（环境工程专业论文）五箱一体化活性污泥工艺除磷脱氮特性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 捅要 本文研究了五箱一体化活性污泥工艺除磷脱氮性能，对其运行机理和工艺参 数进行了探索。通过水力停留时间、循环周期、泥龄等参数的优化设置，找出了 工艺运行的最佳参数。同时对该工艺泥龄计算与控制、排泥位黄、水温因素等多 方面进行了探讨，并推导了污泥推流模型。 试验研究的主要结论如下： 1 、通过增加分格和控制状态转换的五箱一体化活性污泥工艺用来除磷脱氮 是可行的，在合适的工艺参数下，t p 和t n 去除率分别达到8 5 和7 0 以上。 2 、一体化工艺的水力停留时间在概念上不同于实际停留时间。水力停留时 间延长有利于c o d 和n 地+ n 的去除，但对于t p 和t n 的去除有一定的时间限 制。在1 3 h 的总水力停留时间下，主要污染物都能取得良好的处理效果。 3 、主体阶段是实现a 2 o 运行的关键阶段，过渡段和沉淀段都是为实现两个 主体段的转换服务的。试验研究发现在主体段1 2 0 m i n 、过渡段6 0 m i n 、沉淀段 6 0 m i n 时各污染物能取得高的去除率。 4 、o r p 受进水水质影响，在不同的周期，同一池子的o r p 会有很大的区别。 o r p 可以作为指示信号来表明池子厌氧程度和出水池状态。 5 、该工艺泥龄计算应根据反应区的污泥量加以修正，试验中发现短泥龄对 除磷脱氮不利，最佳泥龄应为1 2 d 左右。 6 、通过排泥浓度和含磷率的比较，发现在出水池末期排泥有利于除磷和减 少污泥量。 7 、污泥推流模型显示混合液循水流方向推移，造成污泥分布不均匀，过长 的周期设置会使反应器利用率降低。 8 、由于曝气升温作用，水温因素影响不大，但在水温为6 。c 左右时出现了 n o 。_ n 积累现象。 关键词：五箱一体化，活性污泥工艺，除磷脱氮，h r t ，s r t ，循环周期 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e ds y s t e mw i t l ls e v e r a lt a n k si sb e i n gd e v e l o p e db ys e u t h i s p a p e r m a i l l l y d e a l s 、v i t l lt h ef i v et a n k ss y s t e m b y p i l o ts c a l ee x p e r i m e n t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ， m e c h a n i c sa n d p a r a m e t e r so f d e n i t r i f i e a t i o na n dd e p h o s p h a t i o na r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c hr e s u l t s p r o v e t h e u p s t a n d i n gd e n i t r i f i c a t i o n a n dd e p h o s p h a t i o n f u n c t i o no ft h i ss y s t e m u n d e r p r o p e rc o n d i t i o n st h er e m o v a lr a t e so ft pa n dt nc a n r e a c h8 5 a n d 7 0 r e s p e c t i v e l y , a n dt p i nt h ee f f l u e n ti ss t a b i l i z e du n d e r1 m g 几 t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d so fh r ta n ds r ts h o u l db em o d i f i e di nt h i s s y s t e mf o rt h ea l t e r n a t i n go p e r a t i o nm o d e ，a n dt h eo p t i m a lv a l u e so fe a c ha r e13 ha n d 1 2 d t h e c y c l i n gp e r i o d ss h o u l db ec a r e n l l yc o n t r o l l e d t h es y s t e mc a no p e r a t ew e l l a t8 hp e r i o d sw i t ht h em a i np h a s e2 h ，t h et r a n s i t i o np h a s el ha n dt h ep r e c i p i t a t i n g p h a s el h o r pi sa f f e c t e db yt h ec o n s t i t u e n t si nt h ei n f l u e n t i t sd i f f i c u l tt ou s et h eb e n d i n g p o i n t o f o r p f o r r e a lc o n t r o l m e n t b u t o r p c a r l b eo f a s i g n a lo f t h eo p e r a t i o ns t a t e t h es l u d g ep fm o d e li n d i c a t e st h ea s y m m e t r yo fm l s si n r e a c t o r e x c l u d i n g r e s i d u a ls l u d g ef r o mt h ee f f l u e n tt a n ki s h e l p f u lf o rd e p h o s p h a t i o na n dr e d u c i n gt h e v o l u m eo f w a s t e s l u d g e t e m p e r a t u r eh a sl i t t l e e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e so ft h e s y s t e m b u t a tl o w t e m p e r a t u r e r t i t r i t ec a l la c c u m u l a t et os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：i n t e g r a t e d s y s t e m w i t hf i v e t a n k s ，a c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ， d e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h a t i o n ，h r t , s r t , c y c l i n gp e r i o d s i i 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 东南大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解东南大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 我国水资源短缺，人均水资源占有量仅有世界平均水平的1 4 ，而水污染日趋 严重的局面更加重了水资源的危机。2 0 0 1 1 年我国主要水系、湖泊和海域污染 严重，七大水系v 类和劣v 类水质达到了5 2 8 ，石油类、氨氮、高锰酸盐指数 超标；主要湖泊、氨氮、总磷严重超标，富营养化问题依然突出，太湖和滇池外 海处于中度富营养化状态：近岸海域主要受磷酸盐和无机氮的影响，赤潮现象频 繁发生，总次数和累计面积均比2 0 0 0 年大幅度增加。国际上一般认为当水体中 总磷浓度高于0 0 2 m g l ，总氮高于o 2m g l 时水体即处于富营养化状态“。因 此水体富营养化控制首先应该从控制排放到水体的氮磷污染源着手。水体中氮磷 主要来源于生活污水和农业面源污染。其中生活污水是许多水体的主要污染物来 源，以南京玄武湖为例，由生活污水排入湖泊的氮磷负荷占湖泊总负荷的7 2 2 和7 5 7 “1 。过去我们只重视城市污水的集中处理，却忽视了分散污水特别是分 散生活污水的处理，没有从根本上扭转水污染严峻的局势。如何加强分散污水特 别是水源保护地区的分散污水处理对于保护水资源，控制水体污染具有重要意 义。 我国污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对排放污水中氮磷指标做了严格 限定。一级标准n h , + _ n 1 5m g l ，t p 0 5 m g l ；二级标准n h 4 + - n 2 5m g l ， t p l m g l 。其中磷的标准适用于一切排污单位，标准之严超过了欧盟、美国等 发达国家和地区。按照标准要求对我国新建的城市污水处理厂都需要采取除磷脱 氮措施，出于保护水源的需要，一些老的城市污水处理厂也要部分的改造采取除 磷脱氮工艺，常用工艺有h 2 - o 、u c t 、s b r 、氧化沟等多种形式。应该说大型城市 污水处理厂已经形成成熟的除磷脱氮工艺，但实际应用中除磷脱氮效果不是很理 想，特别是t p 难以稳定在lm g l 以下，更不用说0 5m g l 。而对于中小型分 散污水大多没有进行处理，已有的处理大都停留在一级处理水平上，极少采取除 磷脱氮措施。我国城市污水处理及污染防治技术政策规定，我国污水处理应 坚持集中与分散结合，在加强城市污水集中处理的同时，应重视分散污水的处理， 为防治富营养化，对于排入封闭或半封闭水体的污水进行除磷脱氮处理。如何借 鉴大型污水处理除磷脱氮工艺，研究开发适合我国国情的经济、智能化的中小型 生活污水除磷脱氮工艺及装置已经迫在眉睫。 随着国民经济的发展，在众多城市边缘地区和旅游风景区出现了新建小区和 东南大学硕士学位论文 公用设旄，在农村和城镇地区也出现了许多聚集地，由于这些地区远离市政管网 或根本就没有市政管网，污水随意就近排放污染了地面水体和周围环境，给人们 居住环境带来不良影响，迫切需要对这些分散污水处理后达标排放。 江苏省截至1 9 9 9 年底，生活污水处理率只有1 6 ，每年近1 0 亿吨的生活污 水直接排放“1 。江苏境内水资源丰富，既有太湖这样的大型湖泊，又毗邻长江这 样的天然水体，苏南城镇中又拥有丰富的城市水体，分散污水的随意排放造成地 面水体的严重污染及湖泊、城市水体的富营养化，特别是苏南环太湖周边地区水 污染状况更加严重。加强太湖周边地区分散污水处理已经成为太湖水污染防治的 重要任务。 中小型污水的处理应开发简易高效的污水处理成套技术，应实现污水处理装 置成套化和控制技术的自动化，减少人力消耗和维护费用，解决目前城市污水处 理厂存在的三高问题( 即投资高、电耗高和运行费用高) “1 。 常规的生物除磷脱氮工艺特别是r 一0 工艺及其改良形式，都存在污泥回流和 混和液回流，两部分能耗较大，一般占污水处理部分总能耗的2 7 一3 9 ，其 中污泥回流部分为1 4 左右“1 ；而且增加了设备投资和日常的维护管理费用。 对于中小型污水除磷脱氮工艺，采取上面的回流措施就会造成污水处理设施占地 面积加大、初期投资增加和维护管理的复杂化。而且中小型污水水质水量变化大， 处理设施往往要求布局紧凑、自动化运转等特点，在利用传统的除磷脱氮工艺方 面还有一个稳定性和适应性问题。本研究开发的中小型生活污水除磷脱氮工艺及 设备，顺应了污水处理设备国产化的趋势，适应了中小型污水处理的需要，在满 足水源保护区和熏要水体水污染防治和富营养化控制的同时，也为城镇小区生态 化、公用建筑污水处理回用等提供了发展空间。 1 2 多箱一体化活性污泥工艺概况及应用前景 1 2 。1 多箱一体化系统简介 多箱一体化活性污泥工艺是东南大学正在研究开发的智能化中小型污水处 理工艺，其主体是一个被间隔成数个单元的矩形反应池，可根据出水需要和是否 有除磷脱氮要求而采用不同的组合方式。对于以去除有机质和悬浮物为目的的系 统可以采取三池设置，中间池子连续曝气，外边两个池子交替出水。通过运行方 式的控制，在边池进水时关闭曝气，开启搅拌机，形成一定的厌氧和缺氧状态， 可以实现除磷脱氮效果。但从实际运行来看，三箱设置很难形成生物除磷的理想 状态，除磷效果不理想”1 t 4 6 1 。如果要实现良好的除磷脱氮效果，就需要增加反 2 东南大学硕士学位论文 应器的分格数，采取四箱或者五箱设置。通过各个池子交替进出水，厌氧，缺氧、 好氧、沉淀过程，在时间和空间上实现a 2 一o 工艺各段功能，而不需要污泥和混 合液回流。系统的运行采用可调节方式，通过调节厌氧缺氧以及好氧组合、各 阶段运行时间以适应不同水质、水量的变化。通过p l c 可编程序控制器信号控 制使系统完全自动运转，通过触摸显示屏可改变各阶段运行时间，随时了解各个 池子运行状态；通过控制柜的按钮指示灯可以了解设备的运转情况；通过新的程 序信号的输入可以改变运行方式，操作简单直观，运转灵活。 1 2 2 一体化反应器的由来与发展 常规的活性污泥工艺都包括曝气池、二沉池和污泥回流系统，需要除磷脱氮 的系统还要增加混合液回流系统和厌氧、缺氧池。厌氧、缺氧和好氧、沉淀状态 是通过不同的池子来实现的，一个池子的状态往往在时间上连续，为实现不同的 功能，各个池子又有不同的特点。一体化系统则是希望在一个反应器中实现多种 功能，甚至所有的功能都在一个池子中实现。所谓一体化活性污泥工艺是指曝气、 或者厌氧、缺氧搅拌和沉淀过程在同一个反应器内完成的活性污泥工艺，有的是 通过时间的安排，在一个池子中实现多种功能，比如s b r 法，另一种则是以几 组池子通过时间和空间的调配，完成反应和沉淀，例如交替式氧化沟和u n i t a n k 工艺等。 一般认为一体化工艺具有以下的特点： 1 ( 1 ) 工艺简单，占地面积小、节省投资。由于只有一个反应器，不需要二沉池、 混和液回流、污泥回流及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉 池： ( 2 ) 一体化工艺往往是变体积的活性污泥工艺，其基质浓度和微生物浓度随时 间变化，所以属理想地推流状态，并可以保持反应基质的最大推动力； ( 3 ) 运行方式灵活，可以在一个反应器内从时间上安排曝气、缺氧和厌氧等不 同状态，实现除磷脱氮目的： ( 4 ) 有效防止污泥膨胀，由于其存在较大的浓度梯度，有利于防止污泥膨胀； ( 5 ) 耐冲击负荷，处理能力强，随着研究和应用的深入，一体化污水处理的方 法、设备和流程不断发展与革新，与传统方法相比，在适用的污染物种类、浓度、 负荷、规模以及处理效果、费用和稳定性等方面都大大改善了。 s b r 是最早出现的一体化工艺，在2 0 世纪初已经有应用，但由于当时自动 化水平低，人工管理困难和烦琐没有推广使用。2 0 世纪8 0 年代以来，随着人们 对间歇操作工艺优点的重新认识以及设备和控制技术的发展，s b r 工艺越来越 广泛的使用，我国昆明第三、第四污水厂采用s b r 工艺已成功运行数年1 8 1 。随 东南大学硕士学位论文 着s b r 工艺的应用和发展，许多改良工艺应运而生，如c a s s 、d a t - i a t 、i c e a s 、 u n i t a n k 等形式。s b r 比传统的活性污泥工艺的优点是工艺简单，可以完全自 动运行，造价低，占地少，耐冲击负荷，出水水质好，能耗低。但又有明显的缺 点：单池运行时需要间歇运行，设备利用率低；水位不恒定，水头损失大；出水 需要撇水器。i c e a s 工艺和d a t - i a t 工艺采取连续进水，但主反应区前缺少厌 氧段除磷效果不理想：d a t - i a t 工艺的污泥回流比较大，运行费用较高； u n i t a n k 同三沟式氧化沟一样，较大的池容用于沉淀，容积利用效率不高，池 子间水力连通难以形成独立的厌氧、缺氧和好氧区域，除磷脱氮效果较差，进水 浓度较高时单级处理难以达到应有的处理效果。 多箱一体化活性污泥工艺借鉴u n i t a n k 和交替式氧化沟的运行方式，在一 个反应器中增加分格和进水点设置，在不增加占地面积和适量增加投资的基础 上，通过控制方式和状态的交替组合，创造良好的厌氧、缺氧和好氧条件以实现 除磷脱氮。通过优化池体设计，使反应器内流态更接近推流状态，取得更高的去 除效率，同时能在沉淀区域形成理想的沉淀状态，保证出水质量和系统的稳定性。 1 2 3 多箱一体化活性污泥系统应用前景 该系统主体是活性污泥工艺，多箱设置使其具有推流反应器和阶式反应器的 特点，混合搅拌措施和一体化组合又使其具有完全混合反应器的特点，通过控制 方式和状态的转换可以实现良好的除磷脱氮效果，而在池体中增加填料又可将活 性污泥和生物膜工艺组合起来，因此具有广阔的应用前景。 该系统用于城市污水处理，可以大大减少污水处理厂的占地面积和土建投 资。该工艺用于中小型污水处理，可实现成套化生产，减少资源浪费。一体化设 霹便于现场安装调试，对于有特殊要求的场所可整体封闭于地下。 结合我国目前污水处理发展的现状，笔者以为该工艺应优先在以下范围推广 应用： ( 1 ) 城市新建小区 随着城市的发展和城市化进程的加快，许多新建小区向市郊区推移，这些地 区往往存在市政管网不完善的问题。节水和人们对居住环境要求的提高也迫切需 要对小区污水处理后回用，甚至许多小区要建设水景设施。将污水处理回用的生 态小区建设是当前房地产开发商的热点之一，高质量的小区也需要智能化和集成 化的污水处理技术和工艺。 ( 2 ) 城市公基设施和单位 学校、企事业单位和宾馆等用水量比较大，具有一定的规律性。在市政管网 不配套和有中水回用要求的地区往往需要对这些污水进行单独处理。 东南大学硕士学位论文 f 3 ) 疗养院、度假村、别墅区等 这些地方往往远离城市市中心，濒临风景区和水资源保护区，也需要对污水 进行收集处理后排放， f 4 ) d x 城镇和农村聚住区 小城镇和农村聚住区比较分散，很难将污水集中后处理，在一些经济较发达 地区往往需要对这部分污水进行单独处理。 1 3 1 技术特点 1 3 研究的技术经济特点 常用的除磷脱氮工艺有两种：生物法和化学法。化学法处理效果较好，但投 资和运行费用较高，产生污泥量大且脱水性能较好，难以处理和处置。实际应用 中化学法一般作为生物法的辅助措施，如p h o s t r i p 工艺。生物法由于投资和运行 费用低，产生的污泥性能好而得以广泛应用哼1 1 0 l 。 多箱一体化活性污泥工艺首先是一种活性污泥工艺，其对有机物、氮和磷的 去除仍然应用了生物处理的机理。该工艺又完全不同于传统活性污泥工艺，各个 池子运行状态随时间和空间交替，没有一个池子一成不变的处于单一状态。比常 规的生物除磷脱氮工艺运转更加灵活，充分利用了传统的生物除磷脱氮机理，可 以通过多个池子状态控制和转换使工艺在时间和空间上实现a 2 一o 状态。过程转 换全部自动实现，可以根据进水水质和处理效果对控制状态做相应调整。它集合 了传统活性污泥法、s b r 、u n i t a n k 等诸多优点1 ： ( 1 ) 池形为方形，相邻池间共用池壁，结构简单紧凑，占地面积小，土建 造价低。从结构安全性上来说，各个池子共用底板可以提高结构的稳定性。 ( 2 ) 各个池子间水力连通，实际运行过程中通过进出水位置的切换，基质 和微生物浓度随时间和空间变化，具有推流特征，能保持反应基质的较大推动力。 ( 3 ) 不专门设置二沉池及污泥回流和混合液回流装置，通过进出水位置切 换使水流变向自动完成污泥回流和混合液回流，并使其中两个反应池交替处于沉 淀出水状态。 ( 4 ) 运转方式灵活，可以在一个反应池的不同时间和同一时刻不同反应池 之间形成厌氧缺氧、好氧以及沉淀状态，通过上下对称的两个半周期使经历不 同处理过程的水返混，在状态转换中利用不同状态的氧作为电子受体，通过多种 途径代谢，从而使除磷脱氮处理效果更好，有机物降解更完善。 ( 5 ) 不设置初沉池。取消初沉池，能利用有限的碳源，提高出水水质，简 化工艺流程，节省基建投资和运行费用1 2 1 。 东南大学硕士学位论文 ( 6 ) 可以根据在线d o 和o r p 检测信号反馈调节曝气量，根据信号显示和 处理效果分析可以调整阶段时间和控制过程，优化最佳的运行方式以除磷脱氮。 ( 7 ) 出水池交替作为厌氧缺氧、好氧以及沉淀池，池体内不存在死角，不 易产生污泥腐化现象，同时省却了刮泥设备和污泥回流系统。 ( 8 ) 恒水位运行，固定堰出水，不需要s b r 、c a s s 工艺的滗水装置，也 避免了滗水造成的水位损失。 ( 9 ) 污泥沉淀性能良好。多箱一体化设置使污水处于推流状态，可以有效 的防止污泥膨胀。沉淀池中污泥一部分是前一阶段作曝气池时留下的，一部分是 由相邻的曝气池推流进来的，在沉淀过程中没有经过任何管道，可以防止絮凝污 泥破碎。污泥沉降是在相对静止的状态下进行的，受外界干扰较小，沉淀效率高。 ( 1 0 ) 抗缓冲能力强。由于反应器具有推流和混合流的双重特点，污水进入 某个池子时，由于搅拌或曝气混和作用，使污染物在迸水池中分布均匀，同时利 用池中活性污泥絮体将污染物吸附降解。 多箱体化系统存在的不足： ( 1 ) 从机理上该工艺实际是一个无污泥回流的连续流活性污泥法。污水交 替进出及变向流动会造成各个池子间活性污泥浓度差异，混合液不断向出水池推 移，往往使得污泥泥面上升，有可能使出水水质变差。当池子作沉淀池使用时， 由于池子构造并非为专门的沉淀功能所设计，故难以在一个较佳的水力条件下进 行泥水分离。另外污泥泥面在池子底部分布不均匀，靠水力连通孔处污泥泥面将 提高，并可能影响出水指标。 ( 2 ) 在设各方面，该工艺是通过固定堰槽出水，但在曝气阶段槽内积聚混 合液，必须在出水前进行冲洗，增加了相应设备。另外该工艺管道系统布置较为 复杂，进出水、曝气切换以及自动排等控制过程需要大量的电动阀门。系统运转 完全依赖于自动控制系统，对设备可靠性要求高。交替运行使得系统存在设备闲 簧问题，一次性投资高。 总体来说，多箱一体化活性污泥工艺由于布局紧凑，运转灵活，自动化程度 高具有很大的应用空间。特别是对于城镇或农村地区中小型污水处理，该工艺日 常维护工作量小，运行费用低，可交与专业化公司维护管理。系统完全自动化运 转即减少了人力消耗，又缓解了城镇和农村地区污水处理专业技术人员短缺的矛 盾。 1 3 2 技术经济指标 通过试验研究和示范工程实施，开发出按相应规模配套的多箱一体化污泥工 艺和装置，满足技术上可靠、经济上可行的要求，预期达到的技术经济指标如下： 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 出水c o d 、n h 4 + - n 达到国家一级排放标准即分别控制为 1 5 m g l 以下，出水t p 浓度低于1 0 m g l ( 2 ) 污水处理厂建设投资不超过同规模普通二级处理工艺的1 3 0 不大于0 6 元m 3 。 6 0 m g l 和 运行成本 东南大学硕士学位论文 第二章课题研究的理论基础 目前的除磷脱氮工艺主要有两种：生物法和化学法，其中以生物法最为常见。 生物除磷脱氮的优点是处理效果好，产生的污泥量少，费用低1 1 0 。多箱一体化 活性污泥工艺是纯粹的生物处理方法，本文仅介绍生物除磷脱氮的机理和效率提 高途径。 2 1 生物脱氮 传统理论认为生物脱氮主要利用硝化菌在好氧状态下将n h 4 + - n 和有机氮硝 化，变成n 0 3 - n 和n 0 2 - - n ，然后由反硝化菌在缺氧状态下将其反硝化，转变为 n 2 去除。 硝化作用分两个阶段：5 1 ( 1 ) n h 3 _ + n 0 2 2 n h 3 + 3 0 2 _ n h 2 0 h 等+ + 2 h n 0 2 + 2 h 2 0 + f i 2 量 c 0 2 + h 2 0 + c h 2 0 + 0 2 ( 2 ) n 0 2 n 0 3 l h n 0 2 + h 2 0 _ - h 0 1 1 卜一o h h n 0 3 + 2 h + 能量 h 进行硝化作用的微生物主要是化能自养菌，如亚硝化细菌和硝化细菌，其次 还有少量的好氧性的异氧细菌和真菌，如节杆菌、芽孢杆菌、黄曲霉、青霉等。 反硝化作用分为异化硝酸盐还原作用( 即将n 0 3 - 一n 还原为n 2 ) 和同化硝 酸盐还原作用( 即将n o s 一一n 还原为n h 4 + - - n ) ，水处理中主要是异化还原作 用，咀异氧型的反硝化菌为主，如脱氮假单胞菌、铜绿假单胞菌等，主要反应过 程为： c 6 h 】2 0 6 + 4 n 0 3 乙卜6 h 2 0 + 6 c 0 2 + 2 n 2 + 能量 目前许多研究者又提出亚硝酸硝化反硝化工艺1 1 6 1 好氧反硝化1 1 7 1 同步硝 化反硝化 1 s l 厌氧氨氧化等工艺，通过环境条件控制和优势菌种的培养缩短生 物脱氮的途径或工艺流程，以节省能量损耗和建设投资。 2 2 生物除磷 生物除磷则是主要靠聚磷菌的作用，研究表明聚磷菌能在厌氧状态下分解细 查堕查堂堡主兰垡堕塞一一一 胞内聚磷酸盐和糖原，释放磷和能量，并利用释放的能量来吸收低分子有机物 ( v f a ) 合成p h b 。在好氧状态下将p h b 分解成乙酰c o a ，一部分用于细胞合 成，大部分进入三羧酸循环和乙醛酸循环，产生能量供给聚磷菌生长和主动吸收 周围环境中的磷合成聚磷酸盐。 聚磷菌由于能够储存和分解p h b ，因此在厌氧和好氧交替的环境中容易生长 和繁殖。废水生物处理中的聚磷菌，早期的研究认为主要是不动杆菌 ( a c i n c t o b a c t e r ) ，目前较多的研究表明生物除磷过程中不动杆菌并不起主要作用 1 4 4 1 ，假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、气单胞菌属( a e r o m o n a s ) 、棒状菌群和肠杆 菌等也发挥着重要作用1 0 1 。 污水处理中并不是所有磷的去除都归结为聚磷菌作用，t e c l o e t e 和d j o o s t h u i z e n 分析了聚磷菌胞体和胞外聚合物组成表明，细胞体通常包含了5 7 5 9 的磷，细胞外聚合物通常吸附了2 7 3 0 左右的磷 1 9 1 另外微生物的正常生 长也需要吸收磷作为细胞体重要组成部分。但种种研究表明生物除磷主要依赖于 聚磷菌作用，因此要实现好的除磷效果就必须创造适合聚磷菌生长和发挥作用的 条件。 2 3 常规生物除磷脱氮工艺 目前的污水二级处理一般是采取同步除磷脱氮措施，既创造合适厌氧缺氧条 件以实现反硝化和磷的释放，又提供良好的好氧条件以完成硝化和磷的吸收。但 除磷和脱氮是一个相互矛盾的过程，应根据实际进水情况和处理要求而各有侧 重。从我国的实际情况来说，由于水体富营养化日趋严重，国家标准对总磷的排 放提出了严格要求，因此除磷脱氮工艺多以除磷为主，兼顾脱氮的要求。 我国目前的除磷脱氮工艺以a 20 工艺为主，应该说a 2 0 用于大型污水的处 理已经形成了成熟的技术和稳定的运行模式，运行效果也较好。但a 2 0 工艺也 存在不少的问题，占地面积大，需要污泥回流和混合液回流，电耗较高；回流污 泥将溶解氧和硝态氮带进厌氧区而影响厌氧磷释放，从而对除磷造成不利影响； 工艺不能适应冲击负荷的变化，进水水质变化大时处理效果不稳定。改良a 2 0 工艺部分解决了传统a 2 0 工艺的部分缺点，例如u c t 和五段b a r d e n p h o 工艺， 将污泥回流到缺氧区部分地解决了硝态氮对厌氧状态的冲击；取消混合液回流使 总的回流量减少。但各种改良工艺都没有从根本上解决回流和冲击负荷问题，对 中小型污水的处理更难以稳定。 2 4 提高污水除磷脱氮率的途径 除磷和脱氮是一个统一而又矛盾的过程。现代污水处理技术往往要求同步除 9 东南大学硕士学位论文 磷脱氮，以减少投资，降低工艺的复杂性。如何兼顾二者的要求或者是在特定的 条件下侧重一方面的处理，取得良好的处理效果是许多研究者一直在探讨的问 题。许多学者研究发现了能够除磷的反硝化菌和脱氮的聚磷菌n 旺3 7 11 3 8 1 如 果能够设法提高二者的比重将会带来很多好处跎2 1 2 3 1 ( 1 ) 在生物除磷脱氮中， 进水有机质浓度往往是系统稳定性的重要因素，如果有机质能同时被用来除磷脱 氮，将会提高出水水质；( 2 ) 进水有机基质的双重作用会减少曝气量和污泥产量。 所有这些研究都还停留在试验阶段，在实际工程中鲜有应用。在工程实际中，提 高污水除磷脱氮效率的主要措施如下： 2 4 1 提高进水中e n 比和易降解有机物质浓度 生物反硝化和磷释放都需要消耗低分子有机物，一般来说进水中b o d ；t k n 值大于4 6 ，b o d s t p 值大于2 0 时才能取得良好的除磷脱氮效果眈钔，b u n d a g a a r d 和p e d e r s e n ”认为进水中c o d t p 的比率超过5 0 才能取得好的除磷效果，但 考虑到不同的水质可生化性有很大的不同，在除磷脱氮工艺中应尽量提高进水中 v f a 的含量。提高进水中v f a 的含量可以减少反硝化和厌氧释磷对基质的竞争。 有研究表明进水中如果存在足够的v f a ，即使厌氧区存在一定的硝态氨，仍然 能取得好的厌氧释磷效果。提高污水中溶解性有机物含量的方法主要有； ( 1 ) 取消初沉池。我国大多数城市污水有机物浓度低，b o d ，1 0 0 m g l ， 初沉池一般能降低b o d 5 负荷的3 0 左右，使后续的曝气池难以正常运行，更 不利于除磷脱氮如。 ( 2 ) 延长厌氧池停留时间。依靠厌氧菌和兼性厌氧菌的作用将进水中复杂 有机物分解成低分子有机物。提高厌氧池的停留时间往往能使磷的释放量提高。 ( 3 ) 初沉污泥发酵 4 3 1 a 采用初沉池的污水处理厂，可以将初沉污泥发酵后 上清液送入厌氧区。初沉污泥发酵的研究结果表明，大约3 0 的初沉污泥可转 化成v f a 州。 2 4 2 合理的控制污泥龄 合理的泥龄对于生物除磷脱氮非常重要。硝化菌的世代期较长，一般需要3 天以上，而且随着水温的降低，泥龄应相应延长。聚磷菌需要的世代期较短，一 般泥龄3 天就可以取得好的除磷效果。对于混和培养的除磷脱氮工艺，污泥龄应 控制在l o 天左右。 东南大学硕士学位论文 2 4 3 控制好各区段的溶解氧和厌氧区的硝态氮 为减少回流污泥和混和液对厌氧区的影响，应严格控制终端曝气池的溶解氧 含量，一般宜控制在1 ，5 2 0 m g l ，以免沉淀池中溶解氧过低出现厌氧释磷状态， 影响处理效果。厌氧区溶解氧和硝态氮的存在会对磷的释放造成影响，一般应控 制d 0 o 7 m g l ，硝态氮小于0 3m g l 讲。可以通过控制厌氧区的污泥回流量 或者采取缺氧到厌氧区的内回流来解决。 2 4 4 妥善处理富磷污泥 目前许多污水处理厂往往将初沉污泥和二沉污泥合并浓缩处理，结果因发酵 作用引起磷的大量释放并随上清液回流到处理系统中，增加了处理负荷 4 3 1 0 对 于已建污水处理厂可以将上清波投加化学药齐l j 处理，新建污水厂可以采用气浮浓 缩池或者取消浓缩和硝化池，采用污泥浓缩脱水一体化设备 2 5 1 0 2 4 5 选用合适的回流和混和搅拌设备 为避免回流污泥和混和液携带溶解氧进厌氧区和缺氧区，一般应选用潜污泵 代替螺旋泵，并使污水、污泥和混和液潜流入池。厌氧缺氧段的搅拌功率不宜过 大，以免产生涡流带进d o 2 6 1 0 本试验研究的多箱一体化活性污泥除磷脱氮工艺立足于传统除磷脱氮的基 本理论，通过一个反应器内分格和控制状态的转换，使硝化、反硝化和释磷、吸 磷过程在一个反应器内完成，并取得高效的氮磷去除率。该工艺通过水流方向的 转换实现自动回流，取消一切形式的强制回流措施，通过多级混和串联提高反应 器抗冲击负荷能力，通过自动化的程序控制减电耗和维护管理费用。 查堕奎兰堡圭堂壁堡苎 一一 第三章试验设计与研究内容 3 1 1 试验装置设计 3 1 试验设计 本试验反应器是间隔成五个单元的矩形反应池，平面布置如图3 1 1 所示。 从水流方向来说，1 4 、5 ”池为边池，2 。、34 、4 4 三池为中间池。五池之间水力连 通，每池都设曝气和搅拌系统，前面1 “、5 4 两池设有出水口和污泥排放口，交 替作为曝气搅拌和沉淀池。污水可进入除34 池中的任一个( 理论上3 4 池也可以， 但为保持池子较高的使用率，污水不进3 ”池) ，采用连续进水，周期交替运行。 通过调整系统运行方式，创造良好的厌氧、好氧条件以除磷脱氮。 每个池子在不同过程中分别保持好氧和厌氧状态，有利于保持污泥活性和除 磷脱氮；前半周期出水池中沉淀污泥在后半周期与进水混合搅拌，充分再生并发 挥吸附凝聚作用，并直接进入下步操作参与反应过程。每个池子交替处于缺氧、 厌氧和好氧状态，通过调整周期运行，不用混合液回流就可实现脱氮过程。另外 从反应器的理论来说，池子多格设置，可以使流态更加合理，反应效率更高，从 而出水水质易得到保证。 反应器的主要组成部分有：矩形箱体、鼓风视、水泵、搅拌机、p l c 可编程 序控制器、液晶显示屏、进水电磁阀、出水电磁阀、曝气电磁阀、排泥电磁阀、 溶解氧控制仪、氧化还原电势控制仪等。 图3 1 2 为试验装置的现场安装图，图3 1 ，2 为控制柜图，反应器箱体由8 r a m 厚钢板焊接而成，箱体高3 7 5 0 m m ，池内设计水深3 5 0 0 m m 。14 、5 4 池平面尺寸 为1 0 5 0 m m 8 0 0 m m ，2 4 、3 8 、4 8 池为7 0 0 m m 7 0 0 m m 。反应器组成部分及规 格型号见表3 1 1 。 图3 1 1 试验装置平面布置图 312 试验装置现场安装图 图3 1 ，3 控制柜图 查塑查兰堡主兰垡堡苎 1 1 己 l 、2 、3 、4 、5 一反应器的五格，6 一进水槽，7 一出水槽，8 、9 、1 0 、1 1 一进水电磁闽，1 2 一p l c 可编程序 控制器，1 3 - - 进水管，1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 - - 曝气电磁阀，1 9 、2 0 、2 l 、2 2 、2 3 - - 搅拌器，2 4 、2 5 - - 出水 电磁阀，2 6 、2 7 一排泥电磁阀，2 8 一排泥槽，2 9 一鼓风机，3 0 一水泵 图3 1 4 试验装置示意图 表3 1 1 反应器组成部分规格型号 序号名称规格型号数量生产厂家备注 1鼓风机n p v 一2 0 ，q = o 2 2 m 3 m i n1山东章晃机械 工业公司 2水泵g p - 1 2 5 ，q = 3 3 l m i nl 3 进水电磁阀 c e l s d n 2 04 浙江永久 4出水电磁阀c e l s d n 2 02浙江永久 5排泥电磁润c e l s d n 4 02浙江水久 6 曝气电磁阀 z b s f y 一2 05 浙江永久 7d 0 控制仪n ( ) g g l 0 l3 南京自动化设 备总厂 8 o r p 控制仪 十g f + s i g n e t3 9搅拌机l = 3 2 5 m d = o 4 m5 1 0液晶显示屏v 1 l 1 5 一l llh i t e c h l lp l cf x l n - - 6 4 m r1m i t s u b i s h i 3 1 2 反应器运行过程及原理分析 反应器运行过程： 一体化活性污泥的运行周期包括前半周期和后半周期，八个阶段，以阶段、 五为主体段，二、六和三、七为过渡段，四、八为沉淀段，控制状态见图3 1 ，5 反应器运行过程。各阶段控制状态见表3 1 2 ，反应器各部件导通状况见表3 1 3 工艺原理分析： 按五池设计不仅使每个池子在不同时间阶段经历厌氧缺氧和好氧过程交替， 东南大学硕士学位论文 而且不同池子在同一阶段都可厌氧缺氧和好氧过程交替，阶段一、五可以出现 厌氧缺氧和两级好氧，其它每一阶段都经过两级好氧后出水，避免了三池设置 时中间池进水曝气出水的单级处理过程，使反应更加完善。 嚣曰匿耍 静乳 茑 砂争 一堕垦二 堕壁三 堕壁；一 堕墼堕 堕垦丛 一堕垦主一堕垦查 堕墼 -_。一 图3 1 5 五箱一体化活性污泥工艺运行过程 从反应器理论来说，增加反应器的级数会使反应更加迅速和完善。一般来说 反应器的级数越多，出水水质越好。但从满足国家污水排放标准来说，池子按三 级或四级设置即可，再增加反应器的级数对污染物去除率提高不大。考虑本工艺 系统一个池子要沉淀出水，交替出水又使一个池子提前进入静止沉淀状态，而要 满足除磷脱氮要求又要创造良好的厌氧，缺氧和好氧条件，所以该系统按五池设 置。 各个阶段工艺分析如下： 阶段一：污水首先进入池1 ，该池在上半周期作为沉淀出水池运行时积累了 大量经过再生、具有较高吸附活性的污泥。污水进入使污染物浓度不断提高，活 性污泥的吸附和降解作用随之加快。缺氧搅拌可利用原水中的有机物为电子供体 反硝化上周期作为沉淀池时残存n 0 3 - n ，并水解酸化进水中高分子有机物质， 为反硝化结束后厌氧释磷提供低分子有机物；随后污水进入池2 ，污泥也随之从 左向右推进，该池在上半周期作为好氧池，有n 0 3 - n 和0 2 ，由池1 推进来大量 低分子有机物，反硝化迅速结束而转入厌氧释磷状态。两级缺氧厌氧设置除可 以满足反硝化和释磷要求外，还可以降解部分大分子有机物为v f a 。然后经池3 和池4 两级好氧，充分完成有机物降解、聚磷菌吸磷和残存n h 4 + - n 硝化过程。 池5 作为沉淀出水池，上清夜排出。该阶段出水实际是上周期经过a + 0 2 + 静止 沉淀过程与该阶段迸水经过a 2 + 0 2 过程混合出水。 1 4 东南大学硕士学位论文 池1池2 池3池4池5 阶段一进水 8 搅拌 1 942 0 曝气 1 64 1 7 冲洗排水 3 0 出水 2 5 阶段二进水 9 搅拌 2 0 曝气 1 4 1 6 41 7 出水2 5 阶段三进水 94 搅拌 2 l 曝气 1 441 5 1 7 “l 水2 5 阶段四进水 9 搅拌 2 14 曝气 1 5 1 7 出水2 5 排泥2 6 阶段五进水l l 搅拌 2 2 2 3 曝气1 5 1 64 冲洗排水 2 9 出水2 4 阶段六进水1 0 搅拌2 2 2 3 曝气1 5 1 6 l8 出水2 4 阶段七进水1 0 搅拌2 l 曝气1 541 7 1 8 出水 2 44 阶段八进水1 04 搅拌2 l 曝气1 5 1 7 出水2 4 排泥2 7 阶段二：从池2 进水，池1 控制好氧状态，可使阶段一处于饥饿状态的聚磷 菌吸磷并降解有机物。池2 在阶段一已经处于厌氧状态，继续保持厌氧状态，水 解进水中有机物为v f a 并使磷释放充分，然后经池3 和池4 两级好氧完成磷吸 收、有机物降解和硝化过程，然后经池5 沉淀出水。该阶段出水实际是经过阶段 东南大学硕士学位论文 一a 2 + 0 2 过程与该阶段经过a + 0 2 过程混合出水。 表3 ，1 3 ：五箱一体化活性污混反应器各b 件导通状况表 冲洗阶段阶段阶段 阶段排冲洗阶段阶段阶段阶段排 排水 二三四泥排水五六七八泥 二 二 3 r a i n1 1 76 0 r a i n6 0 m i n3 8 r a i n2 3 m i n1 1 76 0 r a i n6 0 r a i n5 8 m i n2 m i l l f r i l l )m m l l q l d 进水阀8 迸水阀9 进水阀1 0 进水阀1 1 曝气阀1 4 曝气阔1 5 曝气阀1 6 曝气阀1 7 曝气阀1 8 搅拌机1 9 搅拌机2 0 搅拌机2 1 搅拌机2 2 搅拌机2 3 出水阀2 4 出水阀2 5 排泥阀2 6 j 排泥阀2 7 冲洗排水 阀2 9 冲洗排水 阀3 0 注：表示通电，各阶段时间设置可由液晶显示屏的“时间设置”项调整，时间单位拨秒控制。 阶段三：从池2 进水，池1 好氧进一步降解有机物并吸磷，为下一步沉淀出 水作准备。经过前厩两级缺氧厌氧的池2 转为好氧状态，降解有机物、硝化并 吸磷。池3 经过前面两阶段好氧处理，并且由于池2 好氧状态，水中n g l 3 - n 含 量较高，转为缺氧状态可完成反硝化过程。池4 好氧吹脱出反硝化作用产生的氮 气，改善污泥沉淀性能，并使有机物进一步降解和磷吸收完全，对出水进行控制。 该阶段出水是经过阶段一a 2 + 0 2 处理过程、阶段二a + 0 2 过程与该阶段o + a + o 过程混合液出水。 阶段四：从池2 进水，池1 沉淀为下半周期出水做准备，池2 、池3 、池4 、 池5 状态同阶段三。 1 6 东南大学硕士学位论文 后半周期工艺分析同前半周期，顺序相反