（环境工程专业论文）淹没序批式膜生物反应器反硝化除磷特性研究.pdf

摘要 摘要 反硝化除磷系统可以充分利用废水中已有的碳源进行反硝化脱氮，节约碳 源，减少温室气体c 0 。的排放量，同时可节省曝气量和减少污泥产量，是种可 持续的清洁废水处理1 艺，本课题采用自制的淹没序批式膜生物反应器 ( s m s b r ) ，通过厌氧一好氧及从氧一沉淀换水一缺氟两个阶段的培养驯化，达 到了良好的同时脱氮除磷效果，基于培养驯化成功的活性污泥系统，丌展了反 硝化除磷系统影响因素的静态烧杯试验，并对反硝化除磷微生物种群、新陈代 酣机理利污染物去除动，j 学模型盯展了相关研究， 要研究成果如下： ( 1 ) 反硝化除磷系统存在合理释磷和吸磷时间，与系统碳源浓度、缺氧段 硝酸盐浓度以及聚磷菌内p h b 、糖原质和聚磷含量有关，试验表明，本系统厌氧 时间维持在2 h ，缺氧时删维持在3 h 较合理，过k 的厌氧h 、jm x , t 有效释磷并无帮 助，反而会增加t t r t ，缺氧时间过长会导致内源释磷。 ( 2 ) 碳源浓度、缺氧段硝酸盐浓度及污泥停留时阳j ( s r t ) 对反硝化除磷 效果影响较大，试验表明，s m s b r 系统在进水c 0 1 ) 。2 5 0 m g l 、缺氰段n o ；。n 5 5 m g 1 、 s 盯维持在2 0 3 0 d 时去除效果较好。 ( 3 ) 系统在最佳运行t 况条什下能达到较稳定的去除率，c o d 、p 0 4 ：l p 和 n 0 3 - n 去除率都在9 5 以h ，l l i # 统生物脱氮除磷工艺要节省5 8 的碳源，但 同时应注意反应条件的控制，特别是p h 值要控制在碱性条件卜运行，当监洲到 污泥活性f 降列，可以通过短时曝气恢复污泥活性。 ( i ) 稳定运行情况f 的p h 值周期变化规律与磷变# c t l t l 线有很大的棚关性， 冈此利用p h 值实现在线自动控制反硝化除磷工艺将具有一定的日彳亍性。 ( j ) 试验表明，在厌氧一缺氧环境f 运行的反硝化除磷菌能以o z 、n 0 3 一一n 、 n o 2 - n 为电子受体进行吸磷，但好氧吸磷比缺氧吸磷速率要大，平均速率分别 为1 3 1 2m g p 0 4 3 p g s s h 。和1 1 7 2m gp 0 4 3 - _ p g s s h ，哑硝酸盐氮为电予受 体时存在抑制浓度f ：限，试验表明为2 5 m g l 。 ( 6 ) 微生物周期活性指标测试发现，厌氧段污泥浓度、挥发性成分和内源 s o u r 比缺氧段大，缺氧结束后污泥含磷量增加到1 0 3 5 ，表现为超过生理需 求的i 及磷能力。 关键词：反硝化除磷；膜生物反廊器；壤磷特性 a b s t r a c t a b s t r a c t d e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e mc a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ec a r b o n i nw a s t e w a t e rt ob ec o n d u c t e df o rd e n i t r i f i c a t i o n ，；n i t r a t ea tt h es a m et i m ec a l lb eu s e d a sae l e c t r o n i cr e c e p t o rf o ra c c u m u l a t i o no fp h o s p h o r u s ，w h i c hc a nb r i n gl o t so f a d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l i f v i n gt h ep r o c e s s ，s a v i n ga n dr e d u c i n gt h ep r o d u c to f s l u d g e ，a sw e l la st h er e d u c t i o no fg r e e n h o u s eg a sc 0 2e m i s s i o n s ，i ti sas u s t a i n a b l e c l e a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s t h i sp a p e r u t i l i z e da r t i f i c i a l s u b m e r g e d m e m b r a n es e q u e n c i n gb a t c hb i o r e a c t o r ( s m s b r ) ，a n da d o p t e dt w op h a s e so f t r a i n i n gd o m e s t i c a t e dm o d e ：a n a e r o b i c - a e r o b i ca n da n a e r o b i c - p r e c i p i t a t i o nw a t e r c h a n g e a n o x i c ，w h i c ha c h i e v eag o o de f f e c to fn 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 i m u l t a n e o u s l y b a s e d0 1 3 , t h es u c c e s s l h lc u l t i v a t i o no fd o m e s t i c a t e da c t i v a t e ds l u d g e s y s t e m ，w ed e v e l o p e dr e s e a r c ho nt h ee f f e c t so fd e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u ss y s t e m f a c t o r s ，d e n i t r i f i c a t i o np 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 sa n d i t sm e t a b o l i c n l e c h a n i s ma n dd y n a m i cm o d e l ，m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ca sf o l l o w s ： ( 1 ) d e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u s r e m o v a ls y s t e me x i s t sr e a s o n a b l et i m ef o r p h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k e ，w h i c hh a sr e l a t i o n s h i pw i t hc a r b o na n dn i t r a t e c o n c e n t r a t i o ni nt h es y s t e m ，t h eq u a n t i t yo fp i t b ，g l y c o g e na n dp o l yp h o s p h a t e ，t h e s t u d ys h o w e dt h a tt h es y s t e ma n a e r o b i ca n da n o x i ct i m em a i n t a i n e dr e a s o n a b l e l ya t2 a n d3h o u r sr e l a t i v e l y , l o n gt i m eo nt h ee f f e c t i v ea n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ed o e s n o th e l p ，b u tw i l li n c r e a s eh r t , l o n gt i m ew i l ll e a dt oa n o x i ce n d o g e n o u sp h o s p h o r u s r e l e a s e f 2 1t h es y s t e mc o u l db ec o n t r l e d b e s tr e m o v a ll e v e lu n d e rs u c hc o n d i t i o n ： c o d “2 5 0 m g i 。n ( ) 3 - n 5 5 m j l s r t 2 0 3 0d ( 3 ) u n d e rb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n st h ep o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yc a l la c h i e v e a b o v e9 5 ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l p r o c e s s ，i tc a l ls a v e5 8p e n c e n to ft h ec a r b o ns o u r c ea n d3 0p e n c e n to ft h ea e r a t i o n c a p a c i t y ，b u ts h o u l dp a y , a t t e n t i o nt ot i l ec o n t r o lo fr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，i np a r t i c u l a r t h ec o n t r o lo fp hi na l k a l i n ec o n d i t i o n st or u n ，w h e nt os l u d g em o n i t o r i n ga c t i v i t yt o d e c l i n e ，t h r o u g hs h o r t t e r ma e r a t i o ns l u d g er e s u m ea c t i v i t y i i a b s lr a c t ( 4 ) u n d e rs t a b l eo p e r a i o nt h ec h a n g e so fp ha n dp h o s p h o r u sc y c l ec u r v e sh a v e g r e a tr e l e v a n c e t h e r e f o r eu s i n go n l i n ep ht oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o ld e n i t r i f i c a t i o n p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sw i l lh a v eac e r t a i nf e a s i b i l i t y , ( 5 ) e x p e r i m e n ts h o w e dt h a td e n i t r i 母i n gb a c t e r i ap h o s p h o r u sr m m i n gi n a n a e r o b i c a n o x i ce n v i r o n m e n tc a l lu s e0 2 ，n 0 3 一- n ，n 0 2 - na se l e c t r o n i cr e c e p t o r f o rt h ec o n d u c to fa b s o r p t i o no fp h o s p h o r u s b u ta e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e ni sh i g e r t h a na n o x i cc o n d i t i o n s t h ev a l u ei sr e l a t i v e l y1 3 1 2a n di1 7 2m gp 0 4 3 - _ p g s s h w h e nc o n c e n l r a l i o no fn 0 2 - - ni sa b o v e2 5 m g l ，i tb e c o m eai n h i b i t i o nf o r p h o s p h o r u su p t a k e ， ( 6 ) m i c r o b i a lc y c l ea c t i v i t yi n d i c a t o r sr e s e a r c hf o u n dt h a ta n a e r o b i cs l u d g e c o n c e n t r a t i o n ，v o l a t i l ec o m p o n e n t sa n di n t e r i o rs p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ( s o u r ) i sh i g e rt h a na n o x i cp h a s e ，t h ec o n t e n to fp h o s p h o r u si nt h es l u g d ca tt h ee n do f m m x i ei n c r e a s e d1 ( ) ，3 5p e r c e n t ，s h o w i n gt h ec a p a c i t yf o rp h o s p h o r u su p t a k em o r e t h a np h y s i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa b s o r p t i o nc a p a c i t y k e yw o r d s ：d e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u sr e m o v a l ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ； e h m a c t e r i s t i co fp h o s p h o r u sr e m o v a l 1 1 1 学校论文独创性申明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特n d i ：l 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 为获得直昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：砂速永签字日期：婶l 胡甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌塞堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直旦! e t 堂i 可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授 学位论文作者签名：矽建南 签字日期：2 卢j 7 年j 胡巾 导师签名： 签字日期：印年，己月尸日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 水体中氮磷来源及其分类 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。有机氮有蛋白质、多肤、氨 基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸杆、牲畜粪便等) 和 某些工业废水( 如羊毛加工、制革、印染、食品加工等) 。水中的无机氮指氨氮、 亚硝态氮和硝态氮( 这三种无机氮统称为氮化合物) 。有机氮和氨氮是水体中氮 的主要存在形式，一般情况下硝态氮仅1 5 m g l 。 城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐( 简称磷或总 磷，用p 或t p 表示) ，根据物理特性，污水中的磷酸盐分成溶解性和颗粒性两 类。按化学特性则可分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称为正 磷、聚磷和有机磷。 含氮磷物质进入水环境的来源和途径分两类：自然过程和人类活动。虽然 自然过程，尤其是水体内部自身底泥等沉积物释放的氮磷对水体的二次污染作 用巨大，但真正引起水体中氮磷含量过多的原因是人类的活动，人类活动是水 体中氮磷的主要外部来源。外源氮磷主要通过面污染和点污染进入水体。大多 数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源进入水体。常见的面污 染源有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、水土流失、水 产养殖等。常见的点污染源：城市污水与工业废水的直接排放、污水处理厂的 尾水排放、生活垃圾场和工业废料场。 1 2 氮磷废水对水环境的危害 含氮磷的废水排放对水环境影响很大，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 环境危害 水体富营养化，是指由于大量的磷等植物性营养元素排入到流速缓慢，更 新周期长的地表水体，使藻类等水生生物大量地生长繁殖，使有机物产生的速 度远远超过消耗速度，水体中有机物积蓄，破坏水生生态平衡的过程。水体发 生富营养化，其后果是：促进细菌类微生物繁殖，使水体耗氧量大大增加； 生长在水层深处的藻类因呼吸作用大量耗氧，严重时使水生生物因缺氧而死 第1 章引言 亡；沉于水底的死亡藻类的厌氧分解的过程促使厌氧菌繁殖；由于藻类大 量生长产生一些毒素，危害人们的健康【l l 。 ( 2 ) 生物危害 对海洋的生物危害，表现在以下几方面：某些赤潮藻类分泌或产生黏液黏 附于鱼类等海洋生物的鳃上，妨碍其呼吸，导致窒息死亡；有些赤潮生物能分 泌有害物质( 如氨、硫化氢等) ，有些赤潮生物能渗透出高浓度的磷，诱发有毒 的微小原甲藻大量繁殖乃至发生赤潮；有毒赤潮生物能分泌毒素直接毒死其他 海洋生物并引起摄食者中毒乃至死亡；赤潮生物一般密集于表层几十厘米以内， 使阳光难于透过表层，水下其他生物因得不到充足的阳光而影响其生存和繁殖， 严重时可造成底层海洋生物死亡【2 】。 地表水：如湖泊。湖泊是人类重要的自然资源，广泛用于防洪、灌溉、航 运、给水和养殖，一旦湖泊富营养化，其主要危害有：导致水体质量下降， 功能减退，水生态系统失衡；影响水体景观，大量肉眼可见的蓝绿色絮状或 胶团状物漂浮水面，经风浪冲击而聚集水域沿岸，堆积腐烂，产生恶臭，并扩 散到大气中，使周围空气遭受污染；导致制水供水成本提高，净化系统堵塞， 出水中含有异味，人们的饮水质量下降；破坏天然水产资源，使鱼类资源小 型化( s i z em i n a t u r eo f f i s h e sr e s o u r c e s ) ，生物多样性下降，优质水产品的养殖受到 严重威胁，暴发性流行病害肆虐；影响水生植物的恢复，除遮光和营养竞争 外，附生藻类可在水生植被的表面形成一个高p h 值、高0 。和低c 0 2 的环境，使 水生植被对c 0 ：的可利用性降低、光合作用受阻，生长受到影响，其潜在危害不 容忽视1 3 。 ( 3 ) 饮用水安全 于饮用水原水的富营养化，多数水源水中发现了产毒素的藻类。在我国地 面水采集的4 8 0 个藻样本中，发现8 0 可以产生藻毒素。湖水中的微囊藻毒素最 高可达2 0 0 “g l ，经水厂处理后，出水中仍可达5 0 p , g i j 4 ) 。按照影响器官及部位 的不同，藻毒素分为：肝毒素( 引起肝损害，是一种促癌剂，如微囊藻毒素、节 球藻毒素) ；神经毒素( 神经损害，如鱼腥藻毒素a 、贝类毒素) ；皮肤毒素( 引起 皮炎，如海螺毒素) l s l 。微囊藻毒素具特异性，不可逆的抑制蛋白磷酸酶1 和2 a ， 且具有潜在的肝毒性。由于其生化活性，微囊藻毒素是一种肿瘤促发剂，亚急 性毒性水平接触可对人体健康产生有害影响。节球藻产生的节球藻毒素分子结 构与微囊藻毒素相似，虽然在氨基酸组成上有些差异，但已证明都是以肝毒性 2 第1 章引言 为主的多肤毒。经对神经毒素的毒性研究发现，鱼腥藻毒素c 【具有很强的烟碱 样神经肌肉去极化作用，动物中毒后表现出角弓反张、流涎；而用贝类毒素给 动物染毒后出现共济失调、呼吸困难、肌肉痉挛、颤动，最终因呼吸肌瘫痪而 死亡。许多研究，包括快速筛选试验、整体动物实验、慢性毒性实验以及流行 病学调查，己经阐明了藻毒素尤其是蓝绿藻产生的微囊藻毒素和节球藻毒素， 可导致肝细胞的癌变。流行病学资料显示 6 1 ，饮用藻毒素污染水的人群肝癌发病 率比对照组高出3 倍以上。饮水中的藻毒素严重威胁人类健康。所以，应采取 补救方法以减少饮水者的发病风险【7 1 。 1 3 传统生物脱氮除磷技术理论及工艺 污水生物除磷技术来源于微生物超量吸磷现象的发现。在厌氧区( 无分子氧 和硝态氮) ，兼性菌通过发酵作用将溶解性b o d 转化为乙酸盐等低分子挥发性有 机物( v f a s ) ，在厌氧压抑条件下，聚磷菌吸收了这些或来自原污水的v f a s ，将 其运送到细胞内， 同化成胞内碳能源储存物( p h b p h v ) ，所需能量来源于聚磷 的水解及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。进入好氧状态后，这些专性 好氧的聚磷菌( p a o ，p h o s p h r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 活力得到恢复，并以聚 磷的形式捕积超过生长需要的磷量，通过p h b p h v 的氧化分解产生能量，用于 磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式存储，磷酸盐从液相中去 除，产生的富磷污泥通过剩余污泥排放使磷从系统中去除。 1 3 1 单一除磷工艺 ( 1 ) a o 工艺 a o 工艺是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有机物及磷的处理系 统，其流程如图1 1 所示。 _ 三j i ；i 赢磊：。- 寨 一、 回流污泥( 含磷污泥)含磷污泥 用作肥料 图1 1a o 法除磷工艺流程图 第1 章引言 为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2 m g l 以上，p h 值 应控制在7 8 之间。磷的去除率还取决于进水中的b o d 5 与磷浓度之比。据报道， 如果这一比值大于1 0 ：1 ，出水磷的浓度可在1 m l 左右。由于微生物物吸收磷 是可逆的过程，过长曝气时间及污泥在沉淀池中停留时间过长都有可能造成磷 的释放，如果进水氨氮浓度太高，则回流至厌氧池的硝酸盐将会很大，反硝化 菌会优先利用碳源进行反硝化而影响磷的释放1 8 。 ( 2 ) p h o s l 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 法往往优先考虑脱氮的需要，导致除磷效果不佳。因此，实际工程中常将生物 法与物化法结合，以取得较好的除磷效果。p h o s t r i p 工艺( 见图1 2 ) 把生物法和 化学除磷法结合在一起，一部分回流污泥被分流到专设的池内进行磷的释放， 投加石灰生成沉淀。该工艺的优点是出水中总磷质量浓度常可低于1m g l ，且 较少受进水b o d 的影响，加之大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除，因此，污 泥处理不象高磷剩余污泥那样复杂。但是该工艺对操作人员的技术水平要求较 高，石灰贮存和预备系统的问题也较多。 图1 2p h o s t r i p 除磷工艺流程图 牛学义结合p h o s t r i p 工艺在德国达姆斯塔特的应用指出1 9 ：( 1 ) 该工艺和污 泥回流系统的恰当设计，可保证出水中的磷在1m g l 以下；( 2 ) 化学沉淀所需石 灰用量低，每立方米污水的c a ( o h ) 2 用量在2 1 3 1 8m g 之间；( 3 ) 最终排出污泥 中的磷可高达2 1 7 1 ，污泥肥效高。但是，该工艺由于无缺氧段，导致脱 氮效果不好，且由于回流污泥中含有从二沉池带入的大量硝酸盐而影响厌氧释 放池里聚磷菌的释磷性能。为此，韩国学者k s k i m 通过在常规的p h o s t r i p 工 艺曝气池前加设反硝化段( 7 - 艺流程图见1 3 1 ，强化了脱氮功能，由此也进一步 克服了同一体系脱氮除磷对工艺要求不同的矛盾，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【1 0 1 。 4 第1 章引言 迸水 内回溅一4 5 0 0 缺钱i 鲥钒 ；努20 咚彘， l ( 1 o 。y 三弋竿疙兰 i 敏潍凝( 淀 i 5 承入初沉池 图1 3 改良型的p h o s t r i p 工艺流程图 1 3 2 基于传统理论的同步生物脱氮除磷技术 上面综述的各种工艺都是单独对脱氮或者除磷为主要目的的技术，大部分 工艺对同时脱氮除磷的能力不具备，随着城市污水对氮磷的排放要求越来越严， 同时脱氮除技术显非常重要。研究者们根据传统脱氮除磷的理论和工艺，通过 在工艺上加入厌氧释磷这一过程，利用增加厌氧段、缺氧段、好氧段级数或者 改变混合液的回流方式和进水方式的途径来提高工艺的同时脱氮除磷效率。 ( 1 ) a 2 o 工艺 在原来a o 工艺除磷的基础上，嵌入一个缺氧池，并将好氧池中的混合液回 流到缺氧池中，达到反硝化脱氮的目的，这样厌氧一缺氧好氧相串联的系统能同 时除磷脱氮，简称a 2 o 工艺【8 】，流程图1 4 。 鼹台疆蚓流j 0 0 。j 0 u 4 l鲢漉污滗l o 5 0 ) 图1 4a 2 0 脱氮除磷工艺 该处理系统出水中磷的浓度基本可在l m g l 以下，氨氮也可在1 5 m g l 以下。 由于污泥交替进入厌氧池和好氧池，丝状菌较少，污泥的沉降性能很好，但对 回流液的操作要严格控制。改良a 2 ，o 工艺在厌氧池之前设置厌氧缺氧调节 池来避免a 2 o 法回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的影响【l “。 倒置a 2 o 工艺( 如图1 5 ) 是取消a 2 o 工艺的内循环，形成了缺氧厌氧 好氧工艺。该工艺把缺氧段前置，优先满足反硝化对碳源的需要，使系统脱氮 第1 章引言 功能得到加强。由于避免了回流污泥中硝酸盐和溶解氧的不利影响，全部回流 污泥都参与了释磷和摄磷过程，使其除磷功能优于传统的a 2 o 工艺。 图1 5 倒置a 2 o 脱氮除磷工艺工艺 ( 2 ) 五阶段b a r d e n p h o 工艺 s l 五阶段b a r d e n p h o 工艺在四阶段b a r d e n p h o 脱氮工艺基础上，为了提高除磷 的稳定性，在其流程之前增设一个厌氧池，以提高污泥的磷释放效率，只要脱 氮效果好，那么通过污泥进入厌氧池的硝酸盐是很少的，不会影响到污泥的放 磷效果，工艺的主要优点是各项反应都反复进行两次以上，各反应单元都有其 首要功能，并兼行其他功能，除磷效果良好，从而使整个系统达到较好的脱氮 除磷效果，工艺流程如图1 6 。但该工艺水力停留时间长，工艺复杂，反应器单 元多，运行繁琐，成本高。 龇渡期溅f 4 4 ；l |蟠藏污蹴f i )l 剩余钙犍 图1 6 五阶段b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺 1 3 3 一体式反应器同步脱氮除磷工艺 早期的脱氮除磷工艺都是将厌氧、缺氧和好氧区分隔开来。近年来，随着 研究的深入，在同一反应器中完成硝化、反硝化和除磷过程的工艺，越来越引 起人们的兴趣。 ( 1 ) s b r 工艺 序批式间歇活性污泥法( 3 l 称序批式反应器，s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ， 它的整个处理过程实际上是在一个反应器内进行的，该工艺通过程序化自动控 制充水、反应、沉淀、排泥和闲置五个阶段，实现对废水的生化处理。s b r 是 通过对进水、曝气时间、反应器内溶解氧浓度等运行参数的合理控制，在时间 6 第1 章引言 序列上实现厌氧缺氧好氧的组合，在控制良好的情况下，n 、p 的去除率可以 达到9 0 以上，与其他工艺相比，s b r 工艺的处理构筑物少，处理过程大为简 化，该工艺对水质、水量的变化具有一定的适应性，不宜产生污泥膨胀。 s b r 工艺的发展虽然只有2 0 年的时间，但由于运行控制方便，结构简单， 因而引起世人的兴趣，许多专利型s b r 工艺不断出现，c a s s 就是应用较广的 一种f 1 2 1 。c a s s 即循环式活性污泥法，它最显著的特点是在反应器的前端有一生 物选择器，生物选择器是一个容积较小的污水、污泥接触区，它的设计要严格 遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创造合适的微生物生长条件，以及 在高污泥絮体负荷条件下有利于磷释放的环境。设计合理的生物选择器可以有 效地抑制丝状性细菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。迸水与 2 0 由主反应区回流的活性污泥在生物选择器内混合接触，这样污泥循环经过 高有机负荷的选择器，低负荷的反应器，容易形成小颗粒絮凝性的污泥，这种 污泥由于表面积较大，所以可以吸附大量的有机质，同时也增大了絮体的密实 度；另一方面，反应区通过合适的供氧，在微生物絮体的表面到内部可以形成 由好氧到缺氧溶解氧呈梯度降低的环境，这样硝化、反硝化过程就可以籍助生 物絮体，在絮体的表面和内部同时发生。 ( 2 ) 五箱一体化活性污泥工艺 五箱一体化活性污泥工艺是东南大学研究开发的智能化中小型脱氮除磷新 工艺，其主体是一个被分隔成五个单元的矩形反应池。五池间水力连通，每池 都设有曝气和搅拌系统，两边池设有出水口和污泥排放口，交替作为曝气搅拌 和沉淀池。污水可进入中间一池以外的任一池，采用连续进水，周期性交替运 行。通过调整运行方式，创造良好的厌氧、好氧条件以达到脱氮除磷的目的。 该工艺的运行周期分前半周期和后半周期，共8 个阶段，以阶段一、五为主体 段，阶段二、六为过渡段l ，阶段三、七为过渡段2 ，阶段四、八为沉淀段。 它具有脱氮除磷效率高、占地面积小、自动化程度高、操作简便等优点【l 引。 ( 3 ) 螺旋升流式反应器 罗固源等利用螺旋升流式反应器( s p i r a lu pf l o wr e a c t o r s u f r ) 进行 了生物脱氮除磷研究。进水先后经厌氧、缺氧、好氧反应器，各反应器中混合 液在特定装置的推动下，螺旋上升。在好氧反应器中下部装有曝气头，以保持 中上部的完全好氧状态和下部的好氧一缺氧过渡状态。s u f r 能使反应器中水 流以螺旋升流的方式流经整个反应器，形成了较好的推流状态，提高了反应器 7 第1 章引言 活塞流态的容积利用率，而且具有明显的基质浓度梯度，因此显著提高反应器 的脱氮除磷效率，对t n 、t p 和c o d 的去除率分别达8 6 、9 6 和9 4 以上。 s u f r 系统的螺旋流动特征使该反应器接近于活塞流反应器，有利于在空间上 形成有机物的浓度梯度分布，表现出较好的有机底物和氧气的传质特性，系统 中微生物种群具有多样化，所形成的微生物生态系统更稳定【l4 1 。在本系统中也 发现了反硝化除磷现象。 1 4 反硝化除磷技术研究进展 1 4 1 反硝化除磷理论 在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝 酸盐作为电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷。1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学 的k u b a ”】和日本东京大学( u t ) 研究人员【1 6 1 观察到厌氧缺氧交替的运行条件 下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利 用0 2 或n 0 3 - n 作为电子受体，且其基于胞内p h b 和糖原质的生物代谢作用 与传统a o 法中的聚磷菌( p a o ) 相似。针对此现象研究者们提出了两种假说来 进行解释：两类菌属学说【i n ，即生物除磷系统中的p a o 可分为两类菌属，其 中一类p a o 只能以氧气作为电子受体，而另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作 为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进行反硝化；一类菌属学说【1 引，即在 生物除磷系统中只存在一类p a o ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，其能 否表现出来的关键在于厌氧缺氧这种交替环境是否得到了强化。如果交替环境 被强化的程度较深则系统中p a o 的反硝化能力较强，反之则系统中p a o 的反 硝化能力弱，即p a o 不能进行反硝化除磷。也就是说，只有给p a o 创造特定 的厌氧缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使其具有反硝 化能力。这两种假说都有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同前者。 在生物反硝化摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气，p h b ( c 2 1 4 4 0 2 ) 作为电子 供体进行反硝化吸磷，生化反应过程可以用下式表示【1 9 】，式中h p 0 3 表示聚磷： c 2h 4 0 2 + o 1 6 n h + 4 + 0 2 p o 4 + 0 9 6 n 0 3 。- o 1 6 c s h t n 0 2 + 1 2 c 0 2 + 0 2 h p 0 3 + 1 4 0 h + 0 4 8 n 2 + o 9 6 h 2 0 即：分解1m o lp h b ( c 2h 4 0 2 ) 可以吸收0 2m o lp 0 3 4 ， 并同时使0 9 6m o ln 0 3 - n 的发生脱氮转化。这使得摄磷和反硝化( 脱氮) 这两个 不同的生物过程借助同一个细菌在同一个环境中完成，反硝化除磷细菌能将反 第1 章引言 硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一，据有关资料介 绍，反硝化除磷能节省c o d 约5 0 ，节省氧约3 0 ，剩余污泥量减少5 0 左右【2 0 1 。 1 4 2 反硝化除磷工艺 目前，满足d p a o 所需环境和基质的工艺有单、双污泥工艺。在单级工艺 中，d p a o 细菌、硝化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮增长的混合液中，顺 序经历厌氧缺氧好氧三种环境。最具代表性的是b c f s 工艺。在双级工艺中， 硝化细菌独立于d p a o 而单独存在于某一反应器中。双级工艺主要有d e p h a n o x 和a 2 n s b r 等。另外生物膜反硝化工艺也有大量的研究出现。 ( 1 ) u c t 工艺 为了消除回流污泥中携带的硝酸盐对工艺的不利影响，人们开发了u c t 和 j h b 工艺【2 1 2 2 1 ( 如图1 7 ) ，这2 种工艺都是从避免回流污泥中携带大量硝酸盐对 厌氧段的冲击，从改善聚磷菌的释磷环境出发，或在缺氧段开辟出专为消耗回 流污泥中的硝酸盐的空间或附设一个缺氧段，使回流污泥中的硝酸盐在此利用 污泥的碳源得到去除，避免了硝酸盐对厌氧释磷的不利影响。为了避免缺氧池 和好氧池两股回流液由于短流造成的交叉干扰，n u c t ( 见1 8 ) 又将缺氧池一分 为二，提高除磷效果。 缺氧回流 n o o 2 0 0 ) 混合液回流( 1 0 0 , - - 3 0 0 ) l回流污泥( 5 0 1 0 0 ) 图1 7u c t 脱氮除磷工艺 缺氧混合渡回流硝化混合液回流 ( 1 0 0 - 2 0 0 ) ( 1 0 0 - - 2 0 0 ) 回流污泥( 5 0 1 0 0 )i 剩余污妲 图1 8 改进型u c t 脱氮除磷工艺 9 第1 章引言 ( 2 ) b c f s 工艺 b c f s 工艺( 工艺流程如图1 9 ) 是由荷兰d e l f t 科技大学在改进本国污水处 理厂脱氮除磷效果基础上发展起来的新工艺【2 3 】。b c f s 工艺通过不同的循环系 统来控制细菌的生长环境，使不同功能的细菌具有不同的生存空间，充分发挥 其相应功能，污水首先进入厌氧池，与从缺氧池回流的污泥充分混合，污水在 厌氧段水解产生的易降解有机物，被反硝化聚磷菌释磷并合成p h b 。回流的污 泥是经缺氧池反硝化，硝酸盐含量已经很少，不会干扰聚磷菌释磷；缺氧池的 作用主要有：通过反硝化降低回流至厌氧池的硝酸盐浓度；反硝化除磷。 经过上述工艺过程处理，进入好氧池的污水中的有机物含量很低，有利于好氧 池中自养硝化菌富集和硝化反应。好氧池主要为缺氧池提供足够的硝酸盐；并 通过好氧曝气、普通聚磷菌和反硝化聚磷菌进一步去除剩余磷盐。 循环a循环c 出 水 图1 9b c f s 工艺 b c f s 工艺氮、磷的去除率高，可使出水中总氮小于5m g l ，正磷酸盐含 量几乎为零。s v i 值低( 8 0 1 2 0 m l g ) 且稳定，可有效地减少曝气池及二沉池的 容积。该工艺通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定，污泥产量与 常规污水厂相比减少了1 0 。利用d p a o 实现生物除磷，使碳源( c o d ) 能被有 效地利用，从而使该工艺在c o d ( n + p ) 值相对低的情况下仍能保持良好的运行 状态，同时使除磷所需的化学药剂量大大减少。使用生物除磷器获得富含磷的 污泥，使磷的循环利用成为可能 2 0 1 。 在b c f s 工艺中，污泥经过了整个流程，这对在工艺中起不同作用的微生物 的生长不是十分有利，同时b c f s 工艺中回流数和回流量也较大，这在一定程度 上影响了b c f s 工艺的推广。 1 0 第1 章引言 ( 3 ) d e p h a n o x 工艺 d e p h a n o x 工艺是典型的反硝化除磷工艺【2 4 】( 如图1 1 0 所示) 。回流污泥 完成在厌氧池中的放磷和p h a 储备后在中间沉淀池中泥水分离；分离后的上清 液直接进入随后的好氧固定生物膜反应池进行硝化；沉淀的污泥则跨越固定膜 反应池进入缺氧反应池内同时完成反硝化和摄磷( 关键步骤) ；脱氮和摄磷后的 混合液再进入曝气池再生( 氧化细胞内残余的p h a ) ，使其在下一循环中发挥最大 释磷和p h a 储备能力。该工艺不仅可以达到稳定的磷和氮的去除，还可以减少 5 0 的c o d 需求量和减少3 0 的需氧量以及减少5 0 的产泥量，避免了反硝 化细菌和聚磷菌对有机物的竞争以及两种细菌泥龄的差异，可以抑制污泥膨胀 的发生【2 0 】。 进 图1 1 0d e p h a n o x 工艺 d e p h a n o x 工艺避免了b c f s 工艺中所有污泥都沿流程走一遍的缺点，通 过设置双污泥回流，创造了适合各菌种最佳的生长环境。通过设置超越管，避 免了反硝化聚磷菌经过好氧曝气而直接进入缺氧池，厌氧一缺氧的环境交替特 别适宜反硝化聚磷菌的生长富集。硝化池设置专门的沉淀池，可以保证硝化菌 生长和维持足够长污泥。出水有机物几乎完全去除，总磷去除率大于9 9 。 但该工艺也存在着一些问题，如果进水氨氮浓度偏高，则从二沉池回流的 硝酸盐升高，对厌氧释磷有干扰。进水c o d 偏高时，经厌氧池分解后浓度很高， 进入好氧池后会促进异养菌的繁殖，对硝化作用有干扰；处理设备多，污泥回 流数多，不便于管理。 为了提高释磷效率和创造更好的硝化环境，张洁在d e p h a n o x 工艺基础 上提出了改进型双泥反硝化除磷脱氮工艺【2 5 l ( 如图1 1 1 ) ： 第1 章引言 图1 1 1 改进型双污泥反硝化除磷工艺 与d e p h a n o x 工艺相比，改进型双泥工艺将吸附段从厌氧吸附段分离出来并 置于首端，这样设置主要是从解决脱氮和除磷碳源之争的角度考虑的，不仅有 利于创造低有机负荷的硝化环境，更有利于为聚磷和反硝化提供充足的碳源。 聚磷菌在厌氧条件下摄入易生物降解有机物，将它以p h b 的形式储存，为后续 缺氧区中超量吸收磷提供能量来源。可以推断，若为聚磷菌在厌氧区创造吸收 有机物的良好条件，使之在体内贮存更多的p h b ，将有利于缺氧区中的超量磷 的吸收。因此设置停留时间少于3 0m i n 的吸附分离区，在此将回流污泥与进水迅 速混合，混合液中基质的浓度很高，局部提高了朋值和基质的浓度梯度，使聚 磷菌在后续的厌氧段中强化了对有机物的摄取，为充分放磷提供了条件1 2 6 1 。另 一方面，独立硝化段要求较低的c n ，一般认为进水有机负荷较低水平下，能发 生良好的硝化作用。 ( 4 ) a 2 n s b r 工艺 a 2 n s b r 工艺是一种新型的双泥反硝化除磷工艺，由a 2 o s b r 反应器和 n s b r 反应器组成。a 2 o s b r 的主要功能是去除c o d 和反硝化除磷脱氮， n s b r 反应器主要起硝化作用，从n s b r 交换过来的硝酸盐进入a 2 o s b r 后， 已经释磷充分的微生物充分利用硝酸盐作为电子受体超过生理需求量进行吸 磷，同时合成p h b 。这两个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后 的上清液相互交换，因此可以使好氧硝化菌和兼性反硝化聚磷菌生长在最佳环 境下。整个工艺流程如图1 1 2 所示。 经化学计量表明，在n p 比最优的情况下( n p 值为7 ) ，它比传统的好氧脱 氮除磷工艺节省5 0 的c o d ，除磷效率接近1 0 0 ，脱氮效率约为9 0 。另 第1 章引言 外其耗氧量和污泥产量可分别减少约3 0 和5 0 ，还可节省能耗和污泥处理费 虾辍簖蹬躐琏j 辫鲐毓阶段 出 水 图1 1 2a 2 n s b r 工艺 用。污泥的sv 1 为8 0 9 0m l g ，沉降性能良好，不易发生污泥膨胀【2 “。另外， a 2 n s b r 工艺和d e p h a n o x