（环境工程专业论文）生物接触氧化沟工艺及倒伞型曝气机充氧性能的试验研究.pdf

合肥工业大学 i l l flli rltii itii ii i11i y 18 8 6 8 4 0 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名： ( 工作单位，职称) 嘶 矽每枉 安徽国祯集团 教授级高工 安徽省环保厅 高工 安徽省环科院 高工 合肥工业大学 教授 合肥工业大学 副教授 合肥工业大学 教授 显展矽 童撕饼 祈夯锄 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：酒铲覆签字日期：加钟 月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目垦王些盍堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 缈导师躲易参 导师签名： 少乃叼o ， 签字日期：f f 年月多。日 签字日期：劢年孕月；口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 生物接触氧化沟工艺及倒伞型曝气机充氧性能的试验研究 摘要 针对目前城市污水处理厂升级改造过程中t n 难以达标的问题，本文通过 小试和现场试验相结合的方式，测试有无填料、相同填料不同体积比等情况下 系统脱氮的能力，对生物接触法氧化沟进行了初步的探索性试验。试验表明， 保持温度、回流比、进水水质等因素基本不变情况下，填料投加对系统的脱氮 能力是有所提高的。小试试验中，n h 4 + - n 去除率随着填料体积比的提高有所上 升从投加前的8 0 上升到9 8 ( 体积比3 0 ) ，t n 去除率随着填料体积比的 提高有所上升从投加前的2 8 上升到3 8 ( 体积比3 0 ) 。5 固定式填料投加 比的现场试验中，n h 4 + - n 平均出水值比2 0 0 9 年低l i n g 1 约为4 9 m g l ，平均去 除率高9 ，约为6 6 ，出水t n 平均值比2 0 0 9 年低4 7 m g l 为1 0 7 m g l ，平均 去除率高2 5 为4 2 。 同时在清水条件下对氧化沟的主要曝气设备( 倒伞型曝气机) 叶轮的氧总 转移系数鼠a 、理论充氧能力g 。、理论动力效率e 及水体流速1 ，进行了测试，、 对比分析了叶片安装角度、片数及叶片设计对充氧能力的影响。结果表明，叶 片导流辐板斜角设计对充氧效率影响最大，是叶轮性能提升最关键因素。 本课题对城市污水厂升级改造及倒伞型曝气机叶轮性能提升有重要意义。 关键词：填料；氧化沟：倒伞型曝气机 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nb i o - c o n t a c to x i d a t i o nd i t c h a n do x y g e n a t i n gp r o p e r t i e so fi n v e r t e du m b r e l l a 、 s u r t a c ea e r a t o r a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t ht h ep r o b l e mt h a tt ni sd i f f i c u l tt or e a c ht h es t a n d a r dd u r i n g u p g r a d i n gt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t b o t hl a be x p e r i m e n t sa n d f i e l de x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e rt os t u d yo nt h en i t r o g e nr e m o v a l c a p a b i l i t yo fb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nd i t c hu n d e rd i f f e r e n tt r e a t m e n t s ，n a m e l y w i t ha n dw i t h o u tf i l l e r s ，w i t hf i l l e r sb u ti nd i f f e r e n tv o l u m e t h er e s u l t ss h o w e d ， w h e nt e m p e r a t u r e ，r e f l u xr a t i oa n dw a t e rq u a l i t yw e r ek e p ts t a b l e ，a d d i n gf i l l e r s i m p r o v e dt h en i t r o g e nr e m o v a lc a p a b i l i t yo ft h ed i t c hs y s t e m i nl a be x p e r i m e n t s ， r e m o v a lr a t eo fn h 4 + - ni n c r e a s e df r o m8 0 t o9 8 w i t ht h ei n c r e a s eo ff i l l e r v o l u m e ( 3 0 i nv o l u m e ) ，r e m o v a lr a t eo ft na l s oi n c r e a s e df r o m2 8 t o3 8 a f t e r a d d i n gf i l l e r s ( 3 0 i nv o l u m e ) i nf i e l de x p e r i m e n t s ，w h e n5 o ff i x e df i l l e r sw e r e a d d e d ，n h 4 + - nv a l u ei s1m g ll e s st h a nt h a to fp r e v i o u sy e a r s ，w h i c hw a s4 9m g l ， t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s9 h i g h e r ，w h i c hi sa b o u t6 6 ，t nv a l u ei s4 7m g l l e s st h a n2 0 0 9 ，w h i c hw a s10 7 m g l ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s4 2 ，w h i c hi s2 5 h i g h e rt h a n2 0 0 9 e x p e r i m e n t so nt h ea e r a t i o ne q u i p m e n t ( i n v e r t e du m b r e l l as u r f a c ea e r a t o r ) o f t h ed i t c hw e r ea l s oc a r r i e do u t o x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n tk l ao fi m p e l l e r ， t h e o r e t i c a lo x y g e n a t i o nc a p a c i t yq c ，t h e o r e t i c a ld y n a m i c a le f f i c i e n c yea n dw a t e r v e l o c i t yvw e r et e s t e d ，e f f e c t so fi m p e l l e ri n s t a l l a t i o na n g l e ，f a nn u m b e r s ，f a n d e s i g no no x y g e n a t i o nc a p a c i t yw e r ea l s os t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a to b l i q u e a n g l ed e s i g no ft h ei m p e l l e r sh a dt h es t r o n g e s ti n f l u e n c eo no x y g e n a t i o ne f f i c i e n c y t h es u b je c ti si m p o r t a n tt ou p g r a d et h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t a n dp r o m o t et h ei n v e r t e du m b r e l l as u r f a c ea e r a t o r k e yw o r d s ：f i l l e r ；o x i d a t i o nd i t c h ；i n v e r t e du m b r e l l as u r f a c ea e r a t o r 致谢 本论文是导师汪家权教授的悉心指导下完成的。从课题的选择，实验材料 的收集到项目的最终完成，汪老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，特 别是在实验的挫折时期给予了我很大的鼓励。在论文完成之际，我衷心的感谢 汪老师多年来无微不至的关怀。导师渊博的知识、严谨的治学态度和高尚的品 格给我留下了深刻的印象，必将使我终身受益。 感谢国祯公司各位同事及领导，在实验过程中给予了我热心的指导和关怀。 感谢胡明明、阴娟等地下水实验室的同学在实验期间给予我的帮助和配合，感 谢孙铭、陈耀、余三江、王曼曼等同门和我一起度过这难忘的三年时光。同时 李云霞、胡淑恒、陈立爱等老师也给了我很多帮助，在此表示衷心的感谢。 感谢在一起愉快的度过研究生生活的各位同学，和他们一起度过的时光是 我研究生期间最为美好的回忆，从他们的身上我学习到了很多很难从书本上学 习到的道理，祝他们事业有成、一切顺利。 感谢资环学院的各位老师多年来对我的悉心栽培和谆谆教诲，他们的帮助 和指导为我今后奔向更高目标夯实了基础。 最后，感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢他们从小对我的关心和教育! 祝他们永远健康快乐! 作者：潘哲 2 0 11 年4 月 目录 第一章文献综述1 1 1 我国目前水污染现状及危害1 1 1 1 我国目前水污染现状1 1 1 2 水中氮的来源及危害1 1 2 生物脱氮原理2 1 2 1 氨化作用2 1 2 2 硝化反应3 1 2 3 反硝化反应5 1 3 氧化沟工艺7 1 3 1 氧化沟的构成7 1 3 2 氧化沟工艺的技术特点8 1 3 3 卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟技术8 1 4 本论文的选题思路、预计优势和内容9 1 4 1 本课题的选题思路9 1 4 2 本课题的预计优势1 0 1 4 3 本课题研究内容1 0 第二章填料小试试验1 1 2 1 小试模型装置实验目的1 1 2 2 小试模型装置介绍1 1 2 3 小试装置的尺寸参数与工艺运行参数“ 2 4 主要监测内容与仪器1 2 2 5 试验装置的启动一1 3 2 6 小试模型装置监测结果及分析1 3 2 6 1 小试填料挂膜情况1 3 2 6 2 好氧区m l s s 变化1 4 2 6 3 小试c o d 去除效果及分析1 4 2 6 4 小试n h 4 + - n 去除效果及分析一1 5 2 6 5 小试t n 去除效果及分析1 6 2 7 本章小结17 第三章倒伞型曝气机充氧性能中试模拟试验1 9 3 1 倒伞型曝气机充氧性能现场模拟试验目的1 9 3 2 试验装置及测试设备1 9 3 2 1 试验现场及设备1 9 3 2 2 倒伞型曝气器规格2 0 3 2 3 主要测试仪器2 1 3 2 4 溶氧仪及测量流速点布置2 1 3 3 试验步骤2 l 3 3 1 测试条件2 1 3 3 2 测试方法2 2 3 3 - 3 水体脱氧2 2 3 3 4 水体充氧和流速测试2 2 3 4 计算公式2 2 3 4 1 氧的总转移系数鼠a 2 3 3 4 2 曝气器充氧能力g c 公式2 3 3 4 3 曝气器理论动力效率e 与曝气器充氧时所耗理论功率r 一2 3 3 4 4 水体平均流速 ，处理2 4 3 5 试验测试数据及分析一2 4 3 5 1 叶片数量与水体流速及充氧能力之间的规律2 7 3 5 2 叶片角度和水体流速及充氧能力之间的规律2 8 3 5 3 叶片导流辐板斜角和水体流速及充氧能力之间的规律2 8 3 6 本章小结2 9 第四章固定式填料氧化沟现场试验3 0 4 1 现场试验目的3 0 4 2 中试试验设备介绍3 0 4 3 主要监测内容与仪器31 4 4 试验填料的投加31 4 5 试验监测结果及分析3 2 4 5 1 三种填料在氧化沟中实际挂膜情况3 2 4 5 2 氧化沟c o d 去除效果及分析3 3 4 5 3 氧化沟s s 去除效率及分析3 4 4 5 4 氧化沟d o 浓度变化及分析3 5 4 5 5 氧化沟n h 4 + - n 去除效率及分析3 6 4 5 6 氧化沟t n 去除效率及分析3 7 4 5 7 氧化沟流速测试结果及分析3 8 4 6 本章小结4 0 第五章悬浮式填料氧化沟现场试验4 2 5 1 现场试验目的4 2 5 2 中试试验设备4 2 5 3 主要监测内容与仪器4 3 5 4 试验装置的启动和悬浮式填料的投加4 3 5 5 试验监测结果及分析4 4 5 5 1 悬浮式填料在氧化沟中实际运行及挂膜观察情况4 4 5 5 2 氧化沟m l s s 变化4 5 5 5 3 氧化沟s v 3 0 日变化4 6 5 5 4 氧化沟d o 浓度日变化4 7 5 6 本章小结4 7 第六章结论和展望4 9 6 1 结论4 9 6 2 展望5 0 参考文献5 1 插图清单 图1 1 生物脱氮过程中氮的转化2 图2 1 小试试验流程图1 l 图2 2 填料挂膜前1 3 图2 3 填料挂膜后1 3 图2 4 小试系统m l s s 随时间的变化情况1 4 图2 5 小试进出水c o d 浓度及去除率随时间的变化情况1 5 图2 6 小试进出水n h 4 + - n 浓度及去除率随时间的变化情况1 6 图2 7 小试装置进出水t n 浓度及去除率随时间的变化情况1 7 图3 1 氧化沟中试系统1 9 图3 2c 型号叶轮2 0 图3 3d 型号叶轮2 0 图3 4 溶氧仪及流速测试点分布示意图2 1 图3 5l 桴叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线2 4 图3 62 群叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线一2 4 图3 73 。叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线2 5 图3 84 。叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线一2 5 图3 95 撂叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线一2 6 图3 1 06 群叶轮鼠a a 及鼠a b 的趋势线2 6 图3 1 l 各叶轮推流能力、充氧能力及充氧效率的关系图2 7 图3 1 2 倒伞型表曝器的水流特点一2 8 图4 1 氧化沟工艺流程3 0 图4 2 固定式填料在氧化沟中投加位置3 l 图4 3 半软性填料挂膜效果3 3 图4 4 组合式填料挂膜效果3 3 图4 5 软性填料挂膜效果3 3 图4 6 固定式填料氧化沟进出水c o d 浓度及去除率随时间的变化情况3 4 图4 7 固定式填料氧化沟进出水s s 浓度及去除率随时间的变化情况3 4 图4 8 固定式填料氧化沟中各监测点d o 随时间变化情况3 5 图4 9 各监测点位置d o 浓度的平均值3 5 图4 1 0 氧化沟沟内d o 平均浓度的变化情况3 6 图4 1 1 固定式氧化沟进出水n h 4 + - n 浓度及去除率随时间的变化情况一3 7 图4 1 2 固定式氧化沟进出水t n 浓度及去除率随时间的变化情况3 8 图4 1 3 氧化沟流速监测点分布3 9 图4 1 4 投加固定式填料前后沟内各断面平均流速4 0 图5 1 氧化沟推流设备4 2 图5 2 出水口格网4 3 图5 3 悬浮式填料4 4 图5 4 倒伞曝气机处格网4 5 图5 5 悬浮式填料氧化沟m l s s 随时间变化情况4 6 图5 6 悬浮式填料氧化沟s v 3 0 随着时间的变化情况4 6 图5 7 悬浮式氧化沟d o 浓度随时间的变化情况4 7 表格清单 表2 1 主要分析项目及方法一览表1 2 表2 2 主要实验器材1 2 表3 16 种叶轮名称及规格2 0 表3 2 叶轮各种数据测试结果2 7 表4 1 氧化沟工艺各具体设计参数3 1 表4 2 厂区实际平均进出水水质3 1 表4 3 不同位置三种填料挂膜情况3 2 表4 4 投加填料前后氧化沟各监测点流速3 9 第一章文献综述 1 1 我国目前水污染现状及危害 1 1 1 我国目前水污染现状 我国是一个资源型及水质型缺水的国家。联合国规定地区年人均水资源量 小于1 7 0 0 m 3 称为资源型缺水，我国人均水资源已不足世界人均水平的1 4 ，是 一个资源型缺水的国家。同时，因为水源的水质达不到国家规定的饮用水水质 标准，我国还是一个水质型缺水的国家【l 】。城市化是我国走向现代化强国的不 可阻挡的大趋势，但全国很多城市在城市化进程中出现水资源短缺问题。2 0 0 1 至2 0 0 6 年间，正常年份有3 0 0 多个城市( 我国共有城市约6 6 0 个) 供水不足， 严重缺水的就有1 1 0 个，在3 2 个百万人口以上的特大城市中有3 0 个长期受到 缺水困扰，全国城市缺水总量为6 0 亿m 3 【2 1 。水资源的短缺已成为当今我国的 社会和经济发展的主要制约因素。 水资源的短缺，一方面是由于用水量的大量增加。有关文献表明【3 】，2 0 0 2 年 全国总用水量5 4 9 7 亿m 3 ，而到2 0 0 7 年，用水总量已达到5 7 1 6 亿m 3 ，占到年 平均径流总量的2 1 ，并且呈现增长速度逐年加快的趋势。另一方面则是由于 水环境被污染造成的。根据国家环保局 1 5 m g l 时，n 0 2 。的积累率逐渐降低，在0 5 1 5 m g l 时，n h 4 + 的去除率高，并且伴随 n 0 2 的积累。实际工程操作中一般建议硝化反应的d o 浓度控制在2 - 4 m g l 。 ( 3 ) p h 值 硝化反应消耗碱度，硝化菌对p h 变化非常敏感，只有在适合的p h 的范围 内，才能保持良好的硝化和反硝化效果。在p h 值为7 0 8 1 时活性最强，超过 此范围活性就大大降低，在此范围内p h 值变化对活性污泥硝化速率影响甚微 【2 6 。当p h 值下降到5 5 5 时，硝化反应几乎停止。反硝化过程的最适宜p h 值 为7 o 7 5 ，p h 值低于6 0 则整个硝化会受到抑制，p h 值升高到8 o 以上，则 出水n 0 2 浓度升高，硝化产物中亚硝酸比率增加并出现n 0 2 积累【2 7 , 2 8 】。在通 常情况下一般控制p h 在6 8 7 2 之间。对于p h 值较低的废水，需投加碱性物 质以维持硝化反应的进行，如苏打灰、石灰、n a h c 0 3 或m g ( o h ) 2 等化学药剂， 具体种类的选择取决于各种药品的价格以及处理工艺的要求。 ( 4 ) 抑制物质【2 9 】 硝化反应有抑制作用的物质除了n h 4 + 浓度因素以外还有：重金属、有毒物 质、以及有机物。对硝化反应的抑制作用主要由两个方面：干扰细胞的新陈 代谢，这需长时间才能显示出来：破坏细菌最初的氧化能力，这在短时间里 即会显示出来。一般来说，同样毒物对亚硝酸菌的影响较对硝酸菌的影响强烈。 对硝化菌有抑制作用的重金属有：a g 、h g 、n i 、c r 、z n 等，毒性作用由 强到弱，当p h 值由高到低时，毒性由弱到强。有毒物质主要是一些含氮、硫 4 元素的物质。如氰化物、苯胺等，其他的如酚、氟化物、k 2 c r 0 4 、三价砷等。 一般情况下，有毒物质主要抑制亚硝酸菌的生长，个别物质主要抑制硝酸菌的 生长。 有机物对硝化反应的抑制有两个原因：有机物浓度高时，异氧菌数量会 大大超过硝化菌，从而阻碍氨向硝化菌的传递，硝化菌能利用的溶解氧也因为 异氧菌的利用而减少。某些有机物对硝化菌具有毒害或抑制作用，因为催化 硝化反应的酶内含c u l c u “电子对，凡事与酶中的蛋白质竞争c u 或直接嵌入 酶结构的有机物，均会对硝化菌发生抑制作用。 ( 5 ) c n m i c h a u d 等人【3 0 】研究表明，c n 质量比是硝化过程的一个最关键的参数。 因为它直接影响到自养和异养微生物的生长竞争。v e r s t r a e t e 等人【3 l 】研究表明 当进水c n 比从3 4 降到2 6 时，自养硝化菌占总菌的比例从1 5 增长到2 。 也有人认为硝化细菌是自养型细菌，有机物不是它的生长限制因素，但是污水 中有机物含量不应过高，若b o d 值过高将使的异养细菌迅速生长、增殖，而 异养菌会与硝化细菌竞争会抑制硝化菌的活性，b o d 值应保持在1 5 2 0 m g l 以 下【3 2 1 。h a r r c m o 暑s 等人3 3 1 研究发现硝化速率随着进水c n 质量比升高而降低， 当c n 质量比 4 时， 硝化速率基本稳定在0 0 3 2 9 n ( g v s s d ) 。 ( 6 ) 污泥龄 根据活性污泥处理过程动力学，硝化反应要求的最小污泥停留时间和硝化 菌最大比增长率间存在以下关系【3 4 】： 吃血：上 ( 1 8 ) 。n 城 式中：0 c m i n 实现硝化反应所需的最小泥龄，d ； a n 硝化菌比增长速率， 。,max- 1 d 由于硝化菌的比增长率远远低于异养菌，为避免硝化菌的流失，在活性污 泥系统中充分进行硝化反应必须有足够大的泥龄乳。彭永臻等人【3 5 】认为硝化细 菌在2 0 时的比增殖率为o 3 3 d ，即污泥龄3 d 时将不能发生硝化作用。通常 情况下，设计污泥龄应大于ll d 3 6 】。 1 2 3 反硝化反应 生物反硝化是指污水中的n 0 3 和n 0 2 在缺氧条件下，由反硝化细菌还原转 化为n 2 的过程。反硝化菌是兼性细菌，既可进行有氧呼吸，也可进行无氧呼吸。 当游离态的氧和n 0 3 。、n 0 2 同时存在时，反硝化菌优先选择游离氧作为碳源氧 化的电子受体。为保证反硝化顺利进行，必须保持缺氧状态。在缺氧条件下反应 过程可以用下列反应式表示【3 7 l ： n o , + 3 h 趔吗三n ，+ o h + h ，o ( 1 9 ) 5 n o ( + 5 h 垦型三n + o h 。+ 2 h ，o ( 1 1 0 ) 。 2 总反应可以如下式表示【3 8 】： 4 n o ；- + 5 c ( 有机碳) + 2 h ，o 型吗2 n ，+ 5 c o ，+ 4 0 h 。 ( 1 1 1 ) 根据上式计算可以得出转化l g n 0 2 和n 0 3 为n 2 ，需要有机物( t o d 或c o d ) 分别为1 7 1 9 和2 8 6 9 ，同时产生3 5 7 9 的碱度( 以c a c 0 3 计) 。 理论上讲，反硝化速率受有机物浓度和n o x - - n 浓度双重影响，反硝化细 菌的比增长速率增殖可以用式“双m o n o d 模型 表示【3 9 】： ”： 竺坚：皇：型 ( 1 1 1 ) ( + s ) ( k + 式中：甜反硝化细菌的比增长速率，h ； 砧m 肛反硝化细菌的最大比增长速率，h ； 污水中有机物的浓度，r a g l ； - 污水中n 0 3 - 的浓度，m g l ； k s ，k n 分别为相应有机物和n 0 3 的半饱和常数，m g l 。 除此之外，反硝化速率还和温度温度、d o 浓度、p h 值、抑制物质、碳源 以及污泥龄等环境因素影响。 ( 1 ) 温度 温度对反硝化作用的影响比对其它废水生物处理过程的影响要大，温度对 反硝化速率的影响可以由温度系数口来解释，其适宜的温度范围为1 5 3 5 ，低 于1 0 时反硝化速率明显下降，当温度超过3 0 时反硝化速率也开始下降 f 4 0 。4 l 】 o ( 2 ) d o 浓度 传统理论认为保证反硝化顺利进行，必须保持缺氧状态，而且低d o 浓度有 利于颗粒内层形成厌( 缺) 氧条件，可以增强反硝化作用。m o s q u e r a c o r r a l 等人 【4 2 】研究发现，4 0 的氧气饱和度比1 0 0 的氧气饱和度增加了反硝化作用，最 终增加了n 的去除率。y a n g 等人【4 3 】研究认为，当溶解氧浓度高于1 0 m g l 时 反硝化作用可以被忽略，反硝化细菌在d o 浓度为0 5 m g l 情况下具有比d o 浓度0 8 m g l 时更高的活性。但同时也有人认为，虽然高浓度d o 对反硝化作 用有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原酶的形成仅仅充当电子受体从而竞争 性地阻碍了硝酸盐的还原，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有 利的，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某些酶系统组分只有在有氧时才能 合成，因而在工艺上最好使这些反硝化菌( 即污泥) 交替处于好氧、缺氧的环 境条件下【4 4 1 。一般认为在活性污泥系统中溶解氧应保持在o 5 m g l 以下才能使 反硝化反应正常进行。 ( 3 ) p h 值 不同的学者以不同的反硝化细菌和不同的碳源做试验，所报道的最适宜p h 值范围也略有不同，大体上在中性和微碱性。多数学者认为反硝化事宜p h 范 6 围为7 8 ，最佳p h 为7 5 左右，当p h 低于6 5 或高于9 0 的时候反硝化速率明 显下降4 5 , 4 6 , 4 7 】。但杨莎莎等人【4 8 1 研究发现亚硝酸型反硝化适宜的p h 范围为 7 7 8 6 ，最佳p h 值在8 2 左右，认为亚硝酸型反硝化与硝酸型反硝化对p h 值 的要求是有明显差异的。但一般在生物脱氮过程中，通常将反硝化段p h 控制 在7 5 9 2 之间 4 9 1 。 ( 4 ) 抑制物质 反硝化菌比硝化细菌对有毒物质的敏感性低得多。但还是有很多物质对反 硝化菌有抑制作用，例如：酚类化合物、胺类、单宁酸、氰酸盐、醚类、醇类、 氨基甲酸盐及苯等对反硝化有抑制作用；此外c u 、z n 、h g 、c r 、c o 、n i 、c d 和p b 等金属离子对硝酸菌也有抑制作用；另外，盐度过高也会影响反硝化作 用。 ( 5 ) c n 根据传统的脱氮理论，完全反硝化的理论c n 比值为2 8 6 k g c o d k g n ，但 是由于微生物的生长，实际所需值通常为4 k g c o d k g n 以上【5 们。b a m a r d 发现 在大多数城市污水处理中，t c o d t k n 为7 时，才可以实现完全的反硝化反应 【5 l j 。反硝化的碳源来源主要分三类：废水本身的组成物，如各种有机酸、淀 粉、碳水化合物等；废水处理过程中添加碳源，一般可以添加一些工业副产 物，如乙酸、丙酸和甲醇等；活性污泥自身死亡自溶释放的碳源，称为内源 碳。当废水中b o d t k n 小于3 时，需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。 而反硝化菌在不同的碳源下的呼吸途径不同，不仅产生的能量不同，而且细胞 的产率也大不相同，反硝化速率因碳源种类不同而不同【5 2 1 。 1 3 氧化沟工艺 荷兰卫生工程研究所( t n o ) 在2 0 世纪5 0 年代成功研制出氧化沟污水处 理工艺，1 9 5 4 年在荷兰的v o o r s h o p e r 市投入使用。它是活性污泥处理工艺的一 种变形工艺，一般不需设初沉池。通常采用延时曝气，采用封闭的环形沟渠结 构形式，污水及活性污泥混合液在氧化沟曝气池的推动下作水平流动。从研发 至今氧化沟工艺世界各地得到了迅速地推广和应用，同时为适应污水处理新的 发展要求，在工艺和辅助机械设备方面进行了不断地改进1 5 3 。 1 3 1 氧化沟的构成剐 ( 1 ) 氧化沟池体一般呈环形，平面上多为椭圆形或圆形，水深与所采用的 曝气设备有关，一般在2 5 8 m 之间。 ( 2 ) 氧化沟曝气具有以下功能：提供氧气；推动水流作循环运动； 防止活性污泥沉淀；使微生物、有机物及氧气三者充分混合。 7 ( 3 ) 包括进水口、回流污泥口和出水调节堰等进( 出) 水装置。氧化沟的进 水和回流污泥进入点设置在曝气器的上游，氧化沟的出水点设置在在曝气器的 下游。 ( 4 ) 包括导流墙和导流板混合设置。导流墙用来减少水头损失防止弯道停 滞和防止弯道的过度冲刷。导流板是为了使表面的较高流速转入池底，提高传 氧速率和使混合液表面流速降低。 ( 5 ) 包括二沉池、刮泥机和污泥回流泵房等附属构筑物。 1 3 2 氧化沟工艺的技术特点 s s , s 6 氧化沟工艺与其他生物处理工艺相比，有以下一些技术、经济方面的特点： ( 1 ) 氧化沟法由于具有较长的水力停留时间，较低的有机负荷和较长的污 泥龄。对比其他工艺可以省略调节池、初沉池、污泥消化池，有的还可以省略 二沉池。 ( 2 ) 氧化沟的曝气强度可调，可以通过改变曝气设备运行的数量以及调整 出水堰的高度来改变氧化沟的水深，从而改变曝气装置的淹没深度，满足其充 氧量需要。 ( 3 ) 氧化沟中的污泥总量比普通曝气池高1 0 3 0 倍。试验研究和生产实践 均表明，氧化沟在去除c o d 和s s 方面取得了更好的出水水质，运行也更加稳 定、可靠。就脱氮而言，一般的氧化沟能使污水中9 5 一9 8 的n h 4 + n 硝化， 设计恰当、运行良好的氧化沟还可以实现脱氮。 ( 4 ) 氧化沟的流态在整体上是完全混合的，局部又具有推流特性，使得在 污水中能形成良好的生物絮凝体，可以提高污泥沉降速度及澄清效果，并且其 独特的水流特性对除磷脱氮也是极其重要的。 ( 5 ) 一般氧化沟所采用的污泥龄长达2 0 3 0 d ，污泥在沟内得到了好氧稳 定，同时也减少了污泥产量。 ( 6 ) 能承受水质、水量的冲击负荷，对高浓度工业废水有很强的稀释作用。 1 3 3 卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟技术【5 7 】 荷兰的d h v 公司于1 9 6 7 年开发研制了c a r r o u s e l 氧化沟系统，它是一个 多沟串联而成的氧化沟系统，活性污泥与废水的混合液在氧化沟中不停地流动， 在沟的一端设置曝气器，在系统中形成交替的好氧区和缺氧区，具有生物脱氮 除磷的功能。c a r r o u s e l 氧化沟发展经历了普通c a r r o u s e l 氧化沟、c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟和c a r r o u s e l3 0 0 0 氧化沟三个阶段。普通c a r r o u s e l 氧化沟工艺运行过 程中，污水不经过预沉池，而是经过格栅和沉砂池后，直接与回流污泥一起进 入氧化沟系统。实际上普通c a r r o u s e l 就是一个模糊的a o 工艺，硝化作用和 反硝化作用发生在同一池中，b o d 降解是一个连续过程，使用设备并不超过一 8 种；c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟系统就是在普通c a r r o u s e l 氧化沟系统前增加了一 个厌氧区和缺氧区( 也称前置反硝化区) ，原水和澄清池回流污泥在厌氧池中搅 拌混合。工艺运行过程中，利用螺旋桨将混合液循环至前置反硝化区，一般前 置反硝化区的容积为总容积的十分之一。厌氧池反硝化菌利用污水中的有机物 和回流混合液中n o x n 进行反硝化脱氮，缺氧池中的反硝化菌利用厌氧出水 和普通c a r r o u s e l 氧化沟中分流过来的n o x n ，使脱氮更为充分。聚磷菌的释 放和过量吸收磷过程又可以实现污水中磷的去；c a r r o u s e l 3 0 0 0 氧化沟工艺基 本c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟工艺相同，只是在c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟系统基础上前 加一个生物选择区。该生物选择区可以利用高有机负荷筛选菌种，抑制丝状菌 的增长，从而提高各污染物的去除率。除此之外c a r r o u s e l 3 0 0 0 氧化沟工艺较 c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟，增加了池深，利用了先进的曝气设备和控制系统，并且 其独特的同心圆式设计还可降低造价和减少土地占用。 氧化沟工艺是一种处理效率高、投资费用省、行稳定的处理技术，尤其适 合我国的国情。虽然经过几十年的使用、研究、开发和改进，氧化沟系统在池 型结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面都得到了长足的发 展，但依然有很多不足之处。因此，合理选择氧化沟的设计工艺，研究氧化沟 污水处理新技术，对提高污水处理能力、节约投资和降低运行费用均具有重要 意义。 1 4 本论文的选题思路、预计优势和内容 1 4 1 本课题的选题思路 目前国内城市污水处理厂升级改造过程中都会面临着t n 和t p 难以达标的 问题，而对于t p 来说，可以通过投加f e c l 3 等，使出水t p 能迅速降低。因此 总氮达标是目前城市污水处理厂升级过程中面临的最大问题。 为了考虑投资成本和城市污水处理厂占地的问题，不少的城市污水处理厂 不会考虑新建缺氧池，强化工艺反硝化作用，达到较高的t n 去除率。也就是 在现有的体积条件下，实现良好的脱氮效果，很显然这可以通过增加混合液污 泥浓度( m l s s ) 来提高反硝化效果。 如果在现有的工艺中以投加填料的方式增加m l s s 相比直接增加m l s s 会 有较多的优势，投加填料除了增加m l s s 外，生物膜法的优点都给带入工艺中 来，如可以提高系统硝化菌的含量、由于生物膜传质作用可较容易实现同步硝 化反硝化等。因此本课题采用在氧化沟中投加填料的方式，探讨生物膜氧化沟 工艺的脱氮性能。 由于氧化沟的曝气方式和曝气装置多样化。在研究生物接触法氧化沟工艺 同时，根据倒伞型曝气机对污水有充氧、搅拌和推流三大作用的特点，能较好 9 与填料特点相结合。故选用其作为生物膜氧化沟的充氧装置，并采用安徽某科 技公司产自行研究的几种倒伞型表面曝气器叶轮的进行清水充氧模拟试验。 1 4 2 本课题的研究意义 按照微生物在生化反应器中的状态，水处理方法可分为活性污泥法和生物 膜法。其中氧化沟工艺就属于活性污泥法的范畴，而在氧化沟中投加填料，使 其表面形成生物膜，这使填料氧化沟工艺具有了生物膜法的一系列特征。 生物膜法最重要的特征是基质传质的浓度梯度，生物膜表面为好氧区，中 层为缺氧区，内层为厌氧区。从而也增加了氧化沟工艺的总体好氧区和缺氧区 的体积，有利于工艺硝化与反硝化进行。通过在氧化沟中投加填料，形成生物 膜则可以： ( 1 ) 由于填料上生物膜的形成，相应的提高了氧化沟中的微生物量以及微 生物的种类，降低了氧化沟的有机负荷； ( 2 ) 填料料的设置对于气泡可起到切割作用，使气泡的停留时间和气液接 触表面积