（环境工程专业论文）分段进水两级ao工艺脱氮除磷试验研究.pdf

摘要 常规的污水生物处理工艺，为达到脱氮除磷的目的通常需要设置厌氧池、缺氧池 和好氧池，并且需要混合液内回流以补充碳源，这样会提高污水处理的运行费用。本 试验采用的分段进水两级o 工艺采用部分进水与回流污泥进入第1 段缺氧区，而 其余进水进入第二段缺氧区，这样就在反应器中形成一个浓度梯度。此外，由于采用 分段进水，系统中每一段好氧区产生的硝化液直接进入下一段的反硝化区进行反硝 化，这样就无需硝化液内回流设施，并且在反硝化区又可以利用废水中的有机物作为 碳源，在不外加碳源的条件下，达到较高的反硝化效率。同时由于不断的污泥外排， 对磷的去除也有一定的效果。该工艺兼顾了除磷和反硝化对碳源的需求，提高系统脱 氮除磷的整体效果，同时取消了硝化混合液的回流，与传统o 工艺相比可节约大 量的能源。 该试验采用分段进水两级o 工艺对模拟生活污水的脱氮除磷效果进行了详细 的分析，探讨了温度、溶解氧、p h 等因素对去除效果的影响。分析了反应器内部m l s s 的分配情况，以及试验过程中s v i 的变化情况。通过观察污泥中微生物的生物相，来 分析系统的稳定性以及对污染物的去除能力。 在试验研究阶段，试验比较分析了不同进水分配比对污染物的去除效果的影响， 并且通过改变进水流量、改变污泥负荷的方式来观察系统对污染物的去除规律，结果 表明分段进水两级o 工艺有较好的脱氮除磷效果。当q 1 q 2 为2 ：1 1 ：1 ，污泥 回流比为5 0 时，其t k n 的去除率为7 5 以上，氨氮的去除率在8 5 以上，c o d 去 除率为9 0 以上，磷的去除率可达5 0 左右。试验表明，当温度控制在1 0 - - - - 2 5 ， p h = 6 9 - 7 5 、h r t 为8 h ，好氧区溶解氧的量控制在1 5 - 2 9 m g l 左右，缺氧区溶解 氧量控制在0 5 m g l 以下，q 1 q 2 = 2 ：l 时，系统的出水水质可以达到国家一级排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，处理效果优于q 1 q 2 = i ：i 时的处理效果。 通过对各个工况条件下的污染物质去除情况( 包括c o d 、n h 4 + - n 、t n 、口) 进 行全面、详细的分析后，分析了各个控制参数( h r t 、f m 、活性污泥浓度、s ) 对污染物质去除的影响，通过建立c o d 去除的动力学模型，得出v 一= 7 0 3 d 一，k s = 6 3 4 6 m g c o d d ，基质降解动力学方程为： ，= 丽7 函0 i 3 s 西； 通过建立氨氮去除的动 力学模型，得出n = 0 2 ，k = 1 2 7 。 通过试验研究，得出分段进水两级o 工艺有如下特点：脱氮效率高、节省基建 投资、降低运行费用、运行方式灵活、抗冲击负荷强等优点。该试验对生活污水生物 脱氮除磷处理做了有益的探索，为同步提高生物脱氮除磷效率提供了新的思路。 关键词：分段进水两级a o 工艺生物脱氮除磷f m 活性污泥浓度 s v i 动力 学模型 a b s t r a c t i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h et e c h n o l o g yo f b i o l o g i c a ls e w a g et r e a t m e n tu s u a l l ys e t su pa n a e r o b i c ，a n o x i aa n da e r o b i cp o n da n dn e e d si t t or e f l o wi nt h em i x t u r et os u p p l e m e n tt h ec a r b o ns o u r c e w h i c hw i l li n c r e a s et h ef u n c t i o n c o s to ft h es e w a g ed i s p o s a l ( a o ) 2t e c h n o l o g yu s i n g p a r t i a li n f l u e n ta n dr e f l o ws l u d g ei n t ot h e f i r s ts t a g eo ft h eh y p o x i cz o n e ，a n dt h er e m a i n i n gw a t e re n t e r si n t ot h es e c o n ds t a g eo ft h e h y p o x i cz o n e s ot h a ti t f o r m sac o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t i na d d i t i o n ，d u et ot h eu s eo f s u b w a t e rs y s t e m ，e a c ha r e ag e n e r a t e db yap e r i o do fa e r o b i cn i t r i f i c a t i o nl i g u i dd i r e c t l yi n t o t h en e x ts e c t i o no fd e n i t r i f l c a t i o nz o n e ，n ol i q u i di n s i d e i nt h er e f l o w i n go fn i t r i f i c a t i o n f a c i l i t i e s ，a n dc a nm a k eu s eo fw a s t e w a t e ro fo r g a n i cm a t t e ra sac a r b o ns o u r c ei nt h e d e n i t r i f i c a t i o nz o n e w i t h o u ta d d i t i o n a lc a r b o ns o u r c e ，i ta c h i e v e st h ep u r p o s eo fh i g h e r e f f i c i e n c yf o rd e n i t r i f i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i ti se f f e c t i v et ot h er e m o v a lo fp h o s p h o r o u s d u et ot h ec o n s t a n te f f l u xo fs l u d g e t h et e c h n o l o g yh a sb o t ht h eq u a l i t yo fr e m o v a lo f p h o s p h o ra n dt h en e e d st ot h ec a r b o n ，s oi ti m p r o v e st h es y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c ea n d a b o l i s h e st h eb a c kf l o wo ft h en i t r a t i o nm i x t u r e al o to fe n e r g yc a nb cs a v e dc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a la ot e c h n o l o g y s t e pf e e d ( a o ) z p r o c e s sa n a l y z e dt h es i m u l a t i o no fs e w a g ee f f e c t so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l i td i s c u s s e dt h et e m p e r a t u r e ，d o ，p ha n do t h e rf a c t o r so nt h ee f f e c to f r e m o v i n g a n di ta n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no fm l s si nt h ei n t e r n a lr e a c t o r t h ec o u r s eo ft h e e x p e r i m e n tc h a n g e si ns v i w ea n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a sw e l la st h ea b i l i t yt o r e m o v ep o l l u t a n t sb yo b s e r v i n gt h eb i o l o g i c a lp h a s eo fs l u d g em i c r o - o r g a n i s m s w ea n a l y z e t h ed i f f e r e n tw a t e rr e m o v a lr a t eo fp o l l u t a n t sa tt h es t a g eo f p i l o ts t u d y w eo b s e r v et h el a wt or e m o v ep o l l u t a n t sb yc h a n g i n gt h ew a t e rf l o w , c h a n g e si nt h ew a y o fs l u d g el o a d t h er e s u l ts h o w st h a tw a t e rl e v e l si ns u b s t a g e a ot e c h n o l o g yh a sag o o d e f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l w h e nt h eq 1 q 2f o rt h e2 ：1 - 1 ：1 ，t h er a t i oo f s l u d g eb a c ki s5 0 ，t h et k n r e m o v a lr a t ei sm o r et h a n7 5 ，a m m n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ei s m o r et h a n8 5 ，t h er a t i oo fc o dr e m o v a li sm o r et h a n9 0 ，a n dp 0 4 r e m o v a lr a t ei su pt o 5 0 a r o u n d a tt h es a m et i m e ，t h et e s td e t e r m i n e st h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ：t e m p e r a t u r e 1 0 - 2 5 c ，p h = 6 9 - 7 5 ，h r tf o r8 h ，d i s s o l v e do x y g e nf o ra e r o b i c z o n ei sa b o u t2 5 m g la n d d i s s o l v e do x y g e ni nh y p o x i cz o n e si sb e l o w0 5 m 叽s y s t e mc a na c h i e v et h ew a t e rq u a l i t y d i s c h a r g es t a n d a r d sa tt h en a t i o n a ll e v e l ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) w h e nt h eq 1 q 2 = 2 ：1 i ti sb e t t e r t h a ne 1 i 0 2 = 1 ：1a tt h et i m eo ft r e a t m e n t t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n dd e t a i l e da n a l y s i sf o rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n so f u l r e m o v i n gp o l l u t a n t su n d e re a c hc i r c u m s t a n c e ( i n c l u d i n gc o d ，n h 3 - n ，t n ，t p ) i ta n a l y s i s t h ei m p a c to ft h er e m o v a lo fp o l l u t a n t sf o rv a r i o u sc o n t r o lp a r a m e t e r s ( h r t , f | m ，t h e c o n c e n t r a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e ，s v 0 ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fd y n a m i cm o d e lo f c o dr e m o v a l ，i tr e a c h e svm a x = 7 0 3d - 1 ，k s = 6 3 4 6 m g c o d d ，d e g r a d a t i o nk i n e t i c so f m a t r i xe q u a t i o na sf o l l o w s ：，。黑；n h 3 nt 。c a r r yo u td y n a m i ca n a l y s i so fn = 0 2 ，k 1 6 3 4 6 + s 。 = 1 2 7 ( a o ) 2t e c h n o l o g yh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：h i g he f f i c i e n c yn i t r o g e n s t r o n g r e s i s t a n c et oi m p a c tl o a d ，s a v i n gc a p i t a li n v e s t m e n t ，l o w e r i n go p e r a t i n gc o s t s t h et e s tm a k e s u s e f u le x p l o r a t i o n sf o rt h ed e a l i n go fb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a ls e w a g ef o rd o m e s t i cs e w a g e l i f e ，a n dp r o v i d e san e ww a yo ft h i n k i n gf o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fb i o l o g i c a ln i t r o g e n s y n c h r o n o u s k e yw o r d s ：s t e pf e e d ( a o ) 2 p r o c e s s ；b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ：f m ： a c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n ；s v i ：d y n a m i cm o d e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：銮署抖硼7 年岁月茹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 毒暑料 导师签名：为名够 2 a f 7 年，月勋日 纱哆年广只广6 日 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着人口的增加和世界经济的发展，水体的富营养化问题越来越突出。富营养化是 一种氮、磷等植物营养物质在水体中超量所引起的水质污染现象。水体出现富营养化现 象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现 象在江河湖泊中叫水华( 水花) ，在海中叫赤潮。富营养化的主要危害是：引起水体含 氧量急剧下降；导致鱼类、贝类等水生生物因缺氧死亡；恶化水源水质；增加水处理的 难度和成本；降低水体的美学价值等【蚴。 在发生赤潮的水域里，一些浮游生物暴发性繁殖，使水变成红色，这些藻类有恶臭、 有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后 放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。2 0 0 1 年我国因赤潮带来的经济损失超过 1 0 0 亿元。一些藻类能分泌和释放毒性物质，例如蓝藻门的不定腔球藻( c o e l o s p h a e r i u m ) ， 铜锈微囊藻( m i e r o e y s t i s a e u r g i n o s a ) 等能分泌脱o h y e y a n ) 这样的带有毒性的物质。这类物 质被人畜饮用后会引发消化道炎症【3 】。二次大战以来，全世界因水体富营养化引发的重 大污染事件层出不穷，近年来更有加剧趋势。据报道，澳大利亚新南威尔士州达令河系， 毒性和非毒性水华频繁发生。1 9 9 1 - 1 9 9 3 年间共发生1 6 2 次水华，其中8 4 次造成不良 影响。1 9 9 1 年底，该河系发生世界上有记录以来最大规模的蓝绿藻水华，绵延1 0 0 0 多 公里 4 1 。在日本，1 9 5 6 年因水体污染，渔民抗议4 7 6 起，受害者达七万【5 1 。1 9 7 0 年，广 岛县沿岸发生大规模c h a t t o m e l l a a n t i q u a 赤潮，1 9 7 2 年播磨滩发生同样赤潮，造成1 4 0 0 万条鱼死亡【6 1 。因此，研究污水脱氮除磷技术，保护水体不受富营养化的影响，已成为 一个亟待解决的问题，脱氮除磷也成了当今污水处理系统中的一个重要问题 7 1 。 1 2 我国水污染的治理现状 中国正在经历前所未有的水污染转型，水资源、水环境、水生态和水灾害四大水问 题相互作用，彼此叠加，形成影响未来中国发展和安全的多重水危机，其中水污染的威 胁尤为突出，因此治理水污染的问题也越来越迫在眉睫。 在我国，随着经济建设的高速发展，水体富营养化问题也已经到了十分严重的地步。 第一章绪论 而且由于控制不力，该状况仍在进步恶化。以太湖为例，其湖面面积近4 0 年来减少 了4 8 0 多平方公里，约占现水域的2 3 ，而围湖造田，建厂行为却仍在继续。太湖的藻 类比十年前增加了5 倍。1 9 9 2 年与1 9 8 1 年比较，其总氮含量增加了4 1 倍，叶绿素含 量增加了3 1 倍【羽。日本学者关于某水体藻类生产能力( a g p ) 的实验表明【9 】：当水中氮、 磷分别增加至1 0 m g l 和0 1 m g l 时，a g p 可从原来的2 5 m g l 增至7 0 m g l 。另据关于 某城市污水厂出水a g p 的试验结果，二级处理后出水( t n = 1 1 6 m g l ，n h 4n = 5 4 r a g l ) 的a g p 为1 2 5 m g l ，脱氮后出水( 1 n = 2 7 m g l ) 的a g p 为4 5 m g l ，而经脱氮除磷后的 出水= 2 6 m g l ，t p = 0 0 4 m g l ) a g p 仅为3 m g l 。由上面的数据可以看出，加强污水 处理，控制氮磷的排放量，可以有效的解决污水的富营养化问题。 我国人均水资源占有量仅为0 2 4 万m 3 ，只有世界人均占有量的l 4 ，属世界十二个 贫水国之- - 1 0 l 。而这些有限的水资源正遭受着来自绝大多数未经处理的城市污水的污 染。据统计【1 0 】【1 1 】【1 2 1 ，我国1 9 8 6 年全国污水排放量为3 3 3 亿t ，1 9 9 0 年为3 5 4 亿t ，到 1 9 9 9 年达4 0 1 亿t ，平均年增长率为1 4 ，其中1 9 9 9 年生活污水排放量达2 0 4 亿t ，首 次超过了工业污水的排放量，成为水污染的主要来源。大量废水未经处理就直接排入天 然水体，造成了城市附近水体的严重污染。据估计，我国每年因水污染所造成的经济损 失达4 0 0 亿元。水环境的污染，严重的影响了人民的身体健康和生活水平的提高，限制 了工农业及城市的可持续发展。 随着我国经济发展速度的加快和城市化水平的提高，污水排放量也将持续增加，但 污水处理能力的增加却远远滞后。我国国家环境保护“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标 中提出，到2 0 0 0 年，城市环境保护需新增污水集中处理能力1 0 0 0 万们，5 0 万人口城 市都要建设污水污处理厂【1 3 】，国家建设部，国家环保总局，科技部2 0 0 0 年5 月发布的 城市污水处理及污染防治技术政策中规定，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水 平均处理率不低于7 0 。而我国目前的污水处理现状与这一要求还有一定得差距。因此， 兴建污水处理厂，提高城市污水的处理效率已成为当务之急。 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 ) 1 1 4 】对所有排放污水中的氮、 磷量都做出了明确的规定，2 0 0 6 年1 月日起建设的污水处理厂，其中磷( 以p 计) 的排放 要严格控制在0 5 m g l 以下，其中氨氮的排放要求严格控制在5 m g l 。因此，今后大多 数城市污水处理厂都要考虑采用脱氮除磷的技术措施。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 脱氮除磷技术概述 1 3 1 脱氮技术概述 污水脱氮技术可以分为物化法和生物法。物化法有化学中和发、化学沉淀法、折点 氯化法、选择性离子交换、电渗析等。由于物化法工艺复杂、成本较高、适应的范围较 狭隘，因此难以推广应用。所以，生物脱氮法越来越受到人们的青睐【1 5 】。在生物脱氮系 统中，不但要去除有机物，还要将污水中的有机氮和氨氮通过生物硝化反硝化作用转化 为氮气，最终从污水中除去。物化脱氮法不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化成硝酸盐 过程，通常只能去除氨氮。而废水生化处理脱氮工艺效果好，能彻底地脱除废水中的氮， 并且不会造成二次污染，能耗较物理方法低。由此可知，废水生物脱氮技术是一种消除 氮污染较为有效且彻底的方法，也是一种比较经济实用的处理方法。 1 3 1 1 生活污水中氮存在的形式 在未经处理的生活污水中及与其性质类似的污水中，含氮化合物存在的主要形式 有：有机氮：如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等等；氨态氮： n h 3 和n h 4 + ，一般以前者为主【1 6 1 。 1 3 1 2 氮转化过程及影响因素 废水中存在着有机氮、n h 3 n 、n o , , - - n 等形式的氮，而其中以n h 3 n 和有机氮为 主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为 成n h 3 n ，而后经硝化过程转化变为n o - - n ，最后通过反硝化作用使n o x 一n 转化成 n 2 ，而逸入大气。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱 氮的关键在于硝化和反硝化。 ( 1 ) 氨化反应：废水中的有机氮化合物在微生物( 氨化细菌) 的作用下，分解产 生氨的过程称为脱氨基作用，常称氨化反应。以氨基酸为例，反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 氢丝堕一r c o o h + c 0 2 + n h 3 环境中绝大多数异养型微生物都具有分解蛋白质、释放出氨的能力。其中好氧或兼 性的细菌以芽孢杆菌、假单胞菌为主，梭状芽孢杆菌属的细菌和芽孢杆菌中的厌氧菌具 有较强的氨化能力。 ( 2 ) 硝化反应：硝化反应是将氨氮转化为硝态氮的过程。氨氮在亚硝酸菌 3 第一章绪论 ( n i t r o s o m o n a s ) 作用下，分解氧化成亚硝酸盐。亚硝酸盐在硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 作用 下，进一步氧化为硝酸盐。这两项均需要在有氧的条件下进行，这两步的反应式为： 亚硝化反应：n h 4 + + 0 2 垩堡丛堕呻n 0 2 + h + + h 2 0 硝化反应：n 0 2 - + 0 2 蛆n 0 3 研究表明，稳定状态下，硝化反应速率主要取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率， 第二步反应n 0 2 。_ n 0 3 速率很快，n 0 2 很少积累，故硝化反应的速率主要由第一步反 应n i - h + 一n 0 2 决定。亚硝化菌和硝化菌均属化能自养菌，其呼吸类型为专性好氧。亚 硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属；硝酸菌有硝酸杆菌属、螺 菌属和球菌属。这两组属统称为硝化菌。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。硝化菌对环境变化敏感，为保证硝化反应的正常进行，必须维持硝化 菌所需的环境条件。溶解氧。氧是硝化反应的电子受体，溶解氧浓度的高低影响硝化 反应速率，一般认为溶解氧不宜低于2 m g l 。温度。硝化菌的适宜生长温度在2 0 3 5 ，在此范围内生长速率随温度升高而加快。在1 5 以下时硝化速率下降明显，低于 5 c 完全停止。有机碳。一些研究表明，活性污泥中硝化细菌所占的比例与b o d 5 t k n 有关。b o d 5 t k n 比值越高硝化细菌所占的比例越低，对于处理城市污水的活性污泥系 统，硝化细菌所占的比例很低，多数在0 0 8 3 以下【1 7 1 。硝化菌是自养型细菌，要求环境 的有机碳浓度不应过高，一般b o d 5 值应在2 0m g l 以下。过高的b o d 值会使增殖速 率大的异养菌迅速繁殖成为优势菌，硝化菌处于竞争劣势导致硝化反应难以维持【1 8 】。 p h 值。硝化菌对p h 值十分敏感，亚硝酸菌在p h 值为7 o 时、硝酸菌在p h 值为7 8 时活性最强。硝化反应要消耗碱度，1 9 氨态氮( 以n 计) 完全硝化，需碱度( 以c a c 0 3 计) 7 1 9 1 1 9 1 。污泥龄。污泥龄反映微生物在反应池中的平均停留时间，它的长短取决 于处理的目标。当只要求去除含碳有机物时，需要的泥龄最短，如要求硝化、反硝化， 需要较长的泥龄。如果好氧污泥龄小于硝化菌的繁殖世代周期，硝化菌来不及繁殖就会 排出池外，就不可能产生硝化反应，因此要求硝化时好氧泥龄必须大于硝化菌的繁殖世 代周期，一般建议泥龄不得小于l l d 捌。有毒物质。某些重金属、络合阴离子和有毒 在机物对硝化化细菌有负作用。据研究，当污水中的氨氮浓度小于2 0 0 m g l ，n 0 2 n 浓 度小于1 0 0 m g l 时，对于硝化作用没有影响。 ( 3 ) 反硝化反应：生物反硝化是指污水中和硝态氮n 0 3 n 和亚硝态氮n 0 2 - n 在 缺氧条件下，由一群异养型兼性细菌还原转化为n 2 的过程。参与这生化反应的细菌 称为反硝化细菌，它们在有氧条件下，氧化分解有机物；在无分子氧，同时存在n 0 3 。 4 长安大学硕士学位论文 和n 0 2 - 条件下，能利用n 0 3 和n 0 2 中的离子氧进行呼吸。这个过程可用下式表示： n 0 2 - + h ( 有机物是供氢体) _ 匡婴啦n 2 + o h 。+ h 2 0 影响反硝化反应的因素有以下几点：碳源。一般认为，当废水中b o d 5 t n 3 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源；当废水中b o d 5 t n 7 3 时终产物是n 2 ，p h 值 7 3 时终产物是n 2 0 。温 度。反硝化最合适的温度为2 0 3 5 ，低于1 5 速率明显降低，5 以下反硝化虽然可 以进行，但是速度极低。溶解氧。c a r l s o n 于1 9 7 2 年发现，对于悬浮污泥法脱氮，溶 解氧大于0 2 m g l 时，将明显影响脱氮作用，应控制d o 0 2 m g l 2 1 】；在膜法反硝化系 统中，即使缺氧池内有一定的d o ，生物膜内层仍处于缺氧状态可以继续进行反硝化。 ( 4 ) 同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 有机氮、氨氮) 被微生 物通过同化作用转化为细胞成分而被转移，微生物细胞可以采用c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p 来表示，、 按细胞干重来计算，微生物细胞中氮的含量约为1 2 5 ，虽然微生物的内源呼吸和溶菌 作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但存在于微生物细胞 及内源呼吸残留物中的氮可以通过排除剩余污泥的办法去除。例如在反硝化过程中，异 化作用和同化作用去除的氮约占总去除量的7 0 7 5 和2 5 3 0 1 1 7 1 。 1 3 2 除磷技术概述 生物法除磷由于很少采用化学药剂这一显著优点而更加经济，从而受到研究和工程 人员广泛的关注，并广泛应用于实际污水处理厂的除磷措施。相比化学除磷，生物法除 磷有一下几个优点：不产生化学污泥、不破坏剩余污泥的脱水性、降低出水中的盐度、 对硝化过程抑制较小、对总氮的去除影响较小、污泥费量较高。但生物除磷技术也具有 对废水组分的过度依赖、稳定性和灵活性较差、引进生物除磷工艺后使s v i 值升高等亟 待解决的问题。但从经济角度和磷的循环使用角度来看，生物除磷技术将在污水处理中 得到更广泛的应用【2 2 】。 1 3 2 1 生活污水中磷的存在形式 生活污水中的磷主要来源于人体排泄物、食物残屑、洗涤剂中的增强剂等，其存在 5 第一章绪论 的形式取决于污水的类型，最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。在水中的聚磷酸盐 和有机磷经过水解或生物降解，最后都会转化成正磷酸盐。在接近中性的p h 值条件下， 主要以h p 0 4 2 形式存在。生活污水中含磷在0 2 0 m g l 左右，其中7 0 是可溶性的【1 7 1 矧。 1 3 2 2 微生物除磷的机理及影响因素 污水生物除磷的本质是通过除磷菌过量摄取水中的磷，以聚磷酸盐的形式积累于细 胞内，然后作为剩余污泥排出。c o m e a u 等人将所有既能积累聚磷酸盐又能积累b 羟基 丁酸( p h b ) 的细菌称为除磷菌( 聚磷菌) ，包括不动杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属 和其他一些既能进行反硝化又能积累聚磷酸盐的菌属【2 4 1 。此外b r o d i s c h 还发现丝状菌 属、诺卡氏菌属也能储存聚磷酸盐【2 5 1 。除磷菌在除磷过程中，要经历厌氧和好氧的交替 运行。在厌氧条件下，除磷菌分解细胞内的聚磷酸盐产生三磷酸腺苷( 瑚曙) 并释放能 量，用于将废水中的小分子脂肪酸( 认) 摄入细胞中，以p h b 和糖原等有机颗粒形 式储存于细胞内，同时将分解p h b 产生的磷酸排出胞外。有文献报道【1 7 1 ，厌氧每释放 1 m g p ，好氧可吸收2 0 2 4m g 磷；在好氧环境下，除磷菌又可以利用细胞内p h b 氧化 分解所释放的能量来摄取废水中的磷，并将其聚合成聚磷酸盐储存于细胞中。除磷菌在 好氧环境中摄取的磷量多于厌氧环境中释放的磷量，将富含磷的除磷菌以剩余污泥的形 式排出系统即可达到除磷目的。 影响生物除磷的因素：厌氧条件。良好的厌氧条件有利于兼性菌将b o d 转化为 v f a ，便于被除磷菌吸收。此外良好的厌氧条件有“生物选择器”的功能，利于除磷菌成 为优势菌种。因为在厌氧条件下大部分有机物已被除磷菌吸收，一般的好氧异养菌在竞 争中处于劣势。碳源。除磷菌在厌氧释磷过程中只能利用v f a 和低分子可降解有机 物作为碳源，v f a 系原水带入及兼性茵厌氧发酵的产物，v f a 浓度高低直接影响除磷 菌释磷效果。李军等人在s b r 生物膜除磷试验中测得，以葡萄糖为基质时的释磷均速 是以蛋白胨为基质时的1 8 倍；以乙酸为基质的释磷均速是以葡萄糖为基质的1 4 倍【r 7 1 。 污泥负荷的影响。通过排除剩余污泥来去除磷的工艺要求高负荷低泥龄，以便通过大 量排放富含磷的污泥来去除污水中的磷。 1 3 3 生物同步脱氮除磷过程存在的矛盾 生物脱氮和除磷是由两类完全不同的细菌来执行的，生化过程也是完全不同的，它 6 长安大学硕士学位论文 们对环境因素的要求各异，使得同步提高脱氮除磷效率难以协调。主要存在下面几个原 因。 ( 1 ) 污泥龄。生物脱氮必须经历硝化过程，硝化菌的世代周期较长，要求较长的 污泥龄( 一般建议大于1 1 d ) ；而生物除磷是靠排放剩余污泥来达到目的的，为了提高除 磷效果必须加大排泥量，这就会缩短系统的污泥龄。2 0 时除磷菌的增殖速率约为2 d 1 ， 约为硝化菌的2 倍，意味着除磷菌需要的污泥停留时间( s r t ) 约为硝化所需时间的一 半。显然，长污泥龄对脱氮有利，而短污泥龄对除磷有利。 ( 2 ) 硝酸盐。硝化反应产生的n 0 3 。随回流污泥进入厌氧区，会被反硝化菌利用从 而干扰除磷菌厌氧释磷，最终影响除磷效果。由于硝酸盐的存在，厌氧状态变成了缺氧 状态，如同好氧一样，除磷菌可从n o x 获取氧来进行缺氧吸磷，因此在缺氧区进行反硝 化的同时，仍可继续吸磷，只是缺氧吸磷速率较好氧慢。李军等人在s b r 生物膜除磷 试验中测得，缺氧吸磷均速约为好氧吸磷均速的1 6 t 2 6 1 。 ( 3 ) 对碳源的争夺。在生物脱氮除磷的结合系统中，厌氧释磷、缺氧反硝化、好 氧异养菌代谢要消耗碳源。生物脱氮效率一般不超过8 5 ，出水中总会有相当浓度的硝 态氮，随回流污泥进入厌氧区。由于反硝化菌的反硝化速率大于除磷菌的释磷速率，反 硝化菌以n 0 3 为电子受体，优先消耗碳源进行生长繁殖，使除磷菌缺少碳源而影响释磷 1 2 0 o 要同时提高脱氮除磷效率，必须克服以上几方面矛盾。 1 4 常见生活污水脱氮除磷工艺 1 4 1 a 2 加工艺 a 刁o 工艺是厌氧一缺氧一好氧( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 圭l 物脱氮除磷工艺的简称， 它是在a o ( a n o x i c - - - - o x i c ) i 艺基础上增设了一个缺氧区，具有同步脱氮除磷的功能， 是二十世纪七十年代由美国专家开发出来的，该工艺使污水经过厌氧、缺氧、好氧三个 生物处理过程，同时达到去除c o d 、氮、磷的目的。原污水及从二沉池回流的部分含 磷污泥首先进入厌氧池，其主要功能为释放磷，使污水中磷浓度升高，溶解性有机物被 微生物细胞吸收而使污水中b o d 浓度下降；在缺氧池中，反硝化细菌利用污水中的有 机物作碳源，将回流混合液中带入的大量n 0 3 - - n 和n 0 2 - - n 还原为n 2 释放到空气中， 因此b o d 5 浓度下降，n 0 3 - - n 浓度大幅度下降；在好氧池中，有机物被微生物生化降解， 7 第一章绪论 浓度继续下降，有机氮被氨化继而被硝化，使氨氮浓度显著下降，但随着硝化过程使 n 0 3 - n 浓度增加，磷随着聚磷菌的过量摄取，也以较快的速度下降。好氧池完成氨氮 的硝化过程，缺氧池则完成脱氮功能，厌氧池和好氧池联合完成除磷功能。工艺流程图 如图1 1 所示： 混合液回流 图1 1a 2 0 工艺流程图 出水 剩余污泥 在该工艺中，厌氧池的功能主要是厌氧发酵和释磷，缺氧池反硝化，好氧池主要 降解c o d 、硝化、吸磷。由于其流程简单、操作方便，故得到广泛应用圆。a 2 o 工艺 的优点是厌氧、缺氧、好氧交替运行，可以达到同时去除有机物、脱氮、除磷的目的， 而且这种运行状况丝状菌不宜生长繁殖，基本不存在污泥膨胀问题。a 2 o 工艺流程简 单，总水力停留时间少于其他同类工艺，且不需要外加碳源，厌氧、缺氧段只进行缓速 搅拌，运行费用低。其缺点是除磷效果因受到污泥龄、回流污泥中挟代的溶解氧和n 0 3 n 的限制，不可能十分理想，同时由于脱氮效果取决于混合液回流比，而a 2 o 工艺的 混合液回流比不宜太高( = 2 0 0 ) ，脱氮效果不能满足较高要求。p h o r e d o x 工艺是 b a r d e n p h o 工艺的改进型，其差别在于第一个缺氧池前增加了一个厌氧池保证了磷的释 放，提高了磷的去除率。此工艺受水质影响较大，除磷效果不稳定。a 2 o 工艺在设计 和运行中，根据不同的水质条件、使用场合和出水要求，又变化发展出u c t 工艺、v i p 工艺等新形式【2 9 1 。 a 2 o 系统的主要特点有： ( 1 ) 厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类的微生物菌群的有机配合， 能同时具有去除有机物、脱氮除磷的功效。 ( 2 ) 在厌氧一缺氧一好氧交替运行下，丝状菌不会大量繁殖，s v i 一般小于1 0 0 ，不 会发生污泥膨胀。 ( 3 ) 运行管理简单，耐冲击负荷能力强。 ( 4 ) 出水氮、磷浓度较低，常作为污水回用处理系统的重要组成工艺。 8 长安大学硕士学位论文 为保证a 2 o 系统在脱氮除磷方面同时达到较好的效果，将回流污泥分两部分加入 厌氧池和缺氧池，以减少回流污泥带入厌氧池的硝酸盐和溶解氧。在保证污泥回流比为 6 0 - 1 0 0 的情况下，到厌氧池的污泥回流比为1 0 ，即可满足磷的需要，其余污泥回 流则回流到缺氧池以保证氮的需要。a 2 o 系统的污泥处理系统因有来自初沉池的生污 泥及来自生物处理系统的活性污泥，生污泥中有机含量较大约为6 5 8 0 ，而a 2 0 工艺 的剩余污泥因其泥龄较短( 约1 5 天左右) 有机物含量为6 0 7 0 ，故需对污泥进行稳定消 化处理，污泥采用机械浓缩，中温消化，机械脱水的工艺进行处理。 1 4 2o c o 工艺【3 0 】 o c o 工艺是一种活性污泥工艺，b o d 、氮和磷的去除均在o c o 池中进行，o c o 池 的构造在动力学方面可保证形成适合污水处理的生化和物理环境。原水经粗格栅去除大 的漂浮物，经泵房提升，再经细格栅、沉砂池等物理处理后，进入o c o 反应池的厌氧区 与回流污泥混合，由于是厌氧环境回流的污泥在此吸附污水中的有机物并进行磷的释 放。随后混合液进入缺氧区，其主要功能是进行反硝化并进行部分好氧氧化。反硝化中的 n 0 3 n 由混合区中的混合液提供。整个系统不是一个闭合区域，其形状象一个开口的c ， 口内为缺氧区，口外为好氧区，开口处即形成一个混合区，在混合区来自好氧区的污水 和来自缺氧区的污水进行混合后重新分配。一部分再进入好氧区进行好氧氧化、硝化和 磷的吸收后进入后续的沉淀池，另一部分则再回流至缺氧区进行反硝化。混合液进入终 沉池，进行固液分离。沉淀后的污泥一部分回流到o c o 反应池，另一部分作为剩余污泥 处理。沉淀后的上清液排放水体。工艺流程图见图1 2 所示： 图1 2o c o 工艺流程图 1 厌氧区2 - 缺氧区3 好氧区4 混合区 1 4 3 氧化沟( o x i d i t i o nd i t c h ) 工艺 氧化沟( o x i d i t i o nd i t c h ) 工艺是1 9 5 3 年荷兰人p a s s v e e r 开发的污水生物处理工艺， 9 第一章绪论 是活性污泥法的变型。氧化沟一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆或圆形，总长达几十米 甚至百米以上。混合液在沟内循环流动，在流态上氧化沟介于完全混合式与推流式之间。 距离曝气设备的远近使沟内存在不同工况条件的区域，具有不同的去除功能。工艺流程 图见图1 3 所示： 图1 3 氧化沟工艺流程图 氧化沟工艺的主要特点有： ( 1 ) 能承受水量、水质冲击负荷，对高浓度工业废水有很大的稀释能力。 ( 2 ) 工艺流程简单、构筑物少、构造形式多样化、运行灵活、管理方便。 ( 3 ) 处理效果稳定、出水水质好、并可实现脱氮。 ( 4 ) 污泥产量少、性质稳定、污泥处理系统简单。 氧化沟根据其构造和运行特征分为不同类型，主要有卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟、 奥伯尔( o r b a l ) 氧化沟、多沟交替运行式氧化沟及一体化氧化沟。 1 4 4d a t - i a t 法 d a t - i a t 工艺是由需氧池( d e m a n da e r a t i o nt a n k ，d a t ) 为主体处理构筑物的预反 应区和以间歇曝气池( i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k ，埘) 为主体的主反应区组成的连续进 水、间歇排水的工艺系统。由于i a t 池的曝气作用，可使污泥