在1 5m g l 以下( 最低达到5m 玑) ，体现了该反应器对氨氮较好 的去除效能。 又由图3 1 6 可以看出，当有机负荷不超过4k g c o d c 以m 3 d ) 时，系统对c o d c r 的去除率能够稳定在9 8 以上。这表明该系统的除碳、脱氮能力都很好。 结合以上各图可以看出，在进水c o d c ，浓度为1 5 0 0 3 0 0 0m 班、容积负荷 2 5 5 0k g c o d c ( m 3 d ) 的条件下，在氨氮容积负荷o 0 3 2 o 1 8 5k 耿m 3 d ) 范围内， 4 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 出水氨氮基本稳定在2 0m g l 以下，满足g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准中的 二级标准2 5m g l 的要求，并能满足用于城市绿化的中水回用要求( g b 厂r 1 8 9 2 0 2 0 0 2 城市杂用水水质标准) ，体现了反应器对氨氮具有较好的去除效果。 当c o d c ，容积负荷小于3 8 5k 趴m 3 d ) 时，出水氨氮浓度在1 5m g l 以下( 最低达 到5m g l ) ，氨氮去除率稳定在8 0 以上；但当负荷再增大时，其对氨氮的去除能 力就会减弱，尤其当c o d c ，容积负荷达到5 ok ( m 3 d ) 时，在进水氨氮浓度只有 5 0m g l 的条件下，氨氮去除率降至6 0 。因而该反应器还需在高负荷情况下提高 脱氮效果上进行改进。 本课题试验基本达到了预期的处理效果，为实际污水处理工程上培养好氧颗 粒污泥提供了试验依据，从而为该反应器今后的进一步完善及好氧颗粒污泥的大 规模培养提供了广阔的空间和前景。 3 2 3 红虫现象及其对污泥的影响，污泥减量效能研究阶段 3 2 3 1运行条件与现象分析 本课题研究过程中，在基本达到了预期的处理效果并稳定运行一段时间后， 发现自反应器内取出的污泥中有少量红色的、体长在5m m 左右的线虫( 俗称红虫， 见图3 1 7 ) ，三天后红虫数量突然剧增，这些红虫体长在5 1 2m m ，并且，系统 出水c o d c f 浓度异常升高，去除率降低，系统p h 值略有下降，且反应器内的污泥 颜色变为略发乳白色。为了解决该问题，及时调整试验方案：采取短时降低进水 负荷、降低进水浓度、加大进水流量、调整进水p h 值、间歇性停止曝气等措施， 对反应体系进行调整；同时加大底部曝气搅拌强度，加强反应区的泥水混合与传 质，并使污泥过滤层沉淀区活性较低的剩余污泥及时排出。 4 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 图3 1 7 红色线虫( 放大倍数均为4 倍) f i g 3 一l7b 1 0 0 dr h a b d o l a i m u s 经查阅大量相关资料，关于此类好氧反应过程中出现红虫的具体资料描述并 不深入，只是在实际工程运行中有红虫现象发生的记载。 资料显示【7 2 1 ，红虫出现的前提有二：一是在有机物含量较低、出水水质良好 的情况下会出现；二是在处理系统因其泥龄较长、负荷较低时，污泥因缺乏营养 而老化解絮，这时后生动物轮虫和颗体虫会因污泥碎屑增多而大量增殖，其数量 可多达每毫升中近万个。这时，红虫又是污泥老化解絮的标识。经初步分析确定， 本试验的红虫是在反应系统正常运行过程中，在有机物含量较低、出水水质良好 的情况下出现的。 为了控制住红虫的过量繁殖，保证反应系统能够继续运行下去，本试验及时 调整试验方案，对红虫的控制进行了研究。研究发现，间歇