（环境工程专业论文）碳源浓度对反硝化聚磷效果的影响研究.pdf

西安建筑科技大学硕士毕业论文 5 3 7 1 0 3 侈 碳源浓度对反硝化聚磷效果的影响研究 专业：环境工程 硕士生：赵庆 指导教师：袁林江副教授 王志盈教授 摘要 为解决日益严重的水体富营养化的问题必须对污水中的氮磷加以去除。在污水的生物处 理过程中，由于脱氮和除磷过程均需要有机物作为供氢体，所以同一工艺中脱氮与除磷的矛 盾实际上是碳基质问题。而反硝化聚磷使反硝化与聚磷这两个需碳源的过程合而为一，从而 可以解决碳源的双重消耗问题。 s b r 工艺是一种简易，快速且低耗的废水生物处理工艺，具有工艺简单，理想的维流式 反应器的特征，运行方式灵活，脱氮除磷效果好，以及良好的污泥沉降| 生能等优点。 本文通过理论分析，并利用s b r 系统，以厌氧缺氧好氧运行方式进行了不同碳源浓度 下的反硝化聚磷实验。试验结果表明： ( 1 ) 在c p 值大于2 3 ，c n 值大于7 ，厌氧( 2 h ) 一缺氧( 1 5 h ) 一好氧( 1 5 h ) 的运 行条件下，s b r 中均有9 0 以上的磷、氮以及c o d 的去除率，其中反硝化聚磷比例高达 6 0 - 7 0 以上。 ( 2 ) 在c p 值大于2 3 ，c n 值大于7 ，厌氧( 2 h ) 一缺氧( 1 5 h ) 一好氧( 15 h ) 的运 行条件下，随着碳源浓度的降低，释磷、聚磷速率以及聚磷菌吸收利用碳源速率都有所降低， 但变化并不显著。而对反硝化速率下降有较明显的影响。 ( 3 ) 在以a 2 ，0 方式运行的同步反硝化聚磷s b r 系统中，回流至厌氧段的n o 。一n 以及 缺氧段过高的碳源浓度对除磷的影响表明，理想的环境中应避免碳源与电子受体的同时存 在。即避免n o 。一n 西流至厌氧段，同时应该避免缺氧段中存在碳源，否则会影响除磷效果。 ( 4 ) 在生物除磷系统中，至少存在三类利用不同形式电子受体的聚磷菌：即只能利用 0 2 为电子受体的；只能利用n 晚一n 为电子受体的；既能利用0 2 也能利用n q n 为电子 受体的。后两者的存在为实现同步反硝化聚磷提供了思路和可能。 ( 5 ) 在实现同步反硝化聚磷的a 2 1 0 工艺中，去除1 0 m g l 1 1 ，1 5 m g l n 0 3 一n 及1 6 m g l n 王 4 一n 仅需要2 3 0 m g l c o d 。将比传统工艺减少3 0 左右的碳源，并因好氧曝气停留时间 的减少，而相应减小反应器容积。 关键词：s b r ；反硝化聚磷；碳源浓度：电子受体；聚磷菌 西安建筑科技大学硕士毕业论文 e f f e c to fc a r b o ns o u r c ec o n c e n t r a t i o no n d e n i t r i f y i n g d e p h o s p h a t a t i o n i l la 2 os b r s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h a oq i n g s u p e r v i s o r ： v i c e p r o f e s s o r y u a n l i n j i a n g p r o f e s s o r w a n gz t l i y i n g a b s 。i 。r a c l hi sn o td o u b tt h a tw em u s tr e m o v en u t r i e n to fw a s t e w a t e rf o ra v o i d i n gt h ee t 血o p h i c a l i o n p r o b l e r r li nb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a 邸n r ) p r o c e s s e s , b o t hd e n i l r i f i c a l i o na n dd e p h o s p h a t a l i o n r e q u i r e c a i b o n s o t t r c e ,s o ，t h e c o m p e t i t i o n f o rc o db e t w e e nd e n i l r i f i e r sa n d p h o s p h a t e - a c c t m a u l a l i n go 玛田1 i s r n si s o c c t m e di nb n r p r o c e s s e s t h i sp r o b l e ma s s o c i a t e dw i t l l c o dl i n f i t a f i o nc a nb es o l v e db yi n t r o d u c i n gd c r f i m f y i n gp h o s p h a t e - a c c t r n u l a 6 n go r g a n i s m s r e s p o n s i b l e f o ra n o x i c p h o s p h o r u su p t a k e i n t ob n r p r o c e s s e s s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) h a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s i r n g ep r o c e s s ，i d e a lp l u gf l o w p r 0r e a c t o r , a d a p d co p e r a t i o n ，g r e a te f f i c i e n c yo fd e p h o s p h a t a t i o na n d d e n i l r i f i c a f i o na n dg r e a t s l u d g es e t t l i n gc h a r a c t e r i nt h i ss t u d y , s b r e x p e r i m e n t s w c a ec a r r i e do u tw i t ha n a e r o b i c - a n o x i c - a e r o b i cp r o c e s s e s su n d e r v a r i e t yo f c a r b o ns o u i c ec o n c e n t r a t i o nc o n d i t i o n t h ec o n c l u s i o n s a r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) i na n a e r o b i c - a n o x i c - a e r o b i cp r o c e s s e s s ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fc y p 2 3 ，c n 7a n d1 5 h a n o x i cp h a s e , s b rh a sm o r et h a n9 0 r e m o v a l e f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u s ，n i t r o g e n a n dc a r b o n a n d t h er a n g eo f s i m u l t a n e o u s d e n i l r i f y i n gd c p h o s p h a t a f i o n i sm o r et h a n6 0 0 p 7 0 ( 2 ) i na n a e r o b i c - a r n x i c - a e r o b i cp m c e s s e s s ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fc p 2 3 ，c t n 7a n d1 5 h a n o x i cp h a s e ，t h er a t eo f p h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k eh a v en os i g n i f i c a n tc h a r g er e s p o n s i b l ef o r v a r i e t yo f c a r b o n s o u i v , ec o n c e n t r a t i o n b u tr a t eo f d e n i t r i f i t i o nh a s s i g n i f i c a n tc h a l g ea b o u t i t ( 3 ) i na n a e r o b i c - a n o x i c - a e r o b i cp r o c e s s c s s , f o rt h ei d e a ld e n i l r i f y i n gd e p h 蛔删伽c a r b o n s o u r c ea n do x y g e ns o u r c c s h o u l d n o t b e p r e s e n ts i m u l t a n e o u s l y ( 4 ) i ne b p r p r o e e z s e s s , b a 自 he x p e r i m e n t a lt e s t su n d e r 也i e ed i f f e r e n te l e c t r o na c c e 辟o r $ c o n d i t i o n s , i e o x y g e n , n i w a t ea n d l i x h l r 嚣o f n i t r a t ea r i do x y g e n , w e l e c a r r i e do u t u s i n ga c f i v a k x i s l u d g e c u l f i v a t e di nas b r ( 5 ) s t o i c h i o m e m cc a l c u l a t i o n ss h o w t h a t i nt h ea 2 os b r t h e r e q u i r e dc o d c m b e u p t o3 0 0 多 西安建筑科技大学硕士毕业论文 l e s st h a nf o rc o n v e n t i o n a la e r o b i cp h o s p h o r o u sa n dn i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m s a n dw i t ht h ea e r a t e p h a s eb e c o m i n gs h o r t , t h e v o l u m eo f t h er e a c t o ri sa l s od e c r e a s e d k e yw o r d ：s e q u e n c m gb a t c hr e a c k ) r ；, d e r 五t r i f y i n g 出p h o 印幢妇垃o i i ；c a r b o ns o u r c ec o n c 咖d 0 1 1 ； e l e c t r o na c e e p t o r s , 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 声明 本人郑重声明我所呈交的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本人或其他人在其它单位己 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：赵穴 日期： 土。3 ，致珀 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：太欠导师签名：窆寿盈日期：工一。3 、铽督 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士毕业论文 1 1 水体中氮磷的来源及危害 1 绪论 氮、磷是藻类生长的限制因子，水体中氮、磷浓度增高会导致水体的富营养化。事实上， 现在氮磷污染所造成的水体富营养化问题已经越来越严重。新颁布实施的污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中对所有排放污水中的氮磷含量都作出了明确的规定。尤其是其中磷( 以 正磷酸盐计) 的排放严格控制在o 5 m g l ( 一级标准) 和l m g a ( 二级标准) 以下，因此今后 大多数城市污水处理厂都要考虑加强除磷脱氮的技术措施。 然而，常规的活性污泥法主要去除的是污水中的含碳化合物和悬浮物，而对氮、磷的去 除率很低。所以己经很难适应新的环保需要了。新的形势迫切要求污水处理厂提高污水处理 的深度，随之就产生了多种污水除磷脱氮技术，在众多的技术中，与化学法相比，生物脱氮 除磷技术由于具有处理效果好、处理过程稳定可靠、处理成本低、操作管理方便等优点而得 到广泛的运用。近年来在该领域的众多研究者进行了大量的试验研究。 进入水体的氮磷营养来源是多方面的，其中人类活动造成的氮磷来源主要有以下几个方 面： ( 1 ) 工业和生活污水未经处理直接进入河道和水体：这类污水的氮、磷含量高，如进 入江、湖和海洋，造成藻类过度生长的危害最大。例如1 9 7 7 年8 月在我国天津近海区发生 的因富营养化引起的赤潮，历时2 0 天，过度生长的主要微生物为微型腰鞭毛目生物 ( p r o r o c e n t m m ) ，分析原因认为，赤潮发生时，前两个月受纳了大量污水，致使海水中氮、 磷和c o d 值增高。大量污染物输入近海水域，破坏了原有的生物群落结构，在其它条件的 配合下。造成了腰鞭毛目生物的过度生长。 ( 2 ) 污水处理厂出水排入水体：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工 业废水) ，其排放水都含有相当数量的氮、磷和硫。这是因为有机物披微生物氧化分解产生 的氨氮、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐，除构成微生物细胞的组分外，剩余部分都随出水排入河 道，成为藻类合适的养料。这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出现水质富营养 化和黑臭的重要原因之一。 西安建筑科技大学硕士毕业论文 ( 3 ) 面源性的农业污染物，农田肥料和农药，通过雨水冲淋、农业排水和地表径流带 入河道和水体。人工合成的化肥和农药是水体中氮磷营养的主要来源。施入农田的氮肥只有 一部分被农作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。为了取得高 额农作物产量，农田肥量越来越高，加上科学施肥及其推广问题尚未得到有效解决，进入水 体的流失肥料量也必然越来越大。有机肥料也可能经微生物分解成为可溶性无机盐，然后 进入地下水或江河湖泊。此外畜禽养殖业废料和水中野生动物的排泄物，氮磷含量相当高， 也会大量进入水体。 此外，随着城市人口的进一步集中，城市来源的营养物排放也越来越受重视除了上面 己提到生活污水和工业污水外，目前仍然在大量使用的高磷洗涤齐惺城市社会中进入天然水 体磷素的重要来源，故现在已经提出要尽快发展低磷或无磷洗涤剂。我国太湖地区，最主要 的磷污染源之一就是洗涤剂。 1 1 2 氮磷对人类生活及环境造成的危害 过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营养化过程。在光照和其它环境 条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类 死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶 化和水生态环境结构破坏，这就造成了所谓的水体富营养化现象。大多数水质富营养化实质 上是水体生态系统受污染造成的。生态系统在尚未受到污染的情况下，系统内的生物群体中 存在着多种多样的种群。生态系统受到污染以后，群体中的种数便逐渐减少，而能存活下来 的每个种的个体数却在增加。当污染严重时，往往只能看到少数几种生物，它们的个体数目 急剧增加。在富营养化的水体中所看到的正是这种生物群体种类减少，个体剧增的现象。生 态系统受污染程度越高，系统中的种就越少。藻类所需要的无机营养与植物相同，需求量大 的元素包括碳、氮、磷、氢、氧。c 0 2 是最主要的碳源，氮源是氨氮和硝酸盐，磷源是溶解 性磷酸盐类，氢和氧由水提供。藻类需要的微量元素有锰、硫、氯、铁、铜和其它许多金属 元素，这类元素一般在水中都是大量存在的。藻类生长的限制因素是氮和磷其含量通常决 定着藻类的收获量，所以水体中氮、磷营养盐类的增加，也就成为藻类过度生长的主要原因。 藻类在氮、磷利用匕存在一定的相关性。当磷含量盘吲氐浓度时，氮脓度对藻类生长的影响 比之磷处于高浓度时的影响为低。从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要往往更为重要， 生产力受磷的限制更为明显。这是因为水中氮的缺乏，可以有许多能固氮的微生物( 如某些 固氮细斯嗑藻) 来补充，尤其是浅水型封闭水体，光照充足，生物固氮作用活跃。另外， 人们发现藻类的过度繁殖程度与磷酸盐含量之间存在着某些平行关系，出现过度繁殖的那些 藻类往往能积累大量磷酸盐。藻类对有机氮的摄取比无机氮缓慢，但有机物可以作为代谢物 西安建筑科技大学硕士毕业论文 或维生素的来源促进藻类的生长；有机氮也可以通过促进细菌的生长，增加水体中的溶解性 c 0 2 量，为藻类光合作用提供充足的碳源。总体来讲，富营养化是水体受到氨磷污染，营养 物质进入水体并造成藻类和其它微生物异常增殖的结果。 富营养化的危害很大，影啊深远，它不仅在经济e 造成损失，而且危害人类健康。富营 养化水体在很多用途方面，都被认为是劣质水体。下面分别从几个方面来简述由氮磷引起的 富营养化状态对水体功能和水质的影响和危害。 ( 1 ) 使水昧变得腥臭难闻 处于富营养化状态的水体会出现许多藻类( 蓝藻) 的过度繁殖，使饮用水产生霉味和臭 味。在春末和夏季、秋天温度较高的时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解腐烂时，经 过放线菌等微生物的分解作用，使这些水藻散发出更加浓烈的使人恶心的腥臭。藻类散发出 的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉， 同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水的质量。 ( 2 ) 降低水的透明度 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面， 形成一层绿色浮箍 。经过风吹，水面这层绿色浮渣被密集、浓缩，由于表层水体悬浮着密 集的水藻使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养化严重的水质透明度仅有o 2 m ，湖水感 官性状大大下降。 ( 3 ) 消耗水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可获得充足的阳光，并从空气中获得足够的二氧化碳进行光合 作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。y _ b e 富营养湖泊的深层，情况就不同了。 首先，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入湖泊深层，而且阳光在穿射水层的过 程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显的受到限制而减弱，因而溶解氧的 来源也就随之减少。其次，湖泊藻类死亡后不断的腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解 氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而导厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种 厌氧状态可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成 富营养水体的恐陛循环。 ( 4 ) 向水体释放有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物， 而且对人类健康产生严重影响。在好几个国家中己发现蓝藻使人和家畜得病的情况。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本 湖泊和水库是重要的城市供水水源，约占我国城市供求量的四分之一。随着生产发展和 人民生活水平的提高，城市和工矿区对饮用和工业供水的水质水量需求与日俱增。然而，由 于水体富营养化问题日趋严重，故富营养化的水体作为水源时，会给净水厂带来一系列问题， 西安建筑科技大学硕士毕业论文 不少水厂发生制水困难，水质不佳，令人厌恶。我国的太湖、巢湖和滇池等地尤为严重。在 夏日高温季节，藻类增殖旺盛过量的藻类会给净水厂的过滤过程带来障碍，水藻经常堵塞 滤池。为了消除堵塞现象，需要改善或者增加过滤措施。其次，富营养水体在一定条件下由 于厌氧作用而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，而且在制水过程中水藻本身及其产 生的某些有毒物质增加了水处理的技术难度，既影响净水厂的产水率，又加大了制水费用， 有的甚至导致水厂关闭。 ( 6 ) 对水生生态的影响 在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡时的状态。但是，一旦水体受到污 染而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生态平衡就会被扰乱，生物种群量就会显示出剧 烈的波动；某些生物种类明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类的演替 就会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了湖泊生态平衡。 ( 7 ) 对渔业的影响 不少种类的蓝藻含有胶质膜或有毒，不适于作鱼的饵料。藻类的大量过度繁殖使水体中 溶解氧急剧变化，到8 月中旬后，因大量藻类衰败，沉入水底，而在水底被异养微生物分解， 使氧气耗尽，这就使鱼卵的孵化和鱼类的生存受到严重影响，从而严重影响鱼的生存和渔业 生产。 1 i 3 氮磷去除与污水的再生利用 污水的再生利用往往离不开除磷脱氮技术，这是因为传统的污水二级生物处理技术氮磷 去除能力低，氮磷含量较高的再生污水回用于城市水体、工业冷却水、工业生产用水或市政 杂用水时将造成以下危害： 氮和磷是藻类和水生植物的营养源，会造成城市水体的富营养化： 回用水中的氮磷可导致输水管道、用水设备繁殖生污垢、霉菌以及藻类等微生物，形成 的生物群体中掺加着黏土、金属氧化物等杂物形成污泥状的粘性物质，附着在输水管道 和热交换器表面上，易造成堵塞或影响效率： 氨氮的氧化会造成水体中溶解氧浓度的降低和碱度的消耗； 氨氮会增加消毒所需的投氯量，向含有氨的水中加入氯气时氨氮能与氯反应生成氯胺， 增加氯的用量： 氨对铜具有腐蚀性，若用含一定浓度氨氮的再生水作为冷却水回用时，对以铜为主要材 料的冷却设备有腐蚀损害作用。 因此，当城市污水作为城市第二水源开发时，对于某些回用对象，! 蝴对氮和磷的含量 加以控制。 一d 一 西安建筑科技大学硕士毕业论文 1 2 生物除磷脱氮技术的现状及研究动态 1 2 1 除磷脱氮技术的历史发展 对于氮、磷的去除，目前主要有物理化学法和生物法。物化法脱氮主要有沸石选择性交 换吸附，空气吹脱及折点氯化。沸石选择吸附法溶液p h 值对沸石除氯影响很大，且吸附饱 和后需要进行再生。但再生液用量较大，再生时高浓度含氨废液必须进行处理。空气吹脱法 则是在碱性条件下( p h 1 0 5 ) ，废水中主要以氨氮( n h 3 ) 形式存在，经过与空气充分接触， 水中挥发性的n h 3 将由液相向气相转移，从而脱除水中的氨氮。此法虽流程简单，处理效果 稳定，但在低温时吹脱效率低，填料结垢往往严重干扰运行，且吹脱出的氨对环境产生二次 污染。折点氯化法对氨氮的去除效果稳定，不受水温影响。但其运行费用高，残余氯及氯代 有机物须进行后处理。 综上所述，对于物理化学法脱氮由于存在运行成本高，对环境造成二次污染等问题，实 际应用受到限制，而生物脱氯法能较为有效和彻底地除氮，且比较经济，因而得到较多应用。 磷的形态转化与氨和碳不同，氨和碳可被转化为n 2 和c c h 而释放，磷则只能依靠某种 沉积的方式使磷与水分离。 除磷的方法主要分为物理法、化学法及生物法三大类。物理法因成本过高，技术复杂而 很少应用。 化学法是最早采用的一种除磷方法。它是以磷酸盐能和某些化学物质如铝盐、铁盐、石 灰等反应生成不溶的沉淀物为基础进行的。 有许多种阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有实用价值的是价格比较 便宜的铁、铝和钙。它们都能与磷酸盐生成水溶性沉淀物。化学法除磷一般取决于以下四种 因素： 初始磷浓度； 沉淀用的阳离子浓度； 与磷争夺阳离子产生沉淀的其它阴离子浓度； 废水的p h 值。 化学法的特点是磷的去除率较高，处理效果稳定，污泥在处理和处置过程中不会重新释 放磷而造成二次污染，但污泥产量较大。 生物法由于具有处理效果好、处理过程稳定可靠、处理成本低、操作管理方便等优点而 得到了广泛的运用。 西安建筑科技大学硕士毕业论文 1 2 2 生物脱氮除磷技术的历史发展 ( 1 ) 生物脱氮的发展历史 生物脱氮是通过生物硝化一反硝化反应实现脱氮。首先在好氧环境下自养的硝化菌将氨 或铵氧化为硝酸，然后在缺氧环境下由异养的反硝化菌将硝酸还原为氮气，从而将氮去除。 自1 9 3 0 年w l 】l l 册a n n 首先发现在脱氮菌还原硝酸盐的过程中，微生物可以利用其细胞内 物质作为反硝化过程的供氢体，并提出了微生物脱氮法；1 9 6 0 年前后，b d n 眢q a a n n 又提出，在反硝 化细菌的代谢过程中微生物还可以城市污水中的有机物作为有机碳源，这样在这两种微生物 脱氮方法的基础上，1 9 6 0 年以后，微生物脱氮方面的研究进展很快。1 9 7 0 年以后便出现了以下 三种碳氧化、硝化和反硝化三者相结合工艺( 见图1 1 ) ： a 碳氧化、硝化、反硝化分级： b 碳氧化和硝化结合、反硝化分级： 进水 l 碳氧化+ 硝化反硝化 c 碳氧化、硝化、反硝化结合： 图1 1 三种基本脱氮组合 但是这三种系统都需要在硝化阶段投加碱，在反硝化阶段投自有机物，这使得生物脱氮 系统的运行费用较高。为改进这些特点，2 0 世纪舯年代前后，又产生了将反硝化设备放置 在处理系统最前面的前置反硝化生物脱氮法，又称缺氧、好氧生物脱氮法，成为目前最广泛 采用的脱氮工艺。 ( 2 ) 生物除磷的发展历史 生物除磷是通过一类称为聚磷菌的异养型细菌的超量摄磷来实现的，这类细菌在厌氧且 无n 一和s 0 4 2 一时，利用细胞内多聚磷酸盐( 异染粒) 水解反应来获取能量，用于吸收外界 有机物并同化为细胞内储备营养物聚b 一羟基丁酸( p h b ) ，水解产物正磷酸盐则被释 放到细胞外( 释磷过程) ；在好氧条件下，利用0 2 为最终受氢体氧化细胞内p h b 产生能量， 用于从细胞外摄入磷酸盐并合成多聚磷酸盐( 摄磷过程) 。由于摄 的磷量比释放的量多， 一6 - - 西安建筑科技大学硕士毕业论文 从而在厌荤 好氧环境交替过程中，废水中的磷被净摄入的p a o 菌体内通过排除污泥达到 去除磷的目的。 早在1 9 5 5 年，g r e e n b u r g 等人就提出活性污泥可吸收超过微生物正常生长代谢所需的磷 量：s r i n a r h 等( 印度) 于1 9 5 9 年、a l a r c o n ( 美国) 于1 9 6 1 年各自独立的发表了关于一些 活性污泥污水处理厂去除的磷超过一般微生物代谢需求量的报道；1 9 6 5 年，s t l a p i r o 和他的 学生l e v i n 对磷的吸收和释放现象作了广泛的调查研究，并首先提出磷的过量吸收与微生物 代谢密切相关。1 9 7 4 年，b a m a r d 发表了他的重要研究成果，报道了生物除磷的关键性运行 条件，指出当污泥先处于厌氧状态，然后再紧接好氧阶段，就可以达到除磷的目的。这以后， 生物除磷技术得到迅速发展，各国学者根据厌氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、数量增 减以及混合液循环和回流方式的变化，提出了一系列生物除磷工艺和技术。 1 2 _ 3 生物除磷脱氮技术的现状 虽初，生物除磷脱氮具有各自独立的生物处理工艺。1 9 7 3 年，b a m a r d 在作生物脱氮的 试验时发现，如果反硝化进行得很彻底会产生明显的除磷效果，故提出了同时除磷脱氮的 b a r a e n p h o 工艺( 图1 _ 2 ) 。而后他于1 9 7 6 年建议在b a r d e n p h o 工艺的初级缺氧反应器前增 加一个厌氧反应器，这样就出现了另一个同时除磷脱氮的p h o r e d o x 工艺( 图l _ 3 ) ，其简化 的工艺流程也就是a 2 o 工艺( 图1 4 ) l l 埘。由于生物脱氮和生物除磷系统具备相似的无氧 有氧交替环境，因而在工艺上往往合并。自此生物除磷技术得到迅速发展，各国学者根据厌 氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、数量增减以及混合液循环和回流方式的变化，提出了 一系列生物除磷工艺和技术。其中有很多工艺是对a 2 o 工艺所进行的改进，如v i p 工艺、 u c t 工艺以及j h b 等等。另外还有通过对曝气供氧的控制在空间和时间上形成厌氧与缺氧 环境的氧化沟工艺( 圈1 5 ) 和s b r 工艺( 图1 6 ) 。在这些生物除磷脱氮工艺中，目前发 展与应用于工程实践的有： b a r d e n p h o 工艺、a o 工艺( 如图1 7 ) 、s b r 工艺、p h o r e d o x 工艺和氧化沟工艺等。 混合液回流( 4 0 0 ) 西安建筑科技大学硕士毕业论文 图1 3p h o r e d o x 工艺流程 混合液回流 图1 4a 2 o 工艺流程 图1 5 氧化沟生物除磷工艺 图1 6s b r 工艺流程 图1 7a o 工艺流程 一8 一 西安建筑科技大学硕士毕业论文 1 2 4 生物除磷脱氮技术的研究动态 随着近代生物学的发展及人们对生物技术的掌握，脱氮除磷技术在以单纯工艺改革向着 以生物学特性研究促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗的处理水平。当前，微生物脱 氮除磷技术的研究热点主要有以下几个方面： ( 1 ) 解决系统中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌间的环境条件的研究。 系统中硝化菌与聚磷菌间的矛盾主要在于泥龄间的矛盾。由于硝化菌世代周期较长而 聚磷菌多为短世代微生物，显然硝化菌和聚磷菌在泥龄上存在着矛盾。针对此矛盾，在污水 处理工艺系统设计及运行中，一般将系统的泥龄控制在较窄的范围内，以兼顾除磷与脱氮的 需要。另外为了能够充分发挥脱氮菌与聚磷菌两类微生物的各自优势，有的研究者提出了改 良的工艺流程以使两种菌间泥龄的矛盾得以解决。近几年有很多研究中提出将活性污泥法与 生物膜法相结合来使这一矛盾得以缓觯目，这时，系统中就存在两种菌群：短泥龄悬浮态活 性污泥菌群和长污泥龄的生物膜上附着的菌群，这样，系统就可1 很好地解决硝化菌与聚磷 菌间泥龄的矛盾了。 由于快速生物降解基质理论及其推论的发展，人们逐渐认识到反硝化菌与聚磷菌间的矛 盾主要是由于存在着基质竞争而引起的，因而现今有很大一部分研究者将工作的重点转移到 了对碳源需求的研究上。 ( 2 ) 解决碳源需求问题的研究。 除磷和脱氮过程中的反硝化菌和聚磷菌间的矛盾主要是由于存在着基质竞争而引起的。 传统生物除磷机理认为【4 1 5 q ：在厌氧环境下，聚磷菌只能利用污水中的易生物降解c o d ( r b c o d ) ，主要是溶解性c o d ( s c o d ) 的挥发性脂肪酸( 1 a ) ( 以乙酸为主) 。其它物 质都要经水解发酵后转化为乙酸等v f a 后才能被聚磷菌利用。而在缺氧环境下，反硝化 菌先于聚磷菌利用乙酸等r b 0 0 d 进行脱氮导致p a o 释磷程度降低，细胞内p h b “库” 存量减少。同时厌氧条件下磷释放的充分程度和合成的p h b 量是随后好氧条件下过量摄磷 的充分条件和决定性因素。因此系统的除磷效率决定于污水中r bc o d 的多少，一般进水溶 解性b o d t p 不小于1 5 时才能保证出水磷小于1 m 鲫川。而实际上大多情况下污水中的 r b c o d ( 主要为1 a ) 有限。污水中这部分碳源相对不足是导致整个系统脱氦除磷效率不 佳的主要原因哪。为此，国外自八十年代以著进行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇 ( 称外加有机碳源) ，并在工程实践中得到了应用。然而，虽然外加有机碳源反硝化速率快， 脱氮效率高，但运行成本也相应大幅度提高，因而是要努力避免使用的方法。基于以上原因， 研究者们进行了大量的工艺改进，主要有以下几方面： 西安建筑科技大学硕士毕业论文 改进工艺以将除磷和脱氮在空问或时间上分开，即在不同反应器中完成或在同一反 应器的不同时间段内完成分别设置厌氧、缺氧、好氧环境来满足脱氮与除磷要求，这样做 一方面是为了使p a o 能够优先摄取到污水中的v f a ，尽可能充分地释放磷，聚积p h b ( 如 a 2 o 工艺) ；另一方面尽量避免脱氮过程中从好氧段回流来的混合液中的硝酸盐与p a o 接 触，以消除硝酸盐对除磷过程所造成的不良影响( 如b a r d e m p h o 工艺) 。 快速可替代有机碳源的研究。进入九十年代后，寻找快速可替代有机碳源已经成为 了污水生物除磷脱氮的研究热点之一。对于处理城市污水的系统，由于污水的组成中6 0 的 c o d 为颗粒态有机物，可通过沉淀去除，而一般初沉池对颗粒态有机物的去除率可达6 0 【9 】，再加上初沉池中的脂肪、蛋白质等就构成了大量的有机碳源，如果能将这些慢速降解有 机碳源的一部分转化为快速有机碳源，再投加到污水中去，则该部分转化来的快速有机碳源 将使污水的生物除磷脱氮赦率大大提高。基于这一设想，有些污水处理厂设立初沉污泥发酵 池，利用发酵池上清液来补充原水v f a 含量之不足，但由于初沉污泥水解发酵需要较长停 留时间，发酵池所需体积较大，而且有机物降解过程也不易控制在水解发酵阶段，部分非聚 磷肝糖元积累菌( g a o ) 和产甲烷菌的增殖也会消耗掉相当一部分由厌氧水解发酵菌产生的 v f a ，使得这一弥补碳源不足的方法难于收到预想的效果。所以国内有部分学者正在研究如 何采用生物技术将初沉污泥这种潜在的碳源高速高效地转化为快速有机碳源，来增强生物除 磷脱氮过程，以达到提高污水除磷脱氮效果和废物利用的双重目的。 ( 3 ) 短程硝化反硝化的研究。 进年来国内外学者对污水脱氮工艺实践中暴露出的问题和现象进行了大量理论和试验 研究，并提出了一些新的观点和方法，其中短程生物脱氮法由于具有节能、节约外加碳源、 缩短水力停留时间和减少剩余污泥排放量等优点而颇受重视，并具有重要的应用价值。早在 1 9 7 5 年v o e t 就发现亚硝酸盐在硝化过程积累的现象，并首先提出了短程硝化一反硝化的 概斜1 0 1 ，随后s a u t c r “】、s u t h e r s o n 1 2 1 等先后进行了一些试验。1 9 8 4 年美国普度大学a l l c m a n 1 3 】 根据a n t h o n i s e n “】的间歇试验结果提出了选择性抑制理论其后m a v i n _ i c 又采用缩短污泥龄 的方式，但效果并不明显。有的研究采用双重抑制( 混合茵群同时接触高浓度游离氨和酚) ， 但也发现硝化菌存在着适应性的现象。进入9 0 年代以后，短程硝化一反硝化的研究再次进 入高潮，其中最具代表性的是法国应用科学研究所的c n , d i v i l 等在欧共体环境科学技术计划 的支持下分别对亚硝酸盐在活性污泥、固定床以及三相流化床中的积累途径和可行性进行的 研究，特别是m u l d e r 拥发明的s h a r o n 工艺使硝化系统中亚硝酸盐的积累可接近1 0 0 ， 并且已经应用于荷兰r o t t e r d a m 和u u e c h 两座城市污水二级处理厂的消化上清液单独生物脱 氮处理中但s h a r o n 工艺的出水氨氮不能达到完全氧化( 主要是污泥龄太小) ，在冬季仍 西安建筑科技大学硕士毕业论文 需加温。在众多影响工艺过程的参数中，溶解氧是影响硝化过程的重要因素之一，不少研究 结果证明了低溶解氧下生物膜系统可获得持久、稳定的亚硝酸盐积累。西安建筑科技大学王 志盈、彭党聪等学者采用下向流循环生物流化床反应器( d b f b ) ，分别在高浓度氨和低溶解 氧条件下探讨了亚硝化过程的稳定性。谗- v g t 结果证明：通过高浓度游离氨对硝化菌选择性抑 制所获得的亚硝酸盐积累是不稳定的；在o s 1 o m g a 溶解氧下，d o 成为增殖的限制因素， 可实现亚硝酸盐的稳定积累【l 叫”j 。 无论是s h a r o n 工艺还是利用低溶解氧下亚硝酸盐的积累，其本质均是利用了微生物 动力学特性固有差异而实现两类菌的动态竞争与选择的结果，尤其是降低d o 作为实现短程 硝化的控制是对传统好氧处理和传统生物脱氮处理的深化，但诸如活性污泥的沉降性和污泥 膨胀、d o 下同步硝化反硝化等问题仍有待于进一步研究与完善。 ( 4 ) 反硝化聚磷的诱导与调控研究。 在以往的诸多方法中，要提高除磷效率往往伴随着脱氮率的下降。比如，在大部分改进 的除磷脱氨工艺中，都是将厌氧区放于缺氧区之前，这样水中的有机物在经厌氧区聚磷菌的 利用后已经所剩无几，因此就影响到了随后的缺氧区的反硝化过程。所以我们希望聚磷菌或 者聚磷菌的一部分能够在缺氧条件下也进行反硝化作用，这样对碳源的竞争就可以在很大程 度上得到缓解了。因此国内外有些学者设想如果将反硝化与除磷这两个需碳源的过程合二为 一则可以解决碳源双重消耗问题，即在缺氧环境下利用硝酸盐作为电子受体，同时进行反硝 化作用和超量聚磷，这样就可以最大程度地减少碳源需求量。污泥中的细菌可以在缺氧条件 下吸收同一份r b c o d 同时用于脱氮和摄磷，以克服污水中r b c o d 不足的问题，提高脱氮 除磷效率。近几年国外b a k e o s l 和k u b a 0 9 等就发现在某些改良的u c t 脱氮除磷处理系统中 污泥能够利用硝酸盐作为电子受体，在缺氧环境下同时进行反硝化作用和超量聚磷，认为存 在反硝化聚磷的细菌( d n p a o ) 。m e i n h o l d t “】在试验室进行的小型间歇试验也观察到同步脱 氮除磷的现象，证明部分p a o 具有利用硝酸盐进行脱氮的能力，则利用这一种细菌来进行 生物除磷脱氮就既可以基本解决以上所提到的碳源需求等问题，又可以用d n p a o 来实现传 统除磷脱氮工艺中的反硝化菌和聚磷菌两类细菌的功能，减少污泥产量，刚氐污泥处置费用， 当然还可以实现减少构筑物数量和所需体积等优点。但由于有研究表明磷的去除效果在很大 程度上取决于缺氧环境中硝酸盐的浓度。硝酸盐浓度不足则磷的过量摄取受限；硝酸盐浓度 过高时，带入厌氧段的硝酸盐会影响磷的释放。所以不同环境条件下，d n p a o 的诱导增殖 与代谢途径变化规律以及系统中d n p a o 菌群演化数量的判定和调控方式等都是亟待研究的 课题。 西安建筑科技大学硕士毕业论文 1 _ 3s b r 污水生物处理技术的发展及应用 1 3 1s b r 工艺概述 序批式( 间歇) 活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，简称s b r ，是近年来在国内外 被引起广泛重视和研究日趋增多的一种废水处理工艺，在2 0 世纪8 0 年代，国外对其研究进 入了工业化生产阶段。2 0 世纪8 0 年代末我国的些科研单位及大专院校也对其展开了研究， 并在实际工程中开始应用。 其实，s b r 作为废水处理技术并非是污水处理的新工艺。早在1 9 1 4 在英国学者a r d e r r l 和l o c k e t 发明活性污泥法时，采用的就是这种处理系统。虽然这种运行方式效率较高，但由 于当时的自动监控水平较低，而间歇处理的控制阀门十分复杂，工作量大且难以操作，特别 是在后来随着城市和工业废水处理规模的日趋大型化，间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性 污泥法所代替。 近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，解决了活性污泥法开发初期间歇操作 中的复杂问题，使该工艺的优势得到了逐步充分的发挥。而监控技术的自动化程度以及污水 处理厂自动化管理要求的日益提高，又为间歇式活性污泥法的再度深入研究和应用，提供了 极为有利的先决条件。 s b r 工艺在设计和运行中，根据不同水质条件、使用场合和出水要求，有了许多新的变 化和发展，产生了许多新的变形。如i c e a s ( t n t e m f i t t e n tc y c l i ce x t e n d e da e r a t i o ns y s t e m ) 工艺、d a t - i a t ( d e m a n d a e r a t i o n t a n k - i n t e r m i t t e n t a e r a t i o n t a n k ) 工艺、c a s s ( c y c l i c a c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ) 工艺、i d e a ( i n t e r m i t t e n td e c 利耐e x t e n d e da e r a t i o n ) 工艺、u n l t a n k 工 艺以及m s b r ( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 工艺等。 1 3 2s b r 的工艺流程及操作过程 序批式活性污泥法工艺是由按一定顺序间歇操作运行的s b r 组成的。s b r 工艺的一个 完整的操作过程，亦即每个s b r 在处理废水时的操作过程包括如下五个阶段：进水、反应、 沉淀、出水、闲置( 如图1 6 所示) 。 图1 6s b r 工艺流程 一1 2 一 西安建筑科技大学预士毕业论文 进水期 进水期是反应池接纳污水的过程，由于进水开始之前是上个周期的闲置期，所以此时 的反应器中剩有高浓度的活性污泥混合液，这也就相