（环境工程专业论文）排除厌氧富磷污水ERPSBR除磷脱氮工艺研究.pdf

中文摘要 摘要 作者在全面评述除磷脱氮理论和技术的基础上，认为导致传统生物除磷脱氮 系统污泥龄矛盾、基质竞争、产物抑制等系列问题的原因不仅仅是工艺技术问题， 还存在方法问题，研究新的生物除磷脱氮方法更为重要。作者根据聚磷菌特有的 物质转化形式，创新性地认为排除厌氧富磷污水替代好氧富磷污泥仍然可以实现 生物除磷系统磷的有效去除，而且可以消除生物除磷脱氮系统控制污泥龄时的矛 盾。论文对这种新的除磷方式以及相应开发的e r p s b r 新工艺进行了系统研究， 主要内容包括：采用对比试验和理论推导的方式研究排除富磷污水除磷系统的除 磷脱氮能力：对影响富磷污水除磷系统的主要因素包括运行工况、污泥负荷、s r t 、 d o 、温度、污泥活性以及厌氧释磷能力等进行了试验研究；对排除的富磷污水的 处置方式和磷回收潜能进行了试验研究和理论分析。得到了以下主要试验结论： 通过对s r t 5 0 d 的活性污泥的厌氧释磷能力和好氧吸磷能力的研究发现，采 用厌氧好氧环境的交替变化和富磷污水的排放可以激活长污泥龄活性污泥中聚磷 菌的活性。将这种长泥龄污泥按照e r p s b r 方式运行，当进水水质c o d = 2 3 8 6 3 9 m g l 、n h 3 - n = 2 5 1 5 1 4m g l 、t n = 2 9 7 5 8 3m g l 、t p = 5 4 8 1 1 4 5m g l 时，可以保证出水c o d 一 4 3 m g l 、n h t - n 1 3 8m g l 、t n 一5 0 m g l 时可以维持生物除磷系统的正常运行，在低温条件下采用水解e r p s b r 方式运行时，在污水磷浓度高达1 0 m g l 的情况下，仍然能保证出水磷酸盐 0 5 m g l 。 e r p s b r 系统排除的富磷污水相当于污水总量的5 1 2 ，磷浓度为5 0 1 0 0 m g l ，将这部分污水泵入化学除磷池进行处理，并按照5 m g l 作为出水磷控制 目标。试验发现，按照e r p - s b r 方式运行可以大大减小化学除磷池的规模，而且 石灰总耗量仅为城市污水后置沉淀系统的4 5 9 ，产生化学污泥含磷率为17 ，相当于含7 3 8 3 磷酸盐，使化学沉积物具有较明显的回收价值。 因此，论文提出的排除富磷污水除磷方式及开发的e r p s b r 新工艺消除了生 物除磷脱氮系统污泥龄矛盾，拓展了长泥龄活性污泥的应用范围，成果具有较强 得创新性和重要得理论意义与实用价值。 关键词：污水处理，除磷脱氮，s b r ，污泥外循环，化学除磷，好氧脱氮，磷回收 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n s i d e r e dt h a ti tw a sn o to n l yb e c a u s eo ft h ep r o c e s st e c h n o l o g yb u t a l s ot h em e t h o dt h a tr e s u l t e di nt h ec o n f l i c to fs r t , t h ec o m p e t i t i o no fs u b s t r a t e ， i n h i b i t i n g o ft h ep r o d u c t si nt h et r a d i t i o n a l b i o l o g i c a ls y s t e mf o rn i t r o g e n ( n ) a n d p h o s p h o r u sr e ) r e m o v a l ，o n t h eb a s eo f r e v i e w i n g t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nna n dp r e m o v a l i tw a sm o r ei m p o r t a n tt of i n dan e wm e t h o dt or e m o v et h ena n dp e f f i c i e n t l y a c c o r d i n gt o t h e s p e c i a lw a yo ft h ep a o s ( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) t r a n s f o r m a t i o n , a t f i r s tt i m e ，t h ea u t h o rb r o u g h tf o r w a r dc r e a t i v e l yt h a te f f e c t i v ep r e m o v a lc o u l da l s ob er e a l i z e d b yd i s c h a r g i n gt h e p r i c hs e w a g ep r o d u c e dd u r i n g a n a e r o b i cr e a c t o rt h a nb yd i s c h a r g i n gt h ep - r i c hs l u d g ep r o d u c e dd u r i n ga e r o b i cs t a g e ， a n dt h en e wm e t h o dc o u l d a v o i dt h ec o n f l i c ti ns r tb e t w e e nna n dpr e m o v a l t h i sp a p e rm a d eas y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h en e wm e t h o da n dt h ec o r r e s p o n d i n g p r o c e s se r p s b rw h i c hb a s e do nt h e n e wm e t h o d d e t a i l e dw o r ki n c l u d e dt h a t ： r e s e a r c ho nr e m o v a la b i l i t yo fna n dpb yc o m p a r e da n dt h e o r e t i c e x p e r i m e n ti n e r p s b r s y s t e m ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm a i nf a c t o r ss u c ha so p e r a t i o nb e h a v i o r s ， c o d l o a d i n g ，s r t , d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) ，t e m p e r a t u r e ；a c t i v i t yo f t h es l u d g ea n dt h e a b i l i t yo f t h er e l e a s i n gp h o s p h o r u so ft h ea n a e r o b i cs l u d g e ；e x p e r i m e n t sr e s e a r c ha n d t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ed i s p o s a lo f t h ep r i c hw a s t e w a t e ra n dp r e c y c l e n l ec o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ea b i l i t yo fs l u d g ep - r e l e a s i n gi na n a e r o b i c r e a c t o ra n dp a b s o r b h a go f t h ea e r o b i cs l u d g e ，t h ea u t h o rf o u n dt h a tt h ea c t i v i t yo fp a o s i np r o c e s sw h i c hs r tw a sm o r et h a n5 0d a y sc o u l db ea c t i v a t e db yd i s c h a r g i n gt h e p r i c hs e w a g ea n dt h ea l t e r n a t i o nc o n d i t i o nb e t w e e na n a e r a t i o na n da e r a t i o n w h e n o p e r a t i n g 、i t hl o n gs r t i ne r p s b rs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e n s r t = 5 0 8 0 d , c o d2 3 8 - 6 3 9m g l , n h 3 - n2 5 1 - 5 1 4m g l - i n2 9 7 5 8 3a n dt p 5 4 8 1 1 4 5 m g li ni n f l u e n t ，c o d 4 3 m g l 、n h 3 一n 1 3 8m g l 、t n 一 6 0 2 m g l 、 t p 一 0 2 7m g l i ne f f l u e n t t h ee f f i c i e n c yo f c o d ，n h 3 - n ，t n ，t pw e r e 9 5 1 3 ，9 8 9 ， 9 0 7 9 8 4 r e s p e c t i v e l y , a n de r p - s b rs y s t e mw a sm o r ee f f e c t i v ea n ds t e a d i e ri nn a n dpr e m o v a lt h a nt h es i n g l epo r nr e m o v a l s y s t e m s ( 2 ) a c c o r d i n gt om e c h a n i s mo fp r e l e a s i n go fp a o si na n a e r o b i cc o n d i t i o na n d p - a b s o r b i n gi na e r o b i cc o n d i t i o n , t h ea u t h o rf i r s t l yb r o u g h tf o r w a r dt h eq u a n t i f i c a t i o n a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns r t ，t h ea b i l i t yo f pr e m o v a la n ds u b s t r a t e ：b o d t p = o 8 6 3s r t i i i 重庆大学博士学位论文 + 1 7 2 b yt h ec l a s s i f i c a t i o n o fe x c e s s i v ep a b s o r b i n ga b i l i t yo fp a o s ，t h ea u t h o r c o n s i d e r e dt h a tpc o u l db er e m o v e dp r i o rt op a b s o r b i n gi ne r p s b r ，a n dp a o so n l y h a v i n gt h ee x c e s sp a b s o r b i n ga b i l i t yo f “t h ef i r s tt y p e ”w h i c h w a s h i g h e rt h a n t h en e e d f o rs u b s t r a t ec o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l ya n de x c e s sp a b s o r b i n ga b i l i t yo f t h es e c o n d t y p e ”m o r e t h a n p o t e n t i a lp - r e l e a s i n ga b i l i t yh a d a g o o d r e s i s t a n c et oi m p a c to fp - l o a d ( 3 ) s t a g er e s e a r c ht os l u d g ea c t i v i t yi na n a e r o b i cc o n d i t i o na n da e r o b i cc o n d i t i o n ， t h ea u t h o rf i r s t l yf o u n dt h a tt h es p e c i f i cm a s sa n dt h ev s s m l s so ft h es l u d g ei n a n a e r o b i cc o n d i t i o nw e r el a r g e rt h a nt h a ti na e r o b i cc o n d i t i o n m o r e o v e r , l o n g e rs r t w a s 1 a r g e rt h ev s s ，m l s sw a s d e h y d r o g e n a t i o ne n z y m ea c t i v i t ya n dh a v ed i f f e r e n t c h a n g er u l e st h a tt h ed e h y d r o g e n a t i o ne n z y m ea c t i v i t yi n c r e a s e di na e r o b i cc o n d i t i o n a n dd e c r e a s e di na n o x i cc o n d i t i o n ；s o u ri n c r e a s e di na n a e r o b i cc o n d i t i o na n d d e c r e a s e di na e r o b i cc o n d i t i o n i na u t h o r s o p i n i o n , s o u rc o u l do n l y r e f l e c tt h e p o t e n t i a la b i l i v yo f t h es l u d g et oa b s o r bo x y g e n f o rt h el o n gs r ti n s y s t e m ，l o w e r s l u d g ea c t i v i t yh a dg o o ds u b s t r a t er e v e r s ea n ds t a g e dc h a r a c t e r s ，w h i c ht h u sm a d et h e e r p s b rs y s t e mh a sg o o d a b i l i t yt or e s i s tt h ei m p a c t o f t h el o a d ( 4 ) t h ea u t h o ra l s of o u n d t h a tt h en i 订o g e nl o s sc o u l db ea b o u t7 0 i nt h et o t a lo f r e m o v e dn i 打o g e ni na e r o b i cs t a g ef o re r p s b & a n di tb e c a m et h em a i nw a yo f n r e m o v a l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ne a c hs t a g eo fn r e m o v a l ，t h ea u t h o rf o u n d t h e r ew a sa l i n e a r i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns r t a n dt h en - r e m o v a li na e r o b i cc o n d i t i o n ， t h a tw a s ：，7 ( 物= o 9 0 x s r t 一6 4 2 t b ee x p e r i m e n ta l s os h o w e dt h a t1m o l e e u l e h a cw o u l di n d u c e1m o l e c u l e p - r e l e a s i n g i n t h ee x c e s sv f ac o n d i t i o n , t h e p r e l e a s i n gw o u l de x p e r i e n c e t h r e es t a g e s ，t h a t w a s ，l i n e a r i t yh i g hs p e e dr e l e a s i n g ， l o g a r i t h ml o ws p e e dr e l e a s i n ga n ds t a g n a n c y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd y n a m i cr e l a t i o n s w e r ea sf o l l o w s r e s p e c t i v e l y ：l p = o 3 5 厶t ，l e = 6 0 4 k wx t 0 2 7 ， l p = 2 4 5 4 t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo np a o s w a sa c t e di n d i r e c t l yb ys u b s t r a t eh y d r o l y z e w h e l lt e m p e r a t u r ew a si n8 1 3 4 c ，t h e s y s t e mc o u l db es t a r t e dq u i c k l y 淅t l ll l i g hv f a so f1 0 0m g l a n dt h es y s t e mc o u l d w o r kn o r m a l l y 、j l ，i t i lv f a 5 0m g l i nl o wt e m p e r a t u r e t h es y s t e mw h i c hh a da h y d r o l y z es t a g eb e f o r ee r p - s b rc o u l ds t i l lg u a r a n t e et h a tp h o s p h a t ee f f l u e n tw a s l o w e rt h a no 5m g le v e ni f t h ep h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o nw a s1 0m g 几i ni n f l u e n t ( 5 ) t h ea m o u n to f p r i c hw a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o me r p s b rw a so n l y5 1 2 o ft o t a li n f l u e n t a n di t s p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o nw a s5 0 1 0 0 m g l w i t l l t h e i v 英文摘要 r e q u i r e m e n to f5 m g m pi ne f f l u e n ta n dt r a d i t i o n a lc h e m i c a lm e t h o d ，t h ee x p e r i m e n t s h o w e dt h a te r p s b rs y s t e mc o u l dr e d u c et h ev o l u m eo f c h e m i c a lp r e m o v i n gr e a c t o r , a n dt h ed o s a g eo fl i m ew a s o n l y4 5 - 9 a st h a ti np o s t l o s i t i o ns e d i m e n t a t i o ns y s t e m o f m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , a n d t h es l u d g ec o n t a i n e d17 p h o s p h o r u sw h i c h e q u i v a l e n t l y c o n t a i n e d 7 3 - 8 3 p h o s p h a t e t h u st h e c h e m i c a ls l u d g ew a sr a t h e rv a l u a b l et o p r e c y c l e i naw o r d ，t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r dan e wm e t h o dt or e m o v a lo fpa n dni n w a s t e w a t e r , w h i c hc o u l da v o i dt h ec o n f l i c ti ns r tb e t w e e nr e m o v a lo fpa n dn ，a n d o p e n an e w w a yo f u s i n g t h ec h a r a c t e r so f l o n gs r t s l u d g es y s t e m t h e r e s e a r c hr e s u l t s w a s c r e a t i v i t yb o t h i nt h e o r ya n di n p r a c t i c e k e yw o r d s ：w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ； s b r ；e x t e r n a lr e c y c l eo fs l u d g e ；b i o c h e m i c a lpr e m o v a l ； a e r o b i c n i 仃o g e nr e m o v a l ；a n a e r o b i cp - r i c hs u p e r n a t a n t ； p h o s p h o r u sr e c y c l e v 绪言 绪言 7 0 年代以来，随着污水排放总量的增加、合成洗涤剂、化肥和农药的广泛使 用，氮、磷营养物质引起的富营养化问题日益严重，富营养化污染已对城市经济、 政治和自然环境构成了严重的威胁，制约了国民经济的可持续发展，已成为人类 面临的严重水环境问题之一。欧洲国家从五十年代起就开始考虑水环境的控磷问 题，我国对除磷脱氮的研究始于八十年代。面对越来越严重的全球水质富营养化 问题，迫使越来越多的国家和地区制定了严格的污水氮磷排放标准，见表1 1 。 表1 1部分国家的污水氮磷排放标准 排放标准浓度 国家或地区执行时间备注 氮磷 欧共体1 9 9 8 年 总氨_ 1 0 m g l总磷 1 o m g l 荷兰1 9 9 8 年 总氮去除率兰7 5 总磷 1 0 m g l 中国1 9 9 6 笠 氨氨_ _ 2 h ； 混和液回流比兰2 0 0 ，般为2 0 0 5 0 0 ；污泥回流比5 0 1 0 0 ： s r t _ 3 0 d ； 氮负荷n r n ! o 0 3k g n k g m l s s d ：污泥负荷n s = o 1 0 7 k g b o d k g m l s s d 。 2 除磷脱氮系统研究述评 一直砸鱼龇渣凰吐 l 旦逦煎遇一一j 图2 9 前置反硝化生物脱氮工艺 f i g 2 9b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s w i t hp r e d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r 图2 1 0 所示的多级a o 脱氮工艺可以消除回流混和液对缺氧环境形成的影 响，并同时可以减少池容1 0 1 5 。 q r s ( 回流污泥) n ：硝化 图2 1 0 多级a o 脱氮工艺 f i g 2 1 0 m u l t i s t a g ea on r e m o v a lp r o c e s s 2 4 2 除磷a o ( 厌氧好氧) 工艺 厌氧好氧是传统生物除磷必不可少的两个环节。在进水端，污水和回流污泥 混合进入一个推流式的厌氧接触区，厌氧池内设置搅拌器保证泥水混合。典型工 艺流程见图2 1 1 ，从图可以看出，a o 活性污泥除磷系统工艺简单，不设内循环， 也不投药，因此建设费用和运行费用都较低，但因为仅靠微生物的吸收除磷，除 磷效率难于进一步的提高。同时，由于污泥龄短3 5 7 o d 、水力停留时间短( 厌 氧0 5 1 0 h 、好氧1 0 3 o h ) ，二沉池污泥较易产生磷的释放。 图2 1 1a o 活性污泥除磷系统 f i g 2 1 1 a c t i v a t e d s l u d g e p r e m o v a l a os y s t e m 重庆大学博士学位论文 2 4 3 同步除磷脱氮工艺 a 2 o 法同步脱氮除磷工艺 a 2 o 即厌氧缺氧一好氧工艺，它是比较简单的同步除磷脱氮工艺，脱氮时 不需要投加外碳源，运行费用较低。但，脱氮能力取决于混合液回流比，由于受 回流比的限制处理效果难以进一步提高，除磷效果受回流污泥中携带的d o 和硝 态氮的影响，常常出现脱氮效果好时除磷效果较差，除磷效果好时脱氮效果较差， 很难同时取得好的除磷和脱氮效果。 内循环( 1 0 0 q 0 0 ) 图2 1 2a 2 o 同步脱氮除磷工艺流程 f i g 2 1 2 a 2 os i m u l t a n e o u sna n dpr e m o v a lp r o c e s s 针对a 2 o 工艺回流污泥携带d o 和硝态氮对厌氧释磷的影响，在a 2 o 工艺 厌氧反应器之前增设厌氧缺氧调节池，工艺流程见图2 1 3 。改良a 2 o 工艺保证 了厌氧池的稳定性。 图2 1 3 改良的n 2 o 同步脱氮除磷工艺流程 f i g 2 1 3 m o d i f i e da 2 os i m u l t a n e o u sna n dpr e m o v a lp r o c e s s 改良b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺 改良b a r d e n p h o 工艺( 图2 1 4 ) 是在脱氮四段b a r d e n p h o 工艺前增加了一个 厌氧池，形成了厌氧缺氧好氧缺氧好氧五段脱氮除磷工艺。由于四段b a r d e n p h o 工艺通过外碳源反硝化和内源反硝化使系统获得了良好的脱氮效果，因此厌氧池 的设置让系统获得了同时除磷能力。 但该系统回流污泥直接进入厌氧池，携带的d o 和n c 3 - 将影响厌氧释磷； 另外，该系统非曝气污泥量与曝气污泥量配比对系统除磷效果有较大影响，也是 该系统磷酸盐出水不能稳定达标的关键原因。 2 除磷脱氮系统研究述评 高。 改良b a r d e n p h o 工艺处理单元多、运行繁琐、先赣投资与运行管理费用均较 缺氧内循环4 0 0 ) 图2 1 4 改良b a r d e n p h o 工艺 f i g 2 1 4 m o d i f i e db a r d e n p h op r o c e s s u c t 除磷脱氮工艺 u c t 工艺( 图2 1 5 ) 是对改良b a r d e n p h o 工艺的进一步改进，其特点是回流 污泥不直接进入厌氧池而是进入缺氧池，同时增加缺氧到厌氧的回流。这种运行 方式可以减少厌氧池受回流污泥携带d o 和硝态氮的影响，提高除磷效果。 缺氧循环 硝化液循环( 1 0 0 - 3 0 0 ) 图2 1 5u c t 除磷脱氨工艺流程 f i g 2 15 u c t p r o c e s so f na n dpr e m o v a l u c t 工艺的脱氮效率由硝化液循环比控制，增加硝化液回流比可以提高脱氮 效率，但同时也增加了厌氧池硝态氮数量，间接影响生物除磷效果。采用双缺氧 池的改良u c t 工艺( 图2 1 6 ) 在一定程度上可以缓减这种影响，但改良u c t 工 艺涉及的反应池多且有三组循环系统，使得工艺流程复杂，运行费用高，一定程 度上限制了它在实际工程中的应用。 缺氧循环( 1 0 0 。2 0 0 )硝化液循环( 1 0 0 - - 3 0 0 ) 图2 1 6 改良的u c t 除磷脱氮工艺流程 f i g 2 ，1 6 m o d i f i e du c tp r o c e s so f na n dpr e m o v a l 重庆大学博士学位论文 v p 除磷脱氮工艺 v i p ( v i r g i n i ai n i t i a t i v ep i a n o 工艺和u c t 工艺相同，参见图2 1 6 。两者的 差异在于运行参数和池型构造不同。v i p 工艺有机物负荷较高，泥龄较短( 5 1 0 d ) ， 且每个反应区都是由2 个以上体积较小的完全混合式反应格串联形成，具有良好 的浓度梯度，有利于充分发挥聚磷菌的作用，提高厌氧池的磷释放和好氧池的磷 吸收速度；另外，该系统有助于缺氧池的完全反硝化，保证了厌氧池的严格厌氧。 但该工艺流程复杂、运行管理烦琐、且运行费用高。 序批式反应器( s b r ) 工艺系列 在序批式反应器( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，s b r ) 中，生化反应和泥水分离 在同一个反应器中进