（环境工程专业论文）低碳源、低能耗型改良a2o工艺脱氮除磷研究.pdf

摘要 摘要 传统的a a o 生物脱氮除磷工艺存在诸多问题，如由于反硝化菌和聚磷菌在 碳源上存在竞争，难以同时高效脱氮除磷：其次为达到较好脱氮效果，需要较 大的内回流比而导致运行费用较高。针对这些问题，提出了改良型a 2 o 工艺， 它采用厌氧池碳源分流、回流污泥预缺氧反硝化等技术，以提高系统的脱氮除 磷效果，同时降低运行费用。 本课题研究了改良型a 2 o 工艺的最佳工况条件和该工况条件下系统的运行 效果。研究结果主要包括：第一，厌氧区超越比是影响系统运行最重要的参数 之一，是在低碳源浓度下系统能否高效去除氮污染物最直接影响因素，不恰当 的超越比会使氮出水浓度升高，出水水质难以达标，但是超越比并非固定不变 的，需要根据进水水质进行调节；第二，预缺氧池水力停留时间也是影响处理 效果的主要因素，预缺氧池停留时间很短时，容易发生亚硝酸盐的积累，运行 管理较难；第三，在试验进水水质和最佳运行工况条件下，系统出水总氮 1 5 m g l ，氨氮 1m g l ，总磷 lm g l ，c o d 5 0m g l ，可达污水排放一级a 标 准。 本课题还通过物料平衡的方法验证了工况条件对污染物去除影响的试验结 果，氮和磷的平衡率分别为8 4 1 和9 6 1 ，试验结果可行度较高，同时指出氮 主要通过氧化作用被去除，去除比占4 8 6 ，而磷主要通过排放剩余污泥被去除， 占9 5 2 ；其次，通过对好氧除磷速率和缺氧除磷速率的计算，指出改良型a 2 o 工艺中存在明显的反硝化除磷现象，而反硝化除磷实现了”一碳二用”，解决了传 统a a o 工艺中各菌种对有限碳源的竞争以及能耗过高的缺陷；最后由于系统出 水水质较好以及工艺自身的特点，在实际应用中基本不会发生污泥上浮、污泥 膨胀等异常现象，且可通过自动化装置调节超越比来提高对污染物的去除效率， 运行管理较为方便。 最后，建议利用模型对改良型a 2 o 工艺进行机理研究并进行中试试验，为 其在以后的应用中提供更可靠的理论和实际依据。 关键词：改良型a 2 o 工艺，碳源分流技术，脱氮除磷，反硝化除磷 a b s t r a c t a b s t r a c t m a n yp r o b l e m s e x i s ti nt h et r a d i t i o n a la a o p r o c e s st h a tc a nr e m o v ep h o s p h o r u s a n dn i t r o g e ns i m u l t a n e o u s l yb yb i o l o g i c a lm e t h o d ，f o ri n s t a n c e ：f i r s t l y , p a oa n d d e n i 砸f y i l i gb a c t e r i ar i v a lf o rl i m i t e dc a r b o n $ o u l e e ，w h i c hr e s u l t si nt h a th i g h r v m o v a lf o rp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e ns i m u l t a n e o u s l yh a r d l yi sr e a l i z e di nt h ep r o c e s s ； s e c o n d l y , t 0o b t a i nah i g hr e m o v a le f f e c tf o rn i t r o g e n , i tn e e d sah i 【g hi n t c m a lr e t u r n s l u d g er a t i o ，w h i c hl e a d st oh i g ho p e r a t i o nc o s t a sf o rt h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m s ， w eb r i n gf o r w a r dt om o d i f i e da 2 op r o c e s s ，w h i c hu s e st h ed i s t r i b u l a r yt e c h n o l o g yo f c a r b o ns o u r c ef r o mt h ea n a e r o b i cp h a s ea n dp r e - a n o x i cd e n i t r i f y i n gt e c h n o l o g yo f r e c y c l e ds l u d g et oe n h a n c e t h en u t r i m e n tr e m o v a la n dr e d u c et h el u l le x p e n s e t h i sr e s e a r c hs t u d i e dt h eo p t i m u mt e c h n i c a lc o n d i t i o no f m o d i f i e di 2 op r o c e s s 。 a n dw et e s t e di t s 埘n l l i n gr e s u l t so nt h eo p t i m u mt e c h n i c a lc o n d i t i o nb yl a b - s c a l e e q u i p m e n t i td e m o n s t r a t e st h a t , f i r s t l ys u r p a s sr a t i o ( s r ) i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r so fm o d i f i e da 2 op r o c e s s ，a n di m p r o p e rs rw i l ll e a dt oh i g h n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n t , w h i c hm a yn o tb ea b l et oc o m p l yw i t ht h e c r i t e r i a , f u r t h e r m o r e , s ri sn o ti n v a r i a b l eb u tv a r i e sw i t ht h ei n _ f l u e n tc o n d i t i o n ； s e c o n d l yw h e nh r to f p r e - a n o x i cp h a s ei s0 6h o u r , t h es y s t e mc a ng e tb e t t e re f f l u e n t q u a l r i e st h a no 3 5h o u r , a n dw h e nh r t i ss h o r t e r , i tt e n d st oa c c u m u l a t en i t r i t ei nt h e s y s t e m , w h i c hm e a l l sh a r d e rm a n a g e m e n t ；t h i r d l yi nt h eo p t i m u mt e c h n i c a lc o n d i t i o n , t p , n h 3 - n ，t n ，c o dc o n c e n t r a t i o nc a l lr e a c hl e s st h a n1 o 1 0 ，1 5 ，5 0m g l r e s p e c t i v e l yi nt h ee f f l u e n t , w h i c hi sl o w e r t h a ns t r i c t e s tc r i t e r i a t h i sr e s e a r c ha l s ov a l i d a t e st h ee x p e r i m e n tr e s u l tb ym a t e r i a lb a l a n c em e t h o d i t d e m o n s t r a t e st h a tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb a l a n c er a t e si s8 4 1 a n d9 6 1 r e s p e c t i v e l y , w h i c hp r o v i d e sah i g hr e l i a b i l i t yt ou s a tt h es a m et i m e ，w ec a n k n o w t h a tn i t r o g e ni sm a i n l yr e m o v e db yo x i d a t i o n , a p p r o x i m a t e l ya c c o u n t sf o r4 8 6 ，b u t p h o s p h o r u si sr e m o v e dm a i n l yb yd i s c h a r g i n gw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ，a c c o u n t sf o r 9 5 2 f u r t h e r m o r e b yc a l c u l a t i n gt h ep h o s p h o r u su p t a k er o t e so ft h ee n o x i ca n d a e r o b i ct a n k s ，w ek n o wt h a tt h ep h e n o m e n o no fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l a b s a a c t o b v i o u s l yo c c u r si nt h es y s t e m , a n di tc a d s a v ee n e r g yc o s ta n dc a r b o ns o u r c e ，w h i c h s o l v e st h ec o m p e t i t i o no fl i m i t e dc a r b o ns o u r c ef o rt r a d i t i o n a la 2 op r o c e s s f i n a l l y , o w nt ot h eg o o de f f l u e n tq u a l i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m , o d dp h e n o m e n a s u c ha ss l u d g ef l o a t i n ga n ds l u d g eb u l k i n gs e l d o mt a k e p l a c ei nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ；i na d d i t i o n , a u t o m a t i o nm e c h a n i s me q u i p m e n ta r eu s e dt oc h a n g es rf o r e n h a n c e m e n to fn u t r i m e n tr e m o v a le f f e c tw h i c hi sc o n v e n i e n c ef o ro p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t i nt h ee n d , w es u g g e s tt h a tp i l o t - p l a n tt e s ta n df u r t h e rm e t a b o l i s ms t u d ys h o u l d b ec a r r i e do u tt op r o v i d em o f er e l i a b l et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le v i d e n c ef o rt h e f u t u r e ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m o d i f i e da 2 op r o c e s s , d i s t r i b u t a r yt e c h n o l o g yo fc a r b o ns o u r c e ， p h o s p h o r u sa n dn i n o g e nr 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 sr e m o v a l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：( 腆 y 窜年j 月哆日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 切一年 i l 洳刁罚 j 月y 、日 第1 章生物脱氮除磷概论 1 1 引言 第1 章生物脱氮除磷概述 近年来，水环境污染和水体富营养化的问题日益严重。而氮、磷是引起水 体富营养化的主要因素。随着公众环境意识的提高和国内外对氮、磷的排放的 限制标准越来越严格，研究开发经济、高效的去除氮、磷的污水处理技术一直 是水污染控制工程领域的热点。 污水脱氮除磷新工艺的开发基于对传统工艺认识的深化和微生物学及生物 化学方面的新发现或新认识。传统脱氮除磷工艺在脱氮和除磷之间存在碳源竞 争【1 1 ，而城市污水碳源浓度普遍较低，难以满足同时高效脱氮除磷的要求，尤其 南方城市污水低碳高氮磷的特点使这个矛盾更加突出；反硝化除磷是近些年来 发现的新现象，它是指在缺氧条件下某些微生物利用硝态氮为电子受体进行超 量摄磷，同时将硝态氮反硝化为氮气，从而达到同时脱氮除磷的效果。反硝化 除磷实现了“一碳二用”，并且大大节约了曝气能耗，为解决传统脱氮除磷工艺在 碳源竞争和能耗过高的问题提供了出路。 目前，一些老污水厂不具有脱氮除磷的功能，如何在不改变其原有水力停 留时间( h r t ) 的前提下将其改造为脱氮除磷工艺是当前城市污水厂升级改造的 又一难题。 1 2 生物脱氮除磷基本原理 1 2 1 生物脱氮基本原理 污水生物脱氮已经被证明是一种经济、可靠的处理方法，其基本原理为在 传统的二级生物处理中，通过生物化学反应将污水中的有机氮转化为氨氮；然 后在好氧条件下通过硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，最后通过反硝化作用将硝化 过程产生的硝态氮转化为氮气等气体形式产物排入大气，从而达到废水脱氮的 目的脚，同时部分氨氮通过同化作用合成新细胞并最终以剩余污泥形式排放，生 第1 章生物脱氮除磷概论 物脱氮过程中氮的转化如图1 - 1 所示【3 】。完整的生物脱氮过程包括氨化、硝化和 反硝化三个过程。 璃 化 作 用 有机物碟通 图l - i 生物脱氮过程中氮的转化 f i g 1 1c h a n g e so f n i 仃o g e nf o r m si nt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ( 1 ) 氮化作用 含氮化合物经微生物降解释放出氨( n h 3 - n ) 的过程，称为氨化作用。污水 中的有机氮首先在微生物产生的水解酶作用下逐步水解为氨基酸，这个过程可 以在细胞内或细胞外进行；然后水解形成的氨基酸在氨化细菌脱氨基酶作用下 产生氨。很多细菌、真菌和放线茵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n h 3 - n 的微生物成为氨化微生物。氨化微生物无论在好氧还是 厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作 用的强弱不一【4 】。由于氨化反应速度很快，在一般的生物处理设备中均能完成， 城市污水在管道收集传输过程中可完成大部分的氨化作用，通常在生物脱氮工 艺中不将其作为控制步骤。 ( 2 ) 硝化作用 氨基酸脱下的n h 3 - n 在有氧条件下，经亚硝化单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 和 硝化菌属( n i t r o b a c t e r ) 作用转化为硝酸氮( n 0 3 - n ) 的过程，称为硝化作用。 2 第1 章生物脱氮除磷概论 硝化作用有两类菌属参与，亚硝化单胞菌属将n 吖n 氧化为亚硝酸氮 ( n 0 2 - n ) ，硝化菌属将n 0 2 孙i 氧化为n 0 3 - n 。这两类菌属都属于化能自养菌， 而且形态相似，革兰氏染色皆为阴性，都严格好氧，但它们却是两种截然不同 的菌属。硝化菌属的世代时间远远大于亚硝化单胞菌属1 5 j 。w a g n e r 等使用寡聚 核苷糖探针证明，在活性污泥系统中氨氧化菌亚硝化单胞菌属是很常见的t 6 j 。 t e s k e 等发现：对于活性污泥中亚硝酸盐的氧化，硝化菌属是普遍存在的1 7 1 。是 否由于不同的生长条件会选择不同的菌属还是这两类菌属的反应动力学存在着 明显的差别，至今在积极的研究中。 如果不考虑细菌的增值，硝化反应过程可表示如下： n h 4 + + 2 h c o j 一+ 2 0 2 寸d 3 一+ 2 c 0 2 + 3 呸o ( 1 1 ) 基于反应式1 1 ，转化每克n h 3 - n 需氧量为4 5 7 9 0 9 9 n ，需要消耗7 1 4 9 碱 度( 以c a c o a 计) 。考虑合成因素，实际需氧量小于4 5 7 9 0 2 j g n ，w e r z e m a k 和 g a n n o n 发现，氧的实际消耗量为4 3 3 9 0 2 j g n ，其中3 2 2g o g g n 用于氨氧化至 亚硝酸盐，1 1 19 0 2 ：用于亚硝酸盐氧化为硝酸盐【耵。硝化菌细胞的增长还需 要二氧化碳、磷以及微量元素。由于硝化菌的细胞产率很低，从空气中可得到 足够的二氧化碳，生活污水或城市污水中很少存在磷不足的情况。有人发现在 纯培养基中为了刺激硝化菌的生长，所需微量元素浓度为：c a = 0 5 0 ，c u = 0 0 1 ， m g - - 0 0 3 ，m o = 0 0 0 1 ，n i = 0 1 0 ，及z n = 1 0 m g l t g l 。 硝化反应受一系列环境因素的影响，包括温度，氢离子浓度( p h ) ，d o ， c n ，污泥龄和非离子化氨等。 温度生物硝化反应可在4 4 5 的温度范围内进行。亚硝化单胞菌属的最 佳生长温度为3 5 ，硝化菌属的最佳生长温度为3 5 4 2 。在5 - - 3 5 范围内， 随着温度的升高，硝化反应速率增加。温度高于3 5 时，蛋白质的变性降低了 硝化菌的活性，硝化反应速率降低；温度低于4 1 2 ，硝化菌生命活动接近停止。 对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 3 2 时即发现硝化速率 急剧下降。但m a r i ar o t h m a n 认为；低温运行时，延长泥龄，并将好氧池的d o 维持在4 0m g l ，系统也可以达到较好的硝化效果1 1 0 1 。 p h 硝化反应对p h 值很敏感，在p n 值低于6 8 时，反应速率显著下降。 在v i i 值接近5 & 巧0 时，反应速率仅为p h 值为7 0 时的1 0 - 2 0 i l “。硝化反应 最适宜v i i 值为7 5 8 0 ，通常采用6 8 7 2 ，在此条件下可维持比较理想的硝化 3 第1 章生物脱氮除磷概论 速率。对于碱度较低的废水，需投加一定碱性物质以维持硝化反应的进行，投 加量取决于废水的初始碱度和要求氧化的n h 3 - n 量。可以投加的化学药剂有石 灰、苏打灰、碳酸氢钠或氢氧化镁等，具体种类的选择取决于各种药品的价格 以及处理要求。 d o 硝化细菌是严格好氧的细菌，因此硝化反应必须在好氧条件下进行。 s t c n s t r o m 和s o n g 指出：d o 对硝化反应的的影响受活性污泥絮体大小、密度以 及混合液总需氧量的影响。硝化菌分布在含有异养菌和其它固体絮体中，絮体 的直径介于1 0 0 - 4 0 0 1 u n 之间。氧从液体主体向絮体颗粒中扩散，在絮体中较深 部分的细菌就暴露于较低的d o 浓度中；在较高有机负荷时，混合液基质浓度较 高，从而导致絮体中较高的好氧速率【1 2 l 。当d o 2 0 - - 3 0 时，方可在厌氧区获得 良好的释磷效果【”】。当进水易降解有机物浓度很低时，会引起细胞内糖原、p h a s 和聚磷酸盐发生变化，除磷效果降低p 2 】。 污泥龄生物除磷系统主要通过排除剩余污泥去除磷，而污泥龄的长短对 污泥摄磷作用及剩余污泥的排放量有直接关系。一般来说，污泥龄越短，污泥 含磷量越高，越可以取得较好的除磷效果。短的污泥龄还有利于控制硝化反应 7 第1 章生物脱氮除磷概论 的发生而利于厌氧段的充分释磷。当污泥龄较长时，p a o 处于内源期，会消耗 细胞内的糖原，若胞内糖原耗尽，则在厌氧区内乙酸盐吸收和p h a s 的贮存效率 都会较低，因而除磷效率降低p 2 j 。 另外，一般来说厌氧区停留时间越长，越多的颗粒有机物水解为易降解有 机物，除磷效果越好。但过长的厌氧停留时间会滋生丝状菌和发生二次释磷， s t e p h e n s 和s t e n s e l 发现磷的二次释放出现于厌氧接触时间超过3h 【3 2 】。 1 3 反硝化除磷 1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 在试验中观察到：在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 a s 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m 侧。后来，荷兰d e l f t 技术大学和日本东 京大学研究人员确认了这种反硝化菌的生物强化除磷作用，并称之为反硝化聚 磷菌( d e n j 仃i f 3 ，i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a , 简称d p b ) l 3 5 j o 基于d p b 和p a o 具有相似的代谢机理，研究学者们提出两种假设进行解释： 两类菌属假说【3 3 1 ，即生物除磷系统中的p a o 可分为两类菌属，其中一类只能 以0 2 为电子受体，而另一类既能以0 2 为电子受体又能以n 0 3 _ n 为电子受体， 因此它们在摄磷的同时还可以进行反硝化；一类菌属假说 3 6 1 ，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 来关键看a o 交替的环境是否能得到强化，如果严格控制a 区的缺氧条件和o 区的好氧条件，p a o 具有较强反硝化能力，反之则系统中的p a o 反硝化能力较 弱，即p a o 不能进行反硝化除磷。这两类假说都有一定的支持者，但大都赞同 两类菌属假说。m e i n h o l d 在四个平行的反应器中发现，部分除磷污泥在厌氧且 无n 0 3 - n 时释放磷，但加入n 0 3 - n 后，n 0 3 - n 浓度减少，且胞内出现超量摄 磷现象 3 7 1 ，说明p a o 在一定外部条件下可以转变为d p b ，后来大量的报道验证 了该结论 3 8 - 4 0 l ，并指出聚磷前厌氧阶段的存在是实现该转交必不可少的前提删。 m u m l e i t n e r 等人还确立了一种量化d p b 比例的方法，即缺氧摄磷速率和好氧摄 磷速率的比值【4 i 】，这种方法对于将反硝化除磷应用于e b p r 模型提供了极大的 便利。 k u b a 等从动力学性质研究认为d p b 在以n 0 3 - n 为电子受体时的产能效率 8 第1 章生物脱氮除磷概论 较以p a o 以0 2 为电子受体低4 0 ，缺氧摄磷速率较好氧慢，但d p b 和p a o 具 有同样高的强化生物除磷性能。这是因为合成聚磷的能量小于氧化p h a s 产能， 所以聚磷的合成量与可利用能量的减少没有很大的关系；另一方面p ：a 0 和d p b 的除磷能力远远大于污水中磷的负荷，所以表观上d p b 和p a o 具有相似的强化 生物除磷性能 3 4 1 。d p b 比p a o 的产能效率低，即增值速率慢，所以在同样磷负 荷的情况下，污泥产量就少，m u m l e i t a e r 等人报道厌氧，缺氧e b p r 工艺的污泥 产率较厌氧好氧低2 0 0 0 t 4 n ，k u b a 等通过a 2 n s b r 双污泥系统试验得出污泥产 率较常规脱氮除磷工艺低5 0 3 5 1 。由于d p b 可以在缺氧环境下摄磷，这使得摄 磷和反硝化( 脱氮) 两个化学过程借助同一种细菌在同一种环境下完成，实现 了“一碳二用”，降低了对碳源的需求量，k u b a 等通过a 2 n s b r 双污泥系统对磷 和氮同时去除所需的最小c o d 进行分析，得出双污泥系统对碳源的需求较常规 脱氮除磷工艺低约5 0 c o d 3 朋。 缺氧段硝态氮浓度是影响d p b 摄磷的重要因素。m e r z o u k i 等在考察硝酸盐 投加量对a 2 n s b r 工艺除磷效果的影响时发现：系统的除磷效果主要依赖于缺 氧段硝酸盐的投加量和系统s r t 。设定s r t 为1 5d ，当硝酸盐浓度从1 0 0m g l 升高到1 2 0m g l 时，磷的去除率从6 3 提高到9 3 ；当硝酸盐浓度升高至1 4 0 m g l 时，磷的去除率基本为1 0 0 4 2 1 。但当硝酸盐过量时，回流液会将其带入 厌氧段，从而影响厌氧释磷。k u b a 在考察a 2 n s b r 工艺运行特征时指出，当 c n 比为3 4 时，可达到1 0 0 0 0 的磷去除率瞰j 。m e i n h o l d 研究了亚硝酸盐对d p b 缺氧摄磷的影响，指出当亚硝酸盐浓度不是很高( 4 - 5r a g l ) 时，可以作为电 子受体；当浓度超过8m g l 时才对缺氧摄磷产生抑制作用1 3 7 1 。影响反硝化除磷 的因素还包括氧化还原电位( o r p ) ，p r i 值，碳源种类，营养比，s r t ，m l s s 等等。 反硝化除磷的发现具有重要的意义，一方面它丰富了e p b r 系统的除磷理 论，对于数学模型的建立以及利用模型来预测系统中氮和磷的含量提供了更正 确的依据：另一方面，它实现了“一碳二用”，缓和了脱氮和除磷对城市污水低碳 源的竞争；同时，它大大减少了曝气能耗和污泥处理的费用。利用反硝化聚磷 是一种可持续脱氮除磷工艺即】。 9 第1 章生物脱氮除磷概论 1 4 生物脱氮除磷工艺 1 4 1 传统脱氮除磷工艺a 2 ，o 工艺 a 2 o 是最简单的同步脱氮除磷工艺，其工艺流程见图l - 2 。 图1 2a 2 ( 3 工艺流程图 f i g a - 2f l o wc h a r to f a 2 op r o c e s s 由图1 2 可知，污水首先进入厌氧区，兼性厌氧发酵细菌如假单胞菌属等将 污水中可生物降解的有机物转化为v f a s 这类低分子发酵中间产物。然后聚磷菌 可将其体内贮存的聚磷酸盐分解，所释放的能量可供好氧的p a o 在厌氧环境中 维持生存，另一部分能量供p a o 主动吸收环境中的v f a s 类低分子有机物，并 以p h a s 的形式在体内储存起来。随后污水进入缺氧区，反硝化菌就利用污水中 的有机物为电子供体，以好氧区回流混合液带来的硝酸盐为电子受体，达到同 时脱氮和降低有机物的目的；在缺氧池，一部分p a o 也能以体内的p h a s 为电 子供体进行反硝化，同时吸收一部分的磷酸盐。接着污水进入曝气的好氧区，p a o 在吸收、利用污水中残剩的可生物降解有机物的同时，主要是通过分解体内储 存的p h a s 释放的能量来维持其生长，同时过量摄取周围环境中的溶解磷，并以 聚磷的形式在体内储存起来，使出水中磷浓度达到最低；而有机物在经过厌氧 区、缺氧区分别被聚磷菌和反硝化菌利用后，到达好氧区的浓度已相当低，这 有利于自养型硝化菌的生长繁殖，并通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮。非除 磷的好氧菌虽然也能在系统在生长，但它在厌氧区受到强烈的抑制，在好氧区 又得不到充足的营养，因此在与其它生理类群的微生物竞争中处于相对劣势。 排放的剩余污泥中，由于含有大量超量聚磷的p a o ，污泥的含磷量可以达到6 ( 干重) 以上l * j 。 图1 3 为a 2 o 工艺的特性曲线。由图可知，在厌氧区，废水中的c o d 有 1 0 第1 章生物脱氮除磷概论 一定程度的下降，n h 3 - n 浓度由于细胞的合成也有一些降低，在n 0 3 - n 含量很 低时，变化很小，p 的含量却由于p a o 的释放而上升；在缺氧区，废水中有机 物被反硝化菌利用作碳源，因此c o d 会继续降低，n h j - n 浓度变化较小，n 0 3 - n 则因反硝化作用被还原为n 2 ，浓度会大幅度下降，p 因反硝化吸磷而有所下降； 在好氧区，c o d 由于好氧降解会继续减少，n h 3 - n 和p 的含量由于硝化和聚磷 菌摄磷作用以较快的速率下降，n 0 3 - n 含量却因硝化作用而上升 4 4 1 。 每 。毒 溪i c u n n a - n n d n。飞 _ l 一。r t o n 厌氧 缺氧 好氧沉淀池 图1 - 3a 2 o 工艺的特性曲线图 f g 1 - 3c h a r a c t e r i s t i cc i h v eo f a 2 op r o c e s s a 2 o 工艺的优点是工艺流程简单，总h r t 小于其它同类工艺，并且不需要 外加碳源，厌氧、缺氧段只需要进行缓速搅拌，运行费用较低。但是它也存在 固有的缺陷，表现为硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、污泥龄和碳源需 求上存在着矛盾和竞争，很难在同一系统中获得氮、磷的高效去除，阻碍着脱 氮除磷技术的应用，其中最主要的问题是厌氧条件下反硝化和释磷的竞争。根 据生物除磷原理，在厌氧条件下，p a o 通过菌种合作将有机物转化为v f a s ，并 通过体内聚磷分解释放的能量吸收v f a s ，并以p h a s 的形式贮存起来，提供后 续好氧条件下过量摄磷和自身的增殖。如果厌氧区存在较多的n 0 3 - n ，反硝化 菌会优先利用碳源进行反硝化，影响p a o 对p h a s 的合成，并影响后续的除磷 效果。一般而言，要同时达到高效去除氮、磷的目的，城市污水中碳氮比 ( c o d m 4 0 0m g l 表3 - 9 为不同预缺氧池h r t 下在进水c o d 浓度为4 0 0m g l 以上时污染物 的去除情况和预缺氧池的n o x - n 浓度。从表中可以看出，预缺氧池水力停留时 间对c o d 去除效果影响不大，主要影响氮和磷的去除效果，且h r t 为0 6h 对 氮和磷的去除效果明显好于o 3 5h ，后者预缺氧池硝态氮浓度增大且不稳定，这 是因为出水硝态氮浓度过高，进入预缺氧池的硝态氮量增大，而预缺氧池反硝 化时间又不够长，无法进行完全反硝化。在预缺氧池停留时间为0 3 5h ，由于运 行系统运行不稳定，存在一定的亚硝酸盐积累( 在第4 章运行部分详细解释) ， 第3 章改良型a 2 o 工艺的最佳工况 所以氮的去除率较低。通过上述分析，当进水c o d 浓度在4 0 0m g l 以上时， 推荐预缺氧池水力停留时间采用0 6h 。 表3 - 9 不同h r t 条件下污染物的去除情况( 单位：r a g l ) t a b 3 - 9r e m o v a le f f e c t so f v a r i o u sp o l l u t a n t su n d e rd i f f e r e n th r t s ( u n i t ：t o g a ) 指标 勰畚 c o d t nt p n o x - n 进水 4 5 43 8 14 2 4 0 6 出水 3 61 1 30 4 0 0 0 去除率9 2 o 7 0 2 9 0 7 进水 4 8 44 2 15 7 3 0 3 5 出水 4 21 7 50 8 73 6 ：t = 3 4 1 去除率 9 1 3 5 8 5 8 4 9 综上所述，无论进水c o d 浓度高低，系统对污染物的去除效果在预缺氧池 水力停留时间为0 6h 优于0 3 5h ，且为了保持预缺氧池硝态氮浓度在l 2m g l ， 管理上对技术人员要求较高。但是预缺氧池水力停留时间为0 6h 时，预缺氧池 硝态氮浓度总是为零，容易发生“二次释磷”，建议以后的工作中进行预缺氧池水 力停留时间为o 5h 的研究，从而使系统运行更稳定，对污染物的去除效果更佳。 3 3 物料平衡 为有效地验证试验数据分析所取得的结论是否准确与可靠，物料平衡是一 种有效的方法，物料平衡除了能反映出试验数据的可靠性之外，其计算结果还 能加深对反应机理的理解。所谓物料平衡，是指进入系统的各种物料经过反应 系统的物理、化学、生物作用后，系统中的各种物料总量保持不变。本研究以5 月2 日的工况为例，即超越比4 0 ，预缺氧池水力停留时间o 3 5h ，对其进行氮 和磷的物料平衡计算，以做出对系统更合理的评价。 表3 1 0 为该工况下改良型a 2 o 工艺的运行结果。 第3 章改良型a 2 o 工艺的最佳工况 表3 1 0 某工况下污染物在各反应器内的浓度 t a b 3 - 1 0c o n c e n t r a t i o n so f v a r i o u sp o l l u t a n t si ne a c h 托目c t o fu n d e rc e r t a l i l ic o n d i t i o n 指标 m 儿s s ， 反应入 c o d n h 3 - nn o x - n t n p 0 4 - p t p 皿s s 进水 3 1 13 4 2 04 3 3 2 0 84 4 3 厌氧池 5 02 1 8 0 1 54 9 好氧池 4 41 3 1 9 5 o 1 5 缺氧池 4 4 5 8 3 0 o 2 8 后曝气池 4 0 0 5 8 30 2 9 5 4 2 3 9 2 出水 4 0 0 58 39 80o 1 4 预缺氧 1 6 3 3 1 氮物料平衡 通常，氮以有机氮和氨氮的形式进入系统，如果系统只包括硝化过程，则 进水中大部分t k n 转变为硝态氮；如果系统还包括缺氧区，则反硝化作用会将 部分硝态氮转化为氮气。以气体形式离开系统的氮可通过缺氧区硝态氮的平衡 计算，同时迸水中部分t k n 会被用于微生物合成，并以剩余污泥的形式离开系 统。所以进入活性污泥系统的进水各形态氮主要有以下四种形式离开系统： 出水t k n ；出水硝态氮；通过剩余污泥排放所去除的氮；通过反硝化作 用转变为气态氮嗍。出水t n 可代表出水t k n 与出水硝态氮之和。 ( 1 ) 出水t n 已知出水t n ( n t c ) 和流量( q 缸) ，则可计算出水t n 质量。 m n t i = q 唾n = 4 8 l d x 9 8 m g l = 4 7 0 4 m g d ( 2 ) 以剩余污泥捧放的氮 为估计剩余污泥中的氮含量，必须首先假定污泥中的氮百分比( 氐) 。若已 知挥发性悬浮固体x v 和污泥排放量q w ，通过乘以f n 则可以计算出以剩余污泥 排放的氮含量( m m 。) 。从理论上说，f n 应该对特定系统通过试验来确定；然 而南非水研究协会( w r c ) 建议在一定的污泥龄范围( 不超过2 0d ) 氐取o 1 0 第3 章改良型a 2 o 工艺的最佳工况 m g n m g v s s 比较合适的嗍。 m n 。= q w x v 氛= 1 0 2 l d x 2 3 9 2 m g v s s l x 0 1 0 m g n m g v s s = 2 4 4 o m g n d ( 3 ) 通过反硝化作用转变为气态氮的硝态氮 在改良型a 2 o 工艺中，硝态氮主要在预缺氧池、厌氧池和缺氧池通过反硝 化作用被去除，其中预缺氧池和厌氧池的去除量可一起计算，等于回流污泥带 出的硝态氮。通过缺氧池的物料平衡和回流污泥带入的硝态氮可计算得出： 虮女w = 靠_ 。+ 虮。= ( 4 8 x 1 1 x 1 9 5 4 8 1 5 x 3 o ) + 4 8 x 0 5 x 8 3 = 1 0 1 2 8 m g d 则离开系统的氮总质量为： m n = m n 如+ m n + m n 柳= 4 7 0 a + 拍4 0 + 1 0 1 2 8 = 1 7 4 7 2 m g d 而进入系统的氮总质量为： m n m t = q n n = 4 8 x 4 3 3 = 2 0 7 8 4 m g d 因而，n 平衡百分比为：1 7 4 7 2 2 0 7 8 4 x 1 0 0 = 8 4 1 在总氮和硝态氮的测定过程中，由于使用紫外分光光度计使测定值有一定 的偏差，往往出现出水n o x - n 出现偏差，另外二沉池中可能具有明显的反硝化， 这部分未计算至出水部分，所以n 平衡百分率低于1 0 0 。 3 3 2 磷物料平衡 与碳和氮不同，磷仅通过剩余污泥的排放和出水从活性污泥系统中去除。 因而，进入活性污泥系统的进水总磷主要有以下两种形式离开：出水磷含量； 以剩余污泥排放的磷 ( 1 ) 出水t p 已知出水t p ( p r e ) 和流量( q 晴) ，则可计算出出水t p 质量。 坼，n = 鲂吃= 4 8 l d x o 1 4 m g l = 6 7 2 m g d ( 2 ) 以剩余污泥排放的磷 为估算剩余污泥中的磷含量，必须首先测定剩余污泥中的磷百分比( s ) 。 若已知挥发性悬浮固体x v 和污泥排放量q w ，通过乘以昂则可以计算出以剩余 第3 章改良型a 2 o 工艺的最佳工况 污泥排放的磷含量( m r 。) 。试验测得昂值为o 0 8 1m g p m g v s s ，e b p r 系统中 该值可高达o 1 5m g p m g v s s 。 m p 。= x v l p = 1 0 2 l d 2 3 9 2 m g v s s l x 0 0 8 l m g n m g v s s = 1 9 7 6 3 m g d 则离开系统的磷总质量为： m p m = mp h + m p m = 6 7 2 + 1 9 7 6 3 = 2 0 4 3 5 m g d 进入系统的磷总质量为： m p 枷= q d n n = 4 8 x 4 4 3 = 2 1 2 6 4 m g d 因而，p 平衡百分比为：2 0 4 3 5 2 1 2 6 4 x 1 0 0 = 9 6 1 所以，通过对氮和磷的物料平衡计算，可得出本研究中取得的试验数据是 比较准确和可靠的，同时还提示了污染物在各反应器内的反应机理。本文基于 上述的物料平衡结果，可计算出氮和磷在整个系统内的质量分布。表3 1 l 总结 了超越比为4 0 ，预缺氧池停留时间为o 3 5h ，污泥龄为1 5 d 工况下氮和磷的质 量分布情况。 表3 1 1 某工况下碳氮磷的质量分布 t a b 3 1 lm a s sd i s t r i b u t a r i e so f na n dpu n d e rc a r t a i l lc o n d i t i o n 进水出水去除剩余污泥 项目 npnpnpnp 质量( g d ) 2 0 80 2 10 8 3o 0 11 0 l - 0 2 4o 2 0 分布( ) l 1 0 03 9 94 84 8 6 1 1 59 5 2 注：n 以n 2 形式； 由于氮、磷的物料平衡并没有达到1 0 0 0 , 4 ，差额部分n 计算在出水，p 计算在剩余 污泥 从表中可以看出，氮主要以反硝化