（环境工程专业论文）泥水自循环型除磷脱氮工艺智能控制与深度处理研究.pdf

i 帆y 删1 叭7 m 6 州吣1 帅7 眦3 1 l 0 l 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：i 垒堑 日 期：兰! ! ：! ：3 i 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：隆垂 导师签名：逊型 日 摘要 泥水白循环型除磷脱氮工艺智能控制 与深度处理研究 东南大学能源与环境学院 研究生：张莉指导教师：吕锡武教授 摘要 泥水自循环型除磷脱氮工艺是在借鉴u n i t a n k 、a 2 o 等工艺优点的基础上 研发的新型高效除磷脱氮的污水处理工艺。该工艺是由五个水力连通的矩形反应 池构成，通过周期运行自动完成混合液与污泥回流。与普通的a 2 o 工艺相比， 具有无混合液回流设备、污泥回流量少、运行方式灵活、维护管理方便的优点。 系统通过p l c 可编程序控制器自动运转，运行方式和控制状态可以灵活调整，维 护管理方便。 通过对本工艺特性的分析研究，探讨了实时控制的可行性，并建立泥水自循 环型工艺的阶段时间实时控制技术；对出水的进一步深度处理做了研究。得出的 主要结论如下： 泥水自循环型除磷脱氮工艺的运行方式有利于各类微生物的生长，活性污泥 培养2 0 d 以后就能取得良好的除磷脱氮效果。在水力停留时间为1 3 h ，周期设置 按主体段、过渡段和沉淀段分别为9 0 m i n 、1 2 0 m i n 和3 0 m i n ，泥龄为1 2 d 1 5 d ， 边池污泥浓度为4 0 0 0 m g l - - - 6 5 0 0 m g l 的工艺条件下，c o d 的去除率达到9 0 以 上，氨氮的去除率达到9 0 以上，t n 的去除率约为7 5 ，t p 的去除率约为8 8 。 当受到高浓度污水的冲击时，氨氮的去除率仍然维持在9 0 以上；c o d 的去除率 略有下降，停留在8 7 左右；总磷和总氮的去除率下降比较大，都比正常进水时 下降了l o 左右。 实验研究了各反应池内污染物浓度以及溶解氧、氧化还原电位、p h 等环境变 量随时间变化的规律，其结果表明在进水搅拌过程中o r p 、p h 出现特征点，与 反硝化结束和厌氧磷释放具有同步性，在曝气过程中o r p 、p h 、d o 同时出现特 征点，与硝化结束时间对应；o r p 和p h 监测信号可以用于控制脱氮和除磷过程。 在此基础上，建立了泥水自循环型除磷脱氮工艺阶段转化的专家控制系统，并设 计了阶段转换的专家控制决策树。 针对后续的微絮凝过滤工艺，通过比较p a c 、p f c 、p a c f ，选用p f c 作为 絮凝剂。最佳投药量为7 m g l ，最佳滤前絮凝时间为3 m i n 。滤速稳定在9 m h 左 右，过滤周期在4 5 小时左右，采用气水联合反冲洗系统，具体参数为：单独气冲 强度1 0 - - 1 2l ( m 2 木s ) ，冲洗历时2 m i n ；气水联合冲的气冲强度l o 1 2l ( m 2 木s ) ， 水冲强度2 l ( m 2 + s ) ，冲洗历时为4 m i n ；清水漂洗2 l ( m 珠s ) ，冲洗历时为5 m i n 。 关键词：泥水自循环型除磷脱氮工艺，脱氮除磷，实时控制，微絮凝过滤 基金项目： 教育部科学技术研究重大项目( 3 0 8 0 1 0 泥水自循环型脱氮除磷新工艺技术与机理) 江苏省科技支撑计划项目( b e 2 0 0 8 6 6 7 城镇污水深度处理节能减排新技术研究与示范) 东南大学硕士学位论文 s t u d yo nr e a l t i m ec o n t r 0 1a n d0 u t l e tw a t e r a d v a n c e dt r e a t m e n to ff i v e t a n ki n t e g r a t e d a c t i v a t e dsl u d g es y s t e m s c h o o lo fe n e r g y & e n v i r o n m e n t ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y z h a n gl i s u p e r v i s o r ：l v x v u a b s t r a c t f i v e - t a n ki n t e g r a t e da c t i v a t e ds l u d g es y s t e mi san e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e md e v e l o p e d w i t ht h ef u n c t i o no fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ( b p n r ) u s i n gt h es t r o n g p o i n to f u n i t a n ka n da 2 op r o c e s s e s c o m p a r e dw i t hg o m n l o na c t i v es l u d g es y s t e m ，t h i sp r o c e s sm a k e s a h i g hp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lw i t h o u tm i x e dl i q u i dr e c i r c u l a t i o ns y s t e m , a n dw i t hl e s s s l u d g er e c i r c u l a t i o n r u n n i n gm o d ea n dc o n t r o l l i n gs t a t ec a l lb ea d j u s t e dc o n v e n i e n t l y t h i ss y s t e m w a sa u t o m a t i c a l l yo p e r a t e du n d e rt h ec o n t r o lo fp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) r u n n i n g m o d ea n dc o n t r o l l i n gs t a t ec a nb ea d j u s t e dc o n v e n i e n t l y b ys t u d yo nt h et e c h n o l o g y , t h ef e a s i b i l i t yo fr e a l - t i m ec o n t r o lh a sb e e nd i s c u s s e da n dt h e r e a l - t i m ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fp h a s ec h a n g ew a se s t a b l i s h e d b e s i d e s ，af u r t h e rs t u d yo no u t l e t w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n tw a s a c c o m p l i s h e d t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ff i v e - t a n ki n t e r g r a t e da c t i v a t e ds l u d g es y s t e mi si nf a v o ro ft h e g r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m t h ee f f i c i e n to fd e n i t r o g e na n dd e p h o s o h o r u sw a sh i 曲a f t e r2 0d a y so f i n c u b a t i o n t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n e so fc o dc o u l dr e a c ha b o v e9 0 ：t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n e so fn h 4 + - nc o u l dr e a c ha b o v e9 0 ：t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n e so ft nc o u l dr e a c h a b o u t7 5 ；t t l ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n e so ft pc o u l dr e a c ha b o u t8 8 w h e ns h o c k e db yh i 曲 c o n c e n t r a t i o nw a t e r , t h er e m o v a le f f i c i e n e so fn i - h + nw a ss t i l lr e a c ha b o v e9 0 ；t h er e m o v a l e f f i c i e n e so fc o dw a sal i a l el o w e rt h a nb e f o r ea n dc o u l dr e a c ha b o u t8 7 ；t h er e m o v a le f f i c i e n e s o f t pa n dt nb o t hh a da1 0 l o w e rt h a nb e f o r e t h ec h a n g eo fc o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o na n de n v i r o n m e n tv a r i a b l e ss u c ha sd o 、o f u pa n d p hw i t hp h a s et i m ew e r ei n v e s t i g a t e d b a s e do ne x p e r i m e n ta n dt h e o r yk n o w l e d g e ，t h ee x p e r t c o n t r o ls y s t e mo fp h a s ed i v e r s i o nw a ss e tu p ，a n dt h e nt h ee x p e r tc o n t r o ls y s t e mo fp h a s ed i v e r s i o n w a sd e s i g n e d a st ot h en e x tm i c r of l o c c u l a t i o nd i r e c tf i l t r a t i o np r o c e s s ，t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo fp a c ， p f c 。a n dp a c fw a sc o m p a r e dt of i n dt h eb e s to n ef o rt h i sk i n do fw a t e r t h er e s u l t ss h o w , p f c a l w a y sd o e sb e t t e rt h a nt h eo t h e r s t h er e s u l t ss h o w , t h eb e s td o s a g ei s7 m g l ，t h eb e s tf i l t e r i n g v e l o c i t yi s9 m h ，a n dt h eo p e r a t i o nc y c l ei sa b o u t4 5h o u r a i rs c o u rp l u sw a t e rb a c k w a s h i n gi s s u i t a b l ef o rm i c r of l o c c u l a t i o nd i r e c tf i l t r a t i o np r o c e s s i n t e n s i t yo fa i rs c o u ra l o n ei s10 - - 12 l ( m z * s ) ，t h ew a s h i n gt i m ei s2m i n u t e s ；i n t e n s i t yo fa i rs c o u rp l u sw a t e rb a c k w a s h i n gi s1 0 - 1 2 l ( m z * s ) f o ra i rs c o u ra n d2l ( m z * s ) f o rw a t e rb a c k w a s h i n g ，t h ew a s h i n gt i m ei s4m i n u t e s ； i n t e n s i t yo fw a t e rb a c k w a s h i n ga l o n ei s2l ( m z * s ) ，t h ew a s h i n gt i m ei s5m i n u t e s k e yw o r d s ：f i v e t a n ki n t e g r a t e da c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，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 ， r e a l - t i m ec o n t r o l ，m i c r of l o c c u l a t i o n ，d i r e c tf i l t r a t i o np r o c e s s i i 目录 目录 i i i 1 景。1 1 2 生物除磷脱氮理论与工艺的发展3 1 2 1 传统生物除磷脱氮原理3 1 2 2 节能高效型生物除磷脱氮发展6 1 3 除磷脱氮工艺实时控制的现状7 1 3 1 除磷脱氮工艺实时控制的理论基础7 1 3 2 实时控制的研究现状9 1 4 微絮凝过滤技术的研究与进展9 1 5 本研究工艺的提出1 0 第二章试验设计与研究内容12 2 1 工艺介绍1 2 2 1 1 工艺试验装置1 2 2 1 2 工艺运行周期及原理14 2 1 3 工艺特点1 5 2 2 试验装置的运行控制16 2 3 试验用水来源与水质l7 2 4 分析监测项目与方法1 7 2 5 研究内容l8 i i i 第三章污泥培养驯化与工艺参数研究1 9 3 1 污泥的培养驯化1 9 3 2 耐高浓度冲击负荷试验2 2 3 2 1 高浓度冲击负荷对有机物去除效果的影响2 3 3 2 2 高浓度冲击负荷对脱氮效果的影响2 3 3 2 3 高浓度冲击负荷对除磷效果的影响2 4 3 3 运行管理与异常对策2 5 3 3 1 污泥上浮2 5 3 3 2 污泥膨胀2 6 第四章工艺脱氮除磷控制参数及实时控制的研究2 7 4 1 半个周期内五个池子运行过程分析2 8 4 1 1 1 拌半周期跟踪试验结果分析2 8 4 1 22 拌半周期跟踪试验结果分析3 3 4 1 33 撑半周期跟踪试验结果分析3 8 4 1 44 拌半周期跟踪试验结果分析4 l 4 1 55 # 半周期跟踪试验结果分析4 2 4 2o r p 、d o 、p h 指示规律小结4 3 4 3 泥水自循环型除磷脱氮工艺阶段转换专家控制技术的建立4 4 4 3 1 专家控制简介4 5 4 3 2 阶段转换专家控制器的设计4 6 第五章微絮凝工艺控制参数的研究5 3 5 1 微絮凝过滤工艺的研究与应用5 3 i v 目录 及原理5 3 5 1 2 微絮凝过滤的研究和应用5 3 5 1 3 微絮凝过滤的工艺特点5 5 5 1 4 微絮凝过滤的几个关键问题5 5 5 2 实验装置与实验方法5 6 5 2 1 实验装置5 6 5 2 2 实验水质5 7 5 2 3 实验研究内容5 7 5 3 微絮凝条件的实验研究5 7 5 3 1 絮凝剂品种的选择5 7 5 3 2 絮凝剂p f c 投药量的控制6 0 5 3 3 滤前絮凝时间的控制6 1 5 - 3 4 滤池工艺参数的确定6 2 第六章结论6 7 6 1 结论6 7 6 2 今后研究方向6 8 参考文献6 9 致谢7 4 v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 联合国一项研究报告指出：全球现有约1 2 亿人面临中度到高度缺水的压力， 8 0 个国家水源不足，2 0 亿人的饮水得不到保证。我国就属于缺水国之列，人均淡 水资源仅为世界人均量的1 4 ，居世界第1 0 9 位，中国已被列入全世界人均水资 源1 3 个贫水国家之一。不仅如此，中国的淡水资源还存在分布不均的问题，大量 淡水资源集中在南方，北方的淡水资源只占南方淡水资源的1 4 。据统计，全国 6 0 0 多个城市中有一半以上城市存在不同程度的缺水问题，沿海城市也不例外， 甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水和地下水为主，或者两种水源混合使 用。目前，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几 百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里；更为严重的是，由于工业废水的肆 意排放，导致8 0 以上的地表水、地下水被污染，不能或者必须经过处理后才能 使用【l l o 根据( ( 2 0 0 8 年中国环境状况公报【l 】显示，全国地表水污染依然严重。七大 水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北诸河水质为优，西 南诸河水质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中， i - i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ；i i i 类的2 个，占7 1 ； 类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主 要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 0 。2 0 0 8 年，全国废水排放总量为5 7 2 0 亿吨，比上年增加2 7 ；化学需氧量排放量为 1 3 2 0 7 万吨，比上年下降4 4 ；氨氮排放量为1 2 7 0 万吨，比上年下降4 o 。 表1 1 全国近年废水和主要污染物排放量【1 】 项目废水排放量( 亿吨)化学需氧量排放量( 万氨氮排放量( 万吨) 年度吨) 合计工业生活合计工业生活合计工业生活 2 0 0 65 3 6 82 4 0 22 9 6 6 1 4 2 85 4 1 58 8 6 1 4 14 2 59 8 8 2 0 0 75 5 6 82 4 6 63 1 0 21 3 8 1 5 1 1 。18 7 0 1 3 23 4 19 8 3 2 0 0 85 7 2 02 4 1 93 3 0 11 3 2 04 5 7 68 6 31 2 72 9 79 7 3 东南大学硕士学位论文 营葬状态揍数 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 0 3 0 2 0 l o o 太浚鬓自逸镱簿涤崮嚣雾瀑哀大玄嚣昆丈予静绣按董fj 害子 畿瞧爱誊赍澹簸嚣嚣警飘海澎魏囊滢疆绶辑曩出葱镑楼云岛 淀澎潼籍荔澎澎渗凌囊囊房承臼农潼承承农巍 澎承奉承奉枣毒牵 塞率 图1 - 1 重点湖库营养状态指数 公报显示，我国地表水污染存在的主要问题是水体富营养化( 磷、氮超标) 。 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养 物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖， 水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。一般情况下， 在自然状态时，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种过程非常缓 慢。随着人类活动在自然变化中日益占据主导地位，人为排放含营养物质的工业 废水和生活污水增多，所引起的水体富营养化可在短时间使湖泊和水体迅速出现 富营养化的状态。当水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华， 在海洋中则形成赤潮。水体中过量的氮、磷等营养物质主要来自未加处理或处理 不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥。 富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。最简单、最有 效的方法莫过于把含氮磷的废水堵截在进入天然水体之前。近年来，尽管国 家和地方每年都投入巨资，但到目前为止水体富营养化的程度仍然有增无减。为 解决水资源短缺、水污染和水体富营养化日益严重等问题，我国现行城镇污水 处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 对氮磷指标做了严格要求，如下。 表1 2 中华人民共和国污水氮磷排放标准 排放标准( m g l ) 制定时间备注 氮( 以氮计) 磷( 以磷计) 总氮s 1 5总磷s 1 0 氨氮s 5 ( 8 )总磷郢5 一级a 排放标准 2 0 0 2 年 总氮 1 2 c 时的控制指标；括号内数值为水温s 1 2 的控制指标 适用于2 0 0 5 年1 2 月3 1 日前建设的污水处理厂 适用于2 0 0 6 年1 月1 日后建设的污水处理厂 目前，国内外运用比较成熟的除磷脱氮的工艺主要包括s b r ( 序批式活性污 泥法) 及其改良工艺、u c t 、a b 、a 2 0 和氧化沟等。但在实际应用中除磷脱氮 2 第一章绪论 效果并不稳定，出水t n 和t p 浓度难以稳定小于2 0 m g l 和1 0 m g l 的限值。主 要原因在于：第一，污水c n 比值偏低时通常需外加碳源【2 1 ，这增加了污水处理 的成本与能源消耗；其次，a 2 o 工艺及其改良形式，都存在污泥回流和混和液回 流的问题，这两部分能耗较大，一般占污水处理部分总能耗的2 7 3 9 ，其中 污泥回流部分为1 4 左右p j ，而且增加了设备投资和日常的维护管理的费用；第 三，s b r 及其改良工艺普遍存在滗水水头损失的缺点，水头损失导致了能耗的上 升；另外，由于除磷和脱氮两步存在泥龄不同、碳源竞争等矛盾，大多数工艺都 尽可能将除磷和脱氮过程分开以排除相互干扰，虽然能够解决脱氮和除磷的矛盾， 但增加了构筑物以及处理成本。因此，a 2 o 、s b r 及其改良工艺都需较高的基建 和运行费用，才能保证良好的除磷脱氮效率。 鉴于此，开发适应污水低c n 比值、运行稳定且具有节能效应的新型除磷脱 氮工艺具有迫切的需要，对控制水体富营养化、促进污水处理事业的发展、提高 水环境质量具有重大意义。 1 2 生物除磷脱氮理论与工艺的发展 1 2 1 传统生物除磷脱氦原理 1 2 1 1 生物脱氮机理 生物脱氮是指污水中的有机氮化合物在氨化菌的作用下被氧化分解，转化为 氨态氮；然后氨氮进一步被自养型硝化细菌分解氧化为n 0 3 ；再在反硝化细菌的 作用下将硝氮还原为n 2 ，从而达到脱氮的目的。 生物脱氮由氨化、硝化、反硝化三步组成。 氨化指有机氮化合物在氨化细菌的作用下降解释放氨的过程。氧气不是氨化 反应的限制因素。 生物硝化是由两组自养型好氧硝化细菌：亚硝酸菌( n t i o r o s m n o a s ) 和硝酸菌 ( n r t i b o a c e t r ) ，将氨氮进一步分解氧化为硝态氮的生化反应过程。就此分为两个阶 段进行：首先在亚硝酸菌作用下使氨氮分解为亚硝酸氮，反应式为： 2 脚：+ 3 d ，二垩堕2 n o ：+ 2 h ，o + 4 h + ( 1 1 ) 继之，亚硝酸氮在硝酸菌作用下进一步分解，转化为硝酸氮，其反应式表示 为：2 o ：+ d 骂2 n o ； ( 1 2 ) 硝化反应的总反应式为： n h ；+ 2 0 2 n o j + h 2 0 + 2 h + 应当注意的是，硝化反应细菌对环境非常敏感，为使硝化反应正常进行，应 维持硝化细菌的所需的环境条件。影响硝化反应的各项因素包括： 温度：硝化反应的适宜温度是2 0 3 0 ，温度不但影响硝化菌的比增长速 率，还影响其活性。在5 - 3 54 c 的范围内，硝化速率随温度的升高而加快，但到3 0 后增加幅度减小。当温度低于5 c 时，硝化反应几乎停止。对硝化反应的系统的跟 踪研究表明，温度低于1 5 。c 时硝化速率迅速降低【4 5 】。 p h 值：硝化细菌对p h 值的变化非常敏感。由于硝化反应要消耗碱度，当污 水中碱度不足时，随着硝化的进行，p h 值会急剧下降。通常，硝化菌生长的p h 值范围为5 8 8 5 ，最适生长的p h 范围7 5 8 4 ，属于嗜碱菌【6 1 。在这一最佳p h 值范 东南大学硕士学位论文 围内，硝化速度、硝化菌最大的比增值速度可达到最大。 溶解氧：氧是硝化反应中的电子受体。溶解氧的浓度高低将影响硝化反应 速率和硝化菌的比增长速率。一般应维持反应器内的d o 为2 - 3 m g l 为宜。研究表 明，当d o 低于0 5 o 7 m g l 时，硝化反应过程将受到抑制【7 j 。但近来许多研究表明， 低浓度的d o 值有利于亚硝氮的积累，实现亚硝化峭j 。 生物固体平衡停留时间( 污泥龄) ：为使脱氮过程中的硝化菌能在反应器 中存活，微生物在反应器中的停留时间，必须大于自养型硝化细菌的最小世代时 间，否则硝化菌的流失率将大于净增长率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。理论 上，污泥龄大于3 天就可获得满意的硝化效果，但实际上脱氮系统只有当污泥龄通 常控制在1 0 2 5 d 左右，一般至少为硝化细菌最小世代时间的2 倍以上，脱氮才不 受影响9 1 。 进水b o d 负荷和有机物性质：对于硝化而言，由于硝化菌是自养专性好氧 菌，其比增长速率明显低于异养菌。若b o d 5 t k n 过高，会使生长速率较高的异 养菌迅速繁衍，从而抑制硝化菌的生长而最终影响硝化效果【i 。一般认为，b o d ， 应控制在2 0 m g l 以下，r b o d 负荷应控制在0 0 6 , - 4 ) 1 k g b o d 5 k g m l s s d 的水平。 重金属及有害物质：一些重金属离子、氰化物、砷化物等有毒物质对硝化 反应有抑制作用。其作用主要表现在干扰细胞的新陈代谢和破坏细胞最初的氧化 能力两个方面。因此在污水的生物脱氮过程中应注意对这些有毒有害物质浓度的 控制，在进入反应器前及早去除。一般来说，亚硝化菌比硝化菌的耐受性弱，对 毒害物的敏感性要比硝化菌高很多。除重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物 质还有：过高浓度的n h 4 + - n 、一些有机物以及络合阳离子等。 反硝化反应是指在没有分子氧时，反硝化菌以硝态氮为电子受体，有机物作 为碳源和电子供体，通过反硝化菌的同化作用( 合成代谢) 与异化作用( 分解代谢) 将硝酸氮和亚硝酸氮还原为气态氮的过程。反硝化由异养兼性厌氧微生物完成， 它们种类很多，在厌氧条件下释放的a t p 不多，合成的细胞物质也较少。其反应 式可以由式1 3 、1 4 表示： 2 v o ；+ 3 日( 电子供体) 1 2 n 2 + h 2 0 + o h 一 ( 1 3 ) n o ；+ 5 日( 电子供体) 专1 2 n 2 + h 2 d + o h 一 ( 1 4 ) 影响反硝化反应的环境因素： 温度：反硝化作用可在5 3 5 之间进行，其适宜温度为2 0 3 0 ，在此范 围内反硝化速率随着温度的升高而加快。当温度低于l o 时，反硝化菌的增值速 率下降，代谢速率也降底，从而反硝化速率降低。在冬季的低温季节，为了保证 反硝化的正常进行，在装置运行过程中，适当提高污泥龄，降低负荷率。 p h 值：p h 值是反硝化反应的重要影响因素，反硝菌最适宜的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 值高 于8 或低于6 时，反硝化速率会明显下降。 溶解氧：反硝化菌是异氧兼性厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在硝酸和 亚硝酸离子的条件下，它们才能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。 对于反硝化而言，当同时有分子态氧和硝酸盐时，反硝化菌会优先进行有氧呼吸 降解有机物而抑制了硝酸盐还原酶的合成，还会抑制无氧呼吸酶的合成及活性。 但是，另一方面，在反硝化菌体内某些酶系统组分只有有氧条件下才能合成，所 以溶解氧对反硝化过程有很大的影响。一般认为，反硝化菌在厌氧、好氧交替的 4 第一章绪论 环境中生活为宜，系统混合液中d o 应保持在0 5 m g l 以t ，反硝化过程才能正常 进行。 外加碳源：一般认为当污水中b o d 5 t n 值 3 5 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源。 进水b o d 负荷和有机物性质：反硝化脱氮速率受碳源类型影响较大，当碳 源为易生物降解的溶解性有机物( 甲醇、乙醇及葡萄糖等) 时，反硝化速率最快； 当碳源为可慢性生物降解的有机物( 淀粉、蛋白质等) 时，反硝化速率减缓；当 碳源为细菌细胞质成分( 内碳源) 时，反硝化速率最慢。一般认为，当污水中的 b o d s t k n 为5 8 时，可认为碳源充足，不须另外投加碳源，否则应补充投加适当 的碳源( 一般以甲醇为主) 。 同化作用是亚硝氮和硝氮被还原为氨用以新细胞的合成，氮成为细胞质的成 分。异化作用是亚硝氮和硝氮被还原为n 2 或n 2 0 、n o 等气态物，主要为n 2 ，异 化作用去除的氮约占去除总量的7 0 - - 7 5 。 1 2 1 2 生物除磷机理 传统的除磷工艺是以p a o 即“聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微生物” ( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 摄放磷原理l l l j 为理论基础。所谓生物除磷 是利用聚磷菌一类的微生物，能够过量地从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形 态储藏在菌体内，形成高磷污泥排出系统外。 影响聚磷菌磷释放的各项因素 溶解氧：一般情况下，厌氧段的d o 应严格控制在0 2 m g l 以下，因为一旦 d o 浓度较高，d o 将作为电子受体而抑制发酵产酸菌的发酵产酸作用，同时还将 诱导好氧菌和其他兼性菌进行有氧呼吸降解有机物，从而减少了p a o s 所需要的 v f a s 产生量，造成除磷效果变差。在好氧段，为满足p a o s 对其储存的p h b 的降 解，d o 控制在2 0 m g j l 左右，以释放足够的能量供其自身增殖和过量吸磷之需。 p h 值：生物除磷的适宜p h 值大致范围是6 5 8 0 ，当p h 值低于6 5 时生物除 磷的效果会大大降低【l 2 。 污泥龄：对除磷而言，由于生物除磷系统的本质是排除富磷剩余污泥，因 此剩余污泥量的多少直接决定系统的除磷效果。通常认为污泥龄越长，污泥的活 性就越低，污泥的产率也越低，相应的污泥中的含磷量就越少，而去除单位重量 磷所需要的b o d 就会越多。所以，仅以除磷为目的的生物污水处里系统污泥龄一 般为3 5 7 d 。 进水b o d 负荷和有机物性质：分子量较小的易降解的有机物( 如低级脂肪 酸类物质) 易于被p a o s 利用，诱导释磷能力较强，而高分子难降解的有机物诱导 释磷能力较弱。所以，进水中是否有足够适宜的有机基质提供给p a o s 合成p h b ， 是关系至l j p o a s 在厌氧条件下能否顺利生存的重要因素。一般认为，当进水 b o d 5 t p 达到2 0 时，出水t p 可达到l m g l 以- f t l 2 】。 厌氧区的硝态氮：如果厌氧区存在硝酸盐成分，一方面会被在除磷过程中 担负发酵产酸作用的气单胞菌利用作为电子受体进行反硝化，抑制其对溶解性 b o d 的发酵产酸作用；另一方面，反硝化菌会与p o a s 竞争污水中有限的溶解性 b o d ( 特别是v f a s ) 并优先于p o a s 以这些有机物为电子供体进行反硝化。结果 使p o a s 无法得到足够v f a s ，从而抑制其释磷及对厌氧产物p h b 的合成能力，使 系统除磷效果下降，甚至遭到破坏【1 3 , 1 4 】。为保证厌氧区的高效释磷，一般应将销 态氮浓度控制在0 2 m g l 以t i l 川。 释放效果对吸收的影响：一般认为，释放效果越好，吸收效果越好，但这 5 东南大学硕士学位论文 种释放必须以有效释放为前提。 其它影响因素：温度，有毒物质等因素对除磷也有影响。 活性污泥中的聚磷菌在厌氧状态下将菌体内的聚磷酸盐分解，磷酸盐释放到 溶液中，聚磷酸盐分解过程中释放能量供聚磷菌吸收乙酸、丙酸等低分子有机物 以p h b ( 聚1 3 羟基丁酸盐) 形式贮存在菌体内。在好氧条件下，聚磷菌消耗体内贮 存的p h b ，释放能量，吸收体外的磷酸盐合成聚磷酸盐，通过剩余活性污泥排出 将磷从处理系统去除。 1 2 2 节能高效型生物除磷脱氮发展 深入研究污水处理过程的反应机理、开发新型工艺，是提高氮磷去除率、降 低污水处理能耗的重要途径。在节能型污水处理技术的研究中，根据不同于传统 理论开发新型除磷脱氮技术的研究是一个重要内容。这些技术包括： 1 ) 反硝化除磷 反硝化聚磷细菌是指某些既能够在氧气充足时利用氧气作为电子受体，又能 够在缺氧条件下以硝酸盐代替溶解氧为电子受体进行聚磷，同时将硝酸盐还原成 氮化物和超量聚磷的某类聚磷细菌，即以前需要通过聚磷菌和反硝化菌完成的工 作，现在只需要这一类细菌在缺氧条件下就能够完成，将反硝化与除磷这两个过 程合二为一，这样就可以减少碳源的需求量，避免了在碳源不足时反硝化菌与聚 磷菌争夺碳源。目前，反硝化聚磷菌在很多除磷脱氮系统中都有发现，尤其是在 某些改良的u c t 脱氮除磷处理系统中【l 5 1 6 l7 。反硝化除磷通过反硝化聚磷菌 ( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a , d p b 或d e n i t r i f y i n gp o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，d n p a o s ) 以相同的基质同时脱氮和除磷，缓解了传统 生物除磷脱氮工艺中碳源不足的矛盾以及硝化菌与聚磷菌最佳污泥龄差异的矛 盾，能分别节省约5 0 的c o d 和3 0 的氧的消耗量，相应减少约5 0 的剩余污 泥量【l4 。该技术磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，当缺氧段 硝酸盐量不足时磷的过量摄取受到限制，而硝酸盐量富余时又会随回流污泥进入 厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体内聚d 羟基丁酸( p o l y d h y d r o x y b u t y r i ca c i d ， p h b ) 的合成。实际污水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系 统的控制带来了困难。因此还需要从工艺角度进一步完善反硝化除磷技术。 2 ) 短程硝化反硝化 一般认为，废水的脱氮需要经过硝化与反硝化两步，才能将氮去除。从脱氮 理论中我们可以发现，硝化和反硝化过程中都存在n 0 2 。而短程硝化反硝化就是 将硝化过程控制在n 0 2 阶段而终止，反硝化过程以n 0 2 为起始。实现短程反硝化 的关键就在于如何将氨氮氧化控制在亚硝氮阶段，同时使亚硝氮不能进一步氧化。 因此，如何持久稳定地维持较高浓度的亚硝氮的积累及影响亚硝氮积累的因素就 成为研究短程硝化反硝化的重点。与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可节 省氧供应量约2 5 ，降低能耗，节省碳源4 0 ，显著减少污泥生成量，减少投碱 量，缩短反应时间和减少容积【l 引。应用短程硝化反硝化的工艺包括s h a r o n ( s i n g l er e a c t o r f o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺和s b r 工艺 盘茁 号手。 3 ) 同步硝化反硝化 国内外有较多研究表明，有氧条件下在不同的生物处理系统中有同步硝化反 硝化现象( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 发生【1 9 ，2 0 1 。传统的脱 氮理论认为，硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化反应严格在厌氧环境下进行。 同步硝化反硝化机理有两种不同的理论，其一为微环境理论，即认为好氧条件下 6 第一章绪论 同时存在缺氧甚至厌氧的微环境，其二为微生物理论，即从微生物学的角度认为 好氧条件下同时存在好氧反硝化菌和异氧硝化茵。目前，已经在多箱一体化实验 装置中发现了明显的同步硝化反硝化现象。与传统生物理论相比，s n d 具有以下 优点：曝气量减少，降低能耗，能有效地保持反应器内的p h ；可减少反应器容积， 简化了系统的设计和操作等1 2 。目前对s b r 反应器中s n d 过程研究最多。对s n d 技术还需继续开展碳源的组成与比例、絮体特性、好氧反硝化菌的特性、控制参 数与方法、反应动力学等方面的研究。 4 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 是指在厌氧条 件下，微生物直接以氨氮为电子供体，以硝氮或亚硝氮为电子受体，将氨氮、硝 氮或亚硝氮转变成的生物氧化还原过程，最早由m u l d e r 等于2 0 世纪9 0 年代从生 物脱氮流化床反应器中发现【2 2 j 。其反应式为： n h ；+ 0 7 5 d ，+ 上嘶翌三翌一0 5 埘：+ 1 5 h ，0 + c d + 0 5 帔 ( 1 5 ) 0 s u u ；+ o 5 n o ；j 鲢乌o 5 2 个+ 日2 0 ( 1 6 ) 基于a n a m m o x 原理开发的工艺主要有两相s h a r o n a n a m m o x 工艺、 单相c a n o n 工艺和o l a n d 工艺。与传统的硝化反硝化过程相比，厌氧氨