（环境工程专业论文）改进a2o工艺a2ombnr联合工艺脱氮除磷性能研究.pdf

m t h e p r o p e l t i e so f r e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u so f i m p r o v e d a 2 op r o c e s s ( a 2 o m b n rc o m b i n e dp r o c e s s ) m a s t e rc a n d i d a t e ：w ur u o y h s u p e r v i s o r ： p r o l iy 0 n g m a j o r ： 1 一 1 一 e n v l r o n m e n t a le n g l n e e n n g s u z h o u u n i v e r s i t ) ，o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s c h o o lo fe n v i r o r u m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 苏州科技 本人郑重声明 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：i 强日期：碰年之月二日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：避日期：地年鱼月刍日 稽导教! j l j 签名： 2 m g l 时，氨氮 有可能完全硝化，便需要过长的污泥龄，因此硝化反应设计的d o 浓度 2 m g l 。 对同时去除有机物和进行硝化反硝化的工艺，硝化菌约占活性污泥5 左 右，大部分硝化菌将处于生物絮体的内部。在这种情况下，d o 浓度的增加将会 提高溶解氧对生物絮体的穿透力，从而提高硝化反应速率。因此，在污泥龄短时， 由于含碳有机物所化速率的增加，致使耗氧速率增加，减少了溶解氧对生物絮体 的穿透力，进而降低了硝化反应速率：相反，在污泥龄长的情况下，耗氧速率较 低，即使溶解氧浓度不高，也可以保证溶解氧对生物絮体的穿透作用，从而维持 较高的硝化反应速率。所以，当污泥龄降低时，为维持较高的硝化速率，则相应 的提高溶解氧的浓度。 ( 4 ) 温度 温度不但影响硝化菌的比增长速率，而影响硝化菌的活性。硝化反应的适宜 温度范围是2 0 3 0 。在5 3 5 的范围内，硝化过程反应速率随温度的升高而加 快，但达到3 0 时，随温度的升高，反应速率增加幅度减少。这是因为当温度 超过3 0 进，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于5 时，硝化细菌 的生命活性几乎停止。对同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 发现硝化还度急剧降低。低温对硝酸菌的抑制作用更为强烈，因此在低温条件 下( 1 2 1 4 ) 常常会出现亚硝酸盐的积累。 ( 5 ) p h 值 硝化茵对p h 值的变化非常敏感，最佳p h 值范围为7 5 8 5 。当p h 值低于 7 时，硝化速率明显降低，当p h 低于6 或者高于9 5 时，硝化反应将停止进行。 由于硝化反应中每消耗1 9 氨氮要消耗碱度7 1 4 9 ，如果污水氨氮浓度为2 0 m g l ， 则需消耗碱度1 4 3 m g l 。一般的，污水对硝化反应来说，碱度往往是不够的，因 此应投加必要的碱量，以维持适宜的p h 值，保证硝化反应的正常进行。 ( 6 ) c n 比 在活性污泥系统中，硝化菌只占活性污泥微生物的5 左右，这是因为与异 养型细菌相比，硝化菌的产率低，比增长速率小。而b o d 5 厂r k n 值的不同，将 会影响到活性污泥系统中异养与硝化菌对底物和溶解氧的竞争，从而影响脱氮效 果。一般认为处理系统的b o d 5 负荷低于o 1 5 9 b o d 5 ( g m l s s d ) ，处理系统的硝化 反应才能正常进行。 ( 7 ) 有害物质 对硝化反应产生抑制作用的有害物质主要有重金属，高浓度的n h 4 - n 、 n 0 3 n 络合阳离子和某些有机物。有害物质对硝化反应的抑制作用主要有两个方 面：一是干扰细胞新陈代谢，这种影响需长时间才能显示出来：二是破坏细菌最 初的氧化能力，这种影响在短时间内即会显示出来。一般来说，同样的毒物对亚 6 苏f ： 学院硕 学他论文 第二章生物脱謇【除磷技术 眚i 宣i i i i i i i i i i i i | 誓i i i i 叠高| | 葺i | i 宣i i i 萱皇簟i _ i i 叠| i i i i i i i 盲i i i i i i 宣i i i i i i i i 叠i k 。 硝酸菌的影响比对硝酸菌的影响强烈。对硝化菌有抑制作用的重金属有a g 、h g 、 n i 、c r 、z n 等，毒性作用由强到弱，当p h 值由较高到低时，毒性由弱到强。而 一些含n 、s 元素的物质也具有毒性，如：硫、氰化物、苯胺等，其他物质如酚、 氟化物、k 2 c r 0 4 、三价砷等也具有毒性，一般情况下，有毒物质主要抑制亚硝酸 菌的生长，个别物质主要抑制硝酸茵的生长。 2 3 2 反硝化反应的影响因素 ( 1 ) 有机碳源 反硝化菌为异养型兼性菌，所以反硝化过程需要提供充足的有机碳源，通常 以污水中的有机物或外加碳源( 如甲醇、乙醇) 作为反硝化茵有机碳源。碳源物 质不同，反硝化速率也将不同。表2 2 列出了一些碳源物质的反硝化速率【9 l 。 表2 3 不同碳源物质的反硝化速率 目前，通常是利用污水中的有机碳源，因为它具有经济、方便的优点。一般 认为，当污水中的b o d 5 仃n 值 3 5 时，即可认为碳源是充足的，不需外加碳 源，否则应投加甲醇、乙醇作为有机碳源，它的反应硝化速率高，被分解后的产 物为c 0 2 和h 2 0 ，不留任何难以降解的中间产物，其缺点是处理费用高。在单 级活性污泥系统单一缺氧池前置反硝化( o ) 工艺中，c n 比需求可高达8 。 这是因为城市污水中成分复杂，常常只有一部分快速生物降解的b o d 可以利用 作为反硝化的碳源物，附着生长系统比悬浮生长系统所需的碳源投加量要低些， 这种因为在附着生长系统污泥龄较长使内源代谢作用高于悬浮生长系统。 ( 2 ) p h 值 p h 值是反硝化反应的重要影响因素，反硝化过程最适宜的p h 值范围为 6 5 7 5 ，不适宜的p h 值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当p h 值低于6 0 或高于8 o 时，反硝化反应将受到强烈抑制。由于反硝化反应会产生 碱度，这有助于将p h 值保持在所需范围内，并可补充在硝化过程中消耗的一部 分碱度。 ( 3 ) 温度 苏州科技学院硕i e # 位论史 第二章生物脱氮除磷技术 反硝化反应的适宜温度为2 0 4 0 。低于1 5 时，反硝化菌的增殖速率降低， 代谢速率也降低，从而降低了反硝化速率。温度对反硝化速率的影响可用阿累尼 乌斯方和表示： g d ( ，) = g d ( 2 0 ) 秒7 一2 0 ( 2 8 ) 式中：g d ( ，、温度为t 时的反应速率，g d 3 一g 脚d g d ( 2 0 ) 温度为2 0 时的反应速率，o 2g d 3 一g 膦d 护温度系数一般臼= 1 0 3 1 0 5 ，设计时可取秒= 1 0 9 研究结果表明：温度对反硝化反应的影响与反硝化设备的类型有关。当温度 从2 0 降到5 时，为达到相同的反硝化效果，生物流化床的水力停留时间提高 到原来的2 1 倍，而采用生物转盘和普通活性污泥法，水力停留时间则分别为原 来的4 6 倍和4 3 倍。研究结果表明：硝酸盐负荷率高，温度对反硝化速率的影 响也高；反之，则温度的影响也低。 ( 4 ) 溶解氧( d o ) 反硝化菌是兼性菌，即能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸。含碳有机物 好氧生物氧化时所产生的能量高于厌氧反硝化时产生的能量，这表明，当同时存 在分子态氧和硝酸盐时，优先进行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有机物而抑制了 硝酸盐的还原。所以，为了保证反硝化过程的顺利进行，必须保持严格的缺氧状 态。微生物从有氧呼吸变为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶，而分子态氧的 存在会抑制这类酶的合成及其活性。由于这两方面的原因，溶解氧对反硝化过程 有很大的抑制作用。一般认为，系统中溶解氧保持在0 5 m g l 以下时，反硝化反 应才能正常进行。但在附着生长系统中，由于生物膜对氧传递的阻力大，可以容 许较高的溶解氧的浓度。 2 4 生物除磷的影响因素 ( 1 ) p h 的影响 在一定的p h 值范围内，随着p h 升高厌氧释磷量升高。但是，p h 值达到8 以上时由于磷酸盐沉淀，释磷量下斛1 0 l ；而当p h 值低于6 5 时，聚磷微生物活 性亦受到影响。 ( 2 ) 溶解氧的影响 聚磷微生物要求在有氧区有丰富的溶解氧，而在缺氧区或无氧区没有溶解 氧。一般认为厌氧区溶解氧保持在o 2 m l 以下1 。但回流混合液和回流污泥推 携带溶解氧，因而有氧区溶解氧也不宜过高，能常维持在2 m g l 左右。 ( 3 ) 温度的影响 温度对厌氧释磷有重要的影响。在厌氧状态下放磷越多，合成的p h b 越多， 窖 苏卅f 科披学院邱! i 学亿论文 。 第：二审牛物脱夏除磷技术 则在好氧状态下合成的聚磷量越多，除磷效果越好。适合p a 0 生长的温度范围 比较窄，大概在2 0 3 0 之间。因此控制系统运行的温度是十分必要的。温度 太低或太高都不利于微生物除磷，当温度达到5 5 时就没有除磷效果了【l 引。当 温度从1 0 上升到3 0 时，放磷速率可提高5 倍。 ( 4 ) 污泥龄的影响 生物除磷是通过排出剩余污泥来实现的，所以污泥龄对生物除磷效果具有重 要影响。泥龄越长，系统排出磷越少，单位污泥含磷量越低，则去除单位重量的 磷需消耗较多的b o d ，此外，还会由于有机底物的不足而使污泥发生“自溶 现象，导致磷的溶解及排泥量的减少，降低除磷效果；泥龄越短，系统排出磷越 多，从而导致通过剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多。短的泥龄还有利于好 氧段控制硝化作用的发生而利于厌氧段的充分释磷。因此，在仅以除磷为目的处 理系统中，一般宜采用较短的泥龄。但泥龄的具体确定还应考虑整个处理系统出 水中的b o d 和c o d 的要求，若泥龄过短，将影响污泥中p a o 的含量，而同样 影响处理效果。对仅以除磷为目的的生物处理工艺，其污泥龄一般控制在3 5 7 d ，对同时具有脱氮除磷功能的工艺，其污泥龄则结全脱氮要求综合考虑。 ( 5 ) 硝酸盐的影响 若在厌氧池中存在硝酸盐，它将有助于反硝化菌的增长，从而和聚磷菌争 夺碳源，抑制其生长放磷。在有机碳源充足的条件下，若体系内存在反硝化聚磷 作用，则会导致系统释磷表观速率下降。 2 5 传统a 2 o 工艺及主要问题 a 2 o 工艺由厌氧、缺氧及好氧三部分组成，系统内部的微生物群体受营养条 件与环境条件影响而不断变化，因此其群体种类及种群规模总是处于不断变化的 动态平衡之中【b 】，不同的细菌群体会互相竞争食料和生存空间，从而形成不同的 优势菌群，而不同的优势菌群会导致工艺处理功能的差异。由于多种功能细菌群 体共存于同一个污泥系统，各种细菌所要求的最适宜的生存条件各不相同，因此 系统不能同时满足不同细菌的最佳需求，必然会造成功能菌群之间的竞争，最终 达到对立统一，以满足系统的脱氮除磷要求。这种功能菌群对环境、营养物质和 生存空间的竞争就构成了a 2 o 工艺系统固有的不足。 众多研究者在对a 2 o 工艺脱氮除磷性能的研究结果表明，a 2 o 工艺的运行过 程中存在下述矛盾问题： ( 】) 硝酸靛 由于聚磷菌、硝化菌、反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内， 并在整个系统内循环，使得从好氧段回流的污泥中含有大量的硝酸盐。由于反硝 9 苏州科技学院硕1 学位论文第一二章生物脱繁除磷技术 葺i i i i i 宣i i i i 葺i 萱i i i i 嗣膏置i 置i 薯i 置皇嗣i i i i 毒| 置鼍i i 蕾| 嗣i i i i 嗣i 薯i i i i 嗣葺葺i i i i 萱 “ 化速度快于释磷速度，因此厌氧条件下存在硝酸盐时，反硝化会抢先消耗易降解 c o d ，如v f a 等，造成聚磷细菌难以获得充足的有机物，使释磷作用受到抑制，处 于非常缓慢的释放状态，从而也影响了后续好氧条件下的摄磷过程【l4 ，”】，进而导 致系统除磷效率降低。 ( 2 ) 碳源 脱氮除磷工艺中聚磷细菌和反硝化细菌之间存在着因争夺易生化降解的低 分子有机物碳源的矛盾。在城市污水生物脱氮除磷系统中，反硝化和聚磷速率与 废水中v f a 含量的关系最大【1 6 】。反硝化细菌可先于聚磷细菌吸收和利用v f a 进 行反硝化脱氮，在废水中v f a 含量过低时，必然会影响聚磷细菌对p h b 的合成， 并导致聚磷细菌( p a o ) 释磷程度降低，最终影响聚磷细菌在好氧条件下的聚磷 作用，从而给系统的平稳运行造成较大困难。另一方面，过量碳源对系统脱氮效 果会产生负面作用，因为好氧硝化段有机质浓度不宣过高，否则过高的有机物浓 度会促使异养细菌快速生长，。从而抑制了硝化细菌，降低系统硝化功能，也造 成了系统的不平稳运行。 ( 3 ) 泥龄 好氧段中要实现硝化作用，必然需要维持较高的硝化菌数量。硝化茵基本上 属于自养型专性好氧细菌，其突出的特点是生长速率慢、世代期长，在系统内要保 持较高浓度的硝化菌，就要求在较长的泥龄下运行。a 2 o 法的除磷是通过排泥实 现的，这就要求尽可能采用短的泥龄来增加剩余污泥排放量，所以在较短的泥龄下 运行时可获得较高的除磷效率【1 7 】。另外，较长的泥龄还会导致系统内糖原累积、 非聚磷微生物( g a 0 s ，9 1 y c o g e na c c u m u l a t i n gn o n - p o l y po r g a m s m s ) 的增长而 使除磷效率大幅度降低。显然，在运行泥龄上，a 2 o 工艺在脱氮与除磷之间存在着 矛盾。为了缓解这一矛盾，a 2 o 法通常在一较窄的泥龄范围内运行，以兼顾脱氮与 除磷对泥龄的要求，但这样的运行条件仅能部分地解决问题，实际运用中还是经常 出现脱氮效果好时除磷效率低、除磷效果好时脱氮效率低的情形。 2 6 改良a 2 ，o 工艺的方法 国内外学者针对a 2 o 工艺运行过程中存在的上述矛盾，提出了一系列的工艺 改良。虽然其工艺流程都各不相同，但设计都是基于现有的脱氮除磷机理。综合 各个不同的工艺流程分析，改良方法可以分为：单一污泥悬浮生长系统范畴内的 改良和双泥系统基础上的改良。以下就对国内外诸多a 2 o 改良工艺研究进展做一 综述。 1 0 苏州技学院硕 学伊论文 第一：市，兰物脱氮除磁技术 2 6 1 传统方法改良( 既单泥系统改良) u c t 、m u c t 、v i p 工艺 u c t 工艺【1 8 】是在a 2 o 工艺的基础上对回流方式作了调整以后提出的工艺， 其与a 2 o 工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回留到厌氧池， 同时增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，这样防止了好氧池出水中的硝酸盐 氮进入到厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响在厌氧过程中磷的充分释放。由 缺氧池向厌氧池回流的混合中b o d 浓度较高，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行 的发酵等提供了最优的条件。在实际运行过程中当进水中t l 斟与c o d 的质量比 较高时，需要通过调整操作方式来降低混合液的回流比以防止硝酸盐进入厌氧 池，但是如果回流比太小，会增加缺氧池的实际停留时间，而实验观测证明，如 果缺氧池的实际停留时间超过l h ，在某些单元中污泥的沉降性能会恶化。 为了使得进入厌氧池的硝态氮尽可能少，保证污泥具有良好的沉淀性能，简 化u c t 工艺后得到了m u c t 工艺。缺氧池被分为两部分，第一缺氧池接纳回流污 泥，然后由该反应池将污泥回流至厌氧反应池，污泥量比值约为o 1 。硝化混合 池回流到第二缺氧池，大部分反硝化反应在此区间进行。m u c t 工艺基本解决了 u c t 工艺所存在的问题，最大限度的消除了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对摄磷 产生的不利影响，但由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，其运行费用较高。 工艺流程上v i p 工艺与u c t 工艺类似，差别在于v i p 工艺的厌氧段缺氧段和 好氧段的每一部分都有两个以上的池子组成，通常反应池采用分格方式，将一系 列体积较小的完全混合式反应格串联在一起。这种形式形成了有机物的梯度分 布，充分发挥了聚磷菌的作用，提高了厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速度， 因而比单个大体积的完全混合式反应池具有更高的除磷效果。缺氧反应池的分格 使大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，这样在缺氧 池的最后一格硝酸盐的量很少，基本没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧 池，保证了厌氧池严格的厌氧环境。与u c t 工艺相比，v i p 采用高负荷运行，其 泥龄比u c t 工艺短，混合液中活性微生物所占的比例较好，因而运行速率高，除 磷效果好，所需的相应反应池的容积也较小。 取消混合液回流的a 2 o 工艺 只有在缺氧条件下，反硝化作用才可以进行，也就是说只有将尽可能多的硝 态氮回流到缺氧区，才能够得到较高的氮去除率。但提高回流比不仅大大增加动 力消耗和运行成本，而且根据污水水质不同，并不一定能够提高总氮的去除能力。 特别是c o d t l 喇值较低时，提高回流比却会使出水中的n 0 3 - n 增加。而有些情 况下，回流比很低，甚至取消回流，仍旧得到较高的反硝化效果。事实上在曝气 苏州科技学院硕f 学位论文第：j 章生物脱氮哚磷技术 置i i i i i i i i i 皇i i i i i 萱葺i i i 叠葺叠i i 苦i i 置篁宣| 置鼍葺i 誓| i 置嗣i i 叠i i 萱i 宣i i i i 薯i 池好氧状态下，也可以进行一定程度的反硝化。 对此，同济大学的任洁、顾国维等【1 9 】对a 2 o 工艺进行了取消混合液回流的 中试。试验结果表明。取消混合液回流后，对有机污染物和氮的去除没有任何不 利影响，而在同样条件下除磷效果较优。该工艺实际上是将污泥回流系统和内循 环系统合二为一，在流程上有所减化，使得生产运行与管理也更直观、简单。 在该工艺中回流污泥首先同原水混合而自然形成一个缺氧区，污泥中的反硝 化细菌利用原水中的有机物为碳源进行反硝化彳艮快便将回流污泥中的硝酸盐消 耗掉，后续区段将处于严格的厌氧状态，限制了n 0 3 - n 对磷释放的影响，使聚磷菌 在绝对厌氧条件下释磷更加充分，在好氧条件下吸磷更加有效，提高了磷去除率。 对于回流的部分污泥而言，前端的缺氧段可以优先得到碳源，故其脱氮能力得 到增强。由于没有混合液回流，曝气池中也必然有反硝化作用发生，这种反硝化作 用一部分是通过分解细胞本身为碳源的内源反硝化，另一部分是利用回流污泥在 前置端从原水中吸附蓄积的有机碳进行的反硝化( 前者所占比例很小，以后者为 主) ，较好地对污水进行脱氮处理。 倒置型a z o 工艺 同济大学的张波、高廷耀【2 0 】等对倒置型a 2 o ( 图2 ) 工艺的原理与特点进行 了试验研究与理论探索。 进 图2 倒置型a 2 o 工艺流程 该工艺的特点是缺氧池位于厌氧池之前，使得反硝化可优先获得碳源，消除 了硝酸盐的不利影响，故该工艺有较高的脱氮效果。同时由于厌氧区o l 冲较低， 有利于微生物形成更强的吸磷动力，微生物经厌氧释磷后直接进入好氧环境，其 在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到更充分利用。并且所有回流污泥均经历了 完整的厌氧( 释磷) 一好氧( 吸磷) 过程，使得排放的剩余污泥含磷量更高，具有一 种“群体效应 优势，因而显著提高了系统的氮磷脱除能力。 a + a 。o 工艺 为了避免u c t 工艺增加一套回流系统引起的厌氧池污泥浓度较低，以及a 2 o 抗回流硝酸盐影响能力不够强的弱点，通过综合a 2 o 工艺和改良u c t 的优点，中 国市政工程华北设计研究院开发了a + a 2 o 工艺( 图3 ) 。该工艺在传统a 2 o 法的 厌氧池之前设置回流污泥反硝化池( 既调节池) ，来自二沉池的回流污泥和1 0 苏州 ： 技学院硕i 学位论文第二二章生物脱氧除磷技术 左右的进水进入该池( 另9 0 左右的进水直接进入厌氧池) ，停留时间为2 0 m i n 3 0 m i n ，微生物利用进水中的有机物作碳源进行反硝化( 去除由回流污泥带入的硝 酸盐) ，消除了硝态氮对厌氧释磷的不利影响，保证了厌氧池的稳定性和除磷效果。 该工艺简便易行，在厌氧池中分出一格作回流污泥反硝化池即可。测试结果表明， 该工艺的处理效果优于改良u c t ，并节省了一个回流系统，在工程设计和建设中 得到了应用，目前较多采用。 图3a + a 2 o 工艺流程 2 6 3 双泥系统改良( 基于微生物分开作用的改良) 改进a 2 ，o 工艺( p a s f 工艺) 改进a 2 o 工艺是李勇等【2 1 1 于2 0 0 1 年提出的一种双泥系统工艺。如图4 所示。 该工艺在a 2 o 工艺基础上增加了中沉池，膜法硝化区和终沉池。 改进之处有：减小原a 2 o 法中好氧池的体积，缩短该段运行的泥龄，提高 系统的污泥负荷，使得悬浮生长的污泥中硝化茵的数量尽可能地减少，硝化反应 不完全，从而保证系统的除磷效率，提高系统的反硝化速率。增设一个二级好氧 池，在该池中采用生物膜法使硝化菌附着生长。通过采用膜法硝化，提高系统的 硝化速率。 图4 改进a 2 o 工艺 改进后的工艺与传统a 2 o 工艺相比的特点有：通过设置不同的好氧段使硝 化菌与其它菌能在比较有理的条件下生长，可以明显地提高系统的脱氮除磷和有 机物的降解速率。改进工艺的悬浮生长系统可以在较短的泥龄下运行，提高了 有机物的降解和反硝化速率，而且短泥龄下微生物的活性高，吸附性能好，使得 苏州 ? 技学院硕l j 学位论史第一：审生物悦氮除磷技术 。葺i i i i i i i i i i i 葺毒i i i i 盲i 萱嗣薯| 嗣i i 曰i i i i 嗣宣i 篁篁聋i i i i i i i i i 蕾i i i i i i i _ 回流污泥中吸附的大量有机物补充了进水碳源的不足，克服了由于进水碳源缺乏 而造成的脱氮除磷效率的降低。有机物降解在一级好氧池中基本完成，使进入 二级好氧池的有机物含量较低，克服了有机物存在对硝化菌生长的抑制，可提高二 级好氧池生物膜中硝化菌所占的比例，使生物膜中含有较多数量的硝化菌；由于硝 化菌的附着生长，系统可获得很高的硝化效率【2 2 1 。由于改进工艺的悬浮生长 系统中硝化菌的数量很少，几乎可从根本上解决回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释 磷的不利影响。但是，亚硝化菌的世代期较硝化茵短，缩短泥龄后一级好氧池中可 能存在一定数量的亚硝化菌，从而导致回流污泥中可能含有亚硝酸盐，同样会影响 厌氧释磷。然而，由于亚硝酸盐反硝化所需的碳源仅为硝酸盐反硝化的6 0 弘川，在 一定程度上可以降低反硝化菌与聚磷菌对有机底物的竞争。膜法硝化将硝化菌 限定在二级好氧池中，该池中的微生物不参与污泥循环，从而保证了整个系统中未 曝气污泥与系统内污泥的比值能保持在较低的水平，有利于维持系统运行的稳定 性。较短的泥龄抑制了系统内糖原累积非聚磷微生物的生长，为聚磷菌的生长 创造了有利条件，可解决由于g a o s 与p a o s 对底物的竞争而产生的进水碳源短 缺问题。 上海市政工程设计研究院邹伟国【2 4 】等开发的活性污泥法和生物滤池相结合 的双污泥脱氮除磷( r e l n o v ep h o s p h o m sa 1 1 di l i t r o g e nc o m b i n e da c t i v e ds l u d g ea n d b i o f j l mt e c h n o l o g y ，p a s f ) 工艺实际上和上述改进a 2 o 工艺流程相同。经过试验 阶段的结果分析，p a s f 工艺在进水c o d 浓度较低的情况下，出水1 1 p 、t n 、c o d 的去除率分别可达到9 0 、6 5 、8 5 ，系统出水水质可达到一级排放标准。 b i c t 工艺 序批式工艺与连续流工艺相比，由于其构筑物或设备能紧凑布置，节省占地面 积和投资费用等优点以及序批式工艺能将多种处理功能汇于一体，完成不同的处 理任务，成为生物脱氮除磷工艺发展的重要方向。但目前常用的序批式工艺如 s b r 、i c e a s 、c a s s 和c a s t 等均存在一定的缺点，如不同种群微生物的混合培养、 硝化与反硝化的相互制约、硝化与释磷、有机物降解与硝化的矛盾、容积利用率 较低等，使这些工艺的运行效果往往不尽如人意。在分析这些缺点的基础上，结合 部分序批式和连续流工艺的优点，黄勇、李勇等【2 纰9 】在试验研究的基础上提出了 双循环两相生物处理工艺( b i c y c l i ct w o p h a s eb i o l o g i c a lp r o c e s s ，简称b i c t 工 艺) 。所谓双循环即污泥循环和上清液循环；两相即主反应区的悬浮污泥相和膜法 硝化区的附着污泥相。目前，该工艺的小试成果已通过建设部科技成果鉴定并获 得了发明专利( 专利公开号为：c n l 4 1 0 3 6 6 a ) 。 1 4 图5b i c t 工艺流程图 1 集水井；2 前置厌氧反应器；3 s b r 反应器：4 沉淀池；5 膜法硝化池 原水由集水井l 经泵提升后与沉淀池4 的回流污泥一起进入前置厌氧反应器2 中，由于前置厌氧反应器存在较高的底物浓度梯度，可选择出絮凝性良好的微生物， 同时前置厌氧反应器内一直保持厌氧条件，一方面微生物可将进水中易降解有机 物水解成短链脂肪酸( s c f a s ) ，另一方面回流污泥所携带的大量聚磷菌利用 s c f a s 合成p h a 并释放出体内的聚合磷酸盐。经前置厌氧反应器的混合液进入 s b r 反应器3 中。s b r 反应器由一组( 一般“座，视s b r 运行周期而定) 以序批式运 行的反应器组成，每座运行周期为“h ，分为进水曝气缺氧搅拌一沉淀一撇水、 闲置4 个阶段。在s b r 池的各个运行阶段可分别完成有机物降解、磷的过量吸收、 回流硝化液中硝态氮的反硝化、固液分离等功能。膜法硝化池5 的上清液回流至 处于缺氧搅拌期的s b r 池中，使富含硝态氮的上清液在s b r 池中进行反硝化，达到 去除总氮的目的。由于上清液的进入使该池中原有的未经硝化的废水被逐步驱赶 至沉淀池4 中，在沉淀池中经固液分离后，清液进入膜法硝化池中硝化，沉淀污泥一 部分作为富磷剩余污泥排放，实现磷的净去除；另一部分回流至前置厌氧反应器内 进行选择与释磷。这样可将处于缺氧搅拌期的s b r 池中的污泥逐步转移至处于进 水曝气期的s b r 池，使进水曝气期的s b r 池以高浓度的微生物去除有机物及过量 吸收磷。处于沉淀期的s b r 池由于上一周期中的污泥转移，较大幅度地降低了污 泥浓度，减小了沉淀压力，有利于固液分离。处于撇水闲置阶段的s b r 池进行排水， 此时该池中的废水经前三个阶段处理，有机物、氮、磷等均已被有效去除，因此该 池排出的是经净化后的最终出水。按此方式循环操作，则整个系统可实现连续进 水，达标排放。 b i c t 工艺具有以下特点：微生物的分相培养有利于为不同特性的微生物创 造更为适宜的生长条件，减少了相互间的干扰和限制；生物膜硝化反应器可以提 高硝化效率，从而提高系统的除氮效率；在保证污泥沉降性能的前提下，硝化功 能的分离使得主反应器的容积利用率有可能得到提高；可望通过缩短异养菌群 的泥龄来提高磷的去除率。 巧：州孙技学院硕卜学位论文蒡二章生物脱氮除磷技术 i i i i i i i i i 宣i i i i 葺誓置_ 置i 叠嗣争鼍| 鼍_ 置_ 置叠_ 薯i _ 鼍嗣i 膏置鼍叠_ i i i i 葺i i i i i _ 、-、 _ 经过实验室长达3 年的试验研究，得出该工艺在适宜的负荷和运行条件下， 对t p 的去除率可达9 0 ，出水t n 和t p 的质量浓度可分别控制在1 5 m g l 和 1 om g l 以下。结果表明，新工艺克服了现有连续流和序批式脱氮除磷工艺的不 足，无论在有机物去除还是脱氮除磷方面均具有很高的效率。同时新工艺运行稳 定，可进行模块化设计，易实现自动控制，具有一定的推广价值。 d e p h a n o x 工艺 反硝化除磷污泥回流 排泥 图6d e p h 锄0 x 工艺流程图 d e p h a n o x 脱氮除磷工艺【3 l 】( 图6 ) 是( u b a 等人提出的，它具有硝化和反硝 化除磷两套污泥系统( 一套是完成硝化的生物膜系统，另一套是悬浮生长的反硝化 脱氮除磷污泥系统) ，将不同的微生物种群控制在各自最佳的泥龄条件下。此工艺 满足了兼性厌氧反硝化除磷细菌( d p b ) 所需环境，解决了除磷系统反硝化碳源不 足的问题，具有低能耗、低污泥产量且c o d 消耗量低的特点。初沉池直接为缺氧 段提供反硝化所需的碳源( 富含p h b 的污泥) ，为好氧段富含氨氮的上清液。中沉池 可尽量保证硝化菌泥龄长、溶解氧浓度高的特点，而且使供氧仅用于硝化和厌氧 后剩余有机物的氧化，从而节省了曝气能耗。 a 2 n s b r 工艺和a 2 n 工艺 上清液上清液 图7a 2 n s b r 工艺 a 2 n s b r 工艺f 3 2 。3 】( 图7 ) 可以理解为在a 2 o 工艺的厌氧段和缺氧段中间加 一个独立的序批式硝化反应器。其中废水依次经过厌氧缺氧好氧的环境，主要是 去除c o d 和反硝化除磷脱氮；而中间添加的硝化反应器则主要是硝化作用，解决 了硝化细菌与反硝化细菌混合培养的矛盾。两段之间只有上清液相互交换，并无 污泥交换。 在本工艺中，反硝化聚磷菌( d p b ) 体内的p h b 同时用来反硝化脱氮和反硝化 1 6 图8a 2 n 工艺 将a 2 n s b r 中的独立的硝化反应器用好氧生物膜反应器代替就演变成了a 2 n 反硝化脱氮除磷工艺( 图8 ) 。改进后的优势有：变间歇流工艺为连续流工艺， 从而增加了系统的处理能力和运行稳定性：简化了工艺流程，减少了一个沉淀池， 也减少一套污泥回流系统和排泥系统，降低了基建成本和运行费用；硝化菌呈生 物膜固着生长从而提高了硝化效率也可减少水力停留时间和反应器体积，也解决 了传统工艺中聚磷茵和硝化菌的竞争矛盾，减少它们对碳源的竞争；污泥产量有 所降低，减少了污泥处理费用。 2 7 生物膜法 2 7 1 生物膜法概述 生物膜法是与活性污泥法平行发展起来的一类生物处理法。污水在与滤料或 载体流动接触的过程中，其中的有机物会被微生物同化并在滤料或载体的表面上 逐渐形成生物膜。生物膜是微生物高度密集的物质，由好氧菌、厌氧菌、兼性菌、 真菌、原生动物和较高等动物组成的生态系统。对于不同的污水，不同的工作条 件和环境，不同的处理设施及部位，生物膜上微生物的种类和数量是不同的。 生物膜首先吸附附着于水层的有机物，然后由生物膜外侧的好氧菌将其分 解。随着微生物的生长，生物膜的厚度不断增加，当达到一定厚度时，氧气不能 透入深部，使得在靠近滤料或载体表面的薄层中造成厌氧环境而形成厌氧膜层。 生物膜内外进行着多种物质的传递，其过程为：空气中的氧溶于流动水层中， 并通过附着水层传给生物膜，供微生物呼吸：污水中有机物则由流动水层传递给 附着水层，再进入生物膜被降解；微生物的代谢产物沿着相反的方向排出。随着 厌氧层厚度的增加，其代谢产物也逐渐增多，当这些代谢产物透过好氧层逸出时， 破坏了好氧层生态系统的稳定状态，也减弱了，物膜在滤料或载体上的固着力， 苏州科技学院硕。 j 学化论文第：帝牛物脱锾【除磷技术 i i i i i i i i i 萱i i i i i 葺宣| 葺i i 皇i i 葺| 鼍i 葺嗣葺嗣萱i i i 薯叠i i i 萱萱一、，存、 此时的生物膜呈老化状态。在液流的冲刷下，老化的生物膜脱落，新的生物膜又 开始生长，它具有较强的生物净化功能。经过近一个世纪的发展，目前生物膜法 与活性污泥法一样也广泛应用于各类污水的处理。生物膜反应器的类型有多种形 式，常用的有生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池、生物流化床等类型p 训。与 活性污泥法相比，生物膜法的优点：具有单位体积反应器中能够持有的生物量大， 脱落的生物膜的沉降性好，不产生污泥膨胀问题，所产生的污泥较少，抗冲击负 荷能力较强，运行管理较方便，动力消耗也较少等，并能在低温下保持比较好的 处理效果。同时它还具有良好的硝化功能和脱氮功能。 生物膜法也有缺点：处理后的出水较浑浊，有机物去除率低；需要较多的填 料和填料支撑结构，在某些情况下，基建投资会超过活性污泥法；由于微生物附 着生长在填料表面，无法随环境的变化来改变反应器内的生物量。因此，在设计 时需要考虑备用能力。因一旦建成后，几乎不能调节其性能来适应进水或出水水 质的变化：由于生物膜上同时具有好氧和厌氧菌，使得它的脱氮效果比较好，但 由于除磷需要污泥在好氧、厌氧中不断循环，也使得生物膜法几乎没有除磷效果。 2 7 2 悬浮填料生物膜法的特点 形状为立体块状或粒状，般形状规则，空隙率大，比表面积几百至几千不 等。比重接近于水，或稍大于1 ，或稍小于l ，长了生物膜后，在正常的啤酒强度 下，极易达到全池流化翻动。多采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等特制塑料或树脂 制成。不结团、不堵塞，老化的生物膜靠水力冲刷、曝气搅动自动脱落。直接投 加，无需固定支架，只需在曝气池出水处设置栅网拦截，靠曝气水流将其回流至 池前端。 ( 1 ) 微生物相方面 由于悬浮填料一般比表面积都较大，附着在填料表面及内部生长的微生物数 量大，种类多，因此污泥浓度可达到普通活性污泥法的污泥浓度的5 1 0 倍，曝气 池污泥总浓度最高可达到3 0 4 0 9 l ，并且在填料单元内可以形成从细菌到原生动 物再到后生动物的食物链，使出水水质良好。其次，附着生长的填料表面的微生 物的高泥龄，对世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌来说十分有利：生物膜法反应 器的支撑介质上可以栖息世代时间很长的微生物，为自养的硝化菌提供良好的生 存环境；硝化菌在水中并不是单独自由游动的，它们和悬浮固体有很强的亲和作 用，容易依附在悬浮固体、填料等介质上而生长繁殖；生物膜上生物相丰富，参 与净化的生物多种多样，大量原生动物和后生动物的存在可以形成较长的食物 链，剩余污泥量较少。因此，填料表面可以栖息大量的这类细菌，使出水达到硝 1 8 苏州科技学院硕 学位论文第：章生物脱氮除磷技术 i i i i i i i i i i i i i i i i 薯i i 宣鼍_ i 叠i i 誓i i 嗣嗣i i 暑萱| 膏嗣i i 鼍暑i i i i i i i 毒i i i i i i 菌嗣1 。i 化；同时，在有些情况下，高泥龄对微生物适应难降解的物质，提高去除率也十 分有利，另外，在填料上还可能大量生长丝状菌，既可利用丝状菌，既可以利用 丝状菌高效降解有机物的功能，使出水改善，又无污泥膨胀之忧。 ( 2 ) 运行方面 填料在曝气池中依靠曝气的搅拌作用，处于流化状态，这不仅使污水与填料 上的生物膜广泛而频繁多次地接触，而且填料在流化过程中切割分散气泡，使布 气趋于均匀，氧利用率也得到了提高。固、液、气三相的充分接触混合，增大了 传质面积，提高了传质速率，强化了传质过程，因此，在达到一定污染物去除率 的情况下，污水在池内的停留时间更短，同时，即便有冲击负荷，也可以很快地 恢复处理效果。另外，悬浮填料受到气流、水流的冲刷，老化的膜能自动脱落， 随出水带走，保证了膜的活性，促进了新陈代谢。 ( 3 ) 维护管理方面 由于填料比重与水相近，只需很小的气量既可使其均匀悬浮于水中。使用时 无桶填料支架，可节省投资，且投配、更新更方便。另外，操作者不用像管理活 性污泥法系统那样，担心污泥回流比、排除剩余污泥量及污泥膨胀等问题，操作 简单，悬浮填料较多地应用于污水厂的改造。 2 8 本研究研究意义 对比a 2 o 工艺，无论是用传统方法改良a 2 o 工艺还是用双泥系统改良a z o 工艺，在试验阶段和工程应用阶段都取得了不错的处理效果。各工艺通过采取不 同流程优化的措施，解决了系统应用中碳源问题、回流污泥携带硝酸盐的问题。 双泥系统工艺还可以解决多种微生物在同一反应器中混合培养所导致的脱氮与 除磷的矛盾：双污泥系统可以给各种微生物提供分开的生长环境，不同的微生物 在适宜的条件下生长更加有利于充分发挥各自的作用，避免相互干扰，从而更好地 实现同时脱氮除磷的目标。 以上的改进工艺虽然取得了一定的成果，但还需要在以下方面进行深入探 讨：继续完善微生物脱氮除磷机理的研究，确定微生物最优的生存条件和其最 佳的脱氮除磷工况；对脱氮和除磷的效率、容量与相关工艺参数的定量关系进 行研究，为优化系统和反应器的设计提供依据；进一步改进工艺流程组合，尽量 做到在提高脱氮除磷效率的同时简化流程，降低投资成本和运行成本。 本项目是一种在a 2 o 工艺基础上改进的新型生物处理工艺，在脱氮除磷效 率和运行稳定性方面有显著的提高。改进要点在于改进工艺的设计和组合型式。 该工艺由厌氧一缺氧一悬浮生长好氧段一中沉池一生物接触氧化一沉淀池组 成：从中沉池向厌氧段回流污泥，以保证前面系统中的活性生物量，并使聚磷 1 9 苏州科技学院硕卜学位论文 ” 第一章生物脱瓴除磷技术 菌能够顺序经过厌氧与好氧状态，实现磷的净去除；从接触氧化池回流混合液 至缺氧段，接触氧化池中主要实现氮的硝化，因此回流混合液中主要为硝态氮。 通过混合液回流在缺氧段中进行反硝化以实现氮的去除。以排放悬浮生长段好 氧液实现剩余污泥的排放。由于在悬浮生长好氧段中不需要实现硝化作用，因 此可以采用较短的泥龄从而增加排放的剩余污泥量。另一方面，由于后面有接 触氧化作为进一步好氧的保证，因此悬浮生长好氧段可采用较高的负荷，这就 使得缩短泥龄后的系统中生物量浓度可得到保证，同时也减小了悬浮生长好氧 段的体积，尽量做到悬浮生长+ 接触氧化的体积就等于或小于a 2 o 中好氧段的 体积。通过这样的改进，可以做到在不增加太大投资的基础上提高系统脱氮除 磷的稳定性。经改进后的工艺应通过实验室规模的动态试验研究，探讨新工艺 的性能、主要生化过程及其机理，获得优化的工艺构造、运行控制方法和设计、 运行参数。 新型反应器及整个工艺系统的工程投资及运行费用与现行技术相比具有一 定的竞争优势：此外，不必增加太大的投资就能对现有的a 2 o 工艺进行改造并 显著提高系统的脱氮除磷效率和运行的稳定性。因此，新型工艺具有一定的推广 应用价值。 图3 1a 2 o m b n r 联合工艺试验装置 反应器分为6 个部分：厌氧池，缺氧池，好氧池，中沉池，生物膜氧化池， 终沉池；有效容积分别为1 l ，3 l ，3 l ，4 l ，4 l ，1 l 。 人工配水经泵提升，进水经计量后与中沉池回流的富磷污泥混合进入厌氧 段，厌氧段采用立式搅拌机搅拌，使聚磷菌充分释放磷；释磷后的混合液进入缺 氧段，与膜法硝化区回流的硝化液混合，在搅拌条件下进行反硝化脱氮：混合液 进入悬浮生长好氧段，利用曝气机提供的空气进行混合，在有氧条件下完成有机 物降解和磷的过量吸收：设计时控制悬浮生长好氧段在较高负荷和较短泥龄下运 行，一方面控制悬浮生长好氧段中硝化作用的发生，另一方面可产生较多的剩余 污泥，经中沉池固液分离后由回流污泥泵回流至厌氧：中沉池出水进入膜法硝化 区，利用附着生长能维持较大的微生物量和较长泥龄的特点，创造适宜于硝化菌 生长的条件，使膜法硝化区主要以硝化反应为主，完成氨态氮向硝态氮的转变。 硝化池出水一部分回流至缺氧段进行反硝化，另一部分在终沉池中实现泥水分 离，确保硝化区中脱落的生物膜从系统及时排出，同时避免回流混合液中携带硝 化菌。试验装置中的进水、污泥回流以及接触氧化池出水回流均用蠕动泵来完成。 m b n r 段采用的是z h 博士填料，其主要功能是为硝化细菌提供载体，此种 2 1 苏j | l ：科技学院硕卜学位论文销p q 章a 2 0 m b n r 联? t 艺脱氮除磷情况 填料采用改性的聚乙烯为材料，有良好的亲水性，有利于微生物的附着生长。本 试验中采用填料密度为5 0 ，有效容积为2 l 。填料主要性能参数见表3 1 。 表3 1 填料性能参数 填料堆积密度比表面积 粒径高度空隙率 3 2 试验水质及测定方法 试验原水采用校区生活污水，原水的c n 比较低，水质波动较大。由于实 验中需要稳定的进水水质，所以通过稀释或者投加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾 来保持进水碳源、氮源、磷源的稳定，用n 枷c 0 3 调节进水p h 为7 肛7 5 。原水 进水水质参数见表2 。 表3 。2 进水水质参数 水质参 c o d c i t p n h 4 + - n t n p h 墼( 堡吐2【