（环境工程专业论文）uct工艺脱氮除磷运行优化试验与研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 每簿蚤 日期： 知卜年f 月j i | 口 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑卅i 大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作眷静媛 日期：孙b 年f 月口 摘要 中文摘要 本文针对生物脱氮除磷工艺中碳源不足的问题，以u c t 工艺为例，对单点、 两点、多点进水展开了试验，并对其进行了同时脱氮除磷效果的比较与分析； 同时研究了进水分配比与运行参数回流比、溶解氧之间的关系，探讨了多种因 素共同作用的情况下如何来提高脱氮除磷的效果。试验实际进水澄清液水质： c o d 。，介于2 0 8 4 1 2m g l 、b o d 5 介于9 8 - 2 2 8m g l 、t n 介于2 0 1 4 9 8m g l 、 t p 介于2 5 7m g l ，b o d 5 t n 均值为3 4 ，b o d s t p 均值为31 。 试验分三个部分进行： 1 在同样的回流比条件下，对u c t 工艺的一点、两点、三点进水展开了分 析试验。结果表明，两点、三点进水的同时脱氮除磷效果明显优于一点进水的 同等条件，用于脱氮除磷的碳源含量更高，反硝化相对比较彻底，同时为缩短 厌氧区停留时间提供条件。在内回流比为2 0 0 、外回流比为1 0 0 时，两点进 水7 ：3 的分配比能达到更高的除磷效果，去除率可达8 3 ，比5 ：5 分配比的 状态高1 0 ；5 ：5 时的脱氮效果略占优势，去除率为7 7 ，比7 ：3 时高4 。 三点进水时的同时脱氮除磷能力得到更高的强化，用于脱氮除磷的碳源比例增 加，在总氮去除效果达7 8 的条件下，总磷去除率仍能达到8 8 。 2 以三点进水的u c t 工艺为例，针对进水分配与回流比对脱氮除磷效果的 影响展开试验。结果表明，为了提高脱氮除磷率，要尽量的把进水分配在回流 点，避免其他种类的异养菌对碳源的过多摄取，从而造成反硝化菌和聚磷菌对 碳源需求不足的问题。多点进水的分配比可以根据不同的水质试验以及不同的 回流比来确定，同时试测各进水点前处的硝氮含量，来确定前一阶段的硝氮是 否彻底反硝化，以便达到最佳的碳源分配效果获得较好的脱氮除磷率，并尽可 能降低回流比来提高动力能耗的利用率。 3 以两点进水的u c t 工艺为例，针对溶解氧与碳源分配对系统脱氮除磷的 影响，展开了试验研究。结果表明，进水分配若更多的集中在系统前端的话， 在厌缺氧区会消耗更多的外碳源，以致好氧区微生物不需要太高的溶解氧，此 时好氧区可适当减少曝气量。本次试验认为，u c t 工艺两点进水7 ：3 时的最适 d o 为1 0 1 8 m g l ，略低于两点进水5 ：5 时的最适d o 值1 8 - 2 5 m g l 。 关键词：脱氮除磷；碳源；进水方式：溶解氧 a b a t r a c t s a b s t r a c t s i nt h i sp a p e r , i te x p l o r e dt h ec o n t r a d i c t i o n sa n dp r o b l e m so f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a ls i m u l t a n e o u s l yo nc a r b o ns o u r c ei nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h ep r o c e s s e sa b o u tu c tw a ss t u d i e da n di m p r o v e do nd i f f e r e n ti n f l u e n t w a y sf o rt h er e s e a r c ho nt h er e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss i m u l t a n e o u s l y a l s oi ta n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u td i s t r i b u t i o nr a t i oa n dt h ep r o c e s s o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h er e c y c l i n gr a t i o a tt h es a m et i m e ，i td i s c u s s e dt h ef o c u sf a c t o r so ne n h a n c i n gt h er e m o v a lo f n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sf r o mt h eu t i l i z a t i o no f c a r b o ns o u r c e s n ea c t u a lw a t e rq u a l i t ya b o u ts u p e m a t a n ti n f l u e n t ：c o d e r2 0 8 412m g l ， b o d 59 8 - 2 2 8m g l ，t n2 0 1 4 9 8m g l ，t p2 5 - 7m g l ，t h ea v e r a g eo fb o d 5 t n w a s3 4 ，b o d s t pw a s3 1 a n dt h et e s t sf e l li n t ot h r e ep a r t sf o l l o w i n g ： 1 n ep r o c e s s e sa b o u tu c tw a st e s t e da n da n a l y z e do n o n ei n f l u e n tp o i n t t w o i n f l u e n tp o i n t sa n dt h r e ei n f l u e n tp o i n t s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e di th a db e t t e rr e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss i m u l t a n e o u s l yo nt w oa n dt h r e ei n l e t st h a ni to n o n eu n d e r t h es a m ec o n d i t i o n s t h em a i nr e a s o n sw e r et h a tt w oi n l e t sc o u l do f f e rm o r ec a r b o n s o u r c ef o rt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，b r i n g i n g 埘t l lt h em o r er a d i c a l d e n i t r i f i c a t i o n ，p r o v i d i n gs u p p o r t i v ec o n d i t i o n sf o rc u t t i n gt h ea n a e r o b i ch y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e s e t t i n gt h ei n t e r n a lr e c i r c u l a t i n gr a t i o2 0 0 ，t h ee x t e r n a lr e c i r c u l a t i n gr a t i o 10 0 ，t h es t a t ew h i c hh a dai n f l u e n td i s t r i b u t i o nr a t i oo f7 ：3a c h i e v e dah i g h e r t o t a l - p h o s p h o r u sr e m o v a lu pt o8 3 ，i ne x c e s s1 0 o f t h es t a t ei nd i s t r i b u t i o no f 5 ：5 ， w h i c hh a sas l i g h ta d v a n t a g ea b o u t4 t h a nt h ef o r m e ri nt o t a l n i t r o g e nr e m o v a l t h e s t a t eo ft h r e ei n l e t se n h a n c e dt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a ls i m u l t a n e o u s l yb y i m p r o v i n gt h ec a r b o nu s ep r o p o r t i o ni nr e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw i t hat n r e m o v a lo f7 8 a n dat pr e m o v a lo f8 8 i i a b a t r a c t s 2 t h eu c t p r o c e s sw i t ht h r e ei n l e t so ni m p a c t i n gf a c t o r so nb o t hd i s t r i b u t i o n a n dr e c y c l i n gr a t i o sw a st e s t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e di tc o u l dg e t t h ep o i n t sb e t w e e nr e c y c l i n ga n di n p u tc l o s e rd e f i n i t e l yi no r d e rt oi m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a t i oi nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，s a v i n gc a r b o nr e s o u r c ef r o mt h e o t h e rk i n d so fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i u mw h i c hh a dn oa b i l i t i e si nr e m o v i n gn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s t h ew a s t e w a t e r t h ei n f l u e n td i s t r i b u t i o nc o u l db es e tb yt h et e s t o nc e r t a i nr e c y c l i n gr a t i oa c c o r d i n gt oc e r t a i nw a t e r q u a l i t y 3 t h et e s t sw e r eo p e r a t e do nd i f f e r e n td i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n b yt e s t i n g t h eu c t p r o c e s sw i t ht w oi n l e t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t i nd i s t r i b u t i o no n7 ：3a n d 5 ：5 ，t h ed oi na e r o b i cz o n ec o u l db es u s t a i n e dr e s p e c t i v e l yi n1 0 - 1 8 m g la n d 1 8 - 2 5 m g li no r d e rt ok e e ph i g hr e m o v a le f f i c i e n c yw i t hl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n a n dl e s sc a r b o nr e s o u r c ec o m p a n i e dw i t hac e r t a i nd e g r e eo f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s s i t u a t i o n k e yw o r d s ：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 ，c a r b o nr e s o u r c e ，i n f l u e n tw a y , d i s s o l v e do x y g e n i i i 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t s i i 1 引言1 1 1 课题来源1 1 2 课题研究目的与意义1 1 3 城市污水生物脱氮除磷原理概述一2 1 3 1 生物脱氮2 1 3 2 生物除磷6 1 3 3 常用污水生物脱氮除磷工艺9 1 3 4 常用工艺中脱氮除磷存在的问题与改进方法1 1 1 4 研究思路1 4 2 试验材料及内容1 6 2 1 试验用水来源1 6 2 2 试验装置与设备1 6 2 3 试验分析项目与分析方法1 7 2 4 试验内容18 3 污泥培训与试运行1 9 3 1 污泥培养1 9 3 2 污泥驯化与试运行1 9 4 进水分配对运行效果的影响2 1 4 1 试验水质与试验方法2 1 4 2 试验结果与分析2 3 4 2 1 总体处理效果一2 3 i v v 埘 舶 m 伪 伪 心 印 船 舶御 棚 埘 a 够 弼弼 舛 卯 鼹 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | 1 引言 1 引言 1 1 课题来源 本课题为河南省重点科技攻关计划项目( 0 8 11 0 0 9 1 0 3 0 0 ) “低碳源污水脱氮 除磷新工艺和应用研究 中的部分研究内容。 1 2 课题研究目的与意义 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，特别是随着各种“菜篮子工 程”的实旌，我国含氮有机物的排放量迅猛增加。虽然国家也在最近的十几年开 始了重点污染源控制举措，包括，严令各市新建大小污水处理厂，各污染水质 的企业要使其出水达标排放等。但是，二级处理的排放水含氮量仍然居高不下， 依然是一个严重的环境污染因子。我国氮素污染所致的水体富营养化触目惊心， 湖泊“水华 及近海“赤潮”时有发生，且有愈演愈烈之势。城市生活与工业 污废水排放量不断增长，使进入城市污水处理厂的废水水质也发生了相应的变 化，其中n 、p 的含量不断增加，造成进入污水处理厂的废水c n ，c p 比值偏 低，从而成为较难满足传统生物脱氮除磷工艺处理的低碳源污水。 为了加强对我国水体污染的控制，政府在2 0 0 2 年颁布实施的城市污水处 理及污染防治技术政策中明确规定：“设市城市和重点流域及水资源保护区的 建制镇，必须建设二级污水处理设施，可分期分批实施。收纳水体为封闭或半 封闭水体时，为防治富营养化，城市污水应进行二级强化处理，增强除磷脱氮 的效果”。另一方面，国家环保总局2 0 0 2 年颁布的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 ) 【l 】、2 0 0 5 年下达的关于严格执行城镇污水处理厂污 染物排放标准的通知( 环发 2 0 0 5 1 1 0 ) 【2 】等国家法规和政策均对大中城市污水 处理厂和部分行业企业废水提出了更严格的氮磷排放水质要求。 然而，我国大中城市污水处理厂大多从2 0 世纪8 0 年代初开始建设，当时 设计时并未过多的考虑氮磷去除的问题，且2 0 0 0 年左右建成投入运行的污水处 理厂多数仅能达到g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准中二级标 准。因此现有污水厂为达到对氮磷同步去除的严格要求，必须进行相应的升级 和改造工作。而新建污水处理厂在工程建设初期就必须选用新型同步脱氮除磷 工艺。然而，即使在欧洲发达国家污水脱氮除磷也仅仅只有三十年左右的历史， 1 引言 而我国的研究与应用也只有十多年的时间，其仅有的几个工程应用先例也是引 进或沿用国外的成熟工艺技术成果，所需要的碳氮比值较高，对国内某些低碳 源污水并不见得十分适应，因此来探讨新工艺的应用与解决脱氮除磷的碳源问 题，就显得尤为重要。 1 3 城市污水生物脱氮除磷原理概述 2 0 世纪7 0 年代之后，世界各国意识到控制水体中氮磷含量是抑制水体富营 养化的关键因素，纷纷展开了脱氮除磷机理及其工艺的研究。 1 3 1 生物脱氮 城市污水中氮的主要来源为：生活污水；工业污水，特别是化肥、焦化、 洗毛、制革、印染、食品与肉类加工、石油精炼行业排放的污水；地表径流， 氮氧化物、固体物、渗滤液等。自w i n 0 孕a d s k y ( 1 8 9 u - ，- 3 第一次发表了关于氨氮 氧化的报道以来，关于脱氮原理探寻已将近一百多年。 颗 水解一 溶 氨化 氨氮 一固氮 氮气 粒 解 阑 _ 异l 性性 硝 j 有有 化 化 化 还 还 机 合成 机 备成 1 原原 氮 氮 亚硝酸盐硝酸盐氮 图1 1 污水生物脱氮系统中氮的生物转化过程 f i g 1 1t h eb i o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o c e s sa b o u tn i t r o g e ni nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t 在城市生活污水中，氮以有机态氮、氨态氮、亚硝态氮、硝态氮以及气态 氮存在，并在一定的条件下可以相互转化( 见图1 1 ) 【4 】。生物脱氮是通过硝化 和反硝化两个过程实现的，基本原理就是在生物处理过程中使废水中含氮有机 物被生物分解，转化为n 2 而从液相中释放出来，即将废水中有机氮转化为氨氮， 然后通过硝化作用将氨氮转化硝氮，之后通过反硝化作用将硝态氮还原成气态 氮从水中逸出，达到从废水中除氮的目的。生物除氮作用除氨化、硝化和反硝 化作用外还包括生物的同化作用，即污水中的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同化合 成为微生物细胞的组成部分。按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为 1 引言 1 2 5 蚶5 1 。与硝化反硝化作用相比，同化作用对氮的去除率很低。 1 3 1 1 生物脱氮机理 1 氨化作用 即废水中的有机氮化合物在微生物的作用下转化为氨的过程，此微生物即 为氨化细菌，种类较多，主要有好氧性萤光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形细 菌和厌氧的腐败梭斟6 ，7 1 ，一般的氨化反应为： ( 有氧条件- ：) r c h n h 2c o o h + d 2 专r c o o h + c 0 2 + n h 3 ( 缺氧条件- f ) r c h n h 2c o o h + 日2 专r c h 2c o o h + n h 3 具体来讲，微生物分解有机含氮化合物是由分泌在体外的水解酶将大分子 水解成小分子的。具体途径和产物随作用的底物、微生物种类以及环境条件而 异。 氨化菌为异样菌，氨化速率取决于含氮有机物的降解速率，一般氨化过程 与微生物去除有机物同时进行，有机物去除结束时，基本已经完成氨化过程【8 】。 氨化作用的环境条件约束较少，在好氧、厌氧、中性、酸性或碱性条件下都可 以发生，只是作用的微生物种类有差别，作用强度有所区别而已。但当环境中 存在一定浓度的酚，或木质素蛋白质复合物( 类似腐殖质的物质) 时，会阻碍 氨化作用的进行【9 1 。 2 硝化作用 硝化作用通常被定义为由氨到硝酸根的生物氧化过程。一般可分为两个阶 段，分别由亚硝化菌和硝化菌完成【1 0 , 1 1 】，第一步是由亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 将 氨氧化为亚硝酸盐；第二步是由硝化菌( n i t r o b a c t e r ) 将亚硝酸盐进一步氧化为硝 酸盐。两个步骤的主导反应菌都为专性好氧菌，只有存在溶解氧的好氧条件下 才能增殖，厌氧和缺氧条件下不能增殖，而其衰减死亡过程在厌氧、缺氧、好 氧状态下均会发生。硝化过程反应式为： 叫+ 1 3 8 2 0 2 + 1 溯塑塑墅观勉心一+ 1 0 巳吼o + 1 8 9 1 坞鹏+ q 0 1 8 g 马0 料 一+ 0 4 8 8 0 2 + 0 0 1 i - 1 2 0 ：) 3 + 0 0 0 3 h 0 9 3 - + 0 0 0 0 3 n i t + j 瓢一+ 0 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c s h t 0 2 n 或5 5 、时+ 7 6 0 l + 1 a 疆珥! 型塑堕；4 套q 一+ s 7 i 电。牛1 0 稍j - o q + c 乒j ( 乏n 4 0 0 n 0 2 一+ 1 9 5 0 2 + 4 h 2 0 0 3 + h c 0 3 - + n i - 1 4 + 塑圳鲫她一+ 3 r o + c 5 i - 1 7 0 2 n 总反应式： 1 、h + + 1 8 6 0 l + 1 9 ：匝i 王珥坠9 8 ：盐、q 一+ 1 o o l 4 墁o + 1 8 8 1 县c q + q 0 2 l c 5 h 7 ( 州 1 引言 一些研究表明，稳定状态下，第二步反应n 0 2 。- - - ，n 0 3 速率很快，n 0 2 - 彳艮少 积累，故硝化反应的速率主要由第一步反应n h 4 + _ n 0 2 决定 1 2 , 1 3 。亚硝化菌和 硝化菌均属化能自养菌，专性好氧菌。亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺 杆菌属和亚硝酸球菌属；硝化菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属。它们无需有 机碳源，可以c 0 2 为碳源，从无机物氧化获取能量。 3 反硝化作用 反硝化指的是将硝酸盐或亚硝酸盐还原成为氮气或氮氧化物，反应在无分 子氧状态下由一群异养反硝化细菌进行。反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化 杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌等。它们多是兼性厌氧菌，能够在缺氧和好氧条 件下利用快速生物降解有机物进行增殖；厌氧条件下，可以进行颗粒性有机物 的水解和溶解性有机物的酸化发酵，但通常不能增殖；在溶解氧极低的环境下， 以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，以有机物为电子供体进行厌氧呼吸，将硝酸 盐或亚硝酸盐还原为氮气 1 4 , 1 5 。反硝化将会产生一部分碱度，为3 4 7 g c a c 0 3 g n 0 3 - - n i l 6 】。当反硝化微生物以甲醇作为碳源时，反应式为： n x + 1 0 8 g 墨q “0 l 2 矧【塑堕棚锕m 个“伽，o 旧q + o c l 5 6 c ；坞q 卜讯盯 全酣十q 6 7 i ( 】王。0 h + 0 5 = 难0 0 a 堕镕堕棚4 8 h 个+ 1 2 = 疆毛0 + ，+ q 0 4 ( h n 卜h o h 一 当反硝化微生物以体内有机物为碳源时( 内源反硝化) ，反应式如下： c 扛葺0 啦4 ( 獗泫8 螅个+ l 刀嘎o + 5 ( q + 4 6 c i r 1 。3 1 2 生物脱氮影响因素 上述各阶段的反应中，氨化菌、硝化菌及反硝化菌均为反应的主导微生物 菌群，受一系列环境因素的影响。相比之下氨化菌的适应性较强，而亚硝化菌 和硝化菌对环境变化敏感；因此为保证硝化反硝化反应的正常进行，必须维持 各菌群生长所需的较优环境。 温度反硝化反应的温度范围较宽，在5 4 0 都可以进行，低温会使反硝 化细菌的繁殖速度降低，也会使菌体代谢速度降低。硝化速率也是随着温度的 升高而升高，温度低于4 c 时，硝化菌生命活动基本停止；但温度高于3 5 时， 蛋白质的变性将会降低硝化菌的活性，硝化反应速率降低；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 c 时即发现硝化速率急剧下降。因此适 合硝化反硝化脱氮的生物反应，2 0 3 5 为最佳温度【1 。7 1 8 1 。 4 1 引言 p h 硝化反应对p h 值很敏感，在p h 值低于6 8 时，反应速率显著下降。 在p h 值为5 8 6 0 时，反应速率仅为p h 值为7 0 时的1 0 - - - 2 0 t 1 9 】。硝化反应要 消耗碱度，污水中必须要有足够的碱度，否则硝化反应会导致p h 值下降，使反 应速率减缓或停滞；l g 氨态氮( 以n 计) 完全硝化，需碱度( 以c a c 0 3 计) 7 1 9 ， 若处理水质碱度较低，需投加适量碱性物质，投加量取决于废水的初始碱度和 要去除的n h 4 + = n 量。与硝化作用相反，反硝化过程本身产生碱度，受p h 的影 响较小，l m gn 0 3 - n 转化为n 2 产碱3 5 7 m g ( 以c a c 0 3 计) 。反硝化过程最佳p n 值一般为7 0 8 5 ，此外p h 值还影响最终产物，p h 值 7 3 时终产物是n 2 ，p n 值 7 3 时终产物是n 2 0 。 d o由于硝化菌严格好氧，当d o 2 0 。3 0 时，方可在厌氧区获得 良好的释磷效果【3 3 】。 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。 l 引言 污泥龄生物除磷系统主要是通过排放剩余污泥而达到去除磷的目的，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。增加厌氧区 s l i t ，会增加可生物降解有机物在厌氧区的发酵，使低分子发酵产物( v 】a s ) 生成量增加，从而提高除磷效率。厌氧区s r t 一般为1 1 5 d ，具体数值与温度 有关。 1 3 3 常用污水生物脱氮除磷工艺 1 厌氧缺氧好氧工艺( a 2 o 工艺) 【3 4 】 a 2 o 工艺是a n a e r o b i c a n o x i c - o x i c 的英文缩写，工艺流程如图1 3 所示。 生物脱氮除磷a 2 o 工艺的发展只有2 0 多年，但因其工艺简单，能兼顾n 、p 去 除，并有较好处理效果，故发展比较迅速。该工艺在厌氧好氧除磷工艺( a p o 工艺) 的基础上加一缺氧池，并将一部分好氧池消化液回流至新增的缺氧池中。 污水首先进入厌氧池，在此与高磷含量的污泥回流液混合，聚磷菌在此完成厌 氧释磷的过程；随后混合液流经缺氧池，反硝化菌群便以污水中剩余的有机物 作为碳源，并把回流至此的消化液中的硝态氮作为电子受体，进行反硝化；当 流经好氧池时，有机物浓度已很低，聚磷菌主要靠分解体内在厌氧区储存的内 碳源p h b 来获得能量供自身生长繁殖，并超量吸收液相中的溶解性磷酸盐，以 聚磷酸盐的形式储存于体内；之后经过二沉池的沉淀，将含磷高的污泥从水中 分离出来，并以剩余污泥的形式排除系统，达到除磷的效果。此工艺具有较好 的除磷效果，但它的脱氮能力是依靠回流比来保证的，为了达到较高的总氮去 除率，就必须要有较高的污泥及混合液回流比。 混合液回流c 1 0 帆- 4 0 镰) 图1 3 a 2 o 工艺流程图 f i g 1 3f l o wd i a g r a mo f a 2 op r o c e s s 2 u c t m u c t v i p 工艺 u c t 工艺是因开普敦大学( u n i v e r s i t yo fc a p et o w n ) 的研究人员开发出来而 得名的【3 5 】。为了避免将回流污泥中的硝态氮带入厌氧池进而影响聚磷菌厌氧释 9 1 引言 磷的环境，u c t 工艺将二沉池回流污泥回流至缺氧池中。同时为保持厌氧池污 泥浓度不至于太低，遂增设缺氧池至厌氧池的混合液回流，这样厌氧池可免收 硝态氮的干扰，达到较好的同步脱氮除磷效果。其流程如图1 4 所示。 混合液回流( 1 铲瑚 混合液回流( 1 一3 0 0 ) 图1 4 u c t 工艺流程图 f i g 1 4f l o wd i a g r a mo f u c t p r o c e s s 与a 2 o 工艺相比，u c t 工艺在适当的c o d c r t k n 比例下，缺氧区的反硝 化可使回流至厌氧区的混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水c o d c r t k n 较高 时，缺氧区可能不足以实现完全的反硝化，仍会有部分硝酸盐进入厌氧区，因 此又产生m u c t 工艺。m u c t 工艺是将u c t 工艺的缺氧区分为两部分，第一 缺氧池接纳回流污泥，然后由该反应池将污泥回流至厌氧反应池；第二缺氧池 接纳硝化混合液回流，大部分反硝化反应在此完成，其工艺流程见图1 5 所示。 合液回流( 1 0 0 - 2 0 嘣)混合液回流( 1 污泥回流( 5 0 铲1 0 0 )l 剩余污泥 图1 5m u c t 工艺流程图 f i g 1 5f l o wd i a g r a mo fm u c t p r o c e s s 该工艺利用两个缺氧池和两套混合液回流系统，因而进入厌氧池的硝酸盐 浓度很低，从而提高了除磷效率。如果要是进入厌氧池的硝酸盐含量更低， c o d t k n 的最小比值为9 ：1 。 3 倒置a 2 o 工艺 工艺流程见图1 6 所示。 1 0 1 引言 图1 6 倒置a 2 o 工艺流程图 f i g 1 6f l o wd i a g r a mo fr e v e r s e da 2 op r o c e s s 美国德州大学阿灵顿分校于1 9 8 1 至1 9 9 0 年间进行了多次小试和中试试验， 来研究倒置a 2 o 工艺的脱氮除磷性能。q a s i m 等人对传统活性污泥法、缺氧 好氧a o 法和缺氧厌氧好氧倒置a 2 o 工艺的氮磷去除效果进行了评价，结果 显示缺氧厌氧好氧法倒置a 2 o 工艺对b o d 、t s s 、氮和磷的去除效果比其它 两种工艺都要好【3 6 】。 通过大量试验研究与机理分析，针对污水生物除磷反应机制问题，国内由 张波等人提出并验证了如下观点【3 7 ，3 8 ，3 9 】：聚磷菌有效释磷水平的充分与否，并不 是决定系统除磷能力的必要条件；在一定范围内，厌氧历时越长，厌氧的程度 越充分，聚磷菌吸磷动力越大；聚磷菌以 o 】作为电子受体的吸磷效率显著大于 以硝态氮作为电子受体时的吸磷效率。并基于此原理提出了倒置a 2 o 工艺。在 倒置a 2 o 方式下，虽然使聚磷菌在厌氧条件下形成的吸磷动力得到了更有效的 利用，c o d e r 去除能力相当 4 0 , 4 1 1 ，但碳源问题仍然存在，并造成聚磷菌的释磷 水平明显低于常规的a 2 o 方式。中国市政华北设计院结合实际工程需要，首先 将倒置a 2 o 工艺应用到工程中。该工艺在出水总氮没有要求的情况下，取消了 混合液回流系统，从而避免了厌氧池污泥浓度较低、抗回流硝酸盐影响能力较 弱的弊端【4 2 1 。 1 3 4 常用工艺中脱氮除磷存在的问题与改进方法 1 3 4 1 存在问题 常用的a 2 o 及其变形工艺由于其流程简单、运行管理操作方便、能同时兼 顾脱氮除磷要求、运行效果良好，成为当前城市污水处理的主流工艺之一。但 当进水氮、磷浓度较高，而有效碳源整体上并不高时，氮磷去除效果出现矛盾， 两者难以同时达标排放。究其原因，主要是由于系统内部的微生物种群复杂， 其群体种类及种群规模总是处于不断变化的动态平衡之中【4 3 1 ，制约了工艺的高 效性和稳定性；起不同作用的种群会互相竞争食料或者能源( 比如说碳源、d o ) 和生存空间；对碳源的过度需求，也会造成剩余污泥的处理量增大。这些都不 符合环境的可持续发展要求。究其生物脱氮除磷效率不高或者不经济的原因， 1 引言 主要有两点：碳源和污泥龄。 1 碳源 在脱氮除磷系统中，碳源的消耗主要在聚磷菌的厌氧释磷和反硝化过程， 此外还有很大一部分是异养菌的正常代谢。其中释磷和反硝化的反应速率与进 水碳源中的挥发性脂肪酸v f a s 的数量关系很大。进水中v f a s 含量越高，释磷 速度越快，之后好氧吸磷的程度会越好，除磷效果也越好【蜘；同样，在硝态氮 浓度一定的情况下，v f a s 含量越高，反硝化速率也越高，脱氮率提高。但是常 规脱氮除磷工艺中，聚磷菌与反硝化菌是混合生长的，并且反硝化菌可先于聚 磷菌吸收和利用 a s 进行反硝化脱氮【3 3 】，因此在污水中易降解的有机碳源相对 较低时，必然会影响聚磷菌对p h b 的合成，并导致聚磷菌( p a o s ) 释磷程度降低， 最终影响整体的除磷效果。因此，碳源的缺失会给系统的平稳运行造成较大困 难；另外，好氧段的过量碳源也会对系统脱氮效果会产生一定负面影响，主要 是好氧硝化段有机质浓度不宜过高，否则会造成异养菌的大量繁殖，削弱硝化 菌的竞争力，致使硝化效果不好，引起脱氮率下降。 我国市政污水中易降解的有机碳源相对较低，更容易出现工艺中聚磷菌和 反硝化菌之间争夺易生化降解碳源的矛盾，如果外加碳源，过量的话，不仅造 成浪费而且硝化过程又排斥过量的碳源，所以脱氮除磷工艺中极易造成碳源需 求不平衡的矛盾【4 5 1 。 此外，厌氧区硝态氮的存在也会给释磷带来负面影响【4 钔，有研究认为当厌 氧区内硝态氮浓度在1 5m g l 以上时，释磷会受到抑制【矧。如果能够有充足的 碳源，这个问题也可以通过反硝化的方式予以解决，所以碳源是否充足及配置 是否合理，还是关键因素。 2 污泥龄( s r t ) 通常，反硝化菌和聚磷菌均为异养菌、短泥龄微生物，繁殖速度快、生长 世代周期比较短，即污泥龄越短则反硝化速率越快，而除磷的效果也越好【4 7 4 8 】； 而硝化菌属于自养型微生物，繁殖速度慢，世代周期较长，长污泥龄有利于提 高脱氮效率。因此在常规脱氮除磷工艺的污泥系统中，硝化菌和聚磷菌、反硝 化菌混合培养，为了同时获得较好的释磷和硝化效果，势必会造成污泥龄的矛 盾。实际工程中，常采用1 0 - - , 1 5d 的长污泥龄以满足硝化功能，也就在一定程度 上牺牲了部分除磷效率。 1 引言 1 3 4 2 本试验的优化方向 为解决a 2 o 工艺进水碳源不足及分配不合理的问题，研究者们的主要改进 思路【4 9 】有： 1 ) 缩短初沉池水力停留时间、取消初沉池或设置进水超越管，超越初沉池。 其流程见图1 7 所示。 图1 7 设置超越管流程图 f i g 1 7f l o wd i a g r a mo fs e t t i n gb e y o n dt h ep i p e l i n e 2 ) 为反硝化和除磷合理分配碳源，形成的“多点进水u c t 工艺”( 如图1 8 ) 或“多点进水倒置a 2 o 工艺( 如图1 9 ) 。 图1 8 多点进水u i 田 f i g 1 8f l o wd i a g r a mo fm u l t i f e e d su c tp r o c e s s 图1 9 多点进水倒置a 2 o 工艺流程图 f i g 1 9f l o wd i a g r a mo fm u l t i f e e d sr e v e r s e da 2 op r o c e s s 3 ) 前置生物选择池或前置缺氧池，利用1 0 一5 0 进水碳源尽量降低回流污 泥硝酸盐浓度，5 0 9 0 的进水进入厌氧段释磷，并防止污泥膨胀，形成的 a a 2 o 工艺”。其流程见图1 1 0 所示。 1 引言 置缺 合液回流( 1 污泥回流( 5 0 铲1 0 0 )剐余污泥 图1 i o a - a 2 0 工艺流程图 f i g 1 1o f l o wd i a g r a mo f a a 2 op r o c e s s 4 ) 设置可调整好氧与缺氧区容积的硝化反硝化交替区，解决冬季脱氮效率不 高问题，形成的“改良a - a 2 o 工艺”。其流程见图1 1 1 所示。 进水 五眦q 僦泓仑嫡l 【= i l 潞 鉴塑鲨h 箜塑垫随墅鲤堕塑鬯_ 叫堑塑鎏 污泥阐流( 5 溅一1 0 嗍) 图1 1 l 改良a a 2 o 工艺流程图 f i g 1 1lf l o wd i a g r a mo fi m p r o v e da a 2 op r o c e s s 5 ) 在厌氧区污泥回流线路中增加了一个缺氧池，利用活性污泥内碳源进行反 硝化。降低回流至厌氧区的硝酸盐浓度，形成的“j h b 工艺”。其流程见图1 1 2 所示。 t混合液回流( 1 0 0 - 4 0 0 ) 缺氧池 剩余污泥 污泥回流( 5 0 - 1 0 0 ) 图1 1 2j h b 工艺流程图 f i g 1 12f l o wd i a g r a mo fj h bp r o c e s s 本试验以第二种改进思路为基础，探讨u c t 工艺及其运行方式的改变对城 市污水脱氮除磷效率的影响，并探讨溶解氧与进水分配关系。 1 4 研究思路 本文试图在城市污水处理u c t 工艺中研究碳源分配及回流比是如何影响脱 氮除磷效果的，缺乏碳源的情况具体体现在哪一环节，如何解决；并研究溶解 氧与进水分配对其处理效果的影响，如何达到最佳运行条件，并尽量节省能耗。 1 4 1 引言 u c 。t 【：釜 i 囊差i _ 泵 ! 孽簪 舔芬 l 优化! 晶 厂三点进水卜1 只垫 q 一单点进水l 泣) 上翌馨型1 j 厂痹氯 图1 1 3 研究思路 f i g 1 13t e c h n i c a ll i n eo f t h er e s e a r c h 2 试验材料及方法 2 试验材料及内容 2 1 试验用水来源 本试验采用某污水处理厂的实际进水。该进水取自经粗细格栅，旋流沉砂 池后预进入生物池的配水井处，由潜污泵提升，经滤网过滤去除水中大颗粒杂 质后，进入高位水箱，再由蠕动泵计量进入试验装置。进水澄清液水质指标见 表2 1 。 表2 1 进水澄清液水质指标 t a b 2 1t h ea c t u a lw a t e rq u a l i t ya b o u t s u p e m a t a n ti n f l u e n t 指标 c o d c r b o d 5 t n n h 4 + - nn 0 3 - n t p b o d 倒b o d 册 ( m g l ) 范围 2 0 8 - 4 1 29 8 2 2 82 0 1 - 4 9 8 1 4 4 3 5 20 4 5 1 8 9 6 2 5 - 72 5