（环境工程专业论文）生活污水短程深度脱氮工艺研究.pdf

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：兰生丝 日期：力。他f 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：缢焦导师签名： 日期：洲o 摘要 生活污水短程深度脱氮工艺研究 东南大学能源与环境学院 硕十研究生：吴培培导师：李先! j 。教授 摘要 2 0 0 7 年太湖蓝藻事件引起政府和学者的高度重视，对江苏省太湖流域污水处理厂出水标准也由 一级b 提高到一级a 标准，现有1 ：艺虽然有很多改良出现，但仍不能从根本上满足要求，因此，开 展新技术研究，是目前水处理界的研究热点。 本试验以模拟c n ；，4 生活污水为处理对象，采用小试规模的a o 生物反应 器进行强化生物脱氮的研究，实现了短样深度脱氮及有机物的去除，旨在为污水处理厂应用短程深 度脱氮提供技术支撑。 本文以c n 一4 生活污水为研究对象。通过实验室试验研究，表明d o 是短 程深度脱氮的主要影响冈素，而且容易控制，其他影响冈索还有温度、p h 、s r t 等。试验通过控制 曝气区d o 浓度实现了弧硝酸盐的积累，并取得了较好的短程深度脱氮效果。 在h r t 为1 1 h 左右，p h 为7 6 左右，污泥浓度为4 3 9 l 左右，r 为1 0 0 左右，r 为2 0 0 左右， d o 浓度范围为o 5 m g l 左右试验条件下，试验结果表明，c n 4 生活污水处理效果如f ：平均出 水氨氮、t n 、c o d 和t p 去除率分别为9 2 8 、7 7 1 、8 7 2 和5 6 3 。c n 4 生活污水处理效果 如f ：平均出水氨氮、t n 、c o d 和t p 去除率分别为9 6 7 、7 4 3 、8 8 4 和6 0 o ，除t p 以外， 出水水质基本都能达到一级a 标的排放标准。 通过对同步硝化反硝化( s n d ) 率的计算，发现系统同样存在良好的s n d 效果，即实现了短程同 步脱氮，s n d 率达1 9 8 左右。 技术经济特性分析结果表明，低d o 浓度下短程深度脱氮t 艺在处理低c n 比的生活污水表现 出更人的优势。在达到同等的处理程度的前提f ，从弧硝态氮开始的反硝化比从硝态氮开始的反硝 化可节约部分碳源，而且短程深度脱氮可以节省3 7 左右的供氧量，因而还具有节能效果。 关键词：a o 生物反应器，短程深度脱氮，同步硝化反硝化，生活污水 a b s t r a c t a b s t r a c t l n2 0 0 7 t h eo u t b r e a ko fc y a n o b a c t e r i ai nt a i h ul a k eh a sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h eg o v e r n m e n t t h ew w t p sd i s c h a r g es t a n d a r dh a sb e e ne n h a n c e df r o mg b l 8 9 1 8 2 0 0 2l bt o1 a p r o b l e m sc a nn o tb e s o l v e dr a d i c a l l yt h o u g hm a n ym o d i f i e da n dt r a n s f o r m a t i v ep r o c e s s e sh a v eb e e ne x c o g i t a t e d b a s e do nt h e p r o c e s s e sa l r e a d yi ne x i s t e n c e m a n yr e s e a r c h e so nn e wt e c h n i q u e sh a v eb e c o m et ob eah o t s p o ta l lo v e r t h ew o r l d as m a l ls c a l ea om o d e lw a su s e di ns i m u l a t e ds e w a g et r e a t m e n ti nt h i sp a p e r e n h a n c e dn i t r o g e n r e m o v a la n ds i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o r a l w e r ei n v e s t i g a t e d s h o r t - c u ts i m u l t a n e o u s n i t r o g e nr e m o v a lw a sa c h i e v e da sw e l ia sb e t t e ro r g a n i cm a t t e ra n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h ee x p e r i m e n t w a sa i m e da tp r o v i d i n gc r e d i b l ef u n c t i o ng u i d a n c ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i nt h es t u d y , f a c t o r so fs h o r t - c u tn i t r i f c a t i o nw e r ed i s c u s s e df o rt h ef e a s i b i l i t yo fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n sa tl o wc nd o m e s t i ca n dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rd o m a i n s d ow a sf o u n dt ob et h ep r i m a r y f a c t o ro fs h o r t - c u ts i m u l t a n e o u sn i t r o g e nr e m o v a lw h i c hw a sa l s oc o n v e n i e n tf o rc o n t r o l l i n g o t h e rf a c t o r s s u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ，s r ta l s o 雄e c t s i nt h es t u d y , n i t r i t ea c c u m u l a t i o nw a sr e a l i z e db yc o n t r o l l i n gd o i nt h ea e r a t i o nz o n e g o o de f r e c to fs h o r t - c u tn 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 nw a sa c q u i r e d i nt h ep e r i o do fs t a b l en i t r o g e nr e m o v a l t h er e m o v a ir a t e so f l o wc nd o m e s t i cw a s t e w a t e rp o l l u t a n t s w e r ea sf o l l o w s ：t h ea v e r a g er e m o v a ir a t eo fn h 3 - n ，t n ，c o da n dt pw e r e9 2 8 ，7 7 1 ，8 7 2 a n d 5 6 3 t h er e m o r a lr a t e so fl o wc nd o m e s t i cw a s t e w a t e rp o l l u t a n t sw e r ea sf o l l o w s ：t h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo fn h 3 - n ，1 n ，c o da n dt pw e r e9 6 7 ，7 4 3 ，8 8 4 a n d6 0 o b yc a l c u l a t i n gt h er a t i oo fs 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 ) ，t h ee f f e c to fs n di n t h es y s t e mw a sa l s of o u n dt ob ev e r yw e l l ，a n dw a sa b o u tl9 8 i no t h e rw o r d s s h o r t - c u ts i m u l t a n e o u s n i t r o g e nr e m o v a lc a m eo u tt ob et r u e a c c o r d i n gt ot h ee c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s er e s u l t so ft h es y s t e m e x t r e m ea d v a n t a g e so ft h e l o wd os h o r t c u td e n e t r i f i c a t i o ns y s t e mw e r ed e m o n s t r a t e d t og a i nt h es a m et r e a t m e n td e g r e e t h en i t r i t e m o d ec o u l ds a v ep a r to f c a r b o ns u p p l y m e n ta n da l s oa b o u t3 7 o x y g e ns u p p l y m e n t k e yw o r d s ：a ob i o r e a c t o r , s h o r t c u tb i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n ，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 d d e n i t r i f i c a t i o n , m u n i c i p a lw a s t e w a t e r n 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 课题研究目的和意义2 第二章生物脱氮理论及工艺3 2 1 水体中氮的来源和危害3 2 1 1 水体中氮的来源3 2 1 2 水体中氮的危害3 2 2 污水中氮的左除方法4 2 2 1 废水生物脱氮原理4 2 2 2 废水生物脱氮f 艺简介6 2 3 生物脱氮新技术的研究现状1 1 2 3 1 短程硝化反硝化生物脱氮t 艺( s h o r t c u tn i t r i t a t i o n d e n i t r i t a t i o n ) l l 2 3 2 同步硝化反硝化生物脱氮f ：艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i t a t i o na n dd e n i t r i t a t i o n s n d ) 1 2 2 3 3 厌氧氨氧化生物脱氮j ：艺( 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 ) 13 2 3 4 短程硝化一厌氧氨氧化组合一l ：艺( s h a r o n - a n a m m o x ) 1 4 2 3 5 好氧反硝化j ：艺( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) - 1 4 2 4 短程硝化反硝化研究进展1 5 2 4 1 影响短程硝化的环境冈素1 5 2 4 2 实现短程硝化的途径18 第三章试验设计及研究内容1 9 3 1 试验设计1 9 3 1 1 试验。i ：艺流程19 3 1 2 试验装置设计及试验材料1 9 3 1 3 接种污泥2 0 3 1 4 试验用水2 0 3 1 5 分析项目与方法2 l 3 2 试验研究目标与内容2 l 3 2 1 研究目标2 l 3 2 2 试验研究内容2 l 第四章c n 氨氮消耗了水体中的溶解氧 氨氮随着污水进入水体，可在硝化菌的作用下被氧化为硝酸盐，氧化过程需要消耗水体中溶氧。 ( 2 ) 增加了处理费用 当含有较高氨氮的水作为水源，或对氨氮量较高的污水厂出流进行消毒时，增加水厂的氯的消 耗量。 ( 3 ) 氮化合物对人和生物的毒害作用 氨氮会影响鱼鳃的氧传递，对多数鱼类而言，水中游离氨的致死量为l m g l 。硝酸盐和弧硝酸盐 有可能转化为硝酸胺，弧硝酸胺是致癌、致畸和致变物质，对人体有潜在的危害。 ( 4 ) 加速水体的富营养化 湖泊学专家认为天然富营养氧化是水体衰老退化的一种表现，水体富营养化现象是水体中含有 丰富的营养型营养盐盐类( 主要是氮磷) 加速水体富营养化过程，在光照等适宜条件下是水体藻类等 3 水体中含有过鼙氮化合物危害性很人，冈此废水脱氮技术一直是研究人员研究的一个热点。废 水的脱氮技术主要可分为物理化学脱氮和生物脱氮两类。物化脱氮法主要包括氨吹脱法、吸附法、 折点氯化法、离子交换法、反渗透法和电渗析法。物化脱氮1 ：艺的特点是操作简便、除氨效率稳定， 适合于i ：矿企业排出的高含氮废水处理i s 。但它们一般只能去除污水中某种特定形态的氮，而且存 在处理成本高、对环境有二次污染和再生方法不完善等问题。而生物方法则合理地利川硝化菌和反 硝化菌的生理功能，可将污水中的各种形态的氮素最终转化为气态氮，产生的一二次污染的可能性较 小，处理成本也比较低。因而生物脱氮技术更具有实际使用价值。本节将对这一技术的原理及一l 艺 加以叙述。 城市污水及一般的工业废水都不含硝态氮，主要以有机氮或氨态氮的形式存在。在污水生物处 理中，有机氮先要在氨化菌的作用下转化为氨态氮。氨态氮中的一部分直接被微生物细胞所利用， 合成微生物细胞物质p j 。另一部分被氧化为硝态氮，然后通过硝化反硝化作用从污水中去除。生物 脱氮法可以去除污水中所有形态的氮，具有处理成本低、处理效果好、稳定和无二次污染等优点， 是目前应用最广的方法。生物脱氮t = 艺种类繁多，主要有活性污泥法和生物膜法，如a o ：艺、氧 化沟、s b r = 艺及其各种变形上艺等。除了上述主流j ：艺之外还有人上湿地、污水土地处理、电极 生物膜法等。 2 2 1 废水生物脱氮原理 关于脱氮原理的研究已有一百多年，w i n o g r a d s k y ( 1 8 9 0 ) 第一次发表了关于氨氮氧化的报道，1 8 9 2 年b r e a l 发表了亚硝酸盐氧化的原理的文章，直到二十世纪初才有硝化( 1 9 2 6 年k l u y v e ra n dd o n k e r ) 和 反硝化( 1 9 1 0 年b e u e f i n c ka n dm i n k m a n ) 的概念。废水生物脱氮即将废水中有机氮转化为氨氮，再通 过硝化作用将氨氮转化为硝氮，然后通过反硝化反应将硝氮还原成气态形式的氮从水中逸出，从而 一 达剑从废水中脱氮的目的。污水生物处理过程中氮的转化除氨化、硝化和反硝化作用外还包括生物 的同化作用，同化作用指在生物处理过程中，污水的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同化合成为微生物 细胞的组成部分。按细胞千重计算，微生物细胞的含量约为细胞干重的1 2 3 i 引。与硝化反硝化作用 相比，同化作用对氮的去除率很低。污水中的含氮化合物在微生物的作用下，相继产生下列各列反 应1 1 0 l ： ( i ) 有机氮氨化作用 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨摹酸的形式存在。氨基酸是羧酸分子中羟基分子上的氢原子 被氨基取代后的生成物，蛋向质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。蛋白质可以作为微生物的 基质，在蛋白质水解酶的催化作用下，水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶的作用下产生脱氨基作用， 脱氨基后的氨基酸进入三羧酸循环，参加各种合成和分解代谢。因此，污水中的蛋白质和氨基酸在 生物稳定化过程中通过氨化作用转化为氨氮。以氨基酸为例，反应式如下： r c h n h 2 c o o h h ) r r c o o h + c 0 2 + n h 3 ( 好氧生物过程)( 2 1 ) r c h n h 2 c o o h + h 广r c h 2 c o o h + n h 3 ( 厌氧生物过程) ( 2 2 ) 很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氮气的微 生物称为氨化微生物，种类繁多。 ( 2 ) 同化作用 4 第一二章生物脱氮理论及下艺 在生物处理过程中，污水中的一人部分氮被同化成细胞的组成部分。微生物的内源呼吸雨l 溶菌 作_ j 会使一部分细胞中的氮义以有机氮和氨氮的形式同剑污水中，另一部分仍存在丁：微生物细胞及 内源呼吸残留物中的氮在二沉池以剩余污泥的形式得以从污水中去除。由微生物同化作用去除的氮 鼍为活性生物嘲体产量的1 2 5 ，而异养菌产率系数通常不人ro 6 5 ，闪此，同化作心氮的去除与 b o d 去除的最人比值为0 0 8 1 ，但由丁泥龄的作用，同化作用玄除的氨氮与进水b o d 的比例仅2 5 ，绝人多数氨氮需要通过硝化、反硝化作川玄除i 。 ( 3 ) 硝化作用 通常认为硝化过程由两个过程构成：氨氮氧化成距硝酸态氮以及弧硝态氮继续氧化生成硝酸氮 以上两个过程是由两类性质截然不同的好氧臼养菌完成的，分别是硝化菌_ 手l l 硝化菌。弧硝酸菌( 代 表菌属有弧稍酸单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 、弧硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 、哑硝酸螺卤属f n i t r o s o s p i r a ) 等) 和硝酸菌( 代表菌属有硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) ) 合称硝化菌，他们都是 专性好氧、化能性自养菌，能够利用氧化过程中释放的能量，以无机物c 0 3 斗、h c 0 3 和c 0 2 为碳源， 以n h 4 + 和n 0 2 为电子供体，0 2 为电子受体，使氨氮氧化并合成细胞物质1 1 2 1 ，不同的是弧硝酸菌通 过氧化氨氮获得能量，而硝酸菌只能通过氧化可t 硝酸盐获得能量。同时考虑氮氧化和新细胞合成的 反应式为： 第一步是弧硝化反应，由亚硝酸菌将氨氮转化为旺硝酸盐，如下： 5 5 n ；+ 7 6 d 2 + l0 9 h c o ；- 9 c ，h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 ；+ 5 7 h 2 0 + l0 4 上l c 0 3 ( 2 3 ) 第二步是硝化反应，由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐，如f ： 4 0 0 n o f + m 对+ 1 9 5 d 2 + 4 日2 c d 3 + h c o ；一c 5 h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o f + 3 h 2 0 ( 2 4 ) 硝化反应的总反应式为： n h ；+ 2 0 2 手n o ；+ 2 h + + h ，d + 能量 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知：氧化i g n h 4 + - n ) t j n 0 3 - n 时，需要4 2 5 9 氧和7 1 4 9 的碱度( 以c a c 0 3 计) ；硝化细 菌的产率为( 0 0 1 8 1 + 0 0 0 2 4 ) 1 1 3 1 1 4 = 0 6 6 9 g n h 4 + - n ，其中亚硝酸菌、硝酸菌的产率分别为 o 1 4 6 9 g n h 4 + n 和0 0 1 9 4 9 g n h 4 + - n 。但是试验观测的产率系数一般低于理论值，因为硝化菌只能利 用亚硝化和硝化反应能量的一部分来进行合成。 在硝化系统设计过程中，p h 、温度、溶解氧、碳氮比、泥龄以及可能存在的有毒物质等都是需 要考虑的主要内容。大量研究表明，硝酸菌和硝酸菌的适宜p h 值分别为7 0 - 8 5 和6 护7 j ，当 p h 值低于6 0 或者高于9 6 时 肖化反应停l ：，硝化过程会消耗废水中的碱度从而使得水中p h 值下 降，相反反硝化过程会产生一定量的碱度，可补充部分因硝化作用消耗的碱度。因此，为保证脱氮 系统处于最佳状态，运行中应随时调节p h 。 硝化反应适宜温度范围为3 0 3 5 ，在5 3 5 范围内，反应速度随温度升高而加快。当 温度小- f 5 c 时。硝化菌完全停i ：活动；在同时去除c o d 和硝化反应的体系中，温度小于1 5 时， 硝化反应速度会迅速降低。 硝化反应需要在严格好氧的条件卜进行，d o 浓度不仅影响硝化反应速率，而且影响其代谢产 物。为满足正常的硝化反应，在活性污泥法中，d o 的浓度至少要有2 m g l ，一般在2 m g l 3 m g l ， 当d o 浓度低t - 0 5 m g l 0 7 m g l 时，硝化反应过程将受到限制。 为了使硝化菌能在连续流的系统中生存下来，系统的s r t 必须大于白养型硝化菌的比生长速率， 一股泥龄控制在3 5 d 以上，最高可达l o d 1 5 d ，较长的泥龄可增加微生物的硝化能力，减轻有毒 物质的抑制作用，但也会降低污泥的活性。某些有机物和一些重金属、氰化物、硫及衍生物、游离 氨等有毒有害物质在达到一定浓度时会抑制硝化反应得正常进行，而反硝化过程与硝化过程相比， 抑制物质对反硝化的影响较小i l 埘。 ( 4 ) 反硝化作用 5 东南人学硕i ：学位论文 反硝化作用实质上是一个硝酸盐的生物还原过程，硝酸盐还原分为同化性硝酸盐还原币异化性 硝酸盐还原。在同化性硝酸盐还原中，产物( 氨) 被用丁合成细胞物质，而在异化性硝酸盐还原中， 硝酸盐被还原成气态氮化物( 主要是氮气) 。反硝化细菌在分类学上没有专fj 的分类，它们分散丁原 核生物的众多属中，许多自养或者异养的细菌都能进行生物反硝化过程。人多数反硝化细菌是兼性 厌氧细菌，通常在有氧时进行好氧呼吸，即以氧分子作为末端电子受体；无氧时进行硝酸盐呼吸， 以及硝酸盐作为末端电子受体。 其反硝化反应过程可以表达为： n 0 3 + + 4 h ( 电子供体) 一1 2 n 2 + h 2 0 + 2 0 h n 0 2 + 3 h ( 电子供体) 一1 2 n 2 + h 2 0 + o h 。 同化和异化的反应途径如f ： ( 2 6 ) ( 2 7 ) n 0 2 n h 2 0 h 有机体( 同化反硝化)( 2 8 ) n 0 2 。_ n o n 2 0 n 2 ( 异化反硝化)( 2 9 ) 反硝化过程的产物囡参与反席的微生物种类和环境冈素等而有所不同，如当p h 值超过7 3 时终 产物为氮气，低于7 3 时n 2 0 的产量增加。反硝化菌最适宜的p h 值是7 0 8 5 ，此时反硝化速率最 高，当p h 值低于6 0 或者高丁8 5 时，反硝化速率将明显降低l l 3 1 。 在反硝化脱氮过程中，电子供体通常来自以下三种途径：原污水中的可以生化降解的有机物； 内源分解产生的易于生物降解的有机物，用予内源反硝化；外投加有机碳源。有研究认为，当c n ( c o d 与n 0 2 n 的浓度比) 大于1 9 4 ，砸硝氮比基质降解速率随c n 的增加而增加，可实现连续稳定 的脱氮效果，当c n 人于4 11 时，可以认为碳源充足，反应速率几乎不再随c n 的增加而增加1 1 4 1 。 在活性污泥系统中，反硝化能够在很低的溶解氧浓度条件下进行，通常认为，当溶解氧达到或 者超过0 s m g l 后，溶解氧浓度通过抑制硝酸盐还原酶的活性抑制硝酸盐还原，反硝化过程就会受 到很大的限制，但是受到污泥絮体大小，污水性质和曝气方式、反应器搅拌不均匀等因素的影响， 反硝化反应有可能在液相溶解氧浓度较高的情况f 发生1 引。 反硝化反应的适宜温度是1 5 - - 3 0 ，当温度低于1 0 时，反硝化作用停止，当温度高于3 0 时，反硝化速率也开始下降。有研究表明，温度对反硝化速度的影响人小，还与反应设备的类毯、 负荷率的高低等有直接关系1 ”】。 。 2 2 2 废水生物脱氮工艺简介 2 2 2 1a 2 o 工艺 a 2 o 工艺在a j o 工 艺的基础上增设了一个厌 氧池，t 艺流程见图2 i ， 废水首先进入厌氧反应 器，使高c o d 物质在该段 得剑部分降解，然后进入 缺氧池反硝化，最后进入好 图2 1m o 工艺流程图 氧段降解有机物和进行硝化作用，好氧段出水部分回流入厌氧段利用厌氧出水中的碳源进行反硝化。 a 2 o ：艺厌氧段既可降解部分难降解有机物，还可改进废水可生化性，冈此不仅适合于处理高浓度 c o d 和氨氮废水，脱氮效果也优于a o 工艺。苏州某旅游度假区污水处理厂采用了a 2 o 处理工艺， 处理水量4 0 0 0 0 m 3 d ，出水水质按污水综合排放标准( g b 8 9 7 9 1 9 9 6 ) 一级水质标准考虑。该污 水处理厂污水全部来源于度假区内的生活污水，进水c o d 、b o d 5 、s s 、氨氮、t p 浓度分别为4 4 0 m g c l 、 2 2 0 m g c l 、3 0 0 m g ，l 、3 2 m g l 、2 m g r l ，为保护太湖流域水体水质，本工程要求具备脱氮除磷功能， 6 第二章生物脱氮理论及1 。艺 根据运行结果，该l ：艺处理效果稳定，出水水质好；运行管理简便；泥龄较长，产泥萤小，浓缩后 含水率低，投加絮凝剂后可直接进行脱水；抗水量水质冲击负荷能力强| 1 6 j 。 2 2 2 2 倒置a 2 o i ：艺 倒置a 2 or ：艺是根据a 2 ol ：艺改进而来的，同济人学高廷耀课题组进行了系统的试验和理论 研究，由张波f 1 7j 首先提 出缺氧区厌氧区好氧 区形式布置倒置a 2 o 工艺。其j ：艺流程如图 2 2 所示。经过多人多 年系统的试验研究和生产 规模的运行结果表明，倒 图2 - 2 倒置a 2 o 上艺流程图 置a 2 o + f 艺不仅脱氮除磷效果优丁常规a 2 o 上艺，且其流程更为简洁；运行的动力消耗也有很人 降低，管理难度降低；优先满足反硝化碳源需求，强化了系统的脱氮功能：所有的同流污泥全部经 历了完整的厌氧释磷和好氧吸磷过程。同时，聚磷菌经过厌氧释磷后直接进入生化效率高的好氧环 境，其在厌氧环境f 形成的释磷能力得到充分利用，提高了处理系统的除磷能力：将常规a 2 o 工艺 的污泥同流系统与混合液同流系统合成了唯一的污泥同流系统，工艺流稗简捷，运行管理方便。 但倒置a 2 ，o 工艺存在以下不足：首先存在活性污泥法的一些通病，如低温条件下系统硝化功能 将火幅度降低、c n 与c p 值过低时除磷脱氮效果将受到影响、有毒废水会大大影响 ：艺的处理效 果等；其次，有关脱氮除磷泥龄矛盾、好氧段同步硝化反硝化作用及其对系统除磷脱氮的影响l 婚】、 污泥同流比的选择对实际污水厂改造的影响以及改造前后系统能耗变化等方而的研究都还有待深入 1 2 1 。目前倒置a 2 o 工艺已在实际上程中应用，例如常州市城北、青谭、丽华三庠污水厂，青岛李 村河和团岛污水厂，北京清河污水处理厂等都先后采用倒置a 2 o 处理工艺，均取得较好的处理效果。 2 2 2 3 分段进水a o 脱氮工艺 分段进水生物脱氮工艺是基于传 统a o i ：艺而发展起来的一种新i ：艺 它具有脱氮效率高，无需内循环，污泥 浓度高，污泥龄较长，所需池容较小， 运行管理简便等优点。各段的缺氧池与 好氧池连接成为一个单元( 段) ，通常每 。+ 个系列分为2 4 个单元( 见图2 3 ) ，各 池均采用完全混合式。由于进 图2 3 分段进水a o 脱氮f t 艺流程图 水沿池分段投配而同流污泥在第一段的首端进入，系统的s r t 比相同池容的推流系统琵，可见分段 进水系统在不增加反应池出流m l s s 浓度的情况f 使污泥龄得以增加，而终沉池的水力负荷与同体 负荷均没有变化，冈此这一工艺不论对污水处理厂的扩建改造和新建都甚为适用。 2 2 2 4u c t 工艺 敦大罢嚣翥掌嗍咽敦大学开发的一种类似于一、 a 2 o 工艺的脱氮除磷工 艺，工艺流程见图2 4 。 u c t 工艺沉淀池污泥同流 到缺氧池，增加了从缺氧池到厌氧池的混合液同流， 7 图2 - 4u c t ：i ：艺流程图 该混合液中溶解性c o d 较多，而硝酸盐较少， 东南人学硕 j 学位论文 为厌氧段内进行的发酵提供了最优的条件，同时亦有效地阻l ：了处理系统中硝态氮进入厌氧池而影 响除磷效果。在改良型u c t i ：艺中，缺氧反应池被分为两部分，第一缺氧反应池接纳州流污泥并将 污泥问流至厌氧反应池，硝化液m 流至第二缺氧反应池，人部分的反硝化反应在此区进行。改良型 u c t 最人限度地消除，向厌氧段同流液中的硝酸盐对摄磷产生的f i 利影响，优化了除磷效果，但是 该i ：艺由丁艮i 流餐人，运行费j j 较副怕j 。 2 2 2 5c a s s l 艺 c a s s1 ：艺为循环式活性污泥法，此j i ：艺有一容积较小的生物选择器，并将主反应区的部分剩 余污泥网流至选择器沉 淀阶段。 c a s s 整个1 ：艺为一间歇反应 器，由生物选择区、缺 氧区和主反应区组成 ( 见图2 5 ) ，在此反应 器中不断重复交替进行 曝气不曝气过程，将生 物反应过程及泥水分离 过程结合在一个池子中 完成，反应池中的d o 呈 水 缺氧区同流污泥o 2 0 r 选择区 主反觚 乩 l 选择区 可 缺氧区主反应区 图2 5c a s s 平面布置示意图 周期性变化1 1 7 , 1 9 。目前全世界已有3 0 0 多家各种规模的污水处理厂在采用c a s s r 艺。澳大利的 q u a k e r sh i l l 污水处理厂共有5 组c a s s 池子，每组的处理能力为1 0 万人口当量。该厂运行结果表 明出水中b o d 5 1 0 m g l ，s s 一 5 m g l ，氨氮0 5 m g l ，t n 1 0 m g l ，t p 一 0 8 m g l ，运行过程中 污泥的s v i 值一直保持在5 3 m l 9 1 7 2 0 1 。 2 2 2 6u n i t a n k - t 艺 比利时s e g h e r s 公司提出的u n i t a n k 工艺是s b r 下艺的又一变犁和发展，该i ：艺 结合了s b r 法和三沟式氧化沟的优点，能连 续进水和出水。目前全世界有1 6 0 多个污水处 理： 程采用此上艺。u n i t a n k 下艺的外形是 一矩形体，里面被分割成三个相等的矩形单元 池，相邻的单元池之间已开孔的公共墙相隔， 以使彼此水力贯通( 如图2 - 6 ) 。3 个单元池内 全部配有曝气扩散装置，其中外侧的两池既作 曝气池，也作沉淀池，中间池始终作曝气池。 进入系统的污水通过水闸控制可分时序分别图2 - 6u n i t a n k 。1 艺示意图 进入三只矩形池中任意一池1 2 。u n i t a n k 体系有单级和多级之分，单级运行方式如图2 7 所示， 但是u n i t a n k 系统的除磷能力差，当废水有除磷要求时虑慎重考虑是否选用该l ：艺。澳门凼仔污 水处理厂采用此工艺，其服务人口为3 2 万人当量，日处理量为1 4 万吨d 。u n i t a n k 矩形的池体结 构十分紧凑，占地少，由于系统采用交替运行，不需要另建沉淀池，也省却了刮泥机和污泥同流系 统，从而降低了能耗和运行管理费用。该厂出水c o d 6 0 m g l ，a o d 5 1 5 m g l ，s s 1 5 m g l l n 。 8 第一：章生物脱氮理论及丁艺 l l 皇左至宥 图2 - 7u n i t a n k l ：艺运行过程 2 2 2 7m s b rj 二艺 m s b r ( m o d i f i e ds b r ) i t 艺是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的改良型s b r1 ：艺，目前其专利技 术归美国芝加哥附近的a q u aa e r o b i cs y s t e m ，l n c 所有。m s b r 是一种连续进水、连续出水的生物反 应器，实质上是a a o 系统与s b r 系统串联而成，因此具有a 2 o 的生物除磷脱氮功能和s b r 的一 体化、流程简洁、控制灵活等优点。m s b r - 艺具体的1 ：作原理为( 如图2 _ 8 所示) ：污水首先进入 厌氧池与经过浓缩及缺氧后进一步去除硝酸盐的同流污泥混合，以保证厌氧条件，回流污泥在厌氧 一p 睁 气l - 至 0 - 一；囊 序批浊i l 出瘴漉合囊 嘏合浚回液囝一 上涛菠 i 丫 i ： fl 一掘合藏圄蠢 。 _ i 。 一厌瓴池l 职飘耀 一 固主曩气抱 0 避永 污覆5 缺氧浩i 泥床分禽池 啪3 t 2 妒oo5 一 酽。 r 霹定一气覃 由 序裁绝曩7 ，内循环羁戎 0蕞 一防牟 一；f 一9 图猫m s b r 平面布置图 池进行充分放磷，然后与污水一起进入缺氧池，与好氧池的内同流污泥混合进行反硝化，反硝化后 的污水进入好氧池，有机物在好氧池被降解，活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的s b r 池，澄 清后的污水被排放。此时另一边s b r 一方面接不同的时段进行处于缺、好氧情况下，进行反硝化和 硝化作用，或起静置沉淀的作用，另外有1 o q 1 5 q 的【亓1 流至浓缩区进行浓缩，上清液直接进入好 氧池，浓缩污泥则进入缺氧池，方面可以再进行反硝化，另一方面保证网流污泥总的溶解氧最小。 为后继厌氧池的放磷提供更加有利的条件1 2 2 1 。 从图2 - 8 的平面布置图上可看出，m s b r 工艺省却了传统活性污泥法所必须的初沉池和二沉池， 同时又能保证连续进出水及保持同定水位。系统综合了以往其它脱氮除磷： 艺的优点，保证了各污 染物质降解的最大速率环境，去除有机物效率更高，脱氮除磷效果更好，运行更加稳定。 2 2 2 8c a r r o u s e l 氧化沟工艺 c a r r o u s e l 氧化沟是1 9 6 7 年由荷兰的d h v 公司开发研制，此j j ：艺既适用丁小规模的污水处理厂， 也适用于人规模的污水处理厂。最初的普通c a r r o u s e l 氧化沟的r ：艺中污水直接与【亓1 流污泥一起进入 氧化沟系统。进水点处d o 的浓度大约2 m g l - - 3 m g l ，主要完成b o d 去除和氨氧化作用。在曝气 机f 游，水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，此过程中，微生物的氧化消耗了水中溶解 9 东南大学硕i ：学位论文 氧，直剑d o 值降为零，混合液廿缺氧状态。经 过缺氧的反硝化作刖，混合液再次进入有氧 区，完成一次循环。该系统中，b o d 降解是一 个连续过程，硝化作用和反硝化作用发生在同一 池中1 2 3 i 。由于结构的限制，这种氧化沟虽然可 以有效的之处b o d ，但除磷脱氦的能力有限。 为了取得更好的除磷脱氮的效果，在原c a r r o u s e l 系统的基础上，d h v 公司和其在美国的专利特 许公司e i m c o 义发明了第二代c a 玎o u s e l 氧化 沟c a l o m e l2 0 0 0 系统( 见图2 9 ) ，该一i ：艺在普图2 - 9c a r r o u s e l2 0 0 0 系统平面结构 通c a r r o u s e l 氧化沟前增加了一个厌氧区和缺氧区，义称前置反硝化区，实现了更高要求的生物脱氮 和除磷功能。文登市污水处理厂改扩建一l ：程选定的处理。r 艺即为前置反硝化的c a l o m e l 氧化沟。l 二 艺，该工程于2 0 0 4 年1 2 月开始十建施r ，总处理规模8 0 0 0 0 m 3 d ，设计污水处理出水水质标准为 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 ) 二级排放标准l l6 。 2 2 2 9o r b a l 氧化沟工艺 o r b a l 氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，此法起初是由南非的休斯曼构想，南1 卜国家水研究所 研究和发展的，该技术转让给美国的e n v i e r x 公司后得剑不断改进及推j “应用【2 4 j 。o r b 越氧化沟义称 同心沟型氧化沟，池型为圆形或椭圆形三渠道氧化沟系统。在该系统中有若干个多孔曝气圆盘的水 平旋转装置，用以进行传氧和混合。常用的o r b a l 氧化沟分为3 条沟道，从外向内依次称为外沟、 中沟、内沟，3 条沟体积的分配比一般为：v 蚪_ ( 6 0 一7 0 ) v ，v 中= ( 2 0 一3 0 ) v ，v 内= i 们a v ， 充氧颦的分配依次为6 5 ：2 5 ：1 0 ，使各氧化沟溶解氧的浓度梯度控制在o m g l l m g c l 2 m g l 。污水从 外沟流入，内沟流出，形成3 个完全混合反应器的串连形式。从局部看水流是处丁完全混合式，但 从o r b a i 氧化沟整个系统看水流义是推流式，这样的水流方式与j i ：艺特点使o r b a l 氧化沟不仅能在微 生物良好的生长繁殖条件下去除有机污染物，而且具有脱氮除磷的效果。 o r b a l 氧化沟外沟道的功能主要是高效完成碳源氧化、反硝化及大部分硝化，可去除8 0 左右 的有机物，沟道内交替形成的好氧缺氧坏境，可较高程度地同时进行硝化和反硝化，脱氮效果明显。 同时，由于沟道中大部分区域溶解氧浓度较低，氧传递作硝是在氧亏条件f 进行的，氧的转移速率 有所提高，节能效果明显。中沟道是联系外沟与内沟的过渡段，可以进行互补调节，进一步去除剩 余的有机物及继续完成氨氮硝化，有利于保证系统运行的可靠性。内沟道主要是为了确保氧化沟出 水水质，溶解氧浓度在2 m g l 左右，以保证有机物和氨氮较高的去除率，同时保证出水带有足够的 溶解氧进入二沉池，抑制磷的释放等删。 o r b a l 氧化沟的曝气设备均采用曝气转盘，增加了水流推进混合与充氧效率，而且可通过控制各 沟道曝气盘数目和转速的变化来调节每沟的供氧量，同时满足沟底混合液在推力作用下处于悬浮流 动状态。o r b a l 氧化沟圆形或椭圆形平面形状比长直形的氧化沟更能利用水流惯性，节省推动水流的 能耗，其多渠串连形式可减弱水流短流现象。在水质、水量发生变化时，该工艺