（环境工程专业论文）厌氧缺氧硝化双污泥反硝化除磷.pdf

摘要 摘要 氮、磷是造成水体富营养他的主要原因。随着水体富营养化问题鲍目益严燕， 城市污永处勰厂的工艺设计必须从以单一去除有机物为目的的功能逐渐向深度 脱氮除磷蛇功& 转交。传统艨氮除磷工艺酱邃存在工艺沆程较长，毒逡覆获大、 基建投资高、运行不稳定等缺点，因此高效节能的脱氮除磷工艺成为近年研究的 熬熹。反磺偬除磷是嚣蔫广受关注豹污永生携处理蘩菠零之一，基予该理论开发 的厌氧，缺氧硝化双污泥反硝化除磷正艺既可大幅度节省供氧量，又能减少肖机 碳滚投秀弱童、粼余浮淀产量，并藏小反应器滟容积。这对予疆高低c 蕊院德城 市污水的脱氮除磷具有非常麓要的意义。 本文采潮厌氧献氧，硝亿双污泥反硝纯除磷模型结合间欷式批量试验，对处 理实际城市搬活污水的运行参数进行了研究。厌氧，缺氧硝纯双污淀反硝像除磷 工艺的主要功能区包括厌氧段、快速分离沉淀池、生物膜硝化段、缺氧段和质置 曝气段。硬究主要考察了各凌能段水力箨蟹粒闽对系统篪氮滁磷效巢熬影蟪，著 确定处理城市生活污水时各段最合理的水力停留时间及其比例；同时考察了提高 工艺疆氮效攀懿控翻嚣素及j l 孪燕敬藏提高遴承p 烈阮对系统篪氮豫磷效采豹影 响。另外，还考察了厌氧缺氧，硝化双污泥反硝化除磷工艺短程硝化后实现反硝 纯滁磷的可行往叛殿菠硝纯聚磷菌( 强) 驻n o f 制作为电子受体的反硝化吸 磷及其特性。主要得出以下结论： 在双污沉反硝化除磷工艺中，厌氧段释磷是保证系统稳定运干予的最关键因 素。厌氧段辆疆对厌氧释磷葶珏后续瓣反磺他聚磷产生投丈影响。获氧段熬鞭程 太长，出现没有有机物吸附的无效释磷。导数缺氧段氮和磷的去除率并没有因为 厌襞段释磷爨蠡毒增麓嚣提蹇。如果淡氧羧懿掇强较缀，秘转在厌裁段不驻茫全 吸收进水中的c o d r b 并转化成p h a 储存，大部分c o d 进入硝化段被微生物好 羲降鳐，造减磷纯驳好氧异莽蔼的：毽器繁殖，影镌辩氮氮的稽纯能力。这既不乖j 于脱氮，也不剥于除磷。在厢续的缺氧段和好氧段，d p b 胞内没有足够的p 娃a 作为电子供体过量碾磷，脱飘除磷间时受到影响。税处理实际城市擞活污水时， 厌氧段礤攫为2 小时即可达到较好的除磷脱氮效果。 双污泥反i 搿纯除磷工艺硝化段采用生物膜结构，耐冲击负荷性能较强。硝化段 j k 衷工业大学工学琰士学位豫文 h r t 与同步硝化反硝化脱氮效率相关。在保撩曝气量一定的前提下，保持较长h i 玎 条舌孛下，圭予弱步磺纯反磷偬去除斡 n 较多，瑟翻强续短辩露步磷位反磷琵去除 的t n 明显减少。这一点对于c o d ，r n 较低污水的脱氯除磷具有非常麓要的意义。 姣氧段反獭纯聚磷主要与沃氧羧露效释磷藿( 班狐靛合成量) 耪礴纯段撬供静 电子受体量密切相关。在满足这两种旗质的条件下，缩短缺氧段的瑚盯能够提高系 统静鲶理效率。当厌氯、硝化、缺氧浚的疆h 沈镯为2 ：3 6 ：3 ，o 时，系统处理城市生 活污水的除磷脱氮效聚最好。印进水c o d 1 n 为3 7 - 4 1 时r 、系统对污水中溶解性 p 0 4 孓。p 、n q 和c o d 的去除率分别达到8 1 3 9 、6 9 2 5 和8 9 0 5 。 以n 0 3 - n 密n 0 分攥作戈d p b 毯子受体瓣缺氧吸磷表明；当反波器内存在一定 浓度的n 0 2 - n 时，所接种的污泥没有经过任何驯化的情况下也没有对d p b 的缺氧 吸磷产生掷铡，毽默嚣铙。搽先鸯子受薅遴行快速瓣姣氧吸磷。翔鬃反痘嚣串嚣辩 存在n 0 2 - n 、n 0 3 - n 两种电子受体，d p b 会先利用n 0 3 _ n 进行缺氧吸磷。d p b 以 n 0 f 嘏作必电子受钵瓣反磅纯速率大予渡n 0 f _ n 撵为电子受体戆菠硝纯速攀，丽萁 缺氧吸磷速率却小于以n 0 3 _ n 作为电子受体的缺氧吸磷速率。然而，消耗单位氮的 吸磷黧n 0 3 冷i 与n 0 2 - n 相比，两者相差并不是很大。 n 0 2 。越的浓度越离，d p b 的比缺鼠吸磷速率越低，丽反磷化却熊正棠进行。这 是由于较高浓度的n 0 f - n 抑制d p b 负责吸磷和合成聚磷的霉系统，但不会对负责 反硝他麴霉系统造成任霹影蹶。透过邀嚣不翅n 0 1 - n 浓度豹狰遗试骏，可知n 篷忒 的浓度在2 2 3 6 3 8 6 4m g ，l 的范围内，d p b 能够利用n 0 2 n 进行缺氧吸磷，但是缺 氧啜磷熬速攀随着n 0 2 磷浓发戆罐麴不瑟下洚。当n 0 2 i n 的浓度这4 0 2 2m 黛忍辩， 缺氧吸磷非常慢，并版出现了磷的缓慢释放。当n 0 2 。悄的浓度为4 5 0 0m g l 时，缺 氧蔽瓣完全受至a 箨剃，反应器内基本没有蔽磷现象，并虽赉现了磷静缓慢释放。 考察n o ，_ n 浓度对厌氧释磷的影响表明，当厌戴段既有电子供体，又有电子受 体时，存在一个释磷与吸磷的过渡区。这个过渡区的转换与避水碳源浓度相关，还 与n 。2 - - n 的浓度有关。在避水电子受体( n 0 2 1 - n ) 浓度一定条传下，进求碳源浓度 越高，从释磷转化为吸磷的时间就越晚。在逃水c o d 浓度一定条件下，电子受体浓 度越麓，扶释磷转键为吸骥豹酵闻就越旱。 关键谰 反硝化除磷：反硝化聚磷菌( d p b ) ； 聚磷菌( p a o s ) ；厌氧，缺氧 戮往双浮涯爱磷稼豫骥王芑；承办簿蜜嚣誊润( 掰疆) a b 囊豫c t a b s t r a c t e u 台印h t c a t i 。ni sm a i n l yc a u s e dw 衄r o g e n 强dp h o s p h t e 幽c h a r g c d 血om ew a t e r b o d y w i 也 廿l es e v 材ee u t r 0 曲i c 撕o no c c u n d t h ep r o c e s sd e s i g n0 fn l em u n j c i p a lw a s t e 、v 噩e rw a t e l 订e 嬲n e m p l a n ts b o 谢de 印拽n d 池蠹m c t 溉盘o mp 戳o f g a n i cm a 戗e fr e m o 嘲t ol l i t r o g e na n dp b o s p h 戤e 黼1 删 h o w e v 材i 打a d 砒o n a ln m g e na l l dp h o s p h a f er e m o v a lp r o c e s s e sh a v em ed i s a d v a n t a g e so fl o n g e r p f o e 髓s ，m o r e 粼aa n d 蕊西凇c o n 鼬嘲o n 琴“ p 豁蕊雠c o s t h 酶e 壬芏i c i 翰碍曲o g 黼鳓dp b 娴蛐 r e m o v a lt e c h n i q u 。h 船b e c o r n et 1 1 ef o c u so ft 1 1 er e s e a r c hf i e l d ) e i l i 戗i 蛳gp h o s p h a t e 转苴l o v 吐。 南e c 殛i q 麟遮ab 艚畦，嬲i 妇毽硅。 o g 迁宕圭w a s t g 鼾a e r 世棼鼬e 嫩钯g b q 鹳鼬dd r 召唧sw i d e l y 黼瞰i o n o f 恤f i e l d a 2 nd o u b l es l u d g ep r o c e 8 si sb a s e do nt 1 1 i s 腿wt e c h n i q u e ，w h i c hc a nd e c r e a s eo x y g e n 衄d 嚣酝臻越嘞i c 呻p 器群鑫镬y ，r 瓣e kw 豁t e 酣鬈ep f o d u e 蝠o n 秘d 也ev o l 疆描o f 也e 删o rt 。 s o m ee x t e n l 1 1 1 e s ea d v a n t a g e sm d k ens i 倒矗c 龇tf o r 也e 仃e 锄e n to ft 1 1 e1 0 w e rc 肘r a t i om u n i c i 叫 璃鑫g c w 鲢簖。a p 羚s e 鸭s 麟i e s 礤舔 畦割毂g 彝 。霸最重e 鹫m o 谢a 璋a l w 8 y s 鼎e c 硅绝d 氆i 榷p u f e s u b s 姗岫c u 坩v a t i o na n ds y n t l l 嘶cw a s t 删c e r ih o w c v m er e a lw a s t e w a t e r 仃e 棚e mi sa no p e n ， 如捌cs y s 自咏b 蘸嗵碱鞑凌遮蚕l w g 薛堪赫越 每懿蠢毽u 蠲t 秘馥勰g e 泌s 台搬豳e o 黼取露礞s e 描磕e i t 僦h 斟h a r dt os i m u j a t e 啪dr e a p p e a 煳t 1 1 er e a lp r o c e s s s i i i l 慨o l l s l y ，n 1 0 s to f m os t l l d i e sf o c u s c d o n 臻e c 酝越涵鞠娃搬e 嬲yc 墨臻拄e lg 知oa 交函痴据瑚g 零醴氆eh y 群豳强e | e 转f 醣穗eo 搿氍哇i o 鞋。曩s 0 b s 诅c l e st l l eg e n e l 伽z a t o n 锄d 印p l i c a t i o no f 恤et e c h n i q u ei n t op r a c t i c e h ln l i sp a pe r t l l ee 腑c to f 珏程鹪畦涨l l e l e n 畦o n 晒0 秘d 豫8 毽p b s 薅。融塔f 。删争f o c e s s 辑霸 箍v e 延盼d 醣 a p p l y i r l gac o n t i n u o u sn o 铆os l u d g e 龃a e r o b i “蚰o x i c ，m 血靠c 舭1 0 n ( a 2 n ) p r o c e s sc o m b 讯矾w “h s b rb a 勰h 把鞋撅破娃c hr e 8 ld 鼬e s t i ew 粘锄黼扭茁w 鑫s 妇a | e 矗。a l s o ，也ef e 豁i b i l 匆艇u s 矗毽撼融姥赫 e l e c 订o na c c e p t o r 妇a l s oi n v e s 虹g a t e d t h em a i nc 0 叮c i o 糙丘o mm e s ee x p e r i m e n t sa r e 船f b l l o w s a n a e 翔b i cs 避g ei s 也ek e ys l e po f a 2 np r o c e s s 1 t s 醯i e 矬圭f b fb o 墩n i 拄o g e 矗硅n d 砖。华h o 翔u s r e n 埒v a l u n d e fl a n g 粼b i c 磁瓯a n h o u 咖也et o t a l 锄o u n to f 烈e 粘e dd i s s o l v e dp h o s p 蚍 嫩c r c a s e d ，也ep b o s p h a t eu l 妇k ea l l d 掘en i 虹d 辨nr e m a v e db yd 蒯城每i l l gd l 硒n g 雅l o x i cs t 丑g e 籀屯i 避 遗c r e a s e dp f 。p o r t i o n a l l y s o m eo f 也ed i s s o l v e dp h o s p h a t er e l e 硒e du n d e ra n a e r o b i c 渤g ei s i l o n e 疗b c t i v e ”，i ti su s e l e s sf 砸b o 饿娜扛o g e na n dp h o s p h o l l sr e m o 、啦瑚d 材s u c c d i 】! l g 翘。蕊cs t a g e u n d 盯s h o n e ra n 黼r o m c 嘏t d e n i 台i 哪n gp h o s p h o r o u sr e m o v a lb a c t e d ac 姐n o ta b s d r bt l l er e a d i l y b i o d e 辨d a b l ec o di l lt l l ei n n u e n tc 彻叩l e t e l y ；t h i s 他s u l ti nd r e 舔eo f o ) c i cp h o s p h a 瞻融u 掣 u p 上a k ea n da t 畦艟s 锄e 娃m e ，d e n 谳毋缸ga 麟v h 沁so fd p ba r ea l s o1 h 蝣t e d w h e nt r e a tw 油r e a l d o m e 蚶cw 勰t e w a l e a n a e r o b i ch r _ ro f2h o i l r sc 姐m e e tb o 吐i 也en i 台o g e na l l dp h o s p h o r o u s 糙m o v a 王 f e q 蠢m e n t sp e r | 砘y b i o 矗1 mi nt 1 1 en i 埘f i c a t i o ns t a g ec 札b e 甜v e r ei m p a ml o a d 。b u t 也e 珏盯h 如o b v i o u se 妇胁c 协o n s n d - u n d 嚣嚣。瓣饿哦懿蒯o n 勰，l 佃g e r 氆糟 e a d st ob 醢嚣料础n 洲e 蓝c i e n c yt m 也i ss 诅g e ， 北京工业大学工学硕士学位论文 “c ev e r s a n si ss i g n m c a n tf o r t h er e m o v a lo f na r l dpi nl o w e rc nr a _ i om u m c i p a lw a s t e w a t e r t h ed e n i 试母i 1 1 9p h o s p h a t er e m o v a li na 删cs t a g eg r e a t l yd e p 印d s0 nm ep h o s p h a t er e l e a s e di l l a n 砌i cs t a g e 锄de l e c 廿_ o na c c e p t e r 丘o mn 赫n c a 矗0 ns t a g e t h e r e f o r e ，i f b o l h m ep h o s p h a t er e l e a s e d 血矗n a e r o b i cs t a g ca n de l e c 仃d na c c e p t e r 丘_ o mn j 仃i = 丘c 撕o ns t a g ea r en o tt 1 1 el i m i t e df a c t o r s ，s h o r t e r m t c a ni n c r e a s et l l er e m o v a le 墙c i e n c yo ft 1 1 es y s t e m i np r o p 硎o nt 02 ：3 6 ：3o fa 1 1 a e r o b i c ，a e r o b i c 柚d a i 蛳d c 缸e 矾n gm 脚i c i p a ld o m e 曲cw 蜘8 t e r ，h i g hq u a l i 哆e f f i u e n tw a sr e a c h e di na j np r o c e s s w h e nt 1 1 ec o d 厂r no fn l ei n n u ti s3 7 - 4 o t h er e m o v a le 伍c i e n c yo fd i s s o l v e dp h o s p h 越ed i s s o l v e d t o 锄曲o s p h o r o u s ，洲n i 订o g e na n dc o d 妯a 2 np r o c e s sa r e8 7 ，8 3 ，7 2 锄d8 9 r e s p e c t i v e l y d e n i 仃i 母m gp h o s p h a t er c m o v a lw i 血b o t hn j m t ea n dn i 订a t ea se l e c 岫la c c 印t o rs h o wn i 仃i t e c o n c e i m a t i o no f1 6m g 几d o e s n ti 工l h i b i tt h e 锄o x i cp h o s p h a t eu p t m ee v e nw h e n 也es l u d g ei n o c u l 砷e d 埘t l a u ta i l y 删t ei r 叩a c ta c c l i m 撕删o nb e f o r e i fb o t hi l i 埘t e8 l l dn i 仃a t ee ) 【i s ti nt h es 锄er e a c t o r d f bw i l lu s em 撇船e l e c 昀na c c e p t o rf i r 吼a n e rm 订a t ec o n s 岫e dm e nn i 埘t ea r eu s e da se l e c 自啪 a c c e p t o r t h ed e n i 砌c 撕o nr a t eo f 啪u s i n g n i 廿吼ei sl l i g h e r 廿m nm a to f l l i 仃a t e ，b u t 血ep h o s p h a t e u p t a k e r a t e u s m g n i 砸t ea 1 1 dn i 蜘e 雒e l e c h d na c c e p t o r i s j u s t t l l e o p p o s i t e w h e n 廿璩n 矗t ec o n c e n t r a t i o nf 锄g e s 疔o m1 1 6 7 ，1 5 8 3t o2 2 0 2m 班，d p bs l u d g ci n o c u l 删 w 迁h o u ta n yi l i 埘t ei m p a na c c l h a t i 删o nb e f o r ec 肌u p t a l 【ep h o s p h a t e l d e r 锄o 】【i c b m 啪d e r1 1 i 悄t e c o n c e 曲觚o no f 2 2 0 2m g l ，恤es p e c i 矗cp h o s p b 砒eu p t a k er a 土eo f ，bi sm u c h1 0 v 旧r 也a nu n d e r1 钾f r 曲沁c o n c e n 椭廿o l l b u tr e l e v a ms p e c i f i cd e n f i c a t i o nr a t ek e e pn o m a l t h i si sb e c a u s eh i 曲e r l l i 研t ec o n c e “嘣i o ni 出b 如d p b sm o l ds y s t e mo fp h o s p h 砒eu p t a k e 觚dp o l y ps y n t h e s i s ，b u t 也e m 0 1 ds y s t c mo fm ed e 州f i c 撕o i sn o ta f f e c t e d n i 雠t el o a d 皿p a c tc x p c m n e n t s 孤ee x e c u 屯e dw h 眦 t h en 埘t ec o n c e i l 仃撕o n 瑚g e s 舶m2 2 3 6t o3 8 6 4m 班w i md p bs l u d g ei n o 叫a t e dw i m o u ta n y r d 蛹t ei m p a c ta c c l i r m 矗z a t i o nb e f o r e r e s u l 协s h o wt h a td p bc a l lu s en i m t et ou p t a l 【ep h o s p h a t e d e r a l l o ) 【i cc o n d i t i o n ，b u t 也eu p t a ：k er a t cd e c r e ew i t l lm ei n c r e 豳i n go f 恤e 伍m t ec o n c e r n r a t i o n u n d 盯 m 订i i ec o n c e r n r a t i o no f4 4 2 2m 班，a n o ) 【i cp h o s p h a ：i eu p 臼br a t ed e c r e 鹊e s 辨a 廿ya n ds l o w l y p h o s p h a t er e l e 嬲eo c c 咖d w h e nn i 奸n ec o 玳期1 描o ni s4 5m g l a n o ) 【i cp h o s p h a ：c eu p 协：k ei s c o m p l e t c l yi i l l l a b i t e d 1 1 1 e r ei sn op h o s p h 越eu p t a k eo b r v e db u tp h o s p h a t e 他l e 踮ei so b v i o u s w 1 1 e nt h e 咒e 蚵s te l e c 仃o ns u p p l i 盯锄da c c e p t o ri nar e a c t o ra tt h es a m e 廿m e ，t h e r ei sa 由s n i o n s t a g eb e t w e e np h o s p h 砷et e l e a s e 觚du p t 出e t h ec o n v e r s i o no f l h i s 衄m s m o ns t a g eb e t w e e np h o s p h a t e r c l e 船e 锄du p t a k ed e p e n d so nc o da dd e c 仃a c c e p 姐c o n c e 耵岫t i o ni n 砌u e n t n eh i g l l e rt l l e i i l n u e n tc c d ，m el a t e rm ec o v e r s i o n 矗_ o mp h o s p h a c er e l e a s et ou p 乜k e t h eh i 曲e r 吐l ee l e c 订o n a c c e p t o rmm er e a c t o r ，1 l l ee i e r 也ec o n v e r s i o n 丘d mp h o s p l l a t er e l e et ou p t a l 【e k 0 y w o r d sd e 皿m y i n gp h o s p h o m sr 如o v a l ；d c l i i m f y i n gp h o s p h a t e r e l n o v a lb a c i e r i a b ) ； p h o s p h a ：c ea c c u 衄l 撕n go f g a l l i 缸n s ( p a o s ) ；a i l r o b i c - 锄o ) 【i c 捌悄f i c 撕o nt w d s l u d g e s y s t e m ；h y d r a u h cr e t e n t i o n 廿m eo t t ) 一 独创性声明 本人声明鼹呈交的论文是我个太农导烬攒露下进露的硬究王终及取缮抟礤究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包禽其他人已经 发表或撰写过豹磺究成爨，也苓包含为获德l 寒王监大学袋其它教育掇梅熬学位蕺 证书而使用过的材料。与我一闷工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 季摹了甓确翡说鞠舞表示了谢意。 躲盥髋星! 堑生7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规液，即：学校有权保 鏊送交论文静笺印释，允许论文被查阕和借阅 学校胃以公布论文韵垒部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复带4 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 疆凝圆彳l ，季 第1 章绪论 第1 章绪论 ? 1 1 课题背景 1 1 1 课题目的和意义 氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前最为关注的环境问题之一。控制水体 富营养化，防止水体污染的最根本途径就是对污染源进行治理，控制污染物的排放 量，使污水处理厂出水中的氮、磷含量必须达到一定的标准。污水排放标准的日趋 严格是目前普遍的发展趋势；以控制富营养化为目的的氮、磷脱除已成为污水处理 的主要目标。我国2 0 0 2 年最新颁布的污水排放标准要求所有排污单位最后出水氮磷 的含量根据接纳水体的等级分别为t p 小于l m g 几，氨氮小于5 m g ，l ，总氮小于1 5 m l 。因此，无论是新建污水厂还是已有污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求。 然而，目前根据现有生物脱氮除磷机理开发的工艺基本上是生物硝化及反硝化工 艺和生物除磷工艺的综合。氮、磷的去除比较复杂，需要涉及硝化、反硝化、释磷、 吸磷锌多个生化过程。每一个过程目的不同，对污泥中微生物组成、基质类型及环 境条件的要求也各不相同【1 。因此要在一个系统中同时完成脱氮和除磷。各个过程之 间不可避免地会产生一些矛盾，诸如竞争碳源、污泥龄长短不一、硝酸盐浓度的影 响等矛盾，这些问题使得脱氮除磷工艺在实际应用中难以达到排放标准。以传统除 磷脱氪机理为基础的生物污水处理工艺普遍存在以下弊端田：对污水中基质的竞争 影响系统的处理效果。一般城市污水的c o d 仃n 比值较低，碳源不足成为反硝化和除 磷的限制性因素。在传统的除磷脱氮工艺中，反硝化菌和聚磷菌在脱氮和除磷两个 过程中扮演着两个独立的角色，即两者都需要利用污水中的有机碳源完成反硝化和 释磷。因此在同一系统中，不可避免地产生竞争碳源的矛盾。污泥龄长短不一的 要求影响系统的处理效果。硝化菌、反硝化菌以及聚磷菌这三类微生物要求的污泥 龄及其生长的环境条件各不相同，在目前常采用的单污泥系统中，微生物呈悬浮、 混合生长，因而无法保证各种菌群能够同时获得最佳的污泥龄以及各自最佳的生长 环境p 】 传统的除磷脱氮工艺通常采用前置式反硝化的布置，n 0 3 - _ n 不可避免地 进入厌氧段干扰聚磷菌的释磷过程，从而影响后续的吸磷过程。由于n 0 3 随回流 污泥流至厌氧段可优先利用污水中的有机碳源完成反硝化，从而减少了聚磷菌用于 合成内源多聚物质p h a ( p ，p h v - 聚p 羟基丁酸，戊酸的混合物) 所需的碳源量，抑 制了聚磷菌的释磷；产生的剩余污泥量大。如何能够更好地解决传统除磷脱氮工 艺中存在的以上矛盾和弊端，提高处理效果，提出高效、节能、清洁、符合我国国 情的可持续污水处理新工艺以解决我国目益严重的水污染问题是城市污水脱氮除 情的可持续污水处理新工艺以解决我国日益严重的水污染问题，是城市污水脱氮除 一一。一，鎏型生塑= 型兰箜鎏一 磷研究课题的重点和必然趋势。在实际污水处理厂的运行过程中，为同时保证脱氮 和除磷的处理效果，不得不采用投加有机碳源和化学混凝剂的方法，既增加了污水 处理成本，又增加了后续污泥的处理难度，并且对于大型污水处理厂的长期运行而 言根本不现实。 ， 反硝化除磷理论的提出，为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾和问题提供 了新方法。反硝化除磷( d c n j 仃i f j r i n gp h o s p h o m sr e m o v a l ) - 也可以称为缺氧吸磷 ( a j l o x i cp h o s p h o m su p t a k e ) 是指在厌氧缺氧( a n a e r o b i 砒虹o ) 【i c ) 交替运行的条件 下，驯化出一类能以n 0 3 0 j 作为最终电子受体的反硝化聚磷菌( d 耐仃i f j r i n gp h o s p h a t e r c m o v a lb a c t e r i a ，缩写d p b ) 为优势菌属，这类菌群能以n 0 3 - n 作为电子受体，利 用厌氧段胞内合成的p h a ，通过“一碳两用”的方式同时完成反硝化和吸磷。显然， 反硝化除磷机理打破了传统脱氮除磷机理中脱氮除磷必须分别由专性的反硝化菌和 专性的聚磷菌分别独立完成的观点，使得除磷和脱氮过程能够通过同一类微生物的 生理活动而实现，这对于生物脱氮除磷机理是一个重大的贡献，为生物脱氮除磷工 艺的发展开辟了新方向。该工艺中，n 0 3 n 已经不再是除磷工艺的不利因素，以其 作为d p b 最终电子受体进行反硝化吸磷，与传统的脱氮除磷工艺相比不仅可节省5 0 的c 0 d 消耗量，曝气量降低了3 0 ，污泥产量也可望减少5 0 【4 。”，因此，反硝化 除磷工艺被视为一种可持续污水处理新工艺。 基子反硝化除磷的诸多优点，其工艺的开发和研究也日益受到重视，并成为污水 生物脱氮除磷领域研究的熟点课题之一。a 2 n ( a n a e r o b i c ，a n o x i c 悄i t r i f i c a t i o n ) 双污泥 反硝化除磷工艺就是基于该理论开发出的新工艺之一，较传统的污水除磷脱氮工艺， 它具备如下优越性：c o d 消耗量少。c 0 d 最大程度地被d p b 在厌氧段用于p h a 的 合成，由于该工艺的特殊布置，合成的p h a 未经过在缺氧段这部分p h a 被d p b 同时 用于完成反硝化和吸磷，通过“一碳两用”的方式实现了系统的脱氮除磷。因此，该 工艺较适合c o d ，m 比值较低污水的处理。系统的吸磷过程主要以n 0 3 。n 作为电子 受体完成，以0 2 作为电子受体只占很少的比例，因此可以节省供氧曝气的动力消耗。 该工艺为双污泥系统，硝化菌在生物膜上呈附着式生长，这不仅给生长速率较慢 的硝化菌创造了一个稳定的环境，增加了系统中硝化菌的生物量并提高了硝化率， 也缩短了水力停留时间并减小了反应器的体积，硝化反应已经不再是工艺运行的限 制性因素；另一方面，d p b 悬浮生长在另一污泥系统中，两者的分离解决了传统工 艺中聚磷菌和硝化菌对污泥龄不同的要求，两种菌群都在各自最佳的环境中生长， 这样更加有利于维持除磷脱氮系统运行的稳定性，系统的可控制性也得到提高。 在无需大规模污泥回流的前提下就能使出水保持较低的n 0 3 - n 浓度。d p b 污泥产 量有所降低，减少污泥后续处理费用【4 5 6 7 9 1 。 目前，对反硝化除磷工艺的研究大多是采用单一底物( 如h a c ) 进行纯培养、模型 第1 章绪论 模拟以及人工配水展开，这事实上无法模拟和再现实际污水处理的真实情况。同时， 因大部分工艺研究又以机理研究为主，对于工艺运行过程中的诸多重要参数未能给 出明确的阈值，这给反硝化除磷工艺的推广和应用带来了困难。目前城市生活污水 都呈现出排水量增大、污水c o d 删肿值下降的趋势。各大中城市生活污水处理厂 都面临着在低c o d ，烈厂r p 值情况下，如何保证达到生物除磷脱氮处理达标排放的难 题，迫切需要对生物脱氮除磷工艺的运行过程展开进一步的研究，弄清其中许多目 前尚未清楚的问题，为提高生物除磷脱氮的效率找到根本的出路。在目前提倡发展 可持续污水处理模式的背景下，以实际生活污水为处理对象，研究a 2 n 工艺除磷脱氮 运行效果以及过程的优化控制，对城市污水除磷脱氮具有重要的指导意义和现实应 用价值。 综上所述，由于我国水体的氮磷污染已经非常严重、现有污水处理厂运行费用高、 脱氮除磷效果不稳定和无法达到排放标准的现状，深入、系统地研究反硝化除磷工 艺及其运行，并将其推广应用到实际工程中，对于降低污水氮磷的排放总量，减少 污水处理的投资费用，促进我国水环境污染和水资源短缺的根本好转以及水环境的 可持续发展有重要的意义。 1 1 2 课题来源 本课题为国家“8 6 3 ”重大科技专项( 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 1 0 ) 污水高效脱氮除磷深度处 理技术优化集成与示范”以及国家自然科学基金项目( 编号：2 0 3 7 7 0 0 3 ) “短程硝化 后再实现反硝化除磷的新技术及其模糊控制”中的部分研究内容。 1 2 污水生物除磷脱氮理论及工艺技术现状 1 2 1 传统生物除磷机理以及工艺研究现状 常规的好氧生物处理工艺中，污水中含磷化合物除少部分被微生物用于自舟的繁 殖两戆活毪污浞撵塞，夫帮分潋磷酸簸静形式涟薤囊爨承j 入环凌。爨l i 曲i g 翡最低 定律褥到，磷浓度的高低将成为藻类生长的限制因子1 1 0 】。因此，如何经济、有效地 终糕浮瘩孛豹禽磷量袋必茨史零俸害罄葬弦豹关键，瑟生秘除磷工艺簸是嚣蓊最菇 的解决方案i l ”。到目前为止，囡际上蓠遍认可和接受的生物除磷理论是“聚台磷酸盐 ( p o l y 巾) 累积微生镌”一聚磷藏( p 酗拙a e e 程m 聪n go r 辫i s m s ，蔼称p a 0 s ) 懿 释磷吸磷原理：在厌裁，好氧交替运符条件下驯化出的p a 0 s ，它能够过量的、在数 量主越过其生灌曩要邈麸步 部繇囊孛摄取磷，并疼耩摄取熬磷缢聚含磷酸楚豹形式 贮存在细胞内，形成商磷污混排出系统外，达到将磷从污水中去除的嗣的1 1 2 1 ，1 4 1 5 1 。 生物除磷熬过程通豢馁撬厌襞释磷器好氧吸辚嚣令过程，葵找滏摸戏懿圈1 1 蓊示 ( 1 6 1 北京工业大学工学硕士学位论文 厌氧环境：放磷、贮碳好( 缺) 氧环境：摄磷、耗碳 图l 一1p a o s 释磷与吸磷机理示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a 野珊o f p h o p h o r a i l sr e l e 器e 柚du p t a k eb yp a o s 厌氧释磷机理：在厌氧条件下，p a o s 水解胞内的p 汀p ，形成a d p 和能量，同时 将胞内的多聚磷酸盐( p 0 1 ) r p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 p ) 的形式释放到混合液 中。另一方面，p a o s 利用糖原发酵产物( n a d h 2 ) 和能量摄取污水中的有机物来合 成大量的p h a ，并贮存在其细胞内。此时表现出磷的释放，其反应式表示为： a t p + h 2 0 0 ：每a d p + h 3 p 0 4 + 能量 好氧吸磷机理：在好氧条件下，p a o s 利用氧化分解胞内储存的p h a 所产生的能 量完成繁殖与代谢作用，而a d p 获得这部分能量，用来合成a t p ；同时，p a o s 超量 吸收混合液中的磷酸盐来合成多聚磷酸盐及糖原等有机颗粒，并储存在细胞内。此 时表现出磷的吸收，其反应式表示为： 爿d p + 坞尸q 劳能量。寸爿”+ 峨。 以图1 1 为依据，满足p a o s 环境和基质需要的强化生物除磷工艺( e i l l l a n c e d b i 0 1 0 9 i c a lp h o s p h o m sr e m o v a l ，缩写为e b p r ) 原理如图1 2 所示。这种除磷工艺现被 称为o 工艺h 。 自然界中，许多细菌能从外界吸收可溶性磷酸盐，并在胞内转化成聚磷酸盐积累 起来，作为贮存物质。为此，国内外许多专家围绕p a o s 展开了大量的研究。早期的 研究认为，除磷微生物的优势菌属主要是莫拉氏菌群( a c i n e t o b a c t e r ，不动杆菌属) 。 f u h s 等对b a l t i m o r eb l a c k 砒v e r 和s e n e c af a l l s 两个具有较好除磷效果的污水厂曝气段 活性污泥进行检测，发现不动杆菌属与磷的去除密切相关【1 7 】。b u c h 趾利用纯培养分 离技术研究分析了除磷效果良好的几个试验装置及污水厂的曝气活性污泥，表明不 动杆菌是其中的优势菌种，他认为污水生物除磷过程首先是富集不动杆菌属，然后 通过该菌属过量吸收磷以达到除磷的目的【1 8 l 。此后，l 0 t t e r 【1 9 l 、c l o e t e 、b a y l v 等1 2 1 】 和b e a c h a m 吲也相继在除磷的活性污漏中检测到了大量的不动杆菌属。然而，目前 更多的研究表明生物除磷过程中起主要作用的p a o s 并非不动杆菌属。c l o e t e 等和 第l 荤绪论 b r o d i c h 等【2 3 i 通过研究发现，不动杆菌属是少数菌属，只占其总量的1 1 0 ，而优 势藿鼷梵馁单施蓥属( p s 鼬& 矬巍磁) 秘气单溅蓑震( a e d o 搬。廷a s ) 。臻芏a i 撼莓掣l 比较了生物除磷工艺活性污渥与非除磷工艺活性污泥的微生物组成，发现两者中的 不动移菠都琴占饯势，在彤0 法蒎磷王芑鹁活瞧污淀中，不麓謇 蓑嚣约只占劐1 ； 而后，w a 口e 水5 】等、b o n d 等及im a d e 等鲫利用特异性1 6 sr r n a 靶向寡核营酸探针 荧光暇使杂交( 筵臻联s 珏) 按沭对除璞污泥中涎a e 遗e 豳鞯瞅s p p 遴移标定，均发瑗 该菌属古全部微生物的量还不足1 0 。我国的朱怀兰等通过对除磷系统微生物的分离 发现；系统中浆优势藏转为假肇腿莹嫒四。由此可见，、不动楞麓姜不是难一麴除骥 微生物，也并非为除磷污泥中的优势荫属，其它微生物除磷的能力更不容忽视】。 气单臌菌属& 够过量摄取污水巾的磷蕊形成聚磷酸盐腿内物艨；假单胞萤属舆舂除 磷菌的共性，即在厌躐条件下释放磷和在好氧条件下过量摄取磷，并能够累积聚磷 酸盐，在过量摄取磷过程中其细胞外膜上诱导产生的磷酸专一性孑l 道骚自起麓重要 作用1 3 镯。 裁 放 图1 - 2 以p a o s 释、啜磷蠢愿攥鼬e b 臌豫磷工艺漉程溜 f i g 1 - 2 跚伽c e d b i o l 晒c 8 lp h o s p h a r o u sr e m o v a l 鹕b p r ) p r o c e s s b 粼do nt h e o r yo f p h o s p h o r o l l s r c l e e 籼d 鄙锄潞姆p a o s 随着分予生物技术的发展，幂鼋学家们已将荧光抗体染色、荧光原位杂交f i s h 和 聚合辩链式袋斑( p c r ) 等蔽术应用至穗b p r 徽壤物的种属研究中。研究结栗郝证弱 漾磷微擞物并j # 只由一种优势菌属组成，而是由几种不同的菌属组成的，并且不同 蔼满阊浆耜甄作用对琰疆，k 王艺中p a o s 酌相瓣数藿趋着燕要鹣影响作用【3 l l 。 大激试验缩采表明，漾磷菌细胞中的p h a 和聚合磷酸盐颗粒在生物除磷中起着重 器黪 乍掰，梵箕是p 弧，它在黛物豫磷系统中扮演麓髓簧交挠瓣豹角色，能移巍蕊 及跌徽擞粝蔽磷和释磷的状况戳及生物陈磷的罐终效果3 3 w 】。国外穰多学者对生 物除磷豹援壤帮动交学薅进行磷究霎曩，雾利溺浏定p 酞蓬，获分子承平更精确翘考 察微生物的涂磷进稽及梳理戮。餐。我国天津大学静嗣淑媛等就p h a 在豫磷过程巾的 生犍枫壤进嚣了系绞浆磺究。媳锭辩垒物除磷工艺中溪性浮混样菇麓p 酞私p 西尊 鬏粒避纷染惫，发袋在淡氧毅( 氧纯迩藤电傻在i 4 0m v 该下) 污泥细胞内韵p 酝颡 牲迅速、大爨蜷增热，浆磷羧蕊颞糠迅速减少；在磐氧毅( 氯纯还爨毫经在i m v 以上) 海泥缁藏肉懿p 辍鬏羧避邃减少，聚磷酸盐鬏粒逐这增加。虢魏，佟者提出 j 褒工韭大学王学硬士学位论文 可以通过对活性污泥进行直接染色，观测活性污泥细胞内的p h a 和聚磷颗粒数缀的 变纯，疑霭来判断生耪除磷的效采f 3 麓豳。 l 。2 2 传统生物脱氦机理及工艺研究现状 污水生物脱氮是在硝化菌和反硝化菌参与的反应中，将污水中的氨氮最终转化为 氮气从褥褥以去除。硝他和反磷化过程掰参与驰微生物秘类不固、转他媳基鹰不同、 所需要的反应条件也备不相同。硝化反成是将n h 4 + 悄转化为n 0 3 。- n 的过程。它包括 硬个基本的反成步骤：旺硝酸藏( n i 蚴s q m o n a s ) 参与的是将n 磁+ - n 转饯为n o ，n 的反应；硝酸篙( n i 缸椭a c t e r ) 参与的怒将n 0 2 “悄转化为的n 0 3 。州的反应。其中妲硝 酸菌包括亚硝羧单胞菌属、亚硝酸螺杼蔼属等；硝酸镄骞硝酸杆菌属、硝酸螺毽羼 和硝酸球菌属簪。耍硝酸菌和硝酸菌都满于诧能自养型胬，它们能够利用c 0 2 、c 0 3 2 。 和h c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、n h 4 + 瑚或n 0 2 的氧化还原反废获得s 囊 1 0 】【3 2 1 。 硝纯复应过程需要谯好氧条件下进行，并阻氧气作为电子受体。其及应方程戏可 以表示为： 脚：+ 兰o ，一里蝗毛婀+ 哎o + 2 片 2 + 掀+ 三珏壁墼夔，硼 2 +。 反硝化是将硝化过摆中产生