（环境工程专业论文）muctmbr工艺脱氮除磷性能分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 排放到环境中的过量氮、磷是水体富营养化的主要污染物。为了降低此类污染，各 国对氮、磷去除标准不断提高，研究开发高效污水脱氮除磷技术成为水处理的热点问题。 通常生活污水中可降解有机物含量少，反硝化菌和除磷菌竞争碳源，严重影响了生物脱 氮除磷效果。反硝化除磷菌使反硝化和除磷过程共用同一碳源，具有节省有机碳源、减 少污泥产量和能耗的优点，受到广泛关注。 本论文将m u c t 和m b r 结合形成m u c t - m b r 工艺，强化脱氮除磷性能。通过不 断提高进水负荷，对其有机物需求量、脱氮除磷效果、抗负荷能力、污泥产率、除磷菌 性能、膜污染等情况进行考察。 1 通过逐步降低进水c n 比，提高氮负荷( 0 0 8 8k g m - a d d 0 1 3 7k g m - 3 d - 1 ) 考察 m u c t m b r 工艺除污染能力。试验表明该工艺性能稳定，c o d 、t n 、t p 去除率分别 达到9 0 、8 1 6 、7 5 2 。c n 比为3 9 8 时反硝化除磷现象最明显。缺氧段主要以亚 硝酸盐作电子受体吸磷的缺氧吸磷量占总吸磷量9 9 8 ，污泥产率为o 2 8 k g v s s k g c o d ；缺氧段主要以硝酸盐作电子受体吸磷的缺氧吸磷量占总吸磷量9 2 ， 污泥产率为o 3 2k g v s s k g c o d 。以亚硝酸盐作电子受体的情况下，不仅t p 和t n 去除 率达到8 9 1 和8 2 2 ，且污泥产率低。只要缺氧吸磷所需电子受体足量( 实验所得 1 4 m gn i l ) ，m u c t m b r 工艺就能得到较好的t p 去除效果。 2 m u c t - m b r 工艺在高氮负荷下启动，短时间内c o d 、t n 和t p 平均去除率分 别达到8 9 3 、7 5 4 、7 9 2 影响m u c t - m b r 工艺脱氮除磷的关键在于缺氧段的反 硝化吸磷效果。 3 厌氧释磷批试验表明：c o d 不足时厌氧由释磷转为吸磷，尤其以蔗糖作碳源时 的吸磷现象明显。说明m u c t - m b r 运行模式下富集的除磷菌( p a o ) 具有一定的厌氧吸 磷特性，但机理尚不明确。在电子受体足量的条件下，如果初始负荷量增加，单位n 0 3 - - n 反硝化吸磷量增加而缺氧吸磷速率变化不大：单位n 0 2 - 一n 反硝化吸磷量和缺氧吸磷速 率降低；以n 0 2 - - n 作电子受体的吸磷速率比以n o a - n 作电子受体的吸磷速率高，但以 n 0 3 - - n + n 0 2 - n 作电子受体的吸磷速率最高。厌氧末，污泥含磷率和p a o 体内糖原含 量最低，p h b 最高；在缺氧和好氧过程中，随着污泥含磷率和糖原升高，p h b 不断减 少，验证了反硝化吸磷现象。m u c t m b r 长期在低碳源下运行易发生污泥膨胀，但膜 的高效截留作用能够确保高质量出水。 关键词：膜生物反应器；反硝化除磷；脱氮除磷；除磷菌；反硝化除磷菌 m u c r - m b r 工艺反硝化除磷性能分析 p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li n m u ( 了t m b r a b s t r a c t e x c e s sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sd i s c h a r g e di nt h ee n v i r o n m e n tw e r et h em a j o rp o l l u t a n t s o fe u t r o p h i c a t i o n i no r d e rt or e d u c es u c hp o l l u t i o n ，t h ep e r m i t t e dr e q u i r e m e n t sf o rn u t r i e n t d i s c h a r g e sa r eb e c o m i n gm o r es t r i n g e n t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe n h a n c e dn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g yh a sb e e naf o c u si s s u e b e c a u s eb o t hd e n i t r i f i e r sa n d p h o s p h o r u s - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o ) r e q u i r ec a r b o nr e s o u r c e s ，t h ea v a i l a b i l i t yo fc o d i nm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri so f t e na ne s s e n t i a lf a c t o r d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ( d p a 0 ) c a na c c o m p l i s hd e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lu s i n gt h es a m e c a r b o nr e s o u r c e t h eu s eo fd p a o sw a sb e n e f i c i a lt or e d u c e dc o dc o n s u m p t i o n ，l o w e r a e r a t i o nc o s ta n dl e s ss l u d g ep r o d u c t i o na n dh a sb e e no b t a i n e dw i d e s p r e a da t t e n t i o n b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) w a si n v e s t i g a t e di na c o m b i n e dm o d i f i e du n i v e r s i t y o fc a p et o w na n dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m u c t - m b r ) s y s t e m t h r o u g hi n c r e a s ei n f l u e n t l o a d ，d e m a n do fc o d ，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 ，r e s i s t a n c et ol o a d ，s l u d g ey i e l d ， c h a r a c t e r i s t i co fp a 0a n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d 。 1 t h er e m o v a lp e r f o r m a n c eo fm u c t - m b rw a ss t u d y e dt h r o u g hr e d u c i n gt h er a t i o o fc ng r a d u a l l ya n di n c r e a s i n gn i t r o g e nl o a d ( 0 0 8 8k g m - 3 d - 1t o0 1 3 7k g m - 2 1 d - 1 ) t h e s t e a d yr e m o v a lp e r f o r m a n c ee x h i b i t e dw i t ha v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d ，t n a n dt p w e r e9 0 ，8 1 6 ，7 5 2 o b v i o u sd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lo c c u r r e dw i t hc nr a t i o 3 9 8 w h e nn i t r i t ew a st h em a i ne l e c t r o na c c e p t o r ，t h er a t i oo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h a t eu p t a k e t ot h et o t a lp h o s p h a t eu p t a k ew e r e9 9 8 a n dt h es l u d g ey i e l dw a s0 2 8k g v s s k g c o d ；w h e n n i t r a t ew a st h em a i ne l e c t r o n a c c e p t o r , t h er a t i ow a s9 2 a n dt h ey i e l dw a s0 3 2 k g v s s k g c o d i ne a s eo fn i t r i t e ，t h es y s t e mn o to n l yk e p tt pa n dt n r e m o v a la t8 9 1 a n d 8 2 2 ，b u ta l s oe n s u r e dl e s ss l u d g ep r o d u c t i o n t h ee x c e l l e n tt pr e m o v a lp e r f o r m a n c ec o u l d b eo b t a i n e di fe l e c t r o na c c e p t o r sw e r ee n o u g ht os a t i s f yd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u su p t a k e 2 m u c t - m b rw a ss t a r t e du pu n d e rh i g hn i t r o g e nl o a d t h ea v e r a g ec o d ，t na n d t pr e m o v a le f f i c i e n c i e so f8 9 3 ，7 5 4 ，7 9 2 w e r eo b t a i n e di ns h o r tt i m e t h ee f f l u e n tt p r e m o v a lo fm u c t - m b rw a sm a i n l yd e p e n d e do nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lu n d e r a n o x i cc o n d i t i o n 3 b a t c he x p e r i m e n t so fa n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s es h o w e dt h a tp h o s p h o r u sr e l e a s e c h a n g e di n t ou p t a k eu n d e rd e f i c i e n tc o d c o n d i t i o n sa n do b v i o u sp h o s p h o r u su p t a k eo c c u r r e d i i 大连理工大学硕士学位论文 w i t hs u c r o s ea sc a r b o nr e s o u r c e i tw a sp r e s u m e dt h a tp a oe n r i c h e du n d e rm u c t m b r m o d eh a sal i t t l ec a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e ，b u tt h ep h e n o m e n o no c c u r r e d o c c a s i o n a l l yw i t h o u tc l e a re x p l a n a t i o n g i v e ne n o u g he l e c t r o na c c e p t o r s ，i fi n i t i a ll o a d i n g a m o u n ti n c r e a s e d ，t h ea m o u n to fa n o x i cp h o s p h o r u su p t a k ep e rn 0 3 。nd e n i t r i t i e di n c r e a s e d ， b u tp h o s p h o r u su p t a k er a t i o ( s p u r ) h a sn oc h a n g e ；t h ea m o u n to fa n o x i cp h o s p h o r u su p t a k e a n ds p u rp e rn 0 2 - nd e n i t r i t i e dd e c r e a s e d s p u rw i t hn 0 2 一na se l e c t r o na c c e p t o r sw a s h i g h e rt h a nw i t hn 0 3 。na se l e c t r o na c c e p t o r s ，b u ts p u rw i t hn 0 3 。一n + n 0 2 。一na se l e c t r o n a c c e p t o r sw a sh i 【曲e s t a tt h ee n do fa n a e r o b i c ，t h et pc o n t e n to fs l u d g ea n dg l y c o g e ni np a o w e r el o w e s ta n dp h bw a sh i g h e s t ；u n d e ra n o x i ca n da e r o b i cc o n d i t i o n ，p h br e d u c e da l o n g w i t ht h et pc o n t e n to fs l u d g ea n dg l y c o g e ni np a o ，w h i c hv a l i d a t e dd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a lp h e n o m e n o n s l u d g eb u l k i n go c c u r r e db e c a u s em u c t - m b rw a so p e r a t e du n d e r l o w e rc a r b o nr e s o u r c e ，b u tm e m b r a n ef i l t r a t i o ne n s u r e de f f l u e n tc l a r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ；d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ； n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o ) ； d e n i t d f y i n gp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o ) 一i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丛堕堡! 型垦墨三艺魅氢险盛性能金盘 作者签名： 工匦j 燃 日期：逝盆年l 月二竺日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：业g ! 二丛旦墨王艺遨氢险盛性能佥盘 作者签名： 立】这盐 日期： 逝年l 月j 三日 导师签名： 逛埤函 日期：趟孟年l 月上l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 我国水环境现状及污染情况 “水是生命之源。没有水，就没有未来 在2 0 0 2 年9 月召开的第二届联合国可持 续发展首脑会议( w s s d ) _ k ，水问题成为最热门的话题。我国水资源短缺，水污染日益 加剧，成为制约我国经济发展的重要因素。近年来，我国政府和人民对合理开发和利用 水资源、治理水环境污染、解决水资源短缺、保证水资源质量极为关注，提出了可持续 的科学发展观。 1 1 1 水资源现状 我国是一个严重缺水的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 x 1 0 9m 3 ，占全球水资源的6 ， 仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是人均水资源量只有2 3 0 0m 3 ，仅 为世界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。然而，中国又是世界上 用水量最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 1 0 9m 3 ，大约占世界年取用 量的1 3 ，是美国1 9 9 5 年淡水供应量4 7 0 0 x 1 0 9m 3 的约1 2 倍。 中国从2 0 世纪7 0 年代就开始闹水荒，8 0 年代以来，中国的水荒由局部逐渐蔓延至 全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经造成严重影响。据统计，我国目前缺水 总量约为4 0 0 x 1 0 9m 3 ，每年受旱面积2 0 0 x 1 0 1 0 2 6 0 x 1 0 1 0m 2 ，影响粮食产量1 5 0 x 1 0 9 2 0 0 x 1 0 9k g ，影响工业产值2 0 0 0 多亿元，全国还有7 0 0 0 万人饮水困难。节约用水、防 止水流失及水循环利用已迫在眉睫。 1 1 2 水污染情况 在我国，水体污染十分严重。中国工程院院士、湖泊环境研究主席、科学家刘鸿 亮教授对全国5 5 0 0 0k m 河段进行了研究调查，报告显示，2 3 3 的河段水质污染严重 而不能用于灌溉，4 5 的河段鱼虾绝迹，8 5 的河段不符合人类饮用水标准，而且河流 自净等生态功能也严重衰退，形势异常严峻。 有关数据显示：河流方面，1 9 9 8 年我国1 7 6 条城市河段中5 2 的河段污染严重。 湖泊方面，近3 0 年来污染呈现迅速增长趋势，氮、磷污染严重，富营养化问题突出。 海洋方面，赤潮发生频率增加及泛滥范围扩大。地下水方面，全国城市供水3 0 源于 地下水，北方城市达8 9 ，近2 0 个城市地下水水质恶化。2 0 0 5 年，全国多数城市地下 水受到一定程度的点状或面状污染，局部地区地下水水质指数严重超标。有效耕地面 m u c t - m b r 工艺反硝化除磷性能分析 积减少，农产品质量下降；渔业生产严重受损；水资源供应更为紧张，严重威胁到城 乡居民的饮水安全和身体健康，给我国经济发展和人民生活带来严重影响。 1 2 水体富营养化 随着经济发展，污染造成的环境恶化逐步加重，水体富营养化问题日趋严重。我国 在1 9 3 3 年到1 9 7 9 年的4 6 年中仅发生过1 2 次赤潮，而1 9 9 0 年到1 9 9 4 年的5 年中就 发生了1 3 9 次赤潮，藻类污染灾害日趋严重，主要湖泊富营养化问题突出。 生产和生活中大量含氮、磷肥料的生产和使用，食品加工、畜产品加工等造成的 工业废水和生活废水，特别是含磷洗涤剂产生的污水未经处理即行排放，使海水、湖 水中富含氮、磷等植物营养物质。在富营养化水体中，由于养料充足，藻类等浮游植 物繁殖过剩。过剩的藻类生物集中在水层表面，光合作用释放出的0 2 溶解在海水表层， 形成饱和溶液，从而阻止了大气中的0 2 溶入深层海水。与此同时大量死亡的海藻在分 解时却要消耗水中的溶解氧，这样水中的溶解氧就会急剧减少致使水中的鱼类等动物 大量窒息死亡。某些藻类甚至还会释放出一些有毒物质使鱼类中毒死亡。此外由于死 亡藻类分解时会放出c h 4 、h 2 s 等气体，使海水变得腥臭难闻。此既水体富营养化。 随着水环境污染、水质富营养化、节水问题尖锐化及公共环境意识增强，越来越 多国家和地区制定了严格的污水氮磷排放标准。我国1 9 9 6 年颁布的国家污水综合排 放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 及2 0 0 2 年的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l s 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) l j f j 确规定了严格的磷酸盐和氨氮排放标准。这就意味着绝大多数城市污水和工业 废水都要考虑脱氮除磷。因此，研究和开发经济高效的脱氮除磷污水处理技术已成为水 污染控制工程领域的重点和热点课题之一。 1 3 脱氮除磷工艺发展概况 随着世界各国对氮磷污染控制的日趋严格，基于减少建造成本、占地面积、运行费 用等方面的考虑，同时脱氮除磷工艺受到广泛重视且得到迅速发展。a 2 o 工艺、u c t 工艺、p h o s t r i p 工艺、b a r d e n p h o 工艺等同时具有脱氮除磷功能，氧化沟和s b r 工艺通 过改变运行方式或曝气方式模仿上述工艺过程，也能达到脱氮除磷功能。 1 3 1 主流式工艺 ( 1 ) a 2 o 工艺 a 力。工艺是上世纪7 0 年代由美国专家在o 基础上增设一个缺氧区并使好氧区的 混合液回流至缺氧区进行反硝化脱氮，工艺流程如图1 1 。 ( 2 )u c t 工艺及m u c t 工艺 大连理工大学硕士研究生学位论文 南非开普敦大学( u n i v e r s i t yo fc a p et o w n ) 提出了u c t 工艺( 如图1 2 ) 。污泥首先回 流至缺氧池，再通过缺氧池的混合液回流至厌氧池，削弱了由于污泥直接回流至厌氧 池，随污泥进入厌氧池的n o x 对聚磷菌释磷的影响【1 ，2 1 ，但当进水t k n c o d 较高时， 缺氧区脱氮不完全，仍可发生硝酸盐进入厌氧区干扰释磷。 图1 1a 2 o 工艺示意图 f i g 1 1 a 2 op r o c e s s 图1 2u c t 工艺示意图 f i g 1 2 u c t c o n f i g u r a t i o n m u c t i 艺中缺氧池被分隔为两个独立的区域，来自沉淀池的回流污泥和好氧区的 混合液分别回流至缺氧区1 和缺氧区2 ，使污泥的脱氮和混合液的脱氮完全分开( 如图 1 3 ) 。该工艺在进水c n 比适宜的情况下，可实现完全反硝化，使缺氧区出水中的硝酸 盐浓度近于零，从而保证厌氧池严格的厌氧环境而利于磷的有效释放。 内循环a 内循环b f 出 厌氧 缺氧1缺氧1一好氧卜二沉池 污泥回流剩余 图1 3m u c t 工艺示意图 f i g 1 3 m u c t c o n f i g u r a t i o n ( 3 ) b a r d e n p h o 工艺及p h o r e d o x 工艺 1 9 7 5 年由b a r n a r d 首次提出。在0 工艺基础上增设一个缺氧段及一个好氧段，由 缺一好一缺一好四个反应区构成b a r d e n p h o 工艺。其最初设计目的为强化脱氮，各反应 单元独立运行，混合液自第一好氧池回流自第一缺氧池，实现反硝化脱氮。而第二好 m u c t - m b r 工艺反硝化除磷性能分析 氧池无混合液回流，其主要功能是进一步降低废水中的有机物浓度，同时改善出水的 表观性状。该工艺的主要特征为h r t 和s r t 均较长( 其中s r t 可长达2 0 - - - 3 0d ) ，剩余 污泥中磷含量为4 , - - , 6 1 3 ，4 1 。系统能够获得一定的除磷效果，但出水磷浓度仍旧很 高，因第一反应区为缺氧区，必然有n 0 3 存在。该工艺违反了除磷的基本原则，即： 进水与0 2 和n 0 3 在第一反应区直接接触。 图1 4 初始b a r d e n p h o 工艺示意图 f i g 1 4o r i g i n a lb a r d e n p h oc o n f i g u r a t i o n 在此工艺第一缺氧区前增设厌氧区，污泥由第一好氧区回流，为除磷创造条件， 此工艺称为5 段b a r d e n p h o 或m b a r d e p h o 工艺，在南非和欧洲称为p h o r e d o x 工艺。 1 3 2 循环流工艺 ( 1 )氧化沟工艺 图1 5p h o r c d o x 工艺示意图 f i g 1 5 p h o r e d o xc o n f i g u r a t i o n 厌氧区缺氧区 二沉池 图1 6 氧化沟工艺示意图 f i g 1 6 o x i d a t i o nd i t c hc o n f i g u r a t i o n 传统的氧化沟工艺具有延时曝气活性污泥法的特点，一般可以使污水中的氨氮去除 率达9 5 9 9 。通过调节曝气的强度和水流方式，可以使氧化沟内交替出现厌氧区、 大连理工大学硕士研究生学位论文 缺氧区和好氧区。由于在氧化沟内很难保证绝对的厌氧状态，因此除磷效果不十分显著。 为了实现同时脱氮除磷，将厌氧池和氧化沟合建，形成类似于a 2 o 的脱氮除磷工艺。 典型工艺有卡鲁塞尔a 2 c 氧化沟( 图1 6 ) 和卡鲁塞尔五段b a r d e n p h o 式氧化沟【5 1 。 ( 2 ) s b r 工艺及c a s t 工艺 除磷脱氮的s b r 法是将s b r 运行方式和除磷脱氮工艺要求结合起来，在一个反应 器实现厌氧缺氧好氧交替，使工艺流程紧凑。 搅 闲置进水一静止 一日一 排水沉淀 反应一曝气反应一搅拌 图1 7s b r 工艺示意图 f i g 1 7 s b rc o n f i g u r a t i o n c a s t 工艺由生物选择区、缺氧区和主反应区三个区域组成，是s b r 的改良工艺。 每周期包括：i 进水一曝气边进水边曝气，同时主反应器污泥回流到生物选择区；进 水沉淀停止曝气，静置沉淀，进水和污泥回流不停( 与s b r 不同) ；i i i 停止充水爿 水停止进水并滗除上清液，继续污泥回流( 目的是提高缺氧区的污泥浓度，有利于反 硝化及厌氧释磷) ；i v 闲置阶段污泥继续回流，恢复其吸附能力。 缺氧区 一区龇 司 选量器f 图1 8c a s t 工艺示意图 f i g 1 8 c a s tc o n f i g u r a t i o n 1 3 3 污水脱氮除磷工艺的选择 污水处理的目标决定了所选择的工艺。当处理目标是去除氨氮( 只要硝化) 、总氮( 硝 化和反硝化) 及同时脱氮除磷时，工艺选择和运行方式不同阎。 m u c t - m b r 工艺反硝化除磷性能分析 当出水仅对氨氮浓度有要求而对总氮无要求时，采用合并硝化或单独硝化即低负荷 的传统活性污泥法就可以满足出水要求，但仍可以采用前置的反硝化过程消耗部分可快 速降解的含碳有机物，减少碳氧化所需氧量，降低能耗；反硝化产生的碱度对处理酸性 废水是有利的，而且硝酸盐氮浓度的降低可以避免其在二沉池发生反硝化产生氮气泡而 影响沉淀效果。 当出水总氮有要求时，必须考虑实现硝化和反硝化双重过程。对于出水不同的总氮 要求，可以选择不同的脱氮工艺。 当处理目标包括除磷时，必须考虑除磷和脱氮的双重要求。a 2 o 工艺、u c t 工艺 均可使出水总磷降到1m g l 以下，b a r d e n p h o 工艺也可使出水总磷降到3m g l 以下。 当出水仅要求除磷时，可以采用厌氧好氧渊o ) 法或p h o s t r i p 工艺，此时氮的去除和常 规活性污泥法类似。 选择生物除磷脱氮工艺另一重要指标是污水的b o d s t p 的比值，如果此值大于2 0 ， 则原污水中有充足的碳源有机物，a 2 o 和五段b a r d e n p h o 工艺( a 2 蝴) 可以满足除磷 脱氮的双重要求，若b o d s t p 小于2 0 ，则应当选择u c t 工艺。 1 4 反硝化除磷技术概述 高效生物除磷技术( e b p r ) 是一种合乎环境要求的废水除磷方法，因此国内外许多学 者致力于该技术的理论和试验研究，尤其是反硝化除磷技术近年来受到广泛重视1 6 j 。 1 4 1 传统生物除磷机理 污水中磷的去除主要由聚磷菌( p a o ) 等微生物来完成【7 】：在没有溶解氧和硝态氮存在 的厌氧状态下，聚磷菌水解体内的a t p ，形成a d p 和能量，同时将胞内多聚磷酸盐 ( p o l y p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 3 ) 的形式释放出来。另一方面，聚磷菌利用糖原酵解 产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有机物来合成大量的有机颗粒p h b p h v ，贮存在 细胞体内并释磷，其反应方程式可以表示为： a t p + h 2 0 _ a d p + h 3 p 0 4 + 能量 ( 1 1 ) 在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 产生的能量完成繁殖代谢作用， 而a d p 获得能量合成a t p ；同时，聚磷菌超量吸收溶液中的磷酸盐来合成p o l y p 及糖 原等有机颗粒，储存在细胞体内并吸磷，其反应方程式可以表示为： a d p + h 3 p 0 4 + 能量_ a t p + h 2 0 ( 1 2 ) 最终通过排出剩余污泥，将磷从系统中除去。 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 4 2 反硝化除磷机理 反硝化聚磷菌( d p a o ) 与p a o 机理类似，在厌氧条件下释磷，将有机物转化为p h b 储存起来；不同的是d p a o 能够在缺氧条件下利用硝酸盐或亚硝酸盐作电子受体吸收磷 s - l i j 。由于其在完成反硝化的同时吸磷，因此解决了反硝化菌和聚磷菌竞争碳源问题， 节省碳源【1 2 】；减少曝气量，节省能源【1 3 彤】：从而降低污泥产量【1 3 】。 2 0 世纪8 0 年代中期，h a s c o e t 等发现缺氧环境下p a o 以硝酸盐氮为电子受体吸磷的 现象【蛤1 8 】；p o l a c h 和w a n n e r 等利用小试和中试试验证实，在强化生物除磷系统的缺 氧条件下活性污泥具有同步吸磷和反硝化作用【1 9 ，2 0 】。1 9 9 3 年k u b a 等人发现：在厌缺交 替运行条件下，易富集一类兼有反硝化和除磷作用的兼性厌氧微生物，可以利用0 2 或n 0 3 - 作为电子受体；与传统a o 法中的p a o 相似。其性能基于胞内p 皿和糖原 质的生物代谢作用【2 1 】。对此现象研究者提出两种假说：i 两类菌属学谢2 羽，即生物 除磷系统中的p a o 可分为两类菌属，其中一类p a o 只能以氧气作为电子受体，而 另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，在吸磷的同时实现反硝化；一类 菌属学说【矧，即在生物除磷系统中只存在一类p a o ，它们都具有一定程度的反硝化 能力，可在厌氧缺氧环境交替运行下得到强化。如果交替环境被强化的程度较深则系 统中p a o 的反硝化能力较强，反之则系统中p a o 的反硝化能力弱，甚至不能进行 反硝化除磷。也就是说，特定的厌氧缺氧交替环境可以诱导p a o 体内具反硝化作用 的酶，使其具反硝化能力f 2 4 1 。这两种假说都有支持者，但赞同前者的居多。 1 4 3 反硝化除磷工艺简介 同时脱氮除磷系统需要设置好氧段，利用好氧硝化产生硝酸盐为后续缺氧吸磷提供 电子受体。根据反硝化聚磷作用和硝化作用是否共存一反应器，将脱氮除磷系统分为单 污泥和双污泥系统： ( 1 )单污泥系统 在单污泥系统中，硝化菌随混合液经过全部工艺流程。在好氧段，长曝气时间才能 确保氨氮充分硝化，但却影响d p a o 的生长和活性。因此在单污泥系统为d p a o 提供 适宜环境至关重要。 一些旧式除磷系统都可以富集d p a o 。d a e 2 5 1 等人在传统a os b r 中引入缺氧段， d p a o 占p a o 的比例从1 1 增加到6 4 ，有机物和营养物去除效果达到8 8 以上。p e n g 等人【2 6 】在a 力。中发现反硝化吸磷现象，d p a o 占p a o 的比例达到6 9 ，污染物质去除 率达到9 2 以上。k u b a 等人1 2 7 1 利用与u c t 运行方式类似的工艺流程进行研究发现：p a o 占m l v s s 的比例大约为3 0 - - 5 0 ，其中5 0 具有反硝化除磷能力。 m u c t - m b r 工艺反硝化除磷性能分析 ( 2 )双污泥系统 a 2 ni 艺是反硝化除磷典型工艺之一，包括：厌氧池用于p h a 合成，缺氧池用于 反硝化吸磷，硝化池内设生物膜曝气将氨氮转化成硝酸盐为反硝化除磷提供电子受体。 一沉池将富含磷和氨的悬浮液与富集p h a 的厌氧污泥按一定比例分开。其中氨进入硝 化池，被硝化转化成硝酸盐。厌氧污泥进入缺氧池，d p a o 在缺氧池利用硝化产生的硝 酸盐进行缺氧吸磷。最终二沉池实现固液分离以保证出水澄清。a 2 n 工艺将硝化菌与反 硝聚磷菌分开，避免了在单一系统中由于两种菌泥龄不同，无法在各自最适条件下生存 而影响处理效果。但是a 2 n 工艺仍具有以下不足：i 设置两个沉淀池，增加成本。随 厌氧污泥进入缺氧池的氨氮未经硝化直接外排，影响出水质量。但如减少进入缺氧池的 污泥量，则影响d p a o 。i i i 若反硝化聚磷污泥沉淀效果不好，则需要更大的终沉池【强刈。 图1 9a 2 n 工艺示意图 f i g 1 9a 2 nc o n f i g u r a t i o n 1 4 4 反硝化除磷工艺的影响因素 ( 1 )进水c n 和c p 值 在废水反硝化除磷工艺中，厌氧段有机基质的含量、种类及其与微生物营养物之 间的比例关系是影响聚磷菌释磷继而影响吸磷的一个重要因素。厌氧段p a o 降解的 c o d 合成的p h b 越多，对后续吸磷越有利。k e r e n j e s p e r s e n 研究表吲3 1 1 ，缺氧条件下 的吸磷率、反硝化率是聚磷菌体内p h b 储量的函数；h a c 的消耗量( p h b 量) 与缺氧 段的反硝化率及吸磷率存在一定的线性关系；缺氧条件下的吸磷率是p h b 的一阶方 程。从这些函数关系可知，厌氧段可降解的c o d 充足与否，直接关系着缺氧反硝化和 吸磷能力的强弱。 按照理想的除磷理论，碳源( 电子供体) 和氧化剂( 电子受体) 不能同时出现，否则脱 氮和除磷的效果都会受到影响。但在实际工程中不可能达到完全的理想条件，因此在 提供给厌氧段充足碳源及缺氧段足量硝酸盐的同时，应注意适度原则，使进水的c 、n 和p 符合最佳比例关系，以达到最佳的处理效果。当进水c n 值较高时，一方面，n 0 3 大连理工大学硕士研究生学位论文 。量不足将导致吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；另一方面，有可能使厌氧段的n a c 投量超过了d p a o 合成p h b 所需要的碳源量，过剩碳源在后续缺氧段优先被反硝化菌 用于反硝化而未进行吸磷。进水c n 值较低时，则会因n 0 3 。过量而造成反硝化不彻 底，甚至回流到厌氧区对p a o 厌氧释磷造成影响。一般认为，若要使处理出水中的磷 含量控制在1 0m g l 以下，进水中的b o d g t p 应控制在2 0 - - 一3 0 。对于常规b n r 工艺 ( 如a 2 o 、a o 等) ，当c o d t n 低于7 9 时，往往因碳源缺乏而导致工艺除磷效果降 低，使生物除磷法无法发挥除磷作用。王晓莲等人【3 2 l 利用a 2 0 工艺富集反硝化聚磷菌 并考察c i n 对脱氮除磷的影响：当c n 达到7 1 时，t n 去除率最高；当c n 达到5 时， t p 去除率最高。k u b a 冽等采用a 2 n s b r 工艺对模拟废水( 以乙酸盐作碳源) 的反硝化除 磷效能进行研究，得到最佳c n 比为3 4 。 ( 2 )溶解氧( d o ) 在厌氧区要控制严格的厌氧环境，有利于为p a o 提供良好的生长状况，使其有效 充分地释磷，将有机质合成p h b ，通常d o 要控制在o 2m g l 以下。好氧段必须提供 充足的溶解氧以确保硝化细菌将氨氮充分硝化，转化为硝酸盐供后续的反硝化吸磷。且 部分p a o 在好氧段吸收剩余磷也需要溶解氧，通常d o 要控制在2m g l 以上【3 3 】。 ( 3 ) n 0 3 和n 0 2 在生物除磷工艺中，控制厌氧段硝酸盐的含量是除磷的先决条件。因为反硝化菌比 p a o 竞争能力强，能够优先利用有机物进行反硝化，而p a o 因为可利用的有机物少导 致储存的p h b 不足而影响后续吸磷p 4 j 。但缺氧段的吸磷效果又与所含的硝酸盐量有关， 必须有充足的硝酸盐做电子受体才能确保缺氧吸磷的顺利进行。所以应严格控制厌氧 段避免存在n 0 3 ，并在缺氧段提供足够n 0 3 - 作为电子受体，进行充分地反硝化吸磷。 m e r z o u k i 等在考察硝酸盐投量对a 2 n s b r 工艺除磷效果的影响时发现：系统的除 磷效果主要依赖于缺氧段所投加的硝酸盐量及s r t 3 5 】。研究表明，n 0 2 的积累会对除磷 起到抑制作用。k e r e n j e s p e r s e n 在研究固定生物膜反应器厌氧缺氧交替运行条件下的 释磷、吸磷情况时发现：当缺氧段的硝酸盐负荷增高时，能观察到亚硝酸盐的积累， 同时随着硝酸盐量的减少吸磷也相应减少，一旦系统中的硝酸盐被消耗尽，即使系统 中还存在大量的亚硝酸盐吸磷也随之停止，取而代之的是开始放磷【3 6 1 。该现象表明， 系统中的聚磷菌无法以亚硝酸盐作为电子受体进行吸磷。亚硝酸盐的积累是由缺氧段 初期过高的硝酸盐浓度造成的，所以，在实际研究中硝酸盐应分批、数次、小剂量投 加，或使好氧时间尽量长，来达到完全硝化反应，以免造成亚硝酸盐的积累。但 m e i n h o l d 试验表吲了7 j ：亚硝酸盐浓度不是很高( 4 5m gn 0 2 - n l ) 时，其可作为吸磷 的电子受体；但当浓度较高( 8m gn 0 2 - n l ) 时，不仅不会发生缺氧吸磷而且发生释 m u 四m b r 工艺反硝化除磷性能分析 磷进而影响p a o 活性。h uj 等人研究认为高浓度亚硝酸盐不会对缺氧吸磷产生不利影 响，而且可以和硝酸盐一样作为电子受体p 9 1 。d a e 等人的研究认为，以n 0 2 为电子 受体时的吸磷速率快于以n o ：；- 为电子受体的吸磷速率 4 0 l 。 ( 4 )碳源种类 在脱氮除磷系统中，释磷、反硝化和异养菌正常代谢需要充足的易降解有机物。研 究表明，聚磷菌在利用不同碳源的过程中，释磷速率和p h a 合成种类均存在着明显的 差别。e v a n s ( 1 9 8 3 年) 等学者的试验结果表明，在厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简 单有机物能诱发磷的释放，其中以乙酸产生的效果最好。因此可以在厌氧段投加以乙 酸为代表的低分子挥发性脂肪酸( w a s ) 来提高聚磷菌的释磷量，增加其体内有机物贮 存，从而为缺氧段的大量吸磷创造条件。值得注意的是，碳源只有投加在厌氧段才能 使出水的磷含量减少，如将碳源投加在缺氧段则会优先支持反硝化而使出水硝酸盐和 亚硝酸盐的浓度降低，却不发生吸磷反应【4 。但也有研究认为，当一定量的电子受体 ( 0 2 或n 0 3 ) 和电子供体( 乙酸盐) 同时存在时，d p a o 仍具备缺氧吸磷的能力【4 2 1 。 ( 5 ) 污泥停留时间( s r t ) 泥龄的长短对除磷脱氮效果有直接的影响，且反硝化除磷脱氮工艺的双、单污泥 系统由于硝化段设置方式的不同，其对s r t 的要求也