（环境工程专业论文）MB（Alt2gtO）工艺特性及除磷研究.pdf

摘要 m b ( a 2 o ) 工艺特性及除磷研究 东南大学 硕士研究生：卢宁导师：王世和教授 摘要 系统研究了膜分离与a 2 o 确- 机结合的新工艺m b ( a 2 o ) 处理城市污水的工艺特性及 除磷特性。 试验采用人工配水模拟城市生活污水，考察了水力停留时间( h r t ) 、曝气强度( i ) 、 污泥浓度( m e s s ) 、曝气7 l 孔径( d ) 对m b ( a 2 o ) 处理效果的影响，分析了膜对去除效果的 强化作用，并i i j - m b ( a 2 o ) 化学除磷的经济可行性进行了论证；同时，运用物料衡算建立 了以化学除磷率为目标的数学模型。 研究结果表明：在试验范围内，工况参数的选择x 十c o d 、n h 3 - n 、t n 盘除效果的影 响不大，整个运行过程中，总平均去除率分别为9 5 8 、7 3 9 和5 8 6 ：h r t 、m l s s 、 d 的选择对t p 去除有一定影响，试验巾：【况2 的t p 平均去除率最高，为9 4 7 。在试验 范围内，h r t 、m l s s 、d 数值越大对t p 去除越有利，其中h r t 作用最为显著，m l s s 其 次，d 最小。 有机负荷率和硝酸盐浓度是影响生物贮磷菌厌氧释磷速率和总量的两个重要因素， 释磷池运行时污泥停留时间与污泥回流比对释磷也有显著影响，在适宜的工况条件下， m b ( a 2 o ) 系统最终出水平均t p 浓度为0 6 7m g l ，去除率为9 0 3 ，说明膜生物与a 2 o 有机结合具有良好的除磷能力。 化学强化除磷试验发现，释磷池富磷上清液初始h c c l 3 碱度是影响化学除磷效果的 主要因素。 关键词：膜生物反应器除磷 + 本课题为江苏省建设厅科研资助项目( 编号：j s 2 0 0 3 0 8 ) 。 i 东南人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e r i o u sd e t e r i o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ta n dp h o s p h o r u sr e s o u r c ea r ed e f i c i e n t s e r i o u s l y , a n dn e ws e w a g er e c y c l et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sn e e d e du r g e n t l y f o rt h i sr e a s o n ， t h i sa r t i c l ei sas t u d yo nas y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp h o s p h o r u sr e m o v a li nm b ( o ) o r g a n i z e db ym e m b r a n es e p a r a t i o na n da 2 oc r a f t t h ee x p e r i m e n ta d o p t e sa n dm i x e st h em u n i c i p a lw a s t e w a t e ra r t i f i c i a l l y ，i n v e s t i g a t e s t h eh y d r a u l i cr e t e n t i n g t i m e ( h r t ) ，a e r a t i o ni n t e n s i t y ( 1 ) ，d e n s i t yo fa c t i v e ds l u d g e ( m l s s ) ， t h ea p e r t u r ed i a m e t e ro f a i rv e n t ( d ) t od e a lw i t ht h ei n f l u e n c eo f t h er e s u l to nm b ( a 2 o ) ，h a s a n a l y s e dt h em e m b r a n e ss t r e n g t h e n i n go ft h er e m o v a l ，a n dt h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t y o f c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l m e a n w h i l e ，t h ew e i g h i n ga p p a r a t u so ft h es u p p l i e si su s e dt o s c tu pt h em a t h e m a t i c sm o d e lt a k i n gc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a la sag o a l t h er e s u l to fs t u d ys h o w s ：i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e t h ei n f t u e n e et or e m o v a lo ft h e o p e r a t i n gp a r a m e t e ri sn o tb i go nc o d ，n h 3 - n ，t n ，a n di nt h ew h o l eo p e r a t i o nc o u r s e ，t h e a v e r a g eo ft h eg e t t i n gr i do fr a t ei s9 5 8 ，7 3 9 a n d5 8 6 ；g ot ot pe x c e p ti n f l u e n c ei n t h ec h o i c e so fh r t ，m l s s ，d ，t h ea v e r a g eg e t t i n gr i do fr a t eo ft po ft h eo p e r a t i n gm o d e2 i sh i g h e s tw h i l et e s t i n g ，i ti s9 4 7 。i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e ，t h eg e t t i n gr i do fr a t eo ft p y = 一3 2 3 + 7 7 3 + f r m t ) + 3 7 8 + ( m e s s ) + 6 7 2 + ( d ) ，h r ti sm o s tr e m a r k a b l ea m o n gt h e m ， s e c o n d l ym l s s ，di sm i n i m u m o r g a n i cl o a dr a t ea n dn i t r a t ec o n c e n t r a t i o na r et w oi m p o r t a n tf a c t o r st oi n f l u e n c et h er a t e o fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n dt h ea m o u n to fr e l e a s i n g t h es l u d g er e t e n t i n gt i m ea n dr e c y c l i n g s l u d g er a t eo ft h ep h o s p h o r u sr e l e a s i n gt a n kh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c et o oo nt h ep h o s p h o r u s r e l e a s e u n d e rt h es u i t a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，m b ( a 2 o ) s y s t e mp r o d u c ec o m p e t e n c et p c o n c e n t r a t i o n0 6 7 m g l t h er e m o v a l9 0 3 e q u a l l yf m a l l y , p r o v e st h a t i th a sg o o d g e t t i n gr i do f p h o s p h o r u sa b i l i t yt oc o m b i n em e m b r a n es e p a r a t i o na n da 2 0 1 1 1 ee x p e r i m e n t o fc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lf i n dt h a th c 0 3 一a l k a l i n i t yh a sai n f l u e n c eo nt h er a t eo f g e t t i gr i do f p h o s p h o r u s m b ( a 2 o ) w h i c hc o m b i n e sm e m b r a n es e p a r a t i o na n da 2 oc r a f t o r g a n i c a l l yb r i n g sa k i n do fb r a n d n e wb i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m ，a n dg e tb e t t e rg e t t i n gr i do ft h ep h o s p h o r u s a n dd e n i t r i f i c a t i o nr e s u l t ，i ti st h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p i n gd i r e c t i o no fr e c y c l et r e a t m e n to f s e w a g ed i s p o s a l k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o rp h o s p h o r u sr e m o v a l 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：量立日期：j 塾堕；、2 吕 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。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，水资源短缺已成为一个全球性 问题。为解决人类面临的水危机，世界各国、各地区围绕“开源节流”采取了一系列积极有效的措施， 其中，城市污水的再生与利用是一条具体可行的重要途径【l 】。此举既可开辟新的水源，又可减少对 水环境的污染，可产生巨大的经济和环境效益，是解决“水危机”的战略性举措。 再者，随着工农业生产的增长、人口的急剧增加、含磷洗涤剂和农药化肥的大量使用，水体中 的磷盐日益增加。虽然氮磷同为水体生物的重要营养物质，但是藻类等水生生物对磷更敏感而且 当水体中的氮浓度较低时，水体中的蓝藻、绿藻可通过固氮作用来补充氮浓度不足可见磷是水体 富营养化的最主要最敏感的控制因子。因此，有效降低排放废水中的磷含量已成为防治水体富营养 化的重要途径2 一。我国污水综合排放标准( gb8 9 7 8 1 9 9 6 ) 规定，城市污水处理厂磷酸盐一级 排放标准为0 5 mg l 。 男一方面，磷作为一种不可再生的稀有资源，须加以回收利用。近年来由于高品质磷矿储量的 减少，1 廿= 界磷矿的质量不断下降。根据农业部门对磷肥消费量年增长率的预测，到2 0 5 0 年世界磷肥 的消费量将达到6 0 0 0 7 0 0 0 万蚀。基丁- 合理的假设数据，在今后6 0 7 0 年之内，全球在目前状况 下能经济合理利用的磷矿储量将消耗掉一半，今后6 0 1 3 0 年之内有些地区目前在经济上可以利用的 磷矿储量将会枯竭1 2 。 针对这三方面的原因，作为水处理领域技术人员，戍尽力研发能回收利用水中磷的高效水处理 技术，满足污水综合排放标准，并且缓解水资源和磷资源的严重短缺。 1 2 除磷技术的研究现状、水平及存在问题 污水除磷的方法有物化除磷与生物除磷法。 化学沉淀法除磷是一种应用较早的除磷技术。采用的药剂主要是铁盐、铝盐、打灰，此法具有管 理方便、占地面积小、处理放果好等优点，囡此得到了广泛的麻心，尤其是在瑞典、瑞士、芬兰等 国家。但是与生物除磷相比，化学除磷要产生大量的化学污泥，这些化学污泥不但很难处理，而且 投加化学药剂和处理化学污泥的费用部1 i 哐。人们对化学除磷法进行了深入的研究，试图克服化学 除磷法的缺点，主要包括开发新型化学药剂、设计新型的反应器以减少药剂的使用量。有报道，v a n d i j kj c 等人设计新型的流化床沉淀反廊器，可以回收磷肥1 3 j 。 生物除磷的原理主要是利用聚磷菌的聚磷作用。7 0 年代中期，人们在传统活性污泥工艺的运行 管理中，发现了一类特殊的兼性细菌，如不动细菌属( a c i n e t o b a c t e r ) 、气单胞菌( a e r o m o n a s ) 、棒杆菌 属( c o r y m e b a c t e r i u m ) 等，在好氧状态下自e 超量地将污水中的磷吸八体内。使体内的含磷量超过1 0 ， 有时甚至高达3 0 ，而一般细菌体内的含磷量只有2 左右。这类细菌被广泛地用于生物除磷，称之 为聚磷菌。其实生物除磷机理剑现在为止还处于探索2 中，以h 是多数人所倾向的一种说法：当在 厌氧条件时兼性细菌通过发酵作用将溶解性b o d 转化为低分子有机物，聚磷菌分解细胞内的聚磷酸 盐同时产生a t p ，弗利用a t 将废水中的低分子有机物( 如脂肪酸) 摄入细胞内，以p r m ( 聚p 羟基丁 酸盐) 及糖原等有机颗粒的形式存在于细胞内，同时将聚磷酸盐分解所产生的磷酸排出细胞外。在随 后的好氧条件下，聚磷菌又利削p h b 氧化分解所释放的能量从废水中吸收超过其生长所需要的磷并 以聚磷酸盐的形式贮存起来。由于系统必须经常排放剩余污泥，被细菌过量摄取的磷也将随着剩余 污泥排出系统，从而获得较好的除磷效果“。 生物除磷技术于8 0 年代在欧洲得到广泛使用，人们对生物除磷进行了深入的研究，并设计了多 种除磷t = 艺，比较成功的脱磷t = 艺有p h o s l r i p ，s b r ，u c t ，r e n p h o ，j h b ，b a r d e n p h o ，p h o r e d o x ， u n i t a n k 嚣。由于污水中同时存在有氮化合物，也是造成富营养化的原因。所以，目前的生物除磷 东南人学硕上学位论史 一j 一艺大多是同时考虑了脱氮的要求，上述1 = 艺中除p h o s t r i p 工艺外，都是同步除磷脱氨一i ：艺。由丁 氮化合物只能通过生化处理的方式实现，所以目前污水除磷脱氮丁艺都是优先考虑脱氮，在满足脱 氯的前提下尽可能地实现除磷功能。而生物除磷的效率随进水水质及边界条件的变化波动很大。冈 此，在很多情况f ，为了达到排放标准，必须增加化学除磷作辅助处理。 r 面就目前主要应用的除磷技术及正在研究的新方向作一介绍。 1 2 1a o ( a 2 o ) 、p h o r e d o x ( b a r d e n p h o ) t 艺、氧化沟、s b r 等工艺 生物悬浮生长传统工艺是目前研究得较多的一类，包括完全混合型和推流型。在这类处理构筑 物中，义分为上述多种不同的具体丁艺，不过，请种工艺的本质不外乎在两点上变换： ( 1 ) 变化好氧、缺氧、厌氧三过程的顺序和级数； ( 2 ) 变化回流方式和进水方式。 1 2 2 侧流p h o s t r i p 工艺 传统脱氮除磷工艺存在着聚磷菌和硝化菌对泥龄要求不同的矛盾，而常规设计往往先考虑脱氮 的需要，导致除磷效果不佳。因此实际工程中常将生物法与物化除磷相结合，以取得较好的除磷效 果。下面介绍唯一在泥线上增设除磷功能的p h o s t r i p 工艺及它的改进形式。 p h o s t r i p 工艺是l e v i n 于1 9 6 5 年首先提出。这种工艺把生物法和化学除磷结合在一起，一部分 回流污泥被分流到专门的池子进行磷的释放，然后投加石灰沉淀所释放出的磷。该丁艺的优点是出 水磷浓度低于l m g l ，而且较少受进水b o d 的影响。另外，大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除， 因此污泥的处理不象高磷剩余污泥那样复杂。图1 1 是p h o s t r i pj 二艺的处理流程图： 图1 1p h o s t r i p 工艺流程图 与住曝气池中投加化学药剂沉淀磷的方法相比，p h o s t r i p 法所需的化学药剂量较少、成本也较 低，这是因为石灰投加量与碱度有关，而与除磷量无关。这种潜在的优点同污水的碱度、含磷量和 化学药荆费用有关。但该丁艺对操作人员技术水平要求较高。此外，石灰贮存和预备系统的问题也 较多。 牛学义p j 结台p h o 矧p 工艺在德国达姆斯塔特的具体实践应用总结出以下儿点：( 1 ) 该丁艺和污泥 回流系统的恰当设计，可保证磷出水值在l m g l 以下：( 2 ) 化学沉淀所需的右灰用量低，介于2 1 3 1 8 m g c a ( o h ) 2 m 3 污水之间；( 3 ) 最终排出的污泥中磷含最可高达2 1 7 1 ，污泥肥效高：( 4 ) 污 泥容积指数s v i 值一般低于1 0 0 m l g ，污泥不膨胀，易于沉淀浓缩、脱水；( 5 ) 根据b o d t p l 值可调 节回流污泥与化学混凝污泥量的比例。 但该工艺无缺氧段脱氮，所以脱氮效果不好，且由于回流污泥中含有二沉池里大量的硝酸盐而 影响厌氧释放池里聚磷菌的释磷性能。因此韩国人k s = ( i ：m 1 6 1 在常规p h o s m p t 艺曝气池前设反硝化 段，强化了脱氮功能，且克服了同一体系脱氮除磷对工艺要求不同的矛盾，同时也避免了原工艺二 沉池回流污泥中高硝酸盐浓度对磷释放的抑制。进水c o d t k n 为5 1 5 9 ，且负荷为0 0 6 5k g t k n k g m l s s d 时，为保证出水t k n 在1 3 m g l 之间。t k n 的最大负荷率为0 0 4 k g t k n k g m l s s d ： 内回流比为2 0 0 ；为保证出水p l m g l ，回流比3 0 时磷负荷应低y - 0 0 0 8k g t p k g m l s s d ，回流 比1 5 时，磷负荷低于0 0 0 6 5 k g t p k g m l s s d 。 2 第一章绪论 1 2 3m b r 组合工艺除磷 m b r 冈其j 二艺上的独特优势而成为处理废水的主力军也因此其中微生物的组成、结构、形态、 活性等等都发生了变化，导致了一种全新的降解机理。而且m b r 具有占地面积小，山水水质好的 优点，符合当前由丁：水资源紧缺而需要高效水处理技术的趋势。磷的去除是水处理中的难点，因此 人们一直在研究利崩m b r 除磷的新j 二艺。 1 2 3 1m b r 生物法除磷 生物法除磷主要通过聚磷菌过量从外部摄取磷，并将其以聚合态贮藏在体内，形成高磷污泥， 排出系统，从而达到除磷的目的。因此，泥龄短的系统由丁剩余污泥量较多，可以取得较高的除磷 效果。但是m b r 工艺一般具有很睦的泥龄，因此从这个意义上讲不利于磷的去除。 y o o n 等人川的研究也发现，与传统除磷工艺相比，采用膜生物反应器并不能提高磷的去除。现有报 道的总磷去除率介于1 1 9 - 7 4 i s l 。 1 2 3 2m b r 化学法除磷 b u i s s o n 等人【q 的膜生物反应器采用金属混凝剂取得了稳定的除磷效果，当a l ：喊f e ：p 的摩尔比 为1 ：1 时，磷的去除率达8 0 以上。 邹联沛等【l o 】在膜生物反应器中进行了化学除磷研究。间歇试验结果表明，随舢与皿摩尔比的增 大t p 的去除率增大，但随着闷曝时间的延长，r p 的去除率下降：连续试验结果则表明，当a l 与t p 的摩尔比为1 5 、进水口浓度为4 3 5 3 m s l 时出水t p 浓度为0 3 6 0 8 m g ，l ，可以达到n 1m g l 的排放标准。但他们同时也认为：m b r 的协同化学除磷虽然能够去除大部分磷，但除磷效果并不 理想，冈为在反应器内曝气一直在剧烈地进行，磷的化学沉淀物没有经过很好的絮凝，所以形成的 磷的化学污泥只是一些微絮凝物，而这些微絮凝物有一部分还能够穿过膜，使得出水中仍含较高浓 度的磷。此外，m b r 的协同化学除磷还会给其本身带来不利影响，如使m b r 内的化学污泥浓度升高 会对反应器造成很大影响：一是使反应器内污泥的总浓度升高，从而使膜通量下降：再就是使生物 污泥所占比例下降，即反应器内污泥的活性下降；第三就是化学污泥本身对膜的堵塞比生物污泥更 严重所以当进水中磷浓度较高时，建议在进入m b i 晓前进行前置化学除磷。 1 2 3 3m b r 与a o 组合工艺 张军等 1 ”对自制的a o 复台淹没膜牛物反应器进行研究，结果表明：膜生物反应器系统能够在 去除有机污染物的同时去除氮、磷，但必须控制妤反应器内的运行条什。当温度控制在2 5 3 0 ， d o 为4 6 m g l ，营养比为b o d 5 ：t n ：t p = 1 0 0 ：5 ：1 ，进水p h 为中性或碱性时出水c o d c 。 3 0 m g l ，b o d 5 1 0 m g l ，s s 为0 ，浊皮 i n t u ，系统对n i - 1 3 n 去除率为9 7 以上，对磷的去除率可 达7 0 以l 。 刘超翔等【1 2 1 中试研究结果表明：一体式膜一生物反应器用丁处理毛染废水在技术上是可行的。 厌氧+ 好氧膜生物反应器串联1 1 艺的c o d 去除率和脱色效果优于单纯的好氧膜生物反应器工艺。连 接厌氧段后。系统出水c o d 从4 0 m g l 下降到2 0n a g l 以下；脱色效率由4 8 提高到8 0 ，出水浊 度 t 况 5 工况3 工况2 工况6 i 况7 工况4 ， 最高去除率为9 8 0 ，最低为9 2 3 。 m b ( a 2 0 ) 系统中最终出水c o d 平 均去除率为9 5 8 ，其中微生物对c o d 去除起主要作用，平均去除率达8 5 3 。 膜对去除c o d 的平均贡献率为1 0 5 。 好氧区相较缺氧区对c o d 的去除没有明 显的提升，甚至在一l 况3 和。i 况6 缺氧 区去除率比好氧区略高0 3 4 平3 1 6 。 这是由丁本试验采用一体式膜生物反应 器所致，缺氧区和好氧区在良好的回流 条什f 溶液近乎于完全混合。此外，n r 看出膜分离对c o d 去除贡献明显，c o d 去除率稳定在3 6 以上，j 二况6 和1 况 8 膜对c o d 去除达2 3 7 和1 4 8 ，使最终出水的去除率分别达到9 4 8 和9 7 5 。分析认为，膜 具有高度截留作用，使部分c o d 随活性污泥裁留于系统中，进一步提高t m b ( a 2 o ) 对c o d 的去除率。 在同归分析中将最终去除率作为结果冈素( y ) ，且考虑曝气强度与曝气t l ：i = l 释在试验中相互影 响，具有交互作用，建立多元回归方程并通过回归计算得： y 一7 5 5 0 + 5 2 4 + f l i n t ) - 1 8 8 + ( i ) 一0 2 1 4 + o d l s s ) + 7 0 7 0 + ( d ) - 0 0 0 5 9 8 + ( i ) + ( d ) ( 3 i ) 注：式( 3 i ) 仅是在试验范围内适用的经验公式，主要反映试验因素的变化对试验结果的影响，下义式( 3 2 ) 、 武( 33 ) 、j ( 3 4 ) 、式( 4 3 ) 的意义与此l 浏。 回f 1 显著性检验：f 检验临界值f5 0 ( o 0 5 ) = 1 9 2 9 6 f t = 0 1 4 9 9 ，