（环境工程专业论文）膜生物反应器的脱氮除磷工艺研究.pdf

中文摘要 摘要：随着水体。富营养化”问题的日渐突出，以控制富营养化为目的的脱 氮除磷己成为当今污水处理领域的研究热点之一。近年随着膜一生物反应器( m b r ) 技术的不断成熟，m b r 在城市污水再生利用中的应用得到迅速关注。将传统的生 物脱氮除磷工艺( a o ) 与膜分离技术结合，形成能同时脱氮除磷的膜生物反应 器工艺( a a m b r ) 可以满足城市污水再生利用对脱氮除磷的要求。但由于a a m b r 工艺涉及的过程复杂，脱氮除磷的影响因素较多，如何合理地选择工艺参数使 a a m b r 工艺的脱氮除磷效果达到最佳，是应用中面临的难点。为拓展m b r 的应 用范围，使m b r 在城市污水再生利用中得到广泛应用，对m b r 脱氮除磷工艺及 其影响因素的研究具有十分重要的意义。 本文内容以处理城市污水的a a m b r 脱氮除磷工艺的运行参数优化为目标， 主要通过长时间运行，考察a a m b r 工艺在不同的设置下对污水各个指标的处理 效果，由此对控制运行参数进行综合与合理的优化具体考察进水情况物质配比 情况，s r t ，回流比等设定的变化对处理效果的影响，以便确定这些参数的合适范 围。进行沿程分析，深入了解各个反应池之间的作用与关系，从理论的角度讨论 a a m b r 反应器的脱氮除磷的能力。 研究结果表明在脱氮除磷过程中，进水水质对整个去除效果是有很大影响。 当c n 比为3 6 时，可以得到最佳的处理效果a a m b r 反应器完全适合低c n 的 城市污水，达到降低能耗的作用。进水磷含量、温度，设备正常运行等条件对系 统处理效果有重要的影响。考察s r t 的改变对脱氮除磷去除效果的影响，以便得 到合适的设置参数a a m b r 反应器将膜技术整合到传统脱氮除磷工艺中，可以很 大程度上缓解脱氮与除磷在污泥龄上的矛盾，能够同时达到较高的氮与磷的去除。 同时分析了回流比对系统的作用影响，得到反应器的优化控制参数，通过实验得 到，s r t 设定为4 0 d ，回流比设定为1 ：4 ，应为最佳设定方式，可以得到最佳的 处理效果。 通过沿程的实验实数的物料平衡计算，明确各个反应区对各种物质的去除的 贡献。分析得出，在现有的设置条件下，缺氧：二区没有得到充分的利用，所以反 应器还有可以达到更好处理效果的空间，通过改变设置，可能达到更好的效果。 关键词：m b r ：脱氮除磷；反硝化聚磷；固体停留时间；c n 比； 分类号：x 5 0 5 ； j e 哀窑煎厶堂硒堂僮论塞旦s ! b ! a b s t r a c t ：w i t hw a t e rp o l l u t i o ni s s u e sb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lo fs e w a g et r e a t m e n tb e c o m e st h eh o tr e s e a r c hi nt h i sf i e l d i n r e c e n ty e a r s ，a st h em b r t e c h n o l o g yc o n t i n u e st om a t u r e ，u r b a ns e w a g er e c y c l i n gh a v e b e e nc o n c e r n e d t h i ss t u d yi n t e g r a t st h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y ( a 。，0 ) a n dm e m b r a n e t e c h n o l o g yw h i c h 锄r e m o v et h en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s s t i m u l a t e l y b e c a n s e a a m b r p r o c e s si n v o l v e sc o m p l e xp r o c e s s ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c he f f e c t st h e 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 i ti sd i f f i c u l t t oc h o o s et h er e s e a o n a b l ep r o c e s s p a r a m e t e r st oa a m b rt oa c h i e v et h eb e s te f f e c t s oi t i ss i g n i f i c a n c et os t u d ym b r n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g ya n di t si m p a c tf a c t o r s t h eg o a lo ft h es t u d yi st oi m p r o v e a a l v l b rp r o c e s sp a r a m e t e r sm a i n l yt h r o u g h l o n go p e r a t i o n i n s p e c t i o na a m b rp r o c e s so n t h ev a r i o u si n d i c a t o r so fs e w a g e t r e a t m e n te f f e c t sa n do p t i m i z a st h eo p e r a t i n gp a r a m e t e x s t h ei n s p e c t i o ni n f l u e n l , t h e s i l t , r e f l u xr a t i o ，a n do t h e rs e t t i n g so nt h ei m p a c to ft r e a t m e n te f f e c tw i l lb es t u d i e d l a t e r a n a l y s i st h er e a c t o r sc h a n g i n ga l o n gt h ew a y ，d e e p su n d e r s t a n d i n go fe a c h r e a c t o rr o l ea n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n g f r o mat h e o r e t i c a lp o i n tt od i s c u s sa a m b r r e a c t o r sc a p a c i t y t h er e s u l t ss h o v et h a ti nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s ，t h ei n f l u e n t w a t e ra f f e c t st h er e m o v a le f f e c to nt h ew h o l e t h ec nr a t i oi s3 6 , w h i c h 啪g e tt h e b e s te f f e c t a a m b rr e a c t o re n t i r e l ys u i t a b l ef o rl o wc no fu r b a ns e w a g e a n dc a n r e d u c et h eu s eo fe n e r g yo 如l s u m p t i o n t h et e m p e r a t u r ea n dc o n t r o lp a r a m e t e r si s r e s e a r c h e dt o o i n s p e c t i o ns r tc h a n g i n g si m p a c to i lt h es y s t e m ，a n dg e to p t i m a lc o n t r o l p a r a m e t e r st h r o u i g ht h er e s e a r c h 1 n h es r ts e t t i n gs h o u l db e4 0d a y s r e f l u xr a t i oi ss e t t o1 ：4 , w h i c hs h o u l db et h es e to ft h eb e s tw a y t h r o u g ht h em a t e r i a lb a l a n c ec a l c u l a t i o n ，t h er e a c t i o nz o n et h a ta l lc o n t r i b u t i o n st o t h er e m o v a lo ft h ei n d i c a t o r s 1 1 l ea n o x i cz o n eh a sn o tb e e nf u l l yu t i l i z e d t h e r e r e a c t o rc a na c h i e v eab e t t e rd e a lw i t ht h ee f f e c t so ft h ez o n e k e y w o r d s ：m b r ；n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a l ；s r t ；o nm t i o ； c l a s s n 0 - x 5 0 5 ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 趣葩耙 导师签名： 结佩 签字日期：问年2 月肜日签字日期：刃刃年j 2 月哆日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：走；k j 钇 签字日期： 卅年t z , , 9 沙e l 致谢 硕士阶段的学习即将结束，在此，向所有帮助过我的老师、同学表示深深的 感谢! 本论文的工作是在指导老师黄霞、韩虹琳、张智超的悉心指导下完成的，他 们广博的知识，严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响并时 刻感染着我，这一切都将使我受益终生。在硕士期间取得的每一份成绩，都和他 们的精心指导息息相关。同时，感谢在我本科与硕士期间关心与爱护我的各位老 师，在课里课外都给我全心全意的帮助。 韩虹琳教授，黄霞教授，张智超博士悉心指导我完成了实验室的科研工作， 在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向她们表示衷心的谢意。 他们对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，袁源、刘听、李小伟、曹效鑫等同学对我论 文中的实验工作与研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲、母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业 同时，感谢在我本科与硕士期间关心与爱护我的各位老师，在课里课外都给 我全心全意的帮助与指导! 序 论文研究项目为8 6 3 课题滚动计划，承担单位为清华大学环境科学与工程系， 研究目标通过小试和中试，研究膜生物反应器处理城市污水的脱氮除磷特性及其 影响因素，为膜生物反应器在城市污水脱氦除磷中的应用提供可供设计参考的工 艺参数而本文是项目的小试部分。 近年随着膜生物反应器( m b r ) 技术的不断成熟和城市污水再生利用需求的 激增，m b r 在城市污水再生利用中的应用得到迅速关注。将传统的生物脱氮除磷 工艺( a 2 o ) 与膜分离技术整合，形成能同时脱氮除磷的膜生物反应器工艺 ( a a m b r ) 可以满足城市污水再生利用对脱氮除磷的要求。但由于a a m b r 工艺 涉及的过程复杂，脱氮除磷的影响因素较多，如何合理地选择工艺参数使a a m b r 工艺的脱氮除磷效果达到最佳。这是m b r 在城市污水脱氮除磷应用中面临的难 点。为拓展m b r 的应用范围，使m b r 在城市污水再生利用中得到广泛应用，研 究m b r 脱氮除磷工艺及其影响因素具有十分重要的意义。 1 绪论 1 1膜一生物反应器技术概述 1 1 1膜生物反应器的基本组成和分类 膜一生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 是一种新型高效的污水处 理工艺。m b r 组合工艺一般由生物反应器与膜组件组成i l 】。根据膜组件在m b r 中的作用可将m b r 分为三种类型：膜曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o n b i o r e a c t o r ，m a b r ) ，萃取膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) ， 膜分离生物反应器( b i o m a s sm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 。其中又 以分离m b r 的应用最广1 2 】在分离m b r 中，根据膜组件的设置位置，又可分为 分置式和一体式 a ) 一体式膜生物反应器分置式膜生物反应器 图1 1二类基本膜生物反应器的工艺流程图 f i g u r e l 1t o wc a t e g o r yb a s i cm e m b r a n eb i o r e a c t o rp r o c e s s e s 分置式膜生物反应器把膜组件和生物反应器分开设置，生物反应器的混合液 经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水： 固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式的特 点是运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但一般条件下 为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动力消耗 较高1 1 l 。 一体式膜生物反应器组合工艺是将膜组件置入反应器内，通过真空泵或其他 类型泵抽吸，得到过滤液i 引。由于曝气形成的剪切力和紊动，使固体难于积累在膜 表面，从而减少膜的堵塞和能耗1 5 l 。为进一步减少膜面污染，延长运行周期，一般 采取白j 断式抽吸出水。与分置式相比，一体式膜生物反应器具有设备简单、占地 空间小、整体性强、运行费用低等优点，但在运行稳定性、操作管理和膜组件的 清洗更换上不及分置式。复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式的，只是在 一体式内加装填料，从而形成的复合式。国内外关于复合式膜生物反应器的研究 主要是在脱氮除磷和膜污染控制方面1 6 j 。 1 1 2膜生物反应器的特点 膜生物反应器具备更多的优于二沉池的作用。大量的试验研究和实际运行结 果表明m b r 有如下特点： 1 、污染物去除效率高，处理出水水质好。不仅对悬浮物有机物去除效率高， 而且可以去除细菌病毒等出水可直接回用。 2 、膜分离可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间 和污泥停留时间完全分离使运行控制更加灵活稳定。 3 、生物反应器内的微生物浓度高装置处理容积负荷大，设备占地少 4 、有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长系统硝化效率得以提 高，同时可以提高难降解有机物的降解效率。 5 、污泥产量低由于相对较小的f m 值，污泥处理费用少。 6 、易于实现自动控制操作管理方便。 膜生物反应器的主要缺点： 1 、膜造价较高使得膜生物反应器基建投资较高。 2 、容易出现膜污染给操作管理带来不便使运行费用较高 总之，膜生物反应器具有许多其它污水处理工艺所不具备的优点，特别是出 水水质可以满足目| j 最严格的污水排放标准，甚至今后更加严格的排放要求。这 使得m b r 在中水回用及处理高浓度或难降解有机废水方面能显示其独特优越性。 m b r 之所以具有其它生物反应器所不具备的优点从理论上讲乇要是由于 m b r 中膜分离作用使其h r t 和s r t 能够分开进行控制，从而使m b r 中的微生 物系统能够在其最优化的环境条件下充分发挥各自的功能作用这种膜分离与微生 物系统相互影响共同作用的机制即共作用机制是m b r 具有其独特处理特性的关 键所在 j e夏 窑堑友 堂亟堂僮迨塞缝硷 1 2 膜一生物反应器的脱氦除磷的研究进展 1 2 1膜生物反应器的脱氮研究 m b r 在脱氮理论上和现在的生物脱氮方法没有区别。氦在水中大量以溶解组 分状态存在，单靠微滤膜的过滤是无法实现对溶解物质的良好截留的。但随着研 究的逐步深入，发现膜的过滤性质对于原有传统脱氮工艺生物过程有强化作用， 从而使得膜生物反应器具有了更强的脱氮能力。 一 t 明膏旺 图1 2a o 形式的m b r 脱氮工艺 f i g u r e l 2 a - of o r m so fm b rp r o c e s s 为了提高脱氮能力，研究人员通过控制运行条件和增设缺氧区采用回流的方 式获得最佳处理效果。如图1 2 ，就是通过在好氧区前添加缺氧区来达到较高的脱 氮效果。从表1 1 中看到，通过增设缺氧区的方法，对城市废水的处理，出水最好 的氮浓度可低到3 6 m g l ，可以达到很好的氮的处理效果 表1 1m b r 工艺脱氮效果总结 t a b l e l 1 t h ed e n i t r i f i c a t i o nr c s u l l so fm b r p r o c e s s 1 2 2 膜生物反应器的除磷研究 膜一生物反应器的除磷方面也有部分学者进行了研究，工艺与常规活性污泥法 基本相同，国内外对除磷工艺的研究不少，一般都采用a ，o 和s b r 的形式而且 多数是和脱氮连用，具体会在1 2 4 节中介绍。a o 膜法由于容易控制严格的厌氧 好氧环境，因此是研究得比较多的一种工艺。迟军等在利用传统膜生物反应器进 行含磷污水处理的过程中发现，其除磷率在2 0 一3 1 7 ，而加上厌氧段后其除磷 率可以提高到6 3 1 7 1 。p e d r o a c 等人采用生物膜反应器处理含磷废水，在有机负 荷率为1 5 9 m g ( c m 2 d ) 的条件下，正磷的去除率达7 2 i s l 。由于磷去除需要的厌 氧释磷与好氧吸磷的过程，同时也需要提高排泥保证污泥龄在一个较低的水平， 因此在多数传统的单一反应器的膜生物反应器中，不是每一种m b r 工艺对除磷 效果都能达到排放要求，有时也通过投加絮凝剂以共沉淀的模式来提高磷的去除 效果。 1 2 - 3膜生物反应器对脱氦除磷的强化作用 膜分离过程会对传统同步脱氦除磷反应过程起到的强化的作用，概括起来主 要有： ( 1 ) 膜生物反应器由于能够保持较高的污泥浓度，较大的污泥停留时间 s r t ，而随着污泥停留时间s r t 的提高，单位体积污泥的含磷量也会相应提高唧， 这就一定程度上缓解了原有传统同步脱氮除磷技术遇到的最大困难：硝化菌与聚 磷菌对于s r t 的竞争，也就是说在膜生物反应器中可以在不影响聚磷效果的同时， 尽量延长s r t 给硝化菌带来适宜的生长条件。世代周期较长的硝化细菌能够在 m b r 中得到富集，使硝化进程比较完全。m b r 能够完全截留微生物，可防止硝 化茵的流失，使其得到富集生长，是一种比较理想的硝化反应器 ( 2 ) 在大多数m b r 中，为防止膜的污染，反应器内的剪切力较大，导致 m b r 中的污泥絮体尺寸一般要比普通活性污泥絮体小，而较小的污泥絮体有更大 的周长面积比，有利于降低氧的传质阻力，增加硝化细菌对氧气的利用速率，提 高硝化的速率和程度。 ( 3 ) 膜生物反应器对茵体的高效截留，解决了由于污泥膨胀造成菌体流失 而带来的出水水质恶化等问题 ( 4 )由于传统的活性污泥法采用二沉池来进行分离，在污泥层内容易形成 厌氧或者缺氧的环境导致菌体内磷的二次释放从而导致出水磷浓度的提高，而膜 生物反应器完全采用好氧出水，可以很好地避免磷的二次释放，保证出水磷浓度 稳定在一个较低的水平。 1 2 4基于膜生物反应器的脱氮除磷工艺研究 基于以上的分析，不同的研究人员开发了不同类型的基于膜生物反应器的脱 氮除磷工艺。其设计的理念主要是在原有传统同步脱氮除磷工艺( a a o 、倒置 a a o 、s b r 等) 的基础上将原有的二沉池出水改为膜出水，来强化同步脱氮除磷。 图1 3p r e - d n 蛐r f i g u r e l 3 p r e - d nm b r ir e d nm b r ( 前置反硝化膜生物反应器) 工艺是在原有的a a o 工艺的基础 上，加上一个膜区出水，其优点是保持了原有传统a 0 工艺的脱氮除磷特性， 特别是其布设的多级缺氧池能够充分的发挥反硝化聚磷的作用，实现了一碳两用 的同步反硝化聚磷i l o l 。但是p r e d nm b r 工艺也存在问题：由于进行硝化的好氧 池布置在最后，因此出水的总氮只能维持在一个相对低的水平，而无法再进一步 的降低。 图1 4 p o s t - d nm b r f i g u r e l 4 p o s t - d nm b r 而p o s t d nm b r ( 后置反硝化膜生物反应器) 工艺将好氧池提前到缺氧池之 前，很好的改善了对硝氮的去除，使得总氮的去除率保持在一个较高的水平，但 也由于提前的好氧区会消耗掉进水中快速降解的c o d ，使得聚磷菌首先进入好氧 池，进行好氧聚磷，而削减了反硝化聚磷的比例，没有实现整个装置的经济运行， 也使得出水的总磷略高于p r e d nm b rt 艺i l ” f i g u r e l 5 h a n t h a n o i 艺是倒置a o 与膜生物反应器的结合。优点是结构简单，便于应 用，但其缺点是进水没有直接进入到厌氧区，而导致快速降解c o d 没有高效地被 聚磷菌吸收转化为p h a ，这就导致了到达好氧段和缺氧段的聚磷菌没有充足的吸 磷的能量，而试验证明p h a 是聚磷的关键【1 2 1 。因此h a n t i 艺无法取得较好的 除磷效果。 总的来说，不同种类的改良型m b r 都取得了较好的总磷及总氮的同步去除效 果。p 佗d nm b r 与p o s t d nm b r 的出水磷含量都小于0 8 m l ，除磷效率达到 9 9 。除氮能力也很好，总氮去除率一个为8 4 ，后一个为9 6 。h a n t o i 艺比 前两种工艺效果稍低，但总氮的出水浓度达到了1 m g ，l 。因此利用改良型膜生物 反应器反应器进行污水的同步脱氮除磷处理的前景是乐观的。通过对普通工艺进 行改良，既不会浪费原有的基础资源，更能大幅度的提高处理效果，是很有研究 价值的。 1 3脱氮除磷机理及其影响因素 1 3 1传统生物脱氮机理及其影响因素 传统的生物脱氮是由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质在蛋白质水解酶的催 化作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用，从而使有机 氮转化为氨氮。氨氮首先在亚硝化菌作用下转化为亚硝酸盐，然后在硝酸菌作用 f 亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐。这一过程需大量氧，为硝化反应，硝化反应是 山自养型好氧微生物完成。在有分子氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用 分子氧作为最终电子受体：无分子氧存在时，以硝酸根、亚硝酸根为电子受体， 有机物作为碳源和电子供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化过程中硝酸根和亚 硝酸根的转化通过反硝化菌的同化作用和异化作用共同完成：同化作用是硝酸根 6 和亚硝酸根被还原为有机氮化合物，用以新细胞的合成；异化作用是硝酸根、亚 硝酸根被还原为n 2 或n 2 0 、n o 等气态物，主要为n 2 。异化作用在反硝化脱氮中 起主要贡献。 硝化过程的影响因素如下： ( i ) 碳源：b o d 应低于1 5 2 0 m g l 。若b o d 过高，会使增殖速度较快的异 养型细菌迅速增殖，从而不能使自养型的硝化菌成为优势种属，不利于硝化反应 的进行。 ( 2 ) d o ：硝化细菌强烈好氧，d o 不能低于l m g l 。 ( 3 ) p h ：硝化细菌是革兰氏阴性、无芽孢的短杆菌和球菌，对p h 的变化非 常敏感，最佳p h 为8 0 - 8 4 ，p h 3 5 ，否则需外加碳源，如甲醇。 ( 2 ) d o ：反硝化细菌是兼性厌氧菌，在无分子氧条件下呼吸，同时又需要 少量的氧来维持某些酶的合成，因此需控制为缺氧条件而非严格厌氧条件，d o 低 于0 5 m g l 为宜。 ( 3 ) p h ：最适p h 为6 d 7 _ 5 ，p h 大于8 或小于6 时反硝化速率明显下降。 ( 4 ) 温度：最适温度为2 0 4 0 c ，1 5 以下反硝化菌增殖速度下降。温度的 影响与n o i 的负荷率正相关 1 3 2生物除磷机理及其影响因素 传统生物除磷机理：在绝对的厌氧条件下( 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 ) ，聚磷菌吸 收v f a s 并将其同化成胞内碳能源储存物p h a ( 聚羟基脂肪酸酯) ，其中以p h b 7 为主( 聚一b 羟基丁酸) l i d l ，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 ) 活力得到恢复， 并以聚磷的形式吸收超过生长需要的磷量。p a o 利用p h b 氧化分解所产生的能量 进行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1 1 5 】。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。 传统生物除磷的基本过程可用方程式表示如下： ( 1 ) 厌氧释磷： s ( 聚合磷酸盐) 监p o ，+ 能量 b o d + 能量一p h b ( 2 ) 好氧过量吸磷： b o d + p h b + 0 2 一c 0 2 + h 2 0 + 能量 p 0 4 3 - + 能量丛垒一s ( 聚合磷酸盐) 传统生物除磷过程的影响因素如下： ( 1 ) 碳源：小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强磷的释放越充 分，磷的摄取量越大。当b o d ，1 1 p 2 0 时有利于除磷 ( 2 ) 厌氧区硝态氮浓度：高于2 m g l 将不利于释磷：当c o d t k n 1 0 时， 硝酸盐的影响减弱。 ( 3 ) d o ：厌氧池内应绝对厌氧，好氧池内应保证充足的d o 。 ( 4 ) p t - i ：p h = 6 - - s 有利于除磷过程的正常进行。 ( 5 ) 温度：液温应控制在5 珈。 ( 6 ) 污泥龄：缩短污泥停留时问，提高排泥量，有利于通过捧泥除磷。 反硝化除磷机理 反硝化除磷细菌( d p b ) 能在缺氧的环境下聚磷。d p b 的生物释磷聚磷作用 已被日本东京大学和荷兰代尔夫特工业大学的研究人员所证实1 1 6 j ，它具有同p a o 极为相似的除磷原理，只是氧化细胞内贮存的p h b 时电子受体不同而已( p a o 为 0 2 ，而d p b 为n 0 3 m 。在缺氧( 无分子氧但存在硝态氮) 的条件下，d p b 能 够利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的过量的生物聚磷作用。在生物聚磷的同 8 时，硝酸氮被还原为氮气，这使得聚磷和反硝化脱氮这两个不同的生物过程借助 同一种细菌在同一环境中完成，从而将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼 此独立的作用很好地结合了起来，实现氮、磷的同步去除。这不仅缓和了聚磷和 反硝化过程对碳源的竞争，节省了碳源，而且通过缺氧聚磷可缩小好氧区的体积， 节省能耗，产生的剩余污泥量也有望降低【切。 域。肆 厦t肇氧 图1 6反硝化除碡过程示意图 f i g u r e l 6 t h es k e t c ho fd e = t r t f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l 反硝化聚磷的影响因素如下： ( 1 ) 厌氧区是否存在n 0 3 ：若厌氧区存在n 0 3 ，则反硝化菌会优先利用碳 源进行反硝化，一方面抑制磷的释放以及p h b 的合成，进而影响缺氧区磷的吸收； 另一方面，反硝化过程消耗了n 0 3 。，影响缺氧区的磷吸收量1 1 0 1 。 ( 2 ) n t h 。的浓度：当n 0 2 浓度较低时( 低于4 - 5 m g l ) ，n c h 可作为电子受 体参与反硝化聚磷，并且聚磷速率与以n 0 3 。作为电子受体时一样快：当n 0 2 浓度 较高时( 高于8 m g l ) ，反而对反硝化聚磷产生抑制作用；当n o i 过高时( 高于 1 0 r a g l ) ，抑制作用加剧，并导致磷的释放【阍。 ( 3 ) 碳源种类：小分子易降解的有机物有利于厌氧区磷的释放以及p h b 的 合成。 ( 4 ) c n 比：原水c n 比过高，大量碳源进入缺氧段，会引起反硝化的优先 进行，从而使聚磷受到不利影响1 1 8 l 。 ( 5 ) p h ：p h 8 时容易产生磷酸盐沉淀，不利于生物吸磷。p h 越低，消耗 单位c o d 去除的磷的浓度越高。 ( 6 ) 温度：8 - 1 0 1 2 的低温将导致释磷速率变慢，但是不会抑制反硝化聚磷。 9 1 4本课题的提出、研究内容及其研究意义 1 4 1课题的提出 目前，对于膜生物反应器的研究很快，主要集中点有：对生化处理和工艺运 行参数的影响因素和优化；膜技术的开发和研制；膜污染的控制与研究等。但膜 生物反应器在污水脱氮除磷领域的应用，刚刚起步，也存在很多问题，很难把技 术推广。主要问题在于，能否获得一个具佳的脱氮除磷的总体效果。有研究认为， 由于沉淀出水和膜出水在出水方式上的变革，以及污泥浓度的不同，而导致膜一生 物反应器和传统活性污泥反应器中的污泥性状、微生物群落产生很大区别，因此 如何在膜生物反应器上强化脱氮除磷，很多工艺参数还需要重新确定。 因此，研究基于膜生物反应器的脱氮除磷工艺，取得良好的脱氮除磷效果， 对污水处理与中水回用具有十分现实的意义本课题就是在这样的背景下提出的 1 4 2课题的研究内容 。、对一种新型的反应器a a m b r 进行研究，通过长时间运行，考察a a m b r 工艺对污水各个指标的处理效果，主要考察脱氮除磷的效果，以及其稳定运行的 条件；考察的指标包括进水、出水，以及各个反应器上清液的c o b ，t n ，n i - 1 4 + - n ， n 0 3 - n ，t i ，p 0 4 3 - p ；污泥的基本性状指标m l s s m l v s s 等 二、考察各种运行参数对a d 峨m r 工艺脱氮除磷效果的影响，对控制运行参 数进行合理的优化；通过对自配进水的营养物配比的调整，考察不同进水条件下 污染物质的去除效果以及污泥的性状、生长情况。通过对s l 盯的调整：1 5 天，2 0 天，3 0 天，4 0 天，5 0 天，研究其对反应器脱氮除磷的影响，对污泥的影响，以便 对s r t 进行优化通过对回流比的调整，考察回流比对m b r 的脱氮效果和除磷 效果的影响 三、分析沿程变化，深入了解各个反应池之间的作用与关系，从理论的角度 讨论a a m b r 反应器的脱氮除磷的能力。 1 4 3 课题的研究意义 针对目前通用的膜生物反应器脱氮除磷效果不佳反应器能耗高等问题进行 研究。主要研究该改良工艺的m b r 反应器在不同情况下的脱氮除磷效果，从而获 得该工艺运行时的最佳工艺参数。本研究在防止水环境恶化，合理利用水资源方 面，拥有很大的社会、环境效益。 2 试验装置和试验方法 2 1试验装置和基本运行参数 图z 1a a m b r _ t 要装置 f i g t u 2 1 t h ed e s i g no f a a m b r 本试验中配置了两套并行的a a m b r 工艺装置。a a m b r - 1 - 艺的装置由反应 器主体、迸水系统、出水系统、搅拌系统、回流系统、曝气系统、水位控制系统 构成。 ( 1 ) 反应器主体：由有机玻璃制成，总体积为4 5 x 2 4 x 3 7 e r a 3 ，有效高度为 2 5 e m ，厌氧区、缺氧1 区、缺氧2 区和好氧区的有效体积分别为0 4 6 l ，0 4 6 l ， 0 4 6 l 和0 7 5 l ：进水比通量为2 ：4 ：4 ：3 ，反应区之间用。h ”型通道连接，起 到导流的作用。 ( 2 ) 进水系统：采用2 5 0 l 的塑料桶配水；采用带滤头的塑料软管采水；采 用兰格蠕动泵( y z l 5 1 5 x 型泵头，b t 0 0 - 1 0 0 m 型驱动器) 将水吸入反应器；采用 泰华j y b 7 1 4 b 型液位继电器进行液位控制。 ( 3 ) 出水系统：采用韩国进口微滤膜，孔径为0 4 5 l am ，膜面积为0 2 m 2 ，膜 通量为3 i h ，膜通量为1 5 i - m 2 h ；采用p u l s 舢毛e d e r o r k x l 0 0 m a a a a 型隔膜 计量泵进行抽吸；采用u 型水银测压计测量抽吸压力；采用汇邦z n 4 8 智能双数 显计测器进行时间控制。 ( 4 ) 搅拌系统：采用司乐8 5 2 型磁力搅拌器，对厌氧区、缺氧1 区和缺氧2 区混合液进行搅拌 ( 5 ) 回流系统：采用蠕动泵型号同进水系统。 1 2 ( 6 ) 曝气系统：采用海利a c o 3 2 8 电磁式空气压缩机鼓风曝气；采用振兴 l z b 一1 0 玻璃转子流量计控制气体流量；曝气管为a b s 工程树脂材料，按“上”型 布置于好氧区，底部横管沿轴向开多个出气孔。 ( 7 ) 水位控制系统：水位高低由厌氧池中的液位控制器控制，当水位低于规 定液位时，水位控制系统启动进水泵，往反应器中进水。当液位达到规定高度时， 水位控制系统关闭进水泵，如此循环。 图2 2中空纤维膜 f i g u r e 2 2 p i c t u n zo ft h eh o l l o wf i b e rm i c r o f d t r a t i o nm e m b r a n e 本试验a a m b r 反应器共分四个区组合在一个平台上，好氧区内放置微滤膜， 膜丝方向与曝气垂直放置，更有利于防止膜污染。反应器一体化，更节省了占地 面积，便与运行与管理。系统通过重力流进行流动运转。四个区上面没有密封， 方便取样。厌氧和缺氧依据存在不存在分子态的氧来区别。回流、进水都依靠蠕 动泵进行。出水依靠抽吸泵进行，外接压差计反砬膜压差，作为是否清洗膜的依 据。好氧区的曝气利用膜架上的穿孔曝气管与好氧区左右两边加装的砂头来进行， 以保证提供均匀的溶解氧，消除死角。转子流量计控制曝气流量。好氧区反应器 d o 控制在3 m g r u 左右。温度由控温加热棒控制，保证在2 2 2 8 度之间。为 防止非曝气反应区内污泥沉淀，为保证泥水均匀混合，在反应器中设有搅拌器， 进行充分的混合。运行基本参数见表2 1 。 表2 1实验运行基本参数 t a b l e 2 1b a s i cp a 眦t e r ss e to ft h er e a c l o l 1 3 2 2连续流反应器工艺流程与设计理论 f i g u r e 2 3 a a m b rt e c h n i c sf l o wc h a r t a a m b r 反应器具体流程为：原水( 自配水或生活污水) 进入蓄水桶后，由进 水蠕动泵抽吸进入厌氧区，与缺氧2 区回流r 的污泥一起混合，聚磷菌在此吸收大 量的有机物以p h b 形式存在在体内，同时释放出大量的磷，进行部分的氨化。泥 水混合液经过h 连通管由厌氧区进入缺氧1 反应器，在缺氧1 反应器首要进行反 硝化脱氮与反硝化脱氮除磷，d p b 通过好氧区回流的硝酸盐为电子受体，完成反 硝化除氮和聚磷过程。反硝化与反硝化除磷用的硝酸盐是通过好氧区回流r 送来 的。之后水流经过h 连通管进入好氧区，这个区是多功能的：去除b o d 、硝化与 吸磷反应主要发生在这个区。之后泥水混合物经过微滤膜的截留作用进行分离， 水通过抽吸泵作为出水抽出反应器。随着水泥的不断流动回流，完成上述的处理 过程。每格反应器中混合液基本属于完全混合反应，整个系统又属于推流式反应 ( 根据有关研究，n = 3 串联完全混合式反应器整体效果接近推流式反应器) 。 a a m b rt 艺在设计上基于以下几点： ( 1 ) 利用了膜本身的优势。膜组件对微生物的高效截留使系统内维持高污泥 浓度，一方面强化了c o d 的去除，另一方面有利于缓解硝化菌和聚磷菌对s r t 的竞争。从而使同步脱氮除磷得到强化。采用一体式m b r 的方式，将膜组件放在 好氧区内，有利于减少膜污染 ( 2 ) 吸收了传统的a a o 工艺的优点。a a m b r 的工艺流程类似于传统的成 熟的a a o 工艺，通过厌氧、缺氧、好氧条件的交联设置，为同步脱氮除磷创造 条件【3 2 l 。同时，好氧区位于流程末端，防止二次释磷 ( 3 ) 改进了a a o 工艺流程。在a a m b r 工艺中增设了一个缺氧区，提高非 曝气区与曝气区的比例。在经过缺氧1 区的调节作用后，该区缺氧条件适宜、外 源碳含量低，有利于强化反硝化聚磷。好氧区含磷污泥并不是直接回流至厌氧区， 而是先经过两个缺氧区，避免了好氧区m 流液中的d o 和硝酸赫氮进入厌氧区对 1 4 释磷过程产生抑制。 2 3实验水质 一般城市生活污水中，b o d 5 c o i 。约为6 0 ，b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 。实 验进水从自配的模拟生活污水表2 2 开始进行。由于模拟生活污水在放置过程中 会有一定的降解，所以会对模拟进水进行各个指标进行监测。具体的进水指标会 在后面章节分别给出。 表2 2 试验模拟生活污水配水指标 t a b l e 2 2s i m u l a t i o no fs e w a g ew a t e ri n d e x 2 4 检测项目及检测方法 试验常规检测项目包括对a a m b r 反应器日常的测定指标：迸水、各反应区 上清液和微滤膜出水的c o d a ，t n ，n i - u + n ，n 0 3 - n ，n 0 2 n ，t p ，p 0 p ，污 泥含磷量；污泥性状指标m l s s ，m l v s s 。其中上清液是指采用中速定性滤纸过滤 从各反应区内采样的活性污泥混合液离心后而获得的滤液，仪器为h i t a c h i ( 日 立) c r 2 2 g 高速冷冻离心机，离心条件为4 0 0 0 r a p r a i n ，时间为1 0 m i n 。由于出水 管路较长且随时间生长很多藻类，出水在检测前均用与反应器内滤膜孔径一致的 滤膜o 4 5 9 i n 进行过滤。工艺处理的效果通过比较进水出水中各类污染物的浓度来 反映。通过比较上清液与出水污染物浓度来反映微滤膜的处理效果。 试验中常规检测项目及方法如所示。其它非常规检测项目及检测方法在所涉 及的具体章节中再进行介绍。此外，每天还要监测并记录气温、水温、膜压差、 出水量、回流泥量、剩余泥量等指标。 表2 3测定项目和分析方法 t a b l e 2 3m e n s u r a t i o ni t e ma n da n a l y t i c a lm e t h o d s 其中，t n 和t p 在测定前，先在s a n y o ( 三洋) m l s 一3 7 5 0 型高压蒸汽灭菌 器中，1 2 1 氧化消解3 0 m i n 。 污泥含磷量( 单位质量污泥含磷的质量，) 的具体测定方法为： ( 1 ) 移取2 0 m l 混合液加入1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释至刻线。 ( 2 ) 取2 5 m l 稀释液加入5 0 r a l 比色管中，用过硫酸钾溶液氧化消解后测定 稀释液中t p 含量。 ( 3 ) 换算出原混合液中t p 含量，减去上清液邛含量，差值( m g p l ) 除以 污泥浓度( g s s l ) ，得到污泥含磷量。 3a a m b r 试验结果分析及进水配比的影响 a a m b r 设计的其中一个目的就是要节省碳源，可以在低碳源的情况下达到同 时脱氮除磷的效果。由于反硝化除磷可节省5 0 碳源的消耗，因此希望a a m b r 充分利用反硝化除磷，来达到节省碳源的目的。因此，在启动期