（环境工程专业论文）厌氧缺氧同步反硝化除磷过程的研究.pdf

中山大学硕 ：学位论文 厌氧缺氧同步反硝化除磷过程的研究 专业：环境工程 硕士生：黄俊熙 指导教师：石太宏 摘要 大量研究表明，在厌氧缺氧交替运行条件下，反硝化除磷菌( d p b ) 可使吸磷和反硝 化脱氮这两个不同的生物过程合二为一，达到在缺氧环境中同步脱氮除磷的目的。现有 研究还表明，反硝化除磷工艺可以在一碳两用方面达到省碳源的目的，在处理低碳氮比、 碳磷比城市污水和提高碳源利用率上体现出优势。但是，无论是单泥还是双泥系统的反 硝化除磷脱氮工艺都存在各自的缺点和不足，主要表现为硝化阶段硝酸盐产率低、硝酸 盐供给不足、碳源利用率低、出水效果不稳定等。 反硝化除磷菌( d p b ) 代谢机理认为，厌氧缺氧或厌氧好氧环境的交替变化都能够 诱导磷的过量吸收，前者以n q 一作为电子受体、后者以分子氧作为电子受体。因n 0 3 - 一n 氧化还原电位低、电子受体传递链短，产生a t p 只有用氧作电子受体时的2 3 。所以，从 生物除磷的角度分析，缺氧吸磷效率低于好氧吸磷。但是由于缺氧环境将反硝化脱氮和 磷吸收合二为一，从能耗角度上看，摄磷脱氮结合可节省5 0 c o d 从而达到低能耗目的。 己有大量资料表明，在相同的营养盐去除效果条件下，缺氧吸磷比好氧吸磷相比，可以 减降低氧耗量7 5 ，还可使污泥产生时减少5 0 。 本研究采用s b r 反应器进行试验，以人工配制的生活污水为处理对象和n 0 3 为电子受 体进行反硝化聚磷菌的选择与富集，结果表明反硝化除磷菌存在于污水处理厂活性污泥 中，通过厌氧缺氧的强化交替运行，能使反硝化除磷茵得到富集。研究了n 0 3 - 一n 浓度、 进水c o d 浓度、投加方式等因素对该工艺反硝化除磷的影响，结果表明： ( 1 ) 通过厌氧缺氧的强化交替运行，从含有聚磷菌的活性污泥中诱导反硝化聚磷菌 并使其富集。在厌氧好氧缺氧条件下各阶段运行时间为：厌氧3 h 、好氧2 h 、缺氧l h ， 在此工况稳定运行下，培养驯化后期，系统出水c o d 、硝酸盐、磷酸盐的去除率均达到 9 0 以上，系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌百分比明显多于传统脱氮除磷工艺； ( 2 ) 考察了n o ：i 。一n 浓度、投加方式，厌氧段进水c o d 浓度对反硝化聚磷的影响。结 果表明，反硝化聚磷菌存在于传统的工艺中，可作为反硝化聚磷的种泥，经过3 阶段的 驯化，反硝化聚磷菌在体系中的比例从1 3 5 上升到9 1 8 ，而稳定运行的体系具有 良好的反硝化除磷效果，p 0 2 - - p 和n 0 3 一一n 去除率分别达到9 3 8 5 和9 5 2 ；n 0 3 一一n 最佳投加浓度为5 0 m g l ，投加方式为流加；厌氧段最佳进水c o d 浓度为1 5 0 m g l 。 关键词：反硝化聚磷，反硝化聚磷菌，硝酸盐，c o d 浓度，投加方式 中山大学硕：上学位论文 s t u d y o ns i m u l t a n e o u sd e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h o r i z a t i o n i nt h ea n a e r o b i c a n o x i cp r o c e s s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：h u a n gj u nx i s u p e r v i s o r ：s h it a ih o n g a b s t r a ct b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v i n gm e c h a n i s ms h o w e dt h a tp h o s p h o r u s a s s i m i l a t e d b a c t e r i a ( d p b ) c o u l dm a k et h et w od i f f e r e n tp r o c e s sr e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a c h i e v e di nt h ea n o x i cc o n d i t i o n e x i s t i n gr 雠a r c hs h o w e dt h a td e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n p r o c e s sc o u l da c h i c e dt h ed e s t i n a t i o no fl o we n e r g yc o m s u m p t i o n , w h i c hr e f l e c t e dt h e a d v a n t a g eo i lt h et r e a t m e n to fl o wc na n dc pw a s t e w a t c r , a n dh i g hu t i l i z a t i o nf a c t o ro f c a r b o ns o u r c e b u tt h e r ew e r es t i l lm a m yd i s a d v a n t a g e sw h e t h e ri nt h es i n g l e0 1 d i p l e xs l u d g e s y s t e m ，s u c ha st h el o wn 0 3 y i e l d ，l o wn 0 3 p r o v i d ea n ds oo i l a c c o r d i n gt om e c h a n i s mo fp h o s p h o r t 培b i o l o g i c a lr e m o v a l ，p h o s p h o r u sc o u l db e a s s i m i l a t e ds u p e r f l u o u s l yi n 心入o ra o i na o 。t h em o l e c u l a ro x y g e n o u sw a su s e da s e l e c t r o n i ca c c e p t e r , w h i l en o a - ni n 从o w i n gt on 0 3 - n 、析n ls h o r tt r a n s f e rl i n ka n dl o w r e d o x ，a t pw a st w o l i r dt i m e so fo x y g e n o u sa se l e c t r o na c c e p t o r a sar e s u l t , a n a l y s i sf i x n n b i o l o g i c a lp h o s p o r u sr e m o v a l ，t h ee f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sa d s o r p t i o na ta n o x i cc o n d i t i o n w a sl o w e rt h a na e r o b i cc o n d i t i o n h o w e v e r , b i o l o g i c a lp h o s p o r u sr e m o v i n gp r o c e s sm a d et h e n i t r o g e nr e m o v a la n dp h o s p o r u sr e m o v a lp r o c e e d e d a tt h es a l t i ct i m e ，w h i c hw a sc o n s i d e r e d a sa ne n e r g ys a v i n gm o d e l a r g en u m b e r so fd a t ai n d i c a t e dt h a t7 5 p e r c e n to fo x y g e n o u s c o u l db er e d u c e di na n o x i cc o n d i t i o nc o m p a r e dt oa e r o b i cc o n d i t i o n , a n dt h ed i s c h a g eo f p h o s p h o f r ss l u d g ec o u l db er e d u c e d5 0p e r c e n t t h i sr e s e a r c hu s e dm a n u a lw a s t e w a t e ra sd o m e s t i cs e w a g ea n dn 0 3 a se l e c t r o na c e e p t o r w i t hs b rs y s t e m t h er e s e a r c hn o to n l ys h o w e dt h a td p b sw e r ep r e s e n ti nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ta n dc o u l db ee n r i c h m e n tu n d e ra l t e r n a t e l ya n a e r o b i ca n da n o x i cp h a s e s ，b u t a l s oc o n c e r n e dw i t ht h e s ef a c t o r s ：n 0 3 。一n c o n c e n t r a t i o n ，d o s i n gm e t h o d s ，c o d c o n c e n t r a t i o no fa n a e r o b i ci n f l u e n t t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf a l l o w ： i l l 中山大学硕士学位论文 ( 1 ) d p b sc o u l db es e c l e t e da n de n r i c h m e n tu n d e ra l t e r n a t e l ya n a e r o b i ca n da n o x i c p h a s e s t h eo p e r a t i n gr u n - t i m ei na n a e r o b i e a e r o b i c a n o x i cw a s ：a n a e r o b i cp h a s e3 h ， a e r o b i cp h a s e2 h ，a n o x i cp h a s elh i nt h i ss t a b l es t a t e ，t h ec o d ，n 0 3 a n d p h o s p h a t er e m o v a l r a t ew a sa b o v e9 0 i t ss i g n i f i c a n tt h a td e n i t r i f y i n gp h o s p h a t eb a c t e r i ai nt h i ss y s t e mw a s m o r et h a nt r a d i t i o n a l n 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 e s ( 2 ) t h ee f f e c to fn 0 3 。一nc o n c e n t r a t i o n , d o s i n gm e t h o d s ，a n a e r o b i ci n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o no nt h eb a c t e r i aw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n g b a c t e r i ae x i s t e di nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，w h i c hc o u l db eu s e da sas l u d g es o u r c e a f t e rt h r e e s t a g e so fd o m e s t i c a t i o n ，t h ep r o p o r t i o no ft h eb a c t e r i aw a sf r o m1 3 5 t o9 1 8 ，t h es t a b l e o p e r a t i o ns y s t e mh a dag o o dr e m o v a le f f e c to fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s ，w h i c ht h er e m o v a l r a t e so f p 0 4 3 - pa n dn 0 3 - nr e a c h e d9 3 8 5 a n d9 5 2 ，t h eo p t i m a lc o n c e n t r a t i o no f n 0 3 - n w a s5 0 m e g l , d o s i n gw a yw a sf e d - b a t c h ，t h eb e s ti n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o ni nt h ea n a e r o b i c p h a s ew a s15 0 m g l k e y w o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gb a c t e r i a , n i t r a t e ，c o d c o n c e n t r a t i o n , d o s i n gm e t h o d i v 中山大学硕士学位论文 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名咖l 多谚 e t 期：j ，fo 年6 月j 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版， 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院 系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采 用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 ) 中山大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 中国水资源状况及存在的问题 中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源 的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0 立方米，仅为 世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫 乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实 可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左右，人均可利用水资源量约为9 0 0 立方米，并且其分布极不均衡。2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存 在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方 米，根据水利部用水量调查，我国年用水量与水资源量在世界所占的位置类似，也位居 世界前列，高居第2 位。据监测，目前我国多数城市地下水和地表水均受到一定程度的 点源和面源污染，且有逐年加重的趋势。全国七大水系竟有一半河段存在严重污染问题， 污染物排放量大，江河湖海污染严重，各流域干流有1 3 8 的断面属劣类水质，5 7 7 的断面为i i i 类水质，2 1 6 的断面为i i 类水质，6 9 的断面属i 类水质，且全国7 5 的 湖泊出现了不同程度的富营养化。截止2 0 0 9 年，全国尚有3 亿左右农村人口喝不上符 合标准的饮用水。前几年，我国污水排放量居世界第一，超过环保标准允许量的6 8 。 r 益严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，破坏了水体的自净作用，更进一步加剧 了我国水资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还 严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。0 - 2 1 。 水利部预测，2 0 3 0 年中国人口将达至l j l 6 亿，届时人均水资源量仅有1 7 5 0 立方米。在 充分考虑节水情况下，预计用水总量为7 0 0 0 亿至8 0 0 0 亿立方米，要求供水能力比现在增 长1 3 0 0 亿至2 3 0 0 亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，水资源开 发难度极大。 近年来，由于国家不断重视和加大了对点源污染的控制，我过城市污水处理厂的建 设快速发展。据统计，从1 9 9 9 年到2 0 0 9 年这十年间，运营的城市污水处理厂数量以年均 11 4 的速度保持增长。随着污水处理厂数量的增多和不断投入使，f j ，全国污水处理能力稳 步上升，由1 9 9 9 年的1 7 6 7 万立方米日增长至- 1 1 2 0 0 8 年的8 1 0 6 万立方米日，年均增长1 8 1 。 中山大学硕士学位论文 截至2 0 0 9 年1 1 月底，全国城市污水处理能力进一步上升至约8 8 8 1 万立方米日，较2 0 0 8 年底 增长9 6 。 尽管我国在点源污染防治方面做了大量工作，但是对水资源污染贡献显著的面源污 染仍未得到有效控制，根据环境部门对全国河流、湖泊、水库的水质状况的监测，由于 近年来工业废水和城镇生活污水的排放等原因，我国主要水系的水体都遭到了不同程度 的污染。2 0 0 3 年，我国7 大水系污染程度从重到轻依次为：海河、辽河、黄河、淮河、 松花江、长江和珠江。其中4 0 7 个重点监测断面中，只有3 8 1 的断面满足国家地表水 环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定的i i i i 类水质要求，主要湖泊富营养化问题突出【3 】。 1 2 水体富营养化 富营养化 4 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖 泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降， 水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过 渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢。而人为工业废水和生活污水进入江河湖 泊等水体后便会破坏了水体的生态平衡，使富营养化大大地加速。水体出现富营养化现 象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现 蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。 1 2 1 水体氮磷的主要污染源 水体中氮磷等营养物质主要包括从外部通过面源污染和点源污染两种方式进入水 体的氮磷。常见的面污染源主要有 4 - 5 ； 农田化肥 为提高农产品的产量，常施用较多的氮肥和磷肥促进植物生长，氮肥和磷肥极易在 通过雨水和灌溉随地表径流排入水体，或下渗形成壤中流，通过土壤进行横向运动进入 地面水体中。其中氮( 硝酸盐氮) 的渗透能力较强，能够下渗并污染地下水e 3 。氮和 磷在被土壤吸附与解吸过程中，一部分溶解于水中，另一部分继续保持吸附态，在运动 中随土壤颗粒沉积下来，成为湖、河或海底沉积物的一部分，并在水温、流量及微生物 结构发生变化的情况下，返回水体中，构成水源的二次污染 4 。 城镇地表径流 2 中山大学硕士学位论文 城镇中的氮磷营养物主要来自生活垃圾、生活污水及工商业废水。美国环保局把城 市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源 5 由于硬底化日趋严重， 氮磷营养物随地表径流直接进入地表水中。 牲畜粪便 家禽、家畜产生大量富含营养物的排泄物，极易随地表径流、壤中流进入江河、湖 泊而污染水体，且农田中过量施用家畜粪便，也会引起粪便中的营养物随地表径流、亚 表面流流失，从而污染水体。草原过度放牧，产生大量牲畜粪便滞留于草原上，造成营 养物过剩，并破坏草原的植被覆盖；当降雨产生地表径流时，植被覆盖的破坏会加剧土 壤、粪便的侵蚀，致使更多的营养物流失，加重污染。 大气沉降 大气沉降是悬浮颗粒物、有害气体及氮的主要来源。燃料燃烧时，氮元素以氮氧化 物的形式进入空气，随雨雪降落在土壤或水体表面，污染地表水源。 矿区地表径流 由于人类的活动破坏了原来土壤、植被的结构和面貌，使得土壤表层裸露，在降雨 条件下，散落在磷矿区的泥沙、矿渣、磷酸盐等污染物随地表径流进入江河湖海污染水 体。 水体人工养殖 随着养殖业的发展，许多水体既是水源地，又是人工养殖的场所。人工投放的饵料 以及鱼类的排泄物给水体带来了大量的氮磷。目前，国内湖库区人工养殖的饵料系数达 3 0 - - 4 0 ，成为水体富营养化的又一来源。 1 2 2 水体富营养化危害 富营养化水体被认为是劣质水体其危害主要表现在以下几个方面【4 棚： 影响水体的感观性状，使水体的透明度下降使得阳光难以穿透水层，从而影响 水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。 富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体会伤害水 生动物，导致水生生物的稳定性和多样性降低，水体正常的生态平衡将会恶性循环，继 续被破坏。 供水企业的水源地若出现水体富营养化，供水企业在生产中必将增加运行成本或 为保证出厂水效果而降低处理产量。受富营养化污染的水体在一定条件下由于厌氧作用 3 中山大学硕士学位论文 而产生的硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，更会增加供水企业生产技术难度。人畜 长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，容易中毒致病等等。 影响渔业等生物资源利用，严重富营养化的水体内氧气会逐渐减少，水内生物 也会因氧气不足而死亡，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质量，从而导致经济 效益大大降低。 会导致异常增殖的藻类分泌毒素和致癌物，有些毒素、致癌物不仅威胁水生生物 的生存，而且会直接或间接通过食物链影响人类健康，并引发人类各种肿瘤，癌症等恶 性疾病的发生。 1 2 3 氮、磷对水环境质量的其它危害 地面和地下水体中的含氮污染物的增加会对生态以及人类健康造成严重影响，最直 接的有害影响是城市污水处理厂出水所含的氨氮，由于硝化作用而消耗地面水体中的溶 解氧。此外氨还对水生动物有毒性。 ( 1 ) 氨氮导致溶解氧消耗 含氨氮的污水排放到水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，完全 氧化l m g 氨氮约需要4 6 r a g 溶解氧。在典型的含氮化合物以氨氮为主要存在形式的城市污 水二级处理出水，将导致水体中的溶解氧下降，这将危害水体质量的改善，以及鱼类的 生存。 ( 2 ) 游离氨对鱼类是有毒物质 水体中游离氨与氢氧根离子的化学平衡可以用下式表示： n m + + o h 一n h 3 + h 2 0( 1 一1 ) 水中游离氨的浓度是p h 值的函数，p h 值的变化会引起游离氨百分数的变化。由于 鱼类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨的含量很低，也会影响鱼鳃中氧的传递。对 于大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的死亡量为i m g l ，美国环境保护局对淡水生物 的水质标准规定水体中游离氨的含量不应超过0 0 2 m 留毛。表1 1 列出了不同p h 值条件下 游离氨浓度为o 0 2 m l 时的总氨浓度川，天然水体的p h 值为7 o 一8 0 ，因此需要对城市 污水的氨氮排放加以限制，以避免游离氨对鱼类的毒性作用。 4 中山大学硕士学位论文 表1 - 12 0 时游离氨浓度为0 0 2m g l 时的总氨浓度 ( 3 ) 磷污染的发展趋势 目前国内许多大型湖泊、水库，如太湖、巢湖、滇池、三峡水库等都已经处于富营 养或熏营养状态。如熊强等【s 】根据2 0 0 2 年实测水质资料，发现三峡库区2 2 个监测断面在 枯水期、平水期和丰水期3 个不同时段中总磷平均浓度超过0 1 0 0 m g l ( 二级标准) 的断 面分别占监测断面总数的1 8 8 、7 5 0 和5 0 o 。太湖中富营养面积占7 5 左右，夏季 富营养或重富营养面积占全湖的1 0 左右虽然国家为治理这些重点水域的富营养化问 题投入了大量的资金和人力，但是效果并不理想。如太湖经“零点行动”以后，只有少数 监测点总磷浓度降低，大部分监测点总磷浓度反而增加，污染更加严重。关键在于单一 的“禁磷”只能从外源上减少或控制磷的输入，而没有与内源性磷的控制与治理结合起 来，以至于不能从根本上解决太湖富营养化的问题。因此，如何有效地控制治理水体磷 污染已成为当务之急。 在湖泊富营养化日趋严重的同时，一些重要的江、河、海等自然水体在部分流域内 也出现了富营养化现象。如近些年深n 9 条主要河流磷污染浓度以年均递增1 4 7 的速度 直线上升，至i 1 9 9 8 年磷污染已超过国家标准的7 1 倍，最严重的布吉河已超过国家标准的 1 1 倍，深圳市的水库及近海海域的磷污染也出现超标。浙江省第一大河钱塘江也正 在遭受着严重的污染，2 0 0 4 年7 、8 月份的“蓝藻暴发”事件和“水葫芦”疯长，说明钱塘江 全流域水系水体富营养化严重，整个流域的水环境安全都受到威胁。还有黄浦江流域、 珠江广州河段、我国近海海域的东海、渤海等水体中总磷污染也超过国家标准，赤潮现 象的发生正朝着频率提高、受灾面积增大、损失加大的趋势发展。 从水体磷污染的特征来看，我国河流、湖泊、海洋等水体的磷污染状况十分严重， 这已经成为制约我国经济可持续发展的因素之一，对磷污染的监控管理及其技术研究应 引起高度重视。因磷的来源很多，且事实证明单纯依靠限制生产和使用含磷洗衣粉这种 单一的禁磷措施是很难取得长久明显的治理效果，所以治理水体磷污染时需要采取因地 制宜、综合治理的方针。综合治理磷污染，大力开发研究新的污染监控管理技术的任务， 任重而道远。 5 中山大学硕卜学位论文 1 2 4 氮、磷对污水再生利用的影响 ( 1 ) 氮、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； ( 2 ) 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； ( 3 ) 回用水中的氮磷可导致输水管道、用水设备繁殖生物垢、霉菌以及藻类等微 生物，形成的生物群体中掺和着粘土、金属氧化物等杂物形成污泥状的粘性物质， 一附着在输水管道和热交换器表面上，易造成堵塞或传热效率下降； ( 4 ) 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，化学反应为： n i - - 1 4 + + + h o c i ? n h 2 c i + h 2 0 + h + ( 1 - 2 ) n h 2 c i + h o c i ? n h c l 2 + h 2 0 ( 1 - 3 ) n h c l 2 + h o c i ? n c l 2 + h 2 0 ( 1 - 4 ) ( 5 ) 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，必须对氮和 磷的含量加以控制。 1 3 水资源保护对策 随着社会经济的不断发展，发展中国家先污染后治理，注重经济的腾飞确以环境的 污染为代价。但要注意到，水危机的日益严重，对经济的发展和人们的生活起着很大的 影响和制约的作用。保护水资源，必须从源头抓起，提高国民的用水环保意识，同时提 高水资源的利用率。 1 3 1 提高全民节约用水的环保意识 通过各种途径的宣传让全民能够了解中国水资源短缺的状况，了解水资源面临污染 的一些严峻形势，能够认识节约用水的重大意义，随着政府的推动逐步成为全社会的行 动，培养全民的节水意识，依靠群众实现水资源可持续利用的目标；其次宣传节水的一 些先进范例、节水的科学知识和好的做法，能够让人们知道如何科学节水，既保证生活 质量又使水资源得到高效利用。此外可以合理调整水价，逐步推进阶梯水价的实施，合 6 中山大学硕士学位论文 理利用价格杠杆有效地节约用水。 1 3 2 提高用水效率加强中水回用 用水量的增加与社会的发展和经济的高速增长是必然的联系，但在此过程需要不断 提高水资源的利用效率和效益，建立以节水为中心的高效农业生产体系，建立以节水、 节能降耗为中心的工业生产体系。加大污水处理后中水的回用，使中水回用成为另外一 种水源，用于绿化灌溉，市政道路冲洗，景观用水，工业冷却水等，加大水资源的循环 使用【1 0 1 。 1 3 3 加强源头控制，避免先污染后治理 工业废水是造成水污染的重要原因，大量有毒有害物质随着工业废水排入水体，长 期以来，末端治理的控制方法已无法满足现实的需要，加强源头控制，大力推进清洁生 产，淘汰技术落后的生产工艺，鼓励工业企业自建污水处理设施，在工业生产过程中不 仅可以提高水资源利用率，同时也减少污染直接排放，从源头上得以控制，避免先污染 后治理。 1 3 4 进一步加强污水治理 随着人口的不断增加，社会的不断发展，用水量需求同益增加，居民生活用水、工 业用水、行政事业用水、经营性用水等用水类型每年均在不断提高，污水排放量也与日 俱增。根据城市发展和用水量的增加程度，加快污水处理厂和污水管线的建设，提高污 水收集率和处理率是水污染防治和走水资源可持续利用道路中的重要工程技术手段之 一，对水环境的保护和缓解水质性、水源性缺水起着重要作用【l1 1 。 活性污泥法这种传统的污水生物处理工艺，在防治水体污染中发挥着良好的作用。 但由于污水排放量的增加和对排放标准要求的提高，传统工艺在处理的高效性、稳定性 和经济性方面已难以满足不断提高的要求。研究、开发和应用新型废水生物处理工艺和 技术，已成为水污染控制工程领域研究的重要课题。 中山大学硕士学位论文 1 4 氮磷排放相关标准 鉴于水环境恶化的局面，世界各国纷纷采取措施，制定了越来越严格的污水排放标 准。许多国家对磷在水体富营养化中所起的作用进行了研究，并提出了相应的控制指标， s a k a r n o t 在对日本水域研究后提出，总磷量达到o 0 1 0 0 9 m l 即为富营养化；v o l e n w e d e r 认为，总磷超过o 0 2 m g l 即为富营养化；美国环保总局( e p a ) 对其境内8 1 2 个湖泊和水 库调研后提出富营养化的总磷标准为0 0 2 0 0 2 5 m g l 。欧共体于1 9 9 8 起实施的污水排 放标准【1 2 - 1 3 1 ，规定污水厂出水t n 应小于l o m g l ，t p 应小于l o m g l ；荷兰1 9 9 8 年起， 规定污水厂t n 去除率应大于7 5 ，出水t n 应小于1 0 m g l ，t p 应小于1 0 m g l 。 鉴于国内氮磷污染日趋严重，我国对原有污水综合排放标准( 6 8 8 9 7 8 9 6 ) 进行了 修订，颁布了针对所有城镇污水处理厂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 ) ，其中对氮、磷的排放标准都提出了具体要求【1 4 】，见表1 2 。这就意味 着，今后城市污水处理厂都要考虑氮磷的脱除，不具备氮磷脱除功能的污水厂要通过工 艺调节与改造提高氮磷的去除效率。 从表1 - 2 中可以看出，虽然污水排放标准对氮、磷的要求日益严格，但传统的污水 处理工艺却不能满足这一要求。城市污水经传统的活性污泥法处理后，b o d ，的去除率 可达9 0 以上，但对总氮的去除率仅为1 0 3 0 左右，总磷的去除率则更低【1 5 1 。为了 适应日趋严格的污水排放标准，研究发展新的效果可靠，经济易行的脱氮除磷污水处 理工艺是十分紧迫和必要的。本课题试图在前人研究的基础上进一步深入。 表1 - 2g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值)单位：m g l 一级标准 序号基本控制项目 二级标准三级标准 a 标准b 标准 l 化学需氧量( c o d ) 5 06 0 1 0 01 2 0 2生化需氧量( b o d 5 )1 02 0 3 06 0 3 悬浮物( s s ) 1 02 03 0 5 0 4动植物油l35 2 0 5石油类 l351 5 6阳离子表面活性剂0 5l2 5 8 中山大学硕：b 学位论文 7 总氮( 以n 计) 1 52 0 8 氨氮( 以n 计) 5 ( 8 ) 8 ( 1 5 ) 2 5 ( 3 0 ) 总磷( 以0 6 年前 l1 535 9 p 计)0 6 年后 0 5 l 35 1 0 色度( 稀释倍数) 3 03 04 0 5 0 1 lp h 6 9 1 2粪大肠菌群数1 0 31 0 4 1 0 4 1 5 污水除磷技术现状 目前污水除磷的方法主要包括化学沉淀法与生物除磷法。常见的除磷方法有生物 法、化学沉淀法、离子交换法、吸附法、结晶法、电渗析法，人工湿地法和膜技术除磷。 但与生物除磷法相比，化学除磷产生的大量污泥很难处理具有毒性，易造成二次污染。 1 5 1 离子交换法 离子交换树脂是一种难溶性的高分子聚合物，对酸、碱及一般有机溶剂稳定。它具 有网状骨架结构。离子交换法是利用强碱性阴离子交换树脂，与废水中的磷酸根阴离子 进行交换反应，将磷酸根阴离子置换到交换剂上予以除去的方法。反应式为： h 2 p 0 4 + r n h z c i r n h 2 p 0 4 + c r 离子交换树脂脱除磷的交换容量比较稳定，但离子交换树脂的价格较高，树脂再生 时需用酸、碱或食盐，且存在着树脂药物易中毒选择性差等一系列问题运行费用较高。 1 5 2 吸附法 吸附法除磷主要是通过多孔或大比表面的吸附剂与污水中的磷酸根离之间的吸附 力从而达到除磷的目的的方法。有物理吸附和化学吸附之分，前者没选择性，是放热过 程，温度降低利于吸附；后者具选择性，系吸热过程，温度升高利于吸附。选择适当的 吸附剂来实现对废水的除磷是吸附法的关键。吸附剂要满足： ( 1 ) 吸附容量高；( 2 ) 吸附 速度快；( 3 ) 抗干扰能力强；( 4 ) 吸附剂容易再生且性能稳定；( 5 ) 原料造价低【蛉博】。吸附 法由于占地面积小、工艺简单、操作方便、无二次污染，特别适用于低浓度废水的处理 9 中山大学硕士学位论文 而倍受关注。在吸附法研究中，寻找新的吸附剂是开发新的除磷工艺的关键所在，因此 自然界广泛存在的天然粘土矿物是人们研究的热点。 吸附法除磷吸附剂主要有活性炭、粉煤灰，而石棉、橄榄等一些天然矿物质对磷也 有一定的吸附能力。另外研究表明：3 0 0 1 2 下煅烧的粉煤灰和低火( 1 1 9 w ) 改性的粉煤灰 对初始磷含量为5 m g l 的水样磷的去除率分别可达9 3 8 和9 5 4 t 2 3 1 ；在中性条件下， 石英砂负载氧化铁( i o c s ) 的吸附除磷效果最佳【2 5 】；在最佳实验条件下，海绵铁与锰砂的 混合物对磷的吸附容量大于9 m g g ，磷的去除率在8 9 以上【2 刀。 1 5 3 结晶法 结晶法除磷是利用污水中磷酸根离子与钙离子以及氢氧根离子反应生成碱式磷酸 钙的晶吸现象。其反应式如下i 3 h p 0 4 2 。+ 5 c a 2 + + 4 0 t f c a + ( o h ) ( p 0 4 ) 3 + 3 h 2 0 作为晶核的除磷剂，如磷矿石、骨炭、高炉铁渣等，基本上都是含钙的矿物质材料， 磷矿石和骨炭的效果较好。结晶法除磷，磷主要是在晶核表明析出，晶核变大，且磷在 晶核表面析出，处理过程产生的污泥量较少。 结晶法除磷一般采用过滤式处理法，其占地面积小、管理费用低、易于控制，如硫 化床结晶法就是将二级生化处理后的出水导入一个含磷酸钙结晶的硫化床反应容器中， 同时调节p h 为9 ，使之形成磷酸钙沉淀。当出水中仍含有大量的固体悬浮物成分时，容 易导致反应器的堵塞，当含有大量有机物时，也易造成除磷剂的失效。因此结晶法除磷 不太适合处理量大的污水处理厂，但作为一种高级处理方法，进行污水的深度除磷是非 常有效的。 1 5 4 电渗析法 电渗析法除磷是一种膜分离技术，通过在阴阳离子渗透膜之间施加直流电压，使含 含磷离子以及其他溶解离子中体积小的离子通过膜进到另一侧的溶液中去，该工艺只是 浓缩磷的一种方法，无法从根本上除去磷，且对浓度大的废水进行除磷时，必须进行预 处理。 i 0 中山大学硕士学位论文 1 5 5 人工湿地除磷 人工湿地除磷【3 0 3 3 作为一种生态型的新型污水处理工艺，正在应用于多种类型 的废水处理中，如生活污水、农业废水、城市暴雨、富营养化景观水、矿山排水等。人 工湿地除磷是在一般的人工湿地系统的基础上，通过湿地中的填料、植物和微生物，加 以人为的控制措施，优化系统达到以除磷为主要目标的废水处理技术。较之传统的磷处 理方法，人工湿地除磷具有生态性、景观性、经济性等特点。李培培等【3 6 】选取太湖流 域常见的碎石、炉渣、石膏和紫砂作为人工湿地填料，研究其对磷的吸附特性。结果表 明，这4 种基质对磷的吸附符合l a n g m u i r 方程，对磷的吸附量为石膏 碎石 炉渣 紫砂。 宋志文【3 5 l 等对荣成人工湿地污水处理系统处理效果动态变化特征进行分析，结果表明 人工湿地对于s s 、c o d 、b o d 的去除率分别为7 1 8 a ：8 4 、6 2 2 士1 0 1 和7 0 4 + 9 6 ， 大肠杆菌去除率为9 9 7 ，对n h 4 + _ n 和t p 去除效果较差，去除率分别为4 0 6 ：1 ：1 5 3 和2 9 6 a ：1 2 8 。人工湿地处理污水具有高效率、低投资、低运转费、低维持技术、低能 耗等优点，但占地面积比较大。 1 5 6 膜技术除磷 膜生物反应器( m b r ) 是现代膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。 它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质有效截留，替代二沉 池，提高了泥水分离率，同时使生化反应池中的活性污泥浓度大大提高，将难降解的大 分子有机物质截留在反应器中不断反应和降解。因此，膜生物反应器通过膜分离技术大 大提高了生物反应器的处理效率，同时通过降低f m 的值减少污泥发生量。与传统的生 物处理工艺相比，还具有抗冲击负荷能力强、出水水质好且稳定、排泥周期长、占地面 积小、易实现自动控制等优点。m b r 最先用于微生物发酵工业，之后逐渐应用于污水 处理领域，到2 l 世纪，国内外对膜生物反应器逐渐进入生产性应用阶段的研究。陈冠辉 等 4 1 1 采用厌氧缺氧池好氧m b r 工艺处理模拟的城市生活污水，就系统主要的运行参 数对氮磷去除的影响进行了研究。结果表明：t n 、t p 、n h 3 一n 去除率分别达到8 0 、 9 0 、9 5 以上，出水各项指标完全满足城市杂用水水质标准的要求。 中山大学硕士学位论文 1 5 7 生物除磷 污水生物除磷，是通过活性污泥在厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运 行，使聚磷菌成为优势菌种，通过厌氧的释磷和好氧的超量吸磷，并通过排除高含磷量 的剩余污泥，获得低含磷量的处理出水。经过几十年发展，污水生物除磷技术和理论都 得到了突破，且充分运用于生产过程中。生物除磷工艺包括a o 法、a 2 o 法、改良a 2 o 法、倒置a 2 o 法、s b r 法、改良氧化沟、b a r d e n p h o 、v i p 、m s b r 、u n i t a n k 等。 1 6 同步反硝化除磷系统及研究现状 传统生物除磷脱氮理论，生物除磷和脱氮是靠两个不同的菌种、相互竞争的生理过 程。在此基础上研究开发的工艺由于存在着反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争、c o d 利用 率低、泥龄控制矛盾等问题，使在实际工艺运行过程中经常出现脱氮和除磷效果不能同 时达到最佳的现象。 随着经济的发展、人口的增加和人民生活水平的提高，城市生活污水量大量增多、 且有高氮、磷和低c o d 浓度的特征。这迫切需要对生物脱氮除磷机理进一步研究，提高 c o d 利用率，为低c n 、c p 下同时保证生物脱氮和除磷取得良好效果找到根本出路。 在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，在厌氧缺氧交替变化运行的条件下，具有一 类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，能以硝酸盐作为电子受体在进行反硝 化的同时完成过量吸磷，使吸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 同一个环境中完成，这种微生物就是反硝化除磷菌( d p b ) 。 反硝化理论的提出无疑可以解决传统生物除磷脱氮工艺的矛盾，硝化菌和反硝化除 磷菌可在自身最佳的生长条件下进行生物代谢作用，特别是在缺氧段，d p b 利用硝酸盐 来代替氧气作为电子受体，同时完成反硝化和除磷的目的。 1 6 1 同步反硝化除磷系统的特点 同步反硝化除磷系统能利用反硝化聚磷菌( d p b ) 在缺氧段以n 0 3 - n 为电子受体进行 反硝化吸磷，这是与传统生物脱氮除磷系统的最大区别，同时可以起到：1 )