（环境工程专业论文）水解酸化一体式MBR组合工艺处理城镇污水回用研究.pdf

摘要 本文以城镇污水为对象，研究水解酸化+ 一体式m b r 工艺对该类污水的处理 运行状况，观察和研究其对去除有机物和n 、p 的效果，探索最佳控制方法及运 行方式，使其出水达到回用标准。 目前国内水资源短缺现象非常严重，水体污染富营养化已经影响到城市的建 设。城镇污水的污染物总量已成为我国水污染控制的主要目标，同时城镇污水可 以被看作是一种新的水资源，经处理可代替源水用作中水回用。我国城镇污水处 理一般采用二级生物处理工艺，运行最广泛的是普通活性污泥法，但其建设和运 行费用较高，除磷脱氮功能尚有缺陷。本研究从国内实情出发，结合城镇污水排 放的特点和规律，采用水解酸化+ 一体式m b r 工艺处理城镇生活污水。通过对 污染物去除试验研究，认为整个系统处理具有很强的抗进水冲击负荷的能力，可 以相对解决传统工艺中的剩余污泥处理难题、协调污泥龄( s r t ) 与水力停留时 间( h r t ) 之间的关系、解决污泥的沉降性问题等。当处理城镇污水( c o d ：1 8 0 3 2 7 r a g l ，b o d ：7 7 9 - - 1 6 2 5r a g l ) 时，出水可以达到生活杂用水水质标准( g j 2 5 1 1 9 8 9 ) 。 通过工程造价估算，将本中试装置扩大应用于实际工程，以1 2 0 0 m 3 d 计， 与传统工艺相比，无论是总投资还是运行费用都有一定的优势，而且整个投资回 收期短，大约只需要3 5 年。 该工艺应用于城镇污水处理回用，具有出水稳定，投资省等优点，可实现 全自动化控制，管理方便，具有明显的经济效益和社会效益。同时可以使污水处 理从传统的环境观念转为企业运行可盈利行业，具有广阔的应用前景和巨大的推 广价值。 关键词：城镇污水水解酸化体式m b r 反应器回用 a bs t r a c t s t h et r e a t m e n tp r o c e s so fh y d r o l y s i s a c i d + i n t e g r a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r l i nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i tp r e f o r m e da no p t i m u mc o n t r o l m e t h o da n d r u n n i n gc o n d i t i o nf o r a h i g h e rr e m o v a lr a t eo f o r g a n i c m a t t e r 、n 、ra n d t h eq u a l i t yo ft r e a t e dw a t e rc a nm e e tt h es t a n d a r do fr e c y c l e dw a t e r t h ep h e n o m e n o no f d o m e s t i cw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ei sv e r ys e r i o u sa tp r e s e n t t h ew a t e re u t r o p h i c a t i o nh a sa l r e a d yi n f l u e n c e dt h ec i t yc o n s t r u c t i o n t h et o t a l a m o u n to fp o l l u t a n ti nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rh a sb e c o m et h em a i na i mo fw a t e r p o l l u t i o nc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m em u n i c i p a lw a s t e w a t e rc a l lb er e g a r d e da san e w k i n do fw a t e rr e s o u r c e s ，w h i c hc a nb er e c y c l e da f t e rt r e a t e d t h e u s u a l t y p eo f m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sa c t i v e s l u d g et r e a t m e n t b u t t h e o u t p l a y s o f c o n s t r u c t i o na n dr u n n i n gi sh u g e ，a n dt h er e s u l to fn 、pr e m o v a li su n s a t i s f a c t o r y a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro f m u n i c i p a lw a s t e w a t e gt h es t u d ya p p l i e dt h ep r o c e s so f h y d r o l y s i s a c i d + i n t e g r a lm b r i ti n d i c a t e dt h a tt h i sp r o c e s sh a d as t r o n ga b i l i t yo f r e s i s t i n g i n f l o wl o a d ，o v e r c o m i n gt h ep r o b l e mo fs u r p l u ss l u d g e ，c o o r d i n a t i n gt h e r e l a t i o no fs l u d g er e t e n t i o nt i m e ( s r t ) a n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，a v o i d i n g t h ei n f l u e n c eo f s l u d g ed e p o s i t i o n a st om u n i c i p a lw a s t e w a t e r ( c o d ：1 8 0 3 2 7 m g l ， b o d ：7 7 ，9 1 6 2 5m g l ) t h eo u t f l o wc a nr e a c ht h es t a n d a r do f t h er e c y c l i n gw a t e ro f l i v i n g ( g j 2 5 1 1 9 8 9 ) w h e nt h i s p i l o t d e v i c e d e v e l o p e d t ot h es c a l eo f1 2 0 0 m 。d ，t h e r e r ea l s o a d v a n t a g e si nt h eg r o s si n v e s t m e n ta n dr u n n i n go u t p l a yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y , j u d g i n gb y t h ep r o j e c tb u d g e t ，a n dt h ei n v e s t m e n t p a y b a c k t i m ei ss h o r t ， a b o u t3 5y e a r s t h i sp r o c e s sh a sal o to fm e r i t s ，a s s u r i n gh i g hq u a l i t yt r e a t e dw a t e r , r e d u c i n g i n v e s t m e n t f i n a n c e ，m a n a g i n gs i m p l y a n d a u t o m a t i c a l l y a l s o i t g i v e s v i s i b l e e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t t h e r e f o r et h et r e a t m e n tp r o c e s so fh y d r o l y s i s a c i d + i n t e g r a lm b r i nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rh a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , h y d r o l y s i s - a c i d ，i n t e g r a lm b r ， r e c y c l i n g 附件一东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明文本 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：丞业日期：地丝王 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：未k 扛一导师签名： 鹑拟 日期：w 酬；矽 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着社会经济的发展和人口的增加水资源短缺己成为一个全球性的问题而我国的 缺水形势尤其严峻。根据2 0 0 0 年中国环境状况公报，我国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ， 仅相当于世界人均占有量的1 4 ，是世界人均水资源极少的1 3 个贫水国之一。全国有近2 3 的城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上。与此同时，水环境污染日益严重。2 0 0 1 年，我国主要水系、湖泊和海域污染 严重七大水系v 类和劣v 类水质达到5 2 8 ，主要湖泊氨氮、总磷、高锰酸钾指数严重 超标富营养化问题突出。国际上一般认为当水体中的总磷浓度高于0 ，0 2 m g l ，总氮高于 0 2 m g l 时水体即处于富营养化状态。3 。水体的富营养化控制首先应该从控制排放到水体 的氮磷污染源着手。水体中氮磷主要来源于生活污水和农业面源污染。其中生活污水是许 多水体的主要污染物来源，以南京玄武湖为例，由生活污水排入湖泊的氮、磷负荷分别占 湖泊总负荷的7 2 2 和7 57 ”。 过去我们只重视城市污水的集中处理，忽视了分散污水对于保护水资源、控制水体污染 的重要意义。随着国民经济的发展，在众多城市边缘地区和旅游风景区，出现了许多新建 的小区和公用设施，在农村和城镇地区出现了许多居民聚集地，由于这些地区远离市政管 网或根本没有市政管网，污水就近随意排放污染了地面水体和周围的环境，因此迫切需要 对这些分散污水处理后达标排放。江苏省截至1 9 9 9 年低，生活污水处理率只有1 6 ，每 年近1 0 亿吨的生活污水直接排放“1 。我国城市污水处理及污染防治技术政策规定，我 国污水处理应坚持集中与分散结合，在加强城市污水集中处理的同时，应重视分散污水的 处理，为防治富营养化，对于排入封闭或半封闭水体的污水进行除磷脱氮处理。如何借鉴 大型污水处理除磷脱氮工艺，研究开发适合我国国情的经济、智能化的中小型生活污水除 磷脱氮工艺与装置已经追在眉睫。 2 0 0 2 年p j 江苏全省废水排放总量为4 3 2 亿吨，其中城镇污水排放量为1 6 9 亿吨，占 废水排放总量的3 9 1 。c o d 排放总量为7 8 4 万吨，其中城镇污水c o d 排放量为4 8 2 万吨，占c o d 排放总量的6 1 5 ：氨氮排放总量为7 - 8 万吨。因此城镇生活污水的污染物 排放总量已经超过工业废水污染物排放总量成为最大的污染源，水污染控制的重点也已 经从工业废水转向生活污水。我国城镇污水处理一般采用二级生物处理工艺，运行最广泛 的是普通活性污泥法，但其基建和运行费用较高，而且除磷脱氮的功能存在缺陷。我国经 济实力还比较薄弱，不可能效仿发达国家采用高投入、高能耗的处理技术。因此，研究建 设费用低、节能和运行管理方便的城镇污水处理新工艺和新流程已成为我国城镇污水处理 技术研究的重要方向。 城镇污水可以看作是一种新的水资源，经处理可替代源水用作工业、冲洗、灌溉、绿 化、消防等用水【6 】i ”。美国曾用城市污水二级处理出水与海水作过比较，前者有0 1 的污 东南大学硕士学位论义 染物，后袁则含有3 5 的溶解盐，还含有大量的有机物质，为二级处理出水所含杂质的 3 5 倍以上，因而采用海水淡化获得水源的基建费用和运行费用将大大超过污水回用的费 用。而且城市污水回用还可以带来可观的社会和环境效益j 8 l m 。有人做过统计预算- 污水 回用将比直接引水节省投资2 3 。如果以一年污水量为3 6 5 亿1 1 3 计，处理率为2 0 ，回用 水占处理量的1 0 ，那么一年可以提供回用水7 3 亿m ，相当于2 0 座规模日产量为1 0 万 m 3 的给水厂的供水量，而投资仅为水厂的1 3 ，可以节省投资数十亿元，由此可见，城镇 污水回用的经济效益是十分明显的。同时一年可以减少7 3 亿m 3 的污水，社会和环境效益 也是非常显著的。 回用水技术的应用研究被称为是“二十一世纪最具有挑战性的”0 0j 目前各国都在开 展污水资源化技术的研究和实施，国外主要采用的深度处理技术有：活性炭、臭氧氧化、徽 曝气生物处理( 如生物接触氧化、曝气生物滤池等) 、生物氧化塘、湿地技术、药剂混凝处 理、膜技术和反渗透等i i u j j 。 国内城镇污水处理回用技术主要有：( 1 ) a o 高负荷生物滤池1 1 2 1 i l3 1 1 4 ：( 2 ) u a s b 一接 触氧化一絮凝沉淀f ”；( 3 ) 膜生物反应器 8 i f 9 j 口；( 4 ) 蚯蚓生态滤池；( 5 ) 软性填料 淹没式生物膜法s b r t ”1 。有资料表明，在出水回用工艺中，膜生物反应器( m b r ) 工艺的 出水水质优于膜曝气生物反应器( m a b r ) ( 即：无泡曝气m b r ) 和曝气生物滤池( b a f ) o 。 因资金问题，国内城市污水处理大多不能完成深度处理。小型生活污水地埋式装置引进日本 装置，但其规模太小，仅适用于数十户居民污水量，且不能达到回用要求。 近年来，膜技术在回用水领域得到了广泛的i , i 立f f t ”1 r 3 1 1 2 4 】，小型污水处理主要采用小型 组合式的膜分离活性污泥法。以色列现有6 5 的城镇生活污水得到了回用口”。美国洛杉矶 地区奥伦治县的2 1 世纪水厂的回用水为5 6 7 7 5 m 相，1 9 9 7 年日本全年回用水量是2 0 6 2 东南人学硕士学位论文 1 2 选题的目的和意义 我国的中小城镇比较发达，其污水量占污水总量相当高，然而尚未有合适的工艺与装 备对应于中小型污水处理回用。因此，研制方便可行的城镇中小型生活污水处理回用工艺及 装置在我国是十分有必要。中小型污水的处理应开发简易高效的污水处理成套技术，应实现 污水处理裟置成套化和控制技术的自动化，减少人力消耗和维护费用，解决目前建设和运行 城市污水处理厂存在的三高( 即投资高、电耗商和运行费用高) 。由于中小型污水水质水量 变化大，处理设备往往要求布局紧凑、自动化运转等特点，因此在利用传统工艺上还有一个 稳定性和适应性问题。 江苏省工业发达，城市化水平发展迅速，预期中小城镇( 县城以下) 人口在2 0 1 5 年底 将近2 0 0 0 万。按人均用水( 包括工业用水) 标准2 0 0 l 人d ，则日排污水4 0 0 万m 5 d ，由 此可见，小城镇生活污水处理回用的社会效益是不言而喻的。它将配合太中城市的治理，控 制江苏河网的污染，并给工业发展扩大环境容量。同时苏北又处在运河南水北调的要害地段， 小城镇污水治理可保证江苏运河水质，支援南水北调，这直接关系到全国经济的平衡与持续 发展。 目前小城镇生活污水治理的要害是技术，其次是资金。有了好的技术，即可处理达到 中水回用，并压缩建设资金。国家城市污水回用工程建设费在2 0 0 0 2 5 0 0 元m 3 d 以上， 如能改善工艺提高技术水平。使建设费压缩到i 0 0 0 1 5 0 0 元m 3d 对3 5 万人口的小 城镇污水量约为6 0 0 0m 3 d 1 0 0 0 0f d ( 按2 0 0 l 人d 计) 时，建设费对于一般城镇可以 接受的。按水资源费0 1 元m 1 计，全省4 0 0 万m 3 d 城镇污水处理后按2 0 回用于灌溉、冷 却水循环，每天可节水费用相当可观。 本研究开发的中小型城镇污水脱氮工艺及设备采用一体化设计，不仅可以处理小城 镇的生活污水还可以用于办公大楼、城镇居民小区等小型生活污水污染源的处理，顺应了 污水处理设备国产化的趋势，适应了中小型污水处理的需要，同时也为城镇发展提供了新的 “水源”。 东南大学硕士学位论文 第二章水解酸化+ m b r 工艺特点及功能 2 1 水解酸化原理及其应用 水解酸化法是厌氧法的一种初级工艺，近年来作为难降解有机物好氧生物处理的预处 理工艺以及作为反硝化脱氮、缺氧释磷阶段都取得了良好的效果，并由于操作管理易于控 制得到普遍应用。 传统的有机物厌氧分解过程一般可分四个阶段即水解阶段、酸化阶段、酸性衰退阶段、 甲烷化阶段。而水解酸化工艺即为有机物厌氧分解的前两个阶段。其中水解包括蛋白质水 解、碳水化合物水解和脂类水解，酸化阶段包括氨基酸和糖类的厌氧消化以及较高级月肪 酸及醇类的厌氧消化。在此工艺中，不溶性有机物在水解菌胞外酶的作用下水解为溶解性 有机物，同时在产酸菌协同作用下将大分子物质、难降解有机物转化为易于生物降解的小 分子物质，碳水化合物降解为腊肪酸如醋酸、丁酸、丙酸等。第三阶段是酸性衰退阶段， 有机酸和溶解性的含氮化合物被分解成氮、胺、碳酸盐和少量的c 0 2 、n 2 、c h 4 和h 2 。在 此阶段由于产胺细菌的活动使氨态氦浓度增加，氧化还原电位降低。p h 值上升，为甲烷 菌生存创造了适宜的条件。酸性衰退的副产物还有h ：s 、吲哚、粪臭素和硫醇。由此可见， 使厌氧发酵带有不良气味的过程是发生在第三阶段。第四阶段是由甲烷菌把有机酸转化为 沼气等。因此，厌氧发酵分解是在几类菌群联合作用下进行的复杂生物降解过程。 水解和产酸进行的很快，很难把它们分开，因此很多学者将水解和酸化视为一个阶段， 此阶段起水解酸化作用的主要微生物为水解菌和酸化菌，两者均为兼性菌，在微生物分类 上属于肠道菌科和产芽孢细菌。它们在兼性厌氧条件下( 溶解氧为o l i n g l ) 生长繁殖代谢 最快，因而得名兼性厌氧菌。这种兼性厌氧菌的特点：繁殖速度较专性好氧菌、专性厌氧 菌快得多，理论上在适宜条件下可二十分钟繁殖一代，因此所需驯化时间短；代谢强度高， 菌体单体体积小与高等微生物相比，其比表面积大，可快速地与周围环境进行物质交换 对水体环境温度适应能力强，在2 0 - - 2 5 c 生长繁殖最快，在0 2 0 范围内生长代谢强度 优于厌氧细菌和好氧细菌；耐冲击负荷强b o d s 负荷达1 5 k g b o d k g m l s s d 也不会产生污泥 膨胀；对p h 适应范围广在p h 为3 1 0 范围内均能生长繁殖：对有毒物质如砷、铅、铬、 酚、锇等不敏感，即便这些有毒物质浓度超过废水处理的毒物容许浓度也能生长代谢。水 解酸化菌生化速率高、世代时闻短、繁殖块、对环境条件的适应能力强，维持良好的水解 酸化阶段是不难的，这对适应城镇污水水质、水量波动性大，环境因素变化大等条件是十 分有利的。水解酸化工艺产泥量远低于好氧工艺( 仅为好氧工艺的1 t 0 1 1 6 ) 并已高度 矿化易于处理，同时其后续好氧生物处理过程所产生的剩余污泥必要时可回流至水解酸 化段，以增加水解酸化段的污泥浓度同时减少污泥的处理量。 水解酸化工艺无需曝气，运行费用低，且其对废水中有机物的去除亦可节省好氧段的 需氧量，从而节省整体工艺的运行费用。又不绝对厌氧，不以产甲烷为目标，仅为厌氧处 理的中间过程，主要特点是：能将污水中大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物 4 东南大学硕士学位论文 降解的小分子有机物，从而使废水的可生化性及降解速度得到较大的提高后续好氧生物 处理可以在较少的能耗下达到较高的处理率，有利于整个系统的稳定、有效和低耗运行； 工艺所需的水力停留时问短，占地面积小，能减少工程投资；对悬浮物有较高的去除率， 且在水解菌的作用下，可将部分悬浮物水解为溶解性物质，因此水解酸化的产泥量远低于 好氧工艺；对水质、水温、p h 变化的适应能力强，耐冲击负荷。水解酸化缺点主要表现在 工艺只是利用兼性厌氧菌对有机物进行初步分解，后续仍需通过厌氧甲烷发酵或好氧生物 处理方能使有机物矿化稳定，因此一般只用作废水的预处理。 在水解酸化过程中，废水中的c o d 和b o d 5 浓度的变化可能有以下三种情况：( 1 ) 降 低，但最大不超过2 0 3 0 ：( 2 ) 与原水持平如以葡萄糖为水解底物时即出现此情形： ( 3 ) 略有升高，比如高分子复杂有机物的水解酸化。但是由于实际废水中基质的复杂性、 参与水解酸化过程的微生物的多样性及环境条件的多变性，上述三种情况亦可能兼而有之。 水解酸化工艺适用于高、中、低各种浓度废水的预处理，该工艺在国内外有广泛的应 用。生活污水、啤酒生产废水及含难降解有机物的废水如印染废水、阴离子合成洗涤剂废 水、焦化废水、制药废水、电泳废水等工业废水的预处理多用水解酸化工艺。对水解酸化 基本原理、兼性厌氧菌的特点及工艺设计参数的研究均较成熟，且不断有新型反应器设计 出来以进一步改进现有水解酸化反应器的缺陷。 水解酸化池还具有反硝化的作用，主要是通过反硝化菌起作用。反硝化菌是一群异氧 微生物，在溶解氧浓度极低( d o 1 5 9 l ，t n 的去除率在7 5 以上，t k n 的去除率在9 5 以上，整个系统 出水氨氮浓度低于l m g l 。 单级o 程序m b r 脱氮工艺 单级a o 程序m b r 脱氮工艺主要有两种形式：序批式膜生物反应器( s m s b r ) 和间 隙曝气m b r 。 s m s b r 采用用序批式反应器( s b r ) 的运行方式，通过在时间序列上实现好氧缺氧 的转化并控制每一部分的比例时间来实现脱氮效果。除具有一般m b r 的优点外，还可以 在进水期通过高进水浓度和赢污泥浓度，使氧浓度很快降下来，进入缺氧反硝化阶段，避 免了a o 阶段m b r 中好氧池的氧可能连续回流进入反硝化区的弊端，并且s m s b r 无污 泥沉淀时间，相应的可以缩小运行循环周期。 w j n g 等【6 ”采用s m s b r 工艺对人工配制的废水进行研究发现，当m l s s 浓度从 5 叽增加到l o g l ，c o d 的去除没有变化，但是由于d o 的影响，硝化反应受到严重抑制， 出水氨氮有了很大的提高。由此他们得出结论，虽然s m s b r 可以处理高浓度的废水，但 是维持系统稳定运行需耍的营养和d o 浓度太高。c c h i e m c h a i s r i 等p 4 】也在研究中发现硝 彝 东南大学硕士学位论文 化反应由于系统氧气的供量不足而受到抑制，导致t n 的去除效果下降。 间歇曝气m b r 脱氮工艺与s m s b r 脱氮工艺类似，但是其缺氧好氧间歇运行的时间 间隔很短，而进水是可以连续或间歇的。l c k t a cy e o m 【”1 在采用间歇曝气浸没式m b r 调节 周期中缺氧好氧循环时间来研究氮的去除效果时发现，虽然维持高m l s s 可以加强硝化反 硝化作用，但是缺氧期的长短可能是关键因素，即反硝化速率是控制出水总氮的速度限制 因素，研究还发现内源反硝化速率与b o d t n 成线性增长关系。 t u e d a i “1 等在采用间歇曝气m b r 处理生活污水的中试研究中，认为反硝化速率是 该工艺的关键控制步骤，通过缩短好氧时间、提高m l s s 、在缺氧期进水等措施加强了反 硝化作用，并且采用间歇抽吸的操作方式以防止膜污染。结果表明即使在m l s s 高达t 2 9 l ， 只要定期排泥，膜出水的操作压力是可以稳定的，硝化率与反硝化率分别达到9 4 9 和9 1 。 由此可以看出，对于m b r 脱氮工艺而言，m l s s 和d o 是两个非常重要的影响因素。 m l s s 的提高。硝化菌和反硝化菌的增加，会提高系统的硝化速率和反硝化速率，但是m l s s 太高，会对膜组件的污染和运行产生影响。同时m l s s 太高，会影响氧气的转移和利用率， d o 的降低使硝化速率降低，造成氨氮在反应器内积累，反过来又会抑制硝化过程，将直 接导致脱氮效果，影响出水效果下降。如果d o 过高会影响缺氧反硝化阶段，缺氧段要 求d o 小于0 5 m g l ! ”1 ，否则会对反硝化产生抑制作用，而反硝化阶段是控制出水总氮浓 度的限制步骤。 2 3 2m b r 脱氮中同时硝化反硝化及短程反硝化现象 许多的研究者在m b r 脱氮工艺中发现了短程硝化反硝化脱氮以及同步硝化反硝化现 象，但是对于这两种现象的机理研究还不是很成熟。 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化的标志是稳定且有较高的n 0 2 - 一n 积累，即亚硝化率赢，n 0 2 一- - n ( n 0 2 一一n + n 0 3 一一n ) 太于5 0 ，这种现象对于脱氮是十分有利的，这样可以在亚硝化 阶段进行反硝化，减少了系统对底物和氧的需要。w o u t e r g h y o o t 等【6 8 1 在分置式m b r 脱 氮工艺研究中认为，硝化阶段的短程硝化是由于亚硝化菌比硝化菌更能适应氮负荷的升高 同时由于氨氮的积累造成对硝化菌的抑制。而李春杰等1 6 9 1 在利用s m s b r 处理焦化废水时 发现，在相当长的污泥龄的条件下，氧满足一般硝化条件时，硝化过程产生明显的短程硝 化现象，氮氮亚硝化进行彻底，而氨氯向n o ，一一n 转化受到抑制，使好氧段 n 0 2 一一n 大量积累，但氨氨的浓度很低。通过迸一步的研究，认为短程硝化并非由氮的浓 度和氮负荷引起，由于硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌的生长速率，可以通过控制温 度和水力停留时间，控制硝化菌的生长，从而使亚硝化菌占绝对优势，使氨氮的转化可以 控制在亚硝化阶段。 同步硝化反硝化 由于好氧活性污泥的颗粒直径比较大，在菌胶团内部形成厌氧区，从而使好氧活性污 1 4 东南大学硕士学位论文 泥具有同步硝化反硝化的机能。而有人研究发现在s m s b r 中颗粒粒径较小，但是也存在 明显的同步硝化反硝化现象。在m b r 脱氮工艺的好氧阶段，由于m l s s 比普通活性污泥 法高出许多，对氧的传递具有一定的限制，可以在菌胶团内部提供较多的厌氧环境，同步 硝化反硝化的现象将更加的突出。同时，好氧吸磷与厌氧释磷作用在m b r 池中同时存在。 b e r t h o l d 等在对m b r 工艺中高污泥浓度下的传氧效率进行测定发现，在恒定的曝气条 件下，随着m l s s 的增加，氧的传递明显减弱，当m l s s 由8 l 增至2 s g r l 时，相应的传 氧速率由05 降至0 1 5 。 在m b r 脱氮工艺同步硝化反硝化中，d o 太高，由于氧的穿透能力很强，会使菌胶团 内部难以形成厌氧环境，而且在高d o 状况下，消耗的底物将增加，可能造成即使菌胶团 内部存在厌氧环境，但由于碳源的不足而影响反硝化的能力。d o 也不能太低，否则硝化 反应的能力将减弱。邹联沛等在研究m b r 同步硝化反硝化时认为d o 应控制在1 m g i ， 有利于获得较好的同步硝化反硝化效果，氨氮的去除率可达9 5 ，总氮的去除率为9 2 。 因此，m b r 脱氨工艺是一种新型的脱氮工艺，研究表明其工艺简单，污泥负荷低，所 需水力停留时间短，容积负荷高，抗冲击负荷强，出水稳定，同时存在短程硝化反硝化以 及同步硝化反硝化现象，有助于氮的去除。但是与传统脱氮工艺相比，m b r 脱氮工艺研究 还不是很成熟，在工艺设计上尚没有系统的方法，需要在工艺设计、系统性能的提高以及 运行稳定性等方面作进一步的研究，才能在实际中广泛应用。 东南大学硕士学位论文 第三章试验设计与研究内容 3 1 试验设计 3 1 1 试验装置、工艺流程设计 l 、研究路线的确定 本课题根据目前城镇污水处理现状，以及目前的处理方法，为探索高效经济的生活污 水处理回用新工艺而拟定。 目前对于中国大多数城镇，缺水将是一个迫切需要解决的问题，城镇污水可生化性好， 难降解污染物少进水浓度相对稳定，如能处理达标回用，是非常有前景的再生资源。因 此，研究建设费用低、节能和运行管理方便的城镇污水处理新工艺和新流程已成为我国城 镇污水处理技术研究的重要方向。 活性污泥法是目前最常用的生化水处理工艺，目前主要存在三个问题有待解决：( 1 ) 活性污泥的生化速率；( 2 ) 活性污泥沉降性；( 3 ) 剩余污泥的处理。曝气池的污泥浓度受 充氧条件及二沉池固液分离能力的限制，一般控制在2 9 l 。，从而限制了生化反应的速率； 污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥的沉降性必须严格控制曝气池的操作条 件，如果控制不佳，污泥沉降性较差，出现污泥膨胀现象：好氧段水力停留时间( h r t ) 与 污泥龄( s r t ) 相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾；系统在运行过程中 产生大量的剩余污泥，其处理费用占污水处理厂运行费用的2 0 - - 4 0 “。而一体式m b r 具有s r t 与h r t ( 污泥全部回入池中，s r t 只由排泥控制：h r t 取决于出水与出水量的比值) 完全分离的特点，使得系统的运行可以灵活控制：膜的截留作用不仅保证出水水质，使出 水以中水的形式回用，而且可以防止池内的污泥流失现象，也可以避免由于污泥膨胀所产 生的负面影响：m b r 具有较大的s r t ，保证了硝化脱氨的效果，同时剩余污泥量也可以降低 到最小，减小污泥处理的运行费用。 根据以上分析，本研究拟采用如下工艺： 进水一吨匾噩愿虿四伍虿强霾豳西+ e 盈圃龌习p 出水 2 、研究路线的试验原理 调节厌氧池 调节进水水质初步降解有机物，提高污水可生化性，完成厌氧释磷作用。污泥回流 进入调节池，吸附部分进水可溶解性有机物，减轻后续设备负荷，并消化部分剩余污泥。 水解酸化池 水解酸化池中挂有聚酯无纺布填料，填料上长有大量微生物，整个池子附着污泥与悬 浮污泥同时生长，加速完成有机物兼氧生物反应并提高可生化性。好氧池出水回流液在该 池的兼氧条件下完成反硝化脱氮。 1 6 东南大学硕士学位论文 一体式m b r 好氧池是整个污水的主体处理部分，在高污泥浓度的情况下同时存在同时硝化反硝化 作用以及短程硝化反硝化作用，对污水脱氯起到加强的效果。池中的膜组件滤出清水，替 代二沉池功能，通过对好氧池污水的过滤作用，保证出水水质。出水一部分进入清水池作 反冲洗水，大部分排放。膜组件的截留作用，使m b r 池中的微生物污泥不会流失，彻底 将水力停留时间( h r t ) 与污泥龄( s r t ) 分开，在保证出水水质的情况下，s r t 具有良 好的可控性，大大减少剩余污泥的排放：系统的长污泥龄，使污泥硝化菌得到了有效生长， 提高了系统的硝化效率，并通过控制系统运行方式而具有脱氮除磷功能：难降解有机物在 反应器内有足够的停留时间，提高了其生物降解率。好氧池曝气采用射流曝气，不仅可以 利用其强烈的气泡破碎作用产生高溶解氧，保证整个系统的需氧量，而且利用上升气流的 冲刷作用减缓膜组件的污染程度，射流曝气还能使进水在最短的时间内与好氧池中微生物 污泥产生接触，改善池内流态，提高泥水接触几率从而提高污水处理教果。 清水池 清水池贮存出水作为中水回用及提供膜组件反冲洗水。 3 、实验装置 本试验为中试规模，装置反应器为钢结构，是由四个单元组合的矩形反应池组成，平 面布置如图3 1 。污水由潜污泵从污水池中进入厌氧调节池，接着依次进入水解酸化节池、 一体式m b r 好氧池，再由好氧池中的膜组件抽吸出水。 厌氧水解一体清 调节酸化式m b r 好 水 池池氧池池 图3 1 试验装置平面图 墨堕查兰堡圭兰垡笙兰 工艺布置见图32 1 一调节厌氧池2 一水解酸化池3 一一体式把r 好氧池4 一清水池5 、6 、7 一回流 电磁阀8 、9 一反冲洗电磁阀l o 、1 1 、1 2 - - 出水电磁阀1 3 、1 4 - - 水泵1 5 、1 6 、1 7 一调节阀1 8 、1 9 - - 流量计2 0 - - 潜污泵2 1 一射流曝气机2 2 - - 聚酯无纺布 2 3 一超滤膜 图3 2 试验装置工艺流程图 城镇污水处理回用一体化示范装置现场样图见图3 3 图3 3城镇污水处理回用一体化示范装置现场样图 反应池主要组成部分：潜污泵、聚酯无纺布填料、射流曝气机、超滤膜、管道泵、电 磁阀、流量计、液位控制仪等，规格及型号见表3 1 ： 东南大学硕士学位论文 表31 装置设备表 序号名称数量单位生产厂家 备注 l 潜污泵 1 南京蓝深 2回流泵1 南京蓝深 3出水泵1 南京蓝深 4 电磁阀 8 个余姚佳音 5射流曝气机l南京蓝深 6聚酯无纺布1 5仪征无纺布厂 7 流量计 2 个常州成丰 8超滤膜l组 上海荏原无锡超滤设备厂 9 液位控制仪 2 个兴化市山峰仪表 1 0p l c1 个 整个装置由p l c 可编程控制器与微机控制相结合的方式联合控制按照预先设定的运 行方式，将设备的运行状态以及液位控制仪的现场运转传递信号转化为相应的电流信号来 控制电磁阀、水泵的开关，从而达到控制运行的目的。运行阶段和周期的设定可以在显示 器上显示，根据试验的情况可以对其进行调整。 3 1 2 试验水质及达标标准 试验用水取自江都市华伦化机环保设备厂厕所废水以及丁伙镇环卫站的粪水，进水来 源不是很稳定，水质变化较大。试验分为两个阶段，第一阶段从8 月1 4 日到8 月2 8 日止， 第二阶段从9 月5 日到9 月2 6 日止，进水水质变化情况见表3 2 ；出水标准为生活杂用水 水质标准( g j 2 5 1 1 9 8 9 ) ( 表3 3 ) 及国家城市污水回用设计规范( c e c s 6 1 ：9 4 ) 市区景 观河道用水水质标准( 表3 4 ) 。 1 9 东南大学硕士学位论文 表3 2 进水水质一览表 序号水质标准变化范围平均值 第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段 l c o d ( m g l ) 1 8 0 3 2 7 m g l 4 6 8 8 5 1 6 m g ，l2 5 0 9 3 m g l 6 3 6 1 4m g l 2 b o d 5 ( m g l ) 7 7 9 1 6 2 5 m g l 1 2 8 1 2 8 1 3m g l 1 0 7 0m g r l1 7 4 5 0m g l 3b o d 5 c o d0 2 9 o 4 20 ，2 3 t o 3 1 4 t p ( m g l ) 3 6 5 5 6 546 5 5 n h a n ( m g l )4 5 6 4 8 5 9 7 0 0 6 t n ( m g l )5 2 ，5 9 0 8 7 4 4 7 n o ，一n ( m g l ) 8 n 0 2 - n ( m g l ) 9f h6 96 9 表3 3生活杂用水水质标准 项目厕所便器冲洗、城市绿化洗车、扫除 浊度度1 05 溶解性固体( m g l ) 1 2 0 01 0 0 0 悬浮性固体( m g l ) 1 05 色度度3 03 0 臭无不快感 无不快感 p h 值6 5 9 o b o d j ( m g l )1 01 0 c o d e r ( m g l ) 5 0 5 0 氨氮( 以n 计) ( m l )2 01 0 总硬度( m g l ) 4 5 0 4 5 0 氯化物( m g l )3 5 03 0 0 阴离子合成洗涤剂( m g l ) 1 0 0 5 铁( m g l )0 40 4 锰( m g l )0 1o 1 游离氯( m g l )管网末端不少于0 2 管两末端不少于0 2 总大肠杆菌( 个l )1 0 5 东南大学硕士学位论文 表3 4城市污水回用设计规范( c e c s 6 1 ：9 4 ) 市区景观河道用水水质标准 水质标准 c o d ( m g l )b o d ( m g l )s s ( m g l ) n h 3 一n ( m g l ) 进水 3 5 02 0 03 0 02 5 5 0 出水 6 0 2 0 2 0 1 5 3 1 3 分析监测项目标准及方法7 2 】 表3 4分析检测方法 序号分析项目测定方法 lc o d重铬酸钾法 2b o d s稀释与接种法 3d o碘量法 4t p 钼蓝比色法 5n h 4 _ n 纳氏试剂比色法 6t n过硫酸钾氧化+ 紫外分光光度法 7n 0 3 - n 紫外分光光度法 8n t h nn 一( 1 一萘基) 一乙二胺光度法 9m l v s s过滤烘干 1 0p hp h 试纸 2 l 东南大学硕士学位论文 3 2 研究内容 3 2 1 研究目的 m b r 工艺是一项新型的一体化污水处理工艺。国内外对其作了大量的研究，但是在膜 污染的机理和防治工艺运行规律、控制方法，设计稳定性，运行经济性等方面有待进一 步研究。本课题针对这一背景，研究m b r 工艺对城镇污水的处理运行状况t 同时观察和研 究其对去除有机物和n 、p 的效果，探索最佳控制方法及运行方式，研究其出水回用的可能 性。 3 2 2 研究内容 试验主要研究m b r 工艺对含碳有机物、n 、p 、l a s 等污染物的去除性能和工艺运行参 数、控制等方面进行现场研究，主要内容如下： l 、不同负荷下测定水解酸化池对生活污水预处理的效果比较研究； 2 、不同负荷下测定一体化m b r 对生活污水处理效果的比较研究，并且将出水与好氧 池上清液( 经过滤纸过滤) 进行效果比较； 3 、不同负荷下测定一体化h b r 对总氮、氨氮的处理效果的比较研究，以及脱氮试验 中的同时硝化反硝化现象以及短程硝化反硝化现象； 4 、 研究整套装置对生活污水中总磷的去除效果 5 、研究整套装置对生活污水中阴离子表面活性剂的去除效果； 6 、整个系统对膜污染预防与防治的研究： 7 、研究稳定条件下整个系统不排泥的可能性，推导一体式m b r 中污泥增长的动力学模 到。 东南火学硕士学位论文 第四章m b r 工艺处理城镇污水研究 4 i 污泥培养驯化 污泥的培养驯化阶段从2 0 0 3 年7 月2 日开始，到2 0 0 3 年8 月1 0 日结束，历时四十天， 旨在培育适于m b r 运行方式的高效菌种，接种污泥取自于南京金陵石化的活性污泥，由于接 种污泥不是取白城市污水处理厂的好氧活性污泥，因此培养驯化时间较眭。污泥培养阶段 采用传统方法，先对所取污泥闷曝2 4 h ，之后进粪便废水( 无稀释，通过调节池系统自行 调节) ，由于污泥种类不同，采用边培养边驯化并且逐渐降低进水浓度( 稀释) 。驯化后 期，因为进水负荷不高，为防治膜的污染，延长膜的运行周期，曝气强度相对很大，大约 为传统活性污泥法的3 4 倍，污泥增长相对不大，污泥浓度达到2 5 9 l 。当进水c o d 保 持在2 0 0 3 0 0 m g l 时，去除率在9 0 左右，同时水解池内填料上生物膜外观成灰黑色， 结构密实，好氧池污泥成土黄色，絮体成球状，沉淀效果好，说明污泥培养及填料挂膜成 功。至此结束污泥的驯化培养，开始准备进行进一步的试验研究。 4 2 水解酸化池对城镇污水预处理的试验研究 本试验中水解池采用挂膜技术( 聚酯无纺布填料) ，膜总面积为1 4 m 2 。利用聚酯无纺 布的高比表面积和生物易吸附性等特点，使污泥在其表面得到很好的生长，达到增加水解 酸化池中的污泥总浓度，增强处理能力的效果。 4 2 1水解酸化池对有机污染物的去除效果研究 比较进水低负荷、高负荷情况下，水解酸化池对污染物的预处理效果，以及水解酸化 池在脱氮方面的贡献。整个试验阶段水解酸化池不曝气。 j 彤闽磊妗髻陲 一。l 。rm j q - 一。f ” 逗忏日期 图4 1 第一阶段水解池c o d 去除效果研究 远行日期f 9 月 图4 2 第二阶段水解池c o d 去除效果研究 啪 瑚 船 m _自占拦甓日u 东南大学硕士学位论文 运行日期( 9 月) l w 】 “毒 。j