（环境工程专业论文）市政污水处理中mbr组合工艺生物脱氮除磷及运行工况优化研究.pdf

摘要 淡水资源富营养化的现状日益加剧，加之污水排放标准苛刻，使市政污水 的处理面临了严峻的挑战，特别在面临低温低c n 比等特殊情况下污水处理效 果的不佳现状，对工况的优化选择便显得尤为必要。 本文以天津创业环保集团纪庄子污水处理厂进厂废水为研究对象，其进水 c o d 低、色度大，c n 比小( 约为3 5 ) 、泥沙等无机成分含量高，在无人工投 加碳源情况下，生物脱氮除磷难度很大。针对构成复杂的进水，采用a o m b r 工艺进行处理最终出水满足国家一级a 出水标准。以d o 、回流比、水力停留 时间等重要参数为研究对象，分别在高低温两种情况下根据出水水质对工况进 行合理调整，建立系统长期稳定运行的控制条件，最终摸索出一个满足出水水 质的最佳工况，不仅为今后o m b r 工艺在市政污水的处理提供有益的借鉴， 也为水处理过程中影响生物脱氮除磷的重要因素控制提供基础依据。 试验工艺运行时间为一年，历经四季，试验过程中跟踪测试污泥的硝化和 反硝化性能，每周都根据设定的污泥龄通过排泥对污泥浓度进行严格控制，每 天对各项出水水质指标进行跟踪测试，不同工况运行下的出水结果表明，夏季 高温( 2 5 3 5 ) 下，好氧池和膜池溶解氧分别控制在1 0m g l 、1 5 3 0m g l ， 好氧池至厌氧池、膜池至缺氧池回流比分别为2 0 0 、1 0 0 ，缺氧池、好氧池、 膜池h r t 分别为8 2 5 h 、3 h 、3 7 5h ，污泥龄2 0 天，膜池污泥浓度为6 5 7 5 9 ； 而在低温下( 1 6 以下) ，c o d 的去除效果理想，出水c o d c r 平均4 5 m g l ； 浊度保持在0 1 2 n t u 以下，s s 为零，出水氨氮( n h 3 - n ) 、总氮( t n ) 均能分 别保持在5 m g l ，1 5 m g l 以下，脱氮效果良好：加药后出水的总磷( t p ) 去除 率为9 0 以上，a o m b r 组合工艺脱氮除磷效果良好，出水水质满足国家一级 a 排放标准，部分工况下满足一级b 排放标准，达到试验目的。 关键词：a o m b r 工艺；脱氮除磷；硝化：反硝化；工况优化 a b s t r a c t t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ee u t r o p h i c a t i o no ff r e s h w a t e rr e s o u r c e si s 。i n c r e a s i n g d a yb yd a y , c o u p l e dw i t hs t r i n g e n te m u e n td i s c h a r g es t a n d a r d s t h et r e a t m e n to ft h e m u n i c i p a ls e w a g ef a c e sas e r i o u sc h a l l e n g e e s p e c i a l l yf a c i n gw i t ht h ep o o rs t a t u so f w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h el o wt e m p e r a t u r ea n dl o w c nr a t i oc a s e s o i ti sp a r t i c u l a r l yn e c e s s a r yt oh a v ea no p t i m a lc h o i c eo ft h e c o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ，b ys t u d y i n gt h ei n f l u e n tw a t e ro fj i z h u a n g z iw a s t e w a t e rs e w a g e t r e a t m e n tp l a n to ft i a n j i nc a p i t a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ng r o u p ，t h ec o do f i n f l u e n ti sl o wa n dg r e a tc o l o r , c nr a t i oi ss i n a i l ( a b o u t 3 5 ) 。w i t hh i g hc o n t e n to f s i l t a n do t h e ri n o r g a n i ci n g r e d i e n t s ，i nt h ec a s eo fn oa r t i f i c i a ic a r b o nd o s i n g ，i ti sm o r e d i f f i c u l ti nt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l n o w , t h e 刖o m b rc o m b i n e dp r o c e s s w a su s e dt op r o c e s s i n gt h ec o m p l e x e dw a t e r , t h ee x p e r i m e n tw a sb e g i n i n gi nt h e s p r i n g 。t h ed o ，r e f l u xr a t i o ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s w e r e 咖d y e d ，w i t ht h ec h a n g i n gt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yo fw o r k i n g c o n d i t i o n st oh a v ear e a s o n a b l ea d j u s t m e n t sa n de s t a b l i s hal o n g - t e r ms t a b l e o p e r a t i o no ft h es y r s t e mc o n d i t i o n sc o n t r o l l i n g ，u l t i m a t e l yw o r k e do u t t h eb e s t c o n d i t i o n sw h i c hi ss t a n d a r da n dm a x i m u mr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，n o to n l y p r o v i d i n gau s e f u lr e f e r e n c ei nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t ht h ec o m b i n a t i o n o fm b r t e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e b u ta l s op r o v i d et h eb a s i sf o rw a t e rp r o c e s s e st h a t a f f e c tt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lc o n t r o li m p o r t a n tf a c t o r s t h et e s tk e e p sr u n n i n gf o rt h ew h o l ey e a r , d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，m u ds t r i c t l y t oc o n t r o l o fs l u d g ec o n c e n t r a t i o na c c o r d i n gt ot h es e t t i n gs r te v e r yw e e k , t r a c k t e s t i n gt h ew a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r se v e r yd a y ，w a t e rr e s u l t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s s h o wt h a tt h ee m u e n ti sw e l li nt h es u m m e r ( 2 5 - 3 5 ) b u ti nt h ei o w e r t e m p e r a t u r et h er e m o v a lo fc o d i si d e a l ，t h ea v e r a g ec o d c ri sa b o u t4 5 m g l ，t h e t u r b i d i t yk e e p sb e l o w0 12 n t u 。s si sz e r o t h ee m u e n tn h 3 n ，t nw e r ea b l et o r e m a i na t5 m g l ，l5 m g lo rl e s s ，a f t e rd o s i n gt h ew a t e ro ft h et pr e m o v a lr a t ew a s 9 0 t h ep r o c e s sw a t e ro fa o m b rc o m b i n e de f f l u e n tq u a l i t yt om e e tt h en a t i o n a l e m i s s i o ns t a n d a r d s p a r to ft h ew o r kc a s e st om e e tt h el e v e lbe m i s s i o ns t a n d a r d , m e e t st h et e s to b j e c t i v e s k e y w o r d s ：t h ea o m b r p r o c e s 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 ； n i t r i f i c a t i o n ；d e n i t r i f i c a t i o n ；c o n d i t i o n so p t i m a l 学位论文的主要创新点 一、当今用m b r 工艺完全代替传统市政污水处理工艺还并不多见。 课题研究过程中重点围绕a o m b r _ t _ 艺在市政污水处理中影响脱氮 除磷环节的各项参数展开探讨，最终比较得出不同温度下系统运行 的最佳工况，为今后m b r 工艺在市政污水处理中的推广应用打下基 础。 二、针对较特殊情况下( 低温度、c n 为3 5 ) 的市政污水，处理难 度加大。在无人工投加碳源的情况下，运用以上参数仍能使a o m b r 工艺稳定运行，出水达标。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论帚一早殖化 水是维持生命与健康的最基本的要素，地球尽管有7 0 以上的面积为水所 覆盖，但淡水资源却非常有限。全部的水资源中，有9 7 5 是无法饮用的咸水。 余下的2 5 的淡水中，有8 7 以上是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永 冻地带的冰雪。我们真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占 地球总水量的0 2 6 ，而且分布不均。现如今我国是世界上1 3 个贫水的国家之 一，水资源短缺、水污染严重、水土流失严重、水资源浪费严重，人均淡水 资源占有量远远低于世界人均水平，是一个淡水资源严重缺乏的国家。人们生 活水平日新月异，工业飞速发展，新添加剂、清洁剂、药品等化学成分复杂的 生活用品不断涌现，导致我们赖以生存的淡水资源出现了严重的污染。我国的 江河湖泊，由于废水和废物的大量排入，不同程度的受到污染，我国沿海频繁 发生赤潮，水产养殖大面积减产、海生物死亡，与水污染增加直接相关。我国 目前面临着严峻的形势，城市用水量和废水排放量剧增，绝大多数城市水源供 给量严重不足，各地水环境日趋恶化，2 0 0 8 年全国废污水排放总量超过7 5 8 亿 吨，并逐渐递增。大量资料表明，我国今后一段相当长时间内的环境问题便是 水环境问题，而水环境问题又主要是淡水资源的污染问题【l 】。 近些年来随着人们环保意识的不断增强，对水体富营养化和氮磷污染水体 的认识也日渐提高。因此，废水处理、废水再利用已成为制约国民经济发展和 关系人类生命健康的重大课题。国民经济迅速增长的同时，给水环境带来的前 所未有的沉重负担也必须给予重视。 目前，我国还有许多企业仍然沿用粗放型生产模式，废水处理效果并不理 想，即便最终能够达标排放，还是仍有大量污染物质排入江河湖泊之中，污染 程度大大超过了湖泊河流自身的环境容量，随着经济的发展，废水的排放量还 要增长，污染物也会随之增加。因此首先要做到削减污染物的排放，大力推行 清洁生产，实行污染物排放的源头和全过程控制，其次要加大资金力度优化完 善污水的处理工艺。现今生活污水处理方面，国内污水处理厂基本沿用厌氧 好氧( a o ) ，厌氧缺氧好氧( a 2 0 ) ，序列间歇式活性污泥法( s b r ) ，氧化沟 等几种传统的水处理工艺。虽在应用上已经趋于成熟，但是仍然存在不足之处， 工艺运行中的影响因素和工况仍存在优化空间【2 1 。 市政污水成分复杂，涵盖了人类在日常生活中使用过的生活污水，并被生 天津工业大学硕士学位论文 活废料所污染的水。其水质、水量随季节而变化，一般夏季用水相对较多，浓 度低；冬季相应量少，浓度高。生活污水一般不含有毒物质，但是它有适合微 生物繁殖的条件，含有大量的病原体，从卫生角度来看有一定的危害性。 从水质角度考虑，市政污水色度较大，微生物含量丰富，氮磷含量较高， 处理不达标便很容易产生淡水资源的富营养化。可生化性的有机物含量较高， b o d 5 c o d 大于0 3 ，适宜采用活性污泥法进行处理。现今大量进入湖泊、河口、 海湾等缓流水体的氮、磷等营养物质，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水 体溶解氧下降，水色浑浊，水质恶化的现象。我国的武汉东湖、杭州西湖、 南京玄武湖、济南大明湖、抚顺的大伙房水库，都曾受到富营养作用的影响。 近年来，我国沿海的赤潮也时有发生，河北黄骅县到天津塘沽百余里的沿海 出现世界上罕见的大规模赤潮，使养虾业遭到严重损失。 1 2 市政污水脱氮除磷处理的传统方法3 “】 1 2 1a o 法 a o 工艺是由好氧和厌氧两部分反应组合而成的污水生物处理系统。当污 水进入厌氧池以后，与回流污泥充分混合，反硝化菌在此过程中会大量吸收污 水中的可生化有机物和回流污泥中的硝态氮进行反硝化反应。聚磷菌是在好氧 的条件下吸收磷，厌氧条件下释放的磷，活性污泥在污水中通过“厌氧一好氧” 的交替作用和二沉池的污泥分离达到除磷的目的，但是在只有一个缺氧段的情 况下，硝态氮的存在会影响除磷反应，因此在此过程通常只能发生反硝化脱氮 反应而除磷效果不佳。 缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，可减轻好氧池中的有机 负荷，而反硝化反应中产生的碱度，可以适当满足好氧池进行硝化反应过程中 对碱度的需要。好氧设在缺氧池后，可使反硝化过程中残留的有机物得到进一 步的去除，进而提高出水水质。a o 工艺的b o d 5 去除率较高，可达9 0 , - - - 9 5 以上，但在脱氮除磷方面略显不足，脱氮效率为7 0 - 8 0 ，除磷效率只有2 0 - 、, 3 0 。 由于a o 工艺较为简单，但其也有突出的自身特点，在当前仍然是比较普 遍采用的工艺之一。该工艺还可以将缺氧池与好氧池合建，中间隔以档板，降 低工程造价，所以这种形式有利于对现有推流式曝气池的改造。 第一章绪论 a a o 工艺将传统的活性污泥、生物硝化工艺结合起来，取长补短，更有 效的去除水中的有机物。此法即是通常所说的厌氧缺氧好氧法，污水依次经 过厌氧池缺氧池好氧池被降解。a a o 工艺自1 9 3 2 年至今已有接近8 0 年的 历史，污水首先进入前置的厌氧池中，其中的兼性厌氧菌将污水中含有的易降 解有机物质转化成v f a s 。回流污泥中携带的聚磷菌将体内摄取的磷分解，此为 释磷，释放的能量中一部分可供给好氧的聚磷菌以在厌氧的环境维持生存，另 一部分供给聚磷菌去主动吸收v f a s ，并储存p h b 于体内，进入缺氧区，反硝 化菌利用混合液回流过程中带入的硝酸盐以及进水有机物进行反硝化反应脱 氮，进入好氧区，聚磷菌除了吸收利用污水中残留的易降解b o d 外，主要分解 体内储存的p h b 产生能量供自身生长繁殖，并主动吸收环境中的溶解磷，此为 吸磷，以聚磷的形式在体内储存。污水经厌氧，缺氧区，有机物分别被聚磷菌 和反硝化细菌利用后浓度低，有利于白养的硝化菌的生长繁殖。最后，混合液 进入沉淀池，进行泥水分离，上清液作为处理水排放，沉淀污泥的一部分回流 厌氧池，另一部分作为剩余污泥排放。 本工艺可达到同步脱氮除磷的效果，总的水力停留时间少于其他同类工艺。 而且在厌氧缺氧好养交替运行条件下，不易发生污泥膨胀。改良a a j o 的特 点就是在厌氧池的前面加上了一个预缺氧池，以更好的达到脱氮除磷的效果， 从而达到国家一级a 的标准。对于含磷较高的污水，该工艺是一个不错的选择， 较适合于生活污水的处理。 1 2 3s b r 法 s b r 法是序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 的简称，又名间歇曝 气，其主体构筑物是s b r 反应池。污水在这个反应池中完成反应、沉淀、排水 及排除剩余污泥等工序，使处理过程大为简化。 s b r 的废水处理方法，具有以下几个主要特点：序批式活性污泥法空间上 处于完全混合状态，时间上为推流式，反应效率高，处理效果好，在获得同样 的处理效率下，s b r 法反应池理论明显要小于连续式反应池的体积，并且池越 多，s b r 的总体积就越小。序批式活性污泥法工艺流程较为简单，构筑物少， 占地少，构筑物少，设备费用和造价也较低。反应结束后的静止沉淀后，分离 天津工业大学硕士学位论文 效果较好，出水水质也较高。工艺运行灵活，经调整可变换成多种运行路线， 在同一反应器中仅通过改变运行中的几个工艺参数就可以处理不同水质情况下 的废水，在进水结束后，原水和反应器隔离，进水水质和水量的变化对反应器 不再有任何影响。综上可看出该工艺的耐冲击负荷能力较高，间歇进水方式、 排放以及每次进水量只占反应器的三分之二左右，其稀释作用也进一步提高了 工艺对进水冲击负荷的耐受能力；另一方面序批式活性污泥法能够有效地控制 丝状菌过量的繁殖，这是由缺氧和好氧并存，反应中底物浓度大，泥龄短，比 增长速率大等共同决定的。 s b r 法以它独特的优点近年来得到迅速推广，通过不断改进、完善，使其 成为目前世界上采用较多的污水处理工艺。s b r 工艺在我国工业废水处理领域 应用也比较广泛，已经建成多座s b r 处理设施投入运行。 1 2 4m b r 组合工艺 膜生物反应器( m b r ) 作为一种新型、高效的污水处理与回用技术，受到了 国内外学者的广泛关注。与常规的脱氮除磷工艺相比较，将a o ，s b r 等与m b r 技术相结合的工艺，除了具有一般的m b r 的优点以外，还可达到同时高效去 除氮、磷及有机物的目的。 m b r 组合工艺有以下主要特点： 1 ，处理出水水质良好，污染物去除效率高。不仅对有机物和悬浮固体( s s ) 的去除效率高，也可以去除细菌和病毒等微生物，工艺出水可以直接回用。 2 ，膜本身具有的分离功能，可将水中的微生物完全截留在反应器中，实现 污泥龄和水力停留时间的完全分离，使得系统在运行控制过程中更加灵活。 3 ，反应器中污泥浓度较高，处理容积负荷大，占用土地面积较少。 4 ，有利于硝化细菌等增值缓慢的微生物的截留和生长，系统硝化效率得以 提高。并且可以同时提高难降解有机物的降解效率。 5 ，污泥产量较低。 6 ，传质效率较高，氧的转移效率高达2 5 6 0 。 7 ，较容易实现自动控制，操作管理比较方便。 1 2 4 1m b r 与序批式反应器( s b r ) 相结合的工艺 m b r 与序批式反应器( s b r ) 相结合形成改良式序列间歇反应器( m s b r ) 。 s b r 工艺按进水、反应、沉淀、出水、闲置5 个阶段的顺序间歇操作运行。沉 淀的工序相当于传统的活性污泥法中二沉池的左右，沉淀期所需的时间根据所 处理的污水的类型及处理要求具体确定，一般为l 2 小时。m s b r 系统由于 第一章绪论 膜的过滤功能而省去沉淀的工序，从而大大地缩短了s b r 流程，且过滤功能进 一步提高了出水水质。 将膜处理与s b r 系统结合，在最终膜过滤程序完成后显示，细菌能够确保 被全部去除，9 5 以上的有机物、悬浮固体和大肠杆菌也被成功去除，而单独 的s b r 系统只部分地去除了大肠杆菌、埃希氏大肠杆菌等，但是由于在这种运 行模式中膜的工作时间短而引起效率的降低，现在几乎没有工程采用此工艺。 1 2 4 2m b r 与高效生物反应器( h c r ) 相结合的工艺 高效生物反应器( h c r ) - v 艺是由德国c l a u s t h a l 工业大学物象传递研究所发 明的一种高效生物反应器技术。h c r 工艺通过提高反应器中的污泥活性和充氧 能力来满足生物在短时间内快速降解污水中的有机物的要求，最终达到高效率 处理目的。高效生物反应器是一种环状射流的反应器技术，采用射流曝气的方 式强制提高溶解氧浓度，设备的结构主要由循环泵，沉淀池，集成反应器，两 相喷头和相应的配套管路系统等几个部件所构成。 k y u n g _ m i ny e o n 等人将h c r 工艺与m b r 工艺结合形成了新型的m h c r 工艺，对此工艺的处理能力进行了研究。实验中将h c r 反应器与几种不同型式 的淹没式膜组件相结合。比较研究发现：m h c r 显示出了大大高于普通m b r 系统中的膜出水率，为含高浓度有机物污水的处理提供了保障；m h c r 系统 c o d 的去除率在9 9 1 9 9 3 之间。由此可见m h c r 系统是一种处理高有机 负荷污水极为高效的方法，将h c r 和m b r 两工艺进行结合可达到优势互补的 作用。 除以上两种组合工艺外，还有a 2 0 与m b r 、a o 与m b r 、氧化沟与m b r 等多种类型的组合工艺，长期的试验研究和应用效果显示，组合后的工艺发挥 了两工艺优势互补的作用，大大提高了处理效率，出水效果也远远优于组合前 单独的处理工艺，可见m b r 组合工艺是一种极具潜力，科学合理的污水处理 新技术。 1 2 5m b r 组合工艺技术在国内外的研究进展 在生活污水的处理中，氮、磷两种元素是最重要的去除对象，m b r 的脱氮 除磷各工艺中，分为单一形式的m b r 工艺，此外便是1 2 4 中罗列的各种组合 工艺。单一的m b r 工艺特点鲜明，其结构简单，污泥浓度高，占地面积小， 但是在氮和磷的去除率上仍不理想，很难满足越来越严格的排放要求。因此 m b r 的各种组合工艺在国内外的应用比单独的m b r 工艺更为普遍。 基于m b r 自身特点和独特的技术优势，使得开发应用m b r 的脱氮除磷功 天津工业大学硕士学位论文 能成为一种发展趋势，但是在与传统的生活污水脱氮处理工艺相比较，对m b r 组合工艺的研究还不是很成熟，很难达到同时脱氮和除磷的最佳效果，另外由 于膜的频繁更换带来的昂贵成本，及膜污染的防治等棘手的问题需要进一步研 究，工程上的应用经验缺乏，很多的研究成果只是停留在实验室阶段，国内外 拥有一大批针对m b r 组合工艺运行性能优化、膜污染防治、活性污泥混合液 中膜过滤性能等问题进行研究的学者，m b r 组合工艺具有很好的发展前景和拓 展空间。 当前国内学者中，例如成英俊等，在反应器中投加聚乙烯材质的悬浮填料， 考察生物膜与m b r 工艺结合对生活污水的处理效果，结果显示在氨氮，有机 物和t n ，t p 上，去除率都有明显的提高；学者肖景霓运用s b r 工艺与m b r 工艺相结合，在a o 模式下进行了s b r m b r 与传统膜生物反应器的对比试 验，结果显示去除效果依然非常喜人。另外有金培涛，曹斌等针对复合式膜生 物反应器进行研究，成果显著。国外方面，例如a h nk h 和c h oj 等开发了 序批式缺氧厌氧m b r ( s e q u e n c i n ga n o x i c a n a e r o b i cm b r ，s a m ) - - _ 艺，该工 艺通过启闭好氧区回流液在单一反应器内实现时间上的缺氧和厌氧两种条件， 使得除磷效果得到很大提高( 除磷率达到9 3 ) ；但脱氮效率受缺氧阶段h r t 降 低的影响而降至6 0 。 因此，m b r 组合工艺现已成蓬勃发展之势，必然是未来研究和工程应用方 面的重点方向。【7 叫j 1 3 影响a o m b r 工艺运行的重要参数 1 0 - q 4 】 1 3 1 温度 m b r 工艺的正常运行是建立在活性污泥法原理之上的，微生物能否正常生 长代谢，能否发挥其最大活性以摄取污水中的营养，达到脱氮除磷的目的，是 工艺运行成败的关键。 在提供必要的氮源，碳源等营养物质以外，温度是影响微生物生长的又一 重要因素。微生物在3 0 3 5 范围内生长最为适宜，超过3 5 或者低于常温， 微生物的活性都会随之降低。温度过高将导致微生物失活，机体遭受不可逆转 的损害，温度过低的环境将导致微生物处于休眠状态，当温度在5 3 5 度之间逐 渐过渡时，硝化反应的速度将随温度的增高而加快，低于5 度时，硝化菌将几 乎停止代谢活动，硝化反应几乎停止。反硝化作用可在1 5 3 5 度之间进行，低 于1 0 度或高于3 0 度时，反硝化菌代谢速度明显减缓。所以在污水处理过程中， 保持适宜的温度，是出水水质达标的重要保证。 第一章绪论 温度出现的过快下降会使出水氨氮略有升高，说明硝化细菌对于温度的变 化较为敏感，但经过一段时间的运行便能恢复。另外，负荷较高的情况下， a o m b r 系统更容易受到温度波动的影响，但此情况可以通过延长水力停留时 间来弥补。由于大型污水处理厂位于室外进行，出现冬季较低温度下( 小于l o ) 的情况不可避免，因此需针对低温下m b r 的运行特性并对其进行优化。 1 3 2 溶解氧( d o ) 溶解氧( d o ) 是指在一定条件下，溶解于水中分子状态的氧的含量。生 物脱氮除磷的过程中，主要是通过好氧硝化、厌氧反硝化作用和好氧吸磷、厌 氧释磷的作用实现的，而硝化菌、反硝化菌和吸磷菌、释磷菌对氧的需求又各 有不同。 在传统的废水生物脱氮工艺中，把硝化和反硝化作用作为两个独立的阶段， 分别在不同的反应器中或以间歇的方式达到好氧、厌氧条件来运行。特别对反 硝化菌来说，水中溶解氧的存在之所以会对反硝化的过程有抑制作用，并不是 由于氧气的存在抑制了反硝化菌本身，而是各个电子受体之间由于争夺电子的 能力大小差异上，氧气通常情况下接受电子的能力要高于硝酸根离子和亚硝酸 根离予，如果反应器中溶解氧过高，将会使反硝化细菌利用氧气进行有氧呼吸， 抑制了反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成过程，或者氧成为了电子受体，阻碍 了硝酸氮的还原。 但是近些年来的许多研究结果表明，在同一反应器中达到同步硝化反硝化 脱氮的方案是可行的。例如在a o m b r 组合工艺中，前端a o 两池的硝化反硝 化后，外加膜对硝化细菌的截留作用，世代时间较长的硝化菌能够在反应器中 生存富集，故大多数m b r 工艺对氨氮的去除效果非常好。 另外通过对溶氧的控制可实现同步硝化反硝化脱氮。如采用一体式m b r 处理生活污水时，在d o = i 5 m g l 时，系统对n h 4 + - n 、t n 的去除率分别高达 9 7 和9 2 以上，达到了很好的同步硝化反硝化脱氮效果。活性污泥法处理污 水的过程中，对d o 的控制足以影响系统运行的全局。d o 的过高或过低对活 性污泥的活性和出水效果都会带来很大的影响。当d o 很高时，由于过度曝气， 会使活性污泥絮体变小，沉降性能变差，上清液中含有大量的细小絮体也会导 致c o d 浓度升高；d o 很低时，好氧细菌得不到充足溶解氧活性降低，硝化作 用不彻底，有机物分解不够完全，甚至导致活性污泥厌氧发酵，出水效果变差。 在有分子态的溶解氧存在的情况下，反硝化菌会利用氧气作为最终的电子受体 来氧化分解有机物，只有在没有分子态氧气存在的情况下，才利用硝态盐或亚 硝态盐作为能量代谢中的电子受体，有机物作为碳源和电子供体提供能量，并 天津工业大学硕士学位论文 得到氧化稳定。 在m b r 系统中，在d o = 2 4 m g l 时，系统对n h 4 + n 具有很好的去除效果， 出水的去除率都维持在9 0 以上，且在3 0 度左右时，d o = 2 0 r a g l 时氨氮的 去除率最高可达9 8 ，出水n h 4 + n 浓度仅为0 1 0 5 m g l ，但是当d o 降低 至0 5 m g l 以下，n h 4 + n 去除率急剧下降至5 0 左右，最低时仅为4 l ，出 水n h 4 + - n 平均浓度高达1 2 1 5 m g l 。这是由于d o 太低，影响了硝化细菌的 活性，抑制了硝化反应的顺利进行。 1 3 3 回流比 活性污泥法工艺中，回流比即为污泥回流比，指曝气池中回流污泥的流量与 进水流量的比值。在生活污水处理中，混合液回流比大小是直接影响脱氮效果好 坏的重要因素。前置反硝化工艺中的混合液回流比越大，去除率越高；增大混 合液的回流比便于在缺氧段为反硝化聚磷菌提供足够的电子受体。 回流比与 n h 3 - n 去除率关系公式如下： 7 7 ：善嘿：婴1 0 0 ( 公式1 - 1 ) = ，二譬备一= 一 ( 哆 西1 i ) l + r w + r 炒 l + r w + r 。 从以上公式可以看出，氨氮去除率随着回流比的上升而上升，但是从实际 情况考虑，因处理水量的限制，污水处理过程中不可能只为出水达标来无限的 提高回流比，混合液及硝化液的回流比大小对工艺的脱氮除磷作用影响很大， 只能寻求一适度值。 缺氧池的硝态氮去除率随着硝化液回流比的上升而降低，作者以为这是由 于以下原因造成的，随着硝化液回流比的增加，活性污泥将好氧池中大量的溶 解氧携带至缺氧段，抑制了硝酸盐还原酶的合成，加上有机物的缺乏，反硝化 作用减弱，进而导致硝酸盐氮的去除率下降。另外随着不断增加硝化液的回流 比，直接降低了进水中混合液在缺氧池的停留时间，缩短了硝酸盐氮、有机碳 与微生物的接触反应时间，影响反硝化的进程。 在a 池的缺氧环境下，聚磷菌利用单位p h a s 的吸磷量会随着混合液回流 比的增大而呈现先上升后下降的趋势，在本实验条件下，回流比在3 0 0 时效果 为最好，但是反硝化聚磷菌的本身特性不会受到影响。在实际运行的污水处理 厂中，应着重考虑混合液回流比对反硝化聚磷菌的影响，尽可能的创造有利的 环境来提高反硝化聚磷菌的富集程度和活性，使反硝化除磷作用在污水处理工 程中真正起到节能的目的。 第一章绪论 1 3 4c n 比 c n 比即为c o d 与n 的比值，系统中在无外加碳源的情况下，反硝化作 用进行所需要的碳源和氮源只能通过污水中的有机物和氮来摄取，微生物对满 足自身营养需求的碳源氮源的摄取有一定的比例，超过或低于此比例，都会不 同程度的影响微生物的正常新陈代谢，所以c n 比对于工艺过程的进程有着重 要的意义。 在评价反硝化系统时，对于混合污泥处理系统，如果是前置的反硝化，提 前计算反硝化池的c n 比尤为重要，以此来估算工艺是否需要外加碳源。在反 硝化系统中的有机物有以下两个方面的用途： l 、把硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气： 2 、供微生物生长。 如果得知以上所述的消耗量，就能计算出有关处理系统所需要的c n 比， 若环境中碳源量超出氮源含量，超出反硝化需要量的有机物只能与处理水一起 从处理系统中排出，因而达不到完全脱氮的目的，降低了出水水质。 处理c n 比较低的污水，意味着仅出现部分反硝化或者反硝化速率很低。 在大多情况下，意味着硝酸盐的处理效率将会下降，c n 比低也会导致反硝化 中间产物n 2 0 的增加。所以在无外加碳源的情况下，必须寻求其他运行参数的 优化调整来弥补碳源不足带来的缺陷。 1 3 5 污泥浓度 污泥浓度是指单位体积污泥含有的干固体重量，或干固体占污泥重量的百 分比。用重量法测定，g l 或m g l 表示，该指标也称为悬浮物浓度( m l s s ) 。 因m b r 工艺所具有的独特优势，可以将相比较传统活性污泥工艺更高的 污泥浓度聚集于反应池。所以对于污泥浓度的控制，是m b r 工艺运行中需要 重点考虑的对象。在实验进行中，膜池污泥浓度分别控制在6 9 9 l 不等，污泥 浓度较高情况下出水水质明显较好，但是仍然伴随着膜污染速度加快的问题， 所以在此参数的优化过程中，将出水水质与膜污染和污泥性能综合考虑，尽可 能的在提高出水水质的情况下，延长膜清洗周期。 1 3 6 污泥龄 污泥龄，用s r t 表示，是指微生物在活性污泥系统内的停留时间，也可意 为在反应系统内的微生物从其生成到排出在系统中的平均停留时间或者反应系 统内的微生物全部更新一次所需的时间长短。从工程上说，稳定运行条件下的 天津工业大学硕士学位论文 污泥龄为曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥数量的比值。 污泥龄是活性污泥法处理系统的重要参数，污泥龄的长短能间接说明活性 污泥微生物的状况，世代周期长于污泥龄的微生物在曝气池内不可能繁衍成优 势种属。如硝化细菌在2 0 摄氏度时，世代时间为3 d ，当污泥龄小于3 d 时，其 不可能在曝气池内大量繁殖，也不能成为优势种属在曝气池进行正常的硝化反 应。 控制污泥龄是选择活性污泥系统中微生物种类的一种方法。如果某一种微 生物的世代期高于系统中的活性污泥泥龄，则该类微生物将会在繁殖出下一代 之前就会被以剩余活性污泥的方式排出系统，导致该类微生物永远不会在同一 系统中繁殖起来；反之如果某一种微生物世代期小于系统中活性污泥的泥龄， 则该种微生物在排出系统之前，有足够的时间繁殖出下一代微生物，则该种微 生物就能在该活性污泥系统中存活下来并得以繁殖最终用于污水的处理。 污泥龄直接决定了活性污泥系统中的微生物年龄的大小，一般情况下，年 轻的污泥，分解和代谢有机污染物的能力较强但是凝聚沉降性能较差，而年长 的污泥分解和代谢的能力较差但是凝聚性能较好，用污泥龄来计算并控制排泥， 是一种最可靠和准确的排泥方法，要选择合适的污泥龄作为控制排泥量的目标。 一般在处理效率要求较高、出水水质要求高的情况下，s r t 应控制稍大一些， 在夏季等温度较高时可适当降低污泥龄。因不同微生物泥龄不同，硝化菌需要 的泥龄需长一些，但是当除磷要求较高时，需要泥龄短的活性污泥，因为磷是 通过活性污泥中的聚磷菌排出系统外，泥龄太高的情况下磷无法去除。 1 3 7 水力停留时间( h r t ) 水力停留时间( h r t ) 是污水生物处理系统中的一个非常重要的参数。h r t 是指污水在反应器内的平均停留时间长短，也就是污水与生物反应器内的微生 物作用的平均反应时间。水力停留时间的设定不仅与系统的处理效果有关，还 直接决定了生物反应器容积的大小，进而决定了污水处理工程的基建投资费 用。在传统的活性污泥法中，水力停留时间很大程度决定了污水的处理效果， 因为它决定了反应器中污泥的停留时间，所以例如a o ，a a o 等传统的污水生 物处理系统一般h r t 较长，处理设施占地面积较大。而将膜分离与传统的污水 处理方法相结合的膜生物反应器组合工艺可以弥补这一方面的不足。在膜生物 反应器中，由于膜的分离作用，使微生物被完全截留在了反应池内，能够实现 在水力停留时间和污泥龄的完全分离。m b r 工艺由于省掉了二沉池，污泥浓度 高，h r t 较普通活性污泥法短。 在保证出水的基础上，考虑工艺的实际运行，为提高处理水量，在缩短系 第一章绪论 统的水力停留时间的基础上加大膜面积来提高膜通量，在m b r 组合工艺系统 的试验中不难发现，提高膜通量势必会加速膜污染的进程，缩短膜的运行时间， 增加膜的清洗次数。因此，若单从膜污染角度来讲，膜通量越低越好。系统水 力停留时间增加会降低系统的有机负荷率，使生物的内源呼吸作用加剧，影响 污泥的活性，最终降低系统对污染物去除效果。由此可见，兼顾膜污染的有效 控制和污染物的去除效果，应尽量使系统在低膜通量、短水力停留时间条件下 运行。在反应器容积一定的条件下，实现低膜通量、短h r t 条件比较可行的方 法是适当增加膜组件的使用个数，提高膜面积来提高膜丝通量。 1 4 课题研究目的、意义及主要研究内容 由于使用成本，膜易污染等各方面的限制，以传统脱氮除磷工艺与m b r 相结合的组合工艺还未大规模的出现在市政污水处理中，但是由于膜分离的天 然优势，取代了传统的二沉池，将生物处理与膜分离有机的结合，达到了单独 的传统工艺无法比拟的效果，组合工艺的出现较单独m b r 工艺的优越性也已 被大批学者论证。 活性污泥法处理污水的工艺在夏季较高温度下的微生物活性较高，出水较 易达标；但是在较低温度下则相反，在影响参数设定不合理的情况下很难达到 同时脱氮除磷的效果，本研究课题通过应用国产的聚偏氟乙烯中空纤维膜组件， 以a o m b r 的结合工艺处理市政污水，围绕系统的脱氮除磷效果为考察对象， 重点着眼于m b r 本身优越性能的基础上，通过系统的运行不断调整试验中的 影响因素( 回流比、水力停留时间、污泥龄等) 并根据水质进行调整，优化选 择，最终比较得出在市政污水的氮和磷去除过程中较高和较低温、低c n 比情 况下的最佳工况，为大规模推广m b r 工艺的应用提供理论指导，以此尽最大 限度的挖掘m b r 工艺的潜能，提升其优良性能。 天津工业大学硕士学位论文 第二章实验装置与分析方法 2 1 实验设计思路 第二章实验装置与分析方法 本实验以重点考虑低碳情况下系统运行研究为出发点，以优化a o m b r 系 统的运行参数为主要目的，最终选择了天津纪庄子污水处理厂进水原水作为研 究对象。对系统的影响参数( 污泥浓度，回流比，污泥龄，水力停留时间等) 依次考察，每改变一参数的设定作为一个不同工况，结合试验现场运行数据和 氨氮、t n 、t p 等脱氮除磷中重点考虑的出水指标的结果，对以上工艺运行参 数进行优化和调整，最终通过比较研究，总结得出a o m b r 工艺的运行效果 及运行特性，提出低c n 下( 进水c o d 均值为2 1 1 4m g l ，t n 均值为5 9 2 m g l ， c 烈比约为3 5 ) ，分别在高温( 2 5 3 5 ) 和低温( 1 6 以下) 两种情况下的 最佳运行工况及工艺参数，为实际工程设计及工艺改造提供指导。 2 2a o m b r 工艺 2 2 1 工艺流程及说明 m b r 工艺前置a 、o 两个反应池，a 端进水，推流方式前进，终端蠕动泵 抽吸出水。采用连续进水、间隙出水方式，出水泵开8 m i n 、停2 m i n 。原污水通 过蓄水箱的初沉作用后，经隔膜泵输至反应池内，系统设有编程控制器，以高 低液位计控制进水泵的开启。好氧池下端穿孔曝气管输送氧气，孔径为l m m ， 通过手动控制活夹来控制气量。两池上端均设有搅拌器使混合液混合均匀，膜 池下端穿孔曝气抖动膜丝以延缓膜污染周期。内外回流分别为好氧池至缺氧池， 膜池至好氧池。 另外系统膜池体积为1 0 0 l ，厌氧池与好氧池总体积为1 7 0 l ，每隔3 6 l 的 体积处设一板槽，用以改变水力停留时间时，随时移动隔板的位置，水力停留 时间为本实验进行中改变次数最频繁的重要参数之一，其水力停留时间与反应 池体积关系如下： 天津工业大学硕士学位论文 表2 1 水力停留时间与反应池体积对应关系 工艺流程示意图如下图所示： 图2 1a o m b r 工艺流程示意图 实验的膜过滤系统采用天津膜天膜科技公司生产的f p t 型浸没式膜组件， 每片膜面积为1 平方米，试验用3 片膜，共为3 平方米。膜材料为聚偏氟乙烯， 简称p v d f 。此种材料化学性能稳定，抗吸附污染性能强，耐紫外线老化，装 填密度高，属于新型的高效膜分离品种。但是由于制造工艺的影响，实验中运 用的膜丝强度较低，系统运行过程中经常出现断丝情况。 2 2 2a o m b r 工艺设计参数 实验过程中综合考察能够对系统产生影响的各项因素，诸如流量，水力停 留时间，回流比等，并对其进行优化。对系统在不同运行环境下产生的效果重 点研究，下表为工况调整中各影响因子设定的范围及数值，以此确保实验计划 的如期顺利进行。 第二章实验装置与分析方法 回流比 水流量q h r t ( 水力停留时间) s r t ( 污泥泥龄) m l s s ( 污泥浓度) 好氧池厌氧池 膜池好氧池 2 4 l l l 、3 6 l 丹l 1 5 h ，l o h 2 0 d ，3 0 d 6 0 0 0 - 9 0 0 0 m g l 1 5 0 ，2 0 0 2 0 0 ，3 0 0 ，5 0 0 按照本文的研究思路和实验目的，将以上