（市政工程专业论文）磷回收强化生物营养物去除及其工艺数字化控制集成研究.pdf

| l i l llli ii ll l l ll l l li iiif y 18 9 6 7 6 4 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者孙袒勿u日凝：j 1 9 俨6 只守 北京建筑工程学院硕士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 北京建筑工程学院，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 纸质版和电予版，可以将奉学位论文的伞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学位论文。 校内导师签名： 、力l 、年c 厚 校外导师签名： 年月日 摘硬 摘要 我国大部分城市污水属于低碳源污水，难以保证生物营养物去除( b n r ) 效果。本 研究通过以b n r 工艺厌氧上清液磷回收方式来达到相对提高c p 、c n 比的目的，并通 过数学模拟技术，在线监测与工艺控制相结合的方式实现对研究工艺的数字化控制。 在一实验室中试b n r 工艺基础之上，首先对真实生活污水进行水质成分定性；借 助m a c r o b a l 软件对实测数据进行工艺物料平衡检查，以确保监测数据的准确性。然后， 将原始数据输入a q u a s i m 2 0 软件，以t u d 模型模拟试验并进行相应模型参数校正与 验证。水质分析表明，进水c o d 各组分所占比例为：s i = 1 0 6 ，s 。- 3 8 ，s a = 1 8 9 ， x r = 1 0 ，s f = 1 9 1 ；x s = 4 1 3 。经验证与校正后的数学模型可以准确地预测真实工艺 运行状况。 其次，考察厌氧池侧流磷回收对生物脱氮除磷效果的强化作用，并利用元素分析法 和x 衍射( x i 己d ) 技术将所回收的磷酸盐产物进行成分分析。模拟预测与实测结果一 致显示，当进水c o d t _ 2 1 0m g l 一、t p - - - 4 3m gp l - 1 、t n = 5 0m gn l 以时，出水的氮、磷 超标( t n 1 5m gn l 一，t p 0 5m gp l 1 ) 。在此工况下，对厌氧池上清液实施4 0 侧流 磷回收，逐渐使得出水氮、磷浓度恢复达标状态。然而，进一步加大侧流比至6 0 并不 会继续改善出水氮、磷效果；相反，这会因系统中磷的缺乏而导致硝化细菌数量下降， 从而破坏生物脱氮效果。元素分析结果表明，被回收的产物中磷含量随p h 值的增加而 增高，但当p h 超过1 0 0 后，磷含量便基本不再变化；x r d 谱图说明，沉淀物中含有 大量非晶形物质。 最后，在在线检测水质水量、数学拟技术模拟最优工况、自动控制调节工艺参数基 础上，建立四层分布式控制系统，实现了工艺的数字化自动控制。在出水水质保证达标 排放的前提条件下，同时亦可达到节能降耗的目的。 关键词：生物营养物去除( b n r ) ；低碳源污水：磷回收；侧流比；厌氧上清液；数学 模拟；数字化控制 a b s t r a c t a b s t r a c t m o s tm u n i c i p a ls e w a g eb e l o n g i n gt ol o wc a r b o nw a s t e w a t e ri sd i f f i c u l tt om a k es u r et h e e f f e c to fb i o l o g i c a ln i t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) p h o s p h a t er e c o v e r yf r o ms i d e s t r e a mo fb n r a n a e r o b i ct a n ki si n v e s t i g a t e dt oa t t a i nt h ea i mo fi n c r e a s i n gt h er a t i o so fc na n dc p , a n d d i g i t a lc o n t r o lo ft h ep r o c e s si sr e a l i z e db yc o m b i n e dm e a n so fm a t h e m a t i cs i m u l a t i o n ，n - l i n e m o n i t o r i n ga n dp r o c e s sc o n t r 0 1 f i r s t l y , i n f l u e n tc h a r a c t e r i z a t i o ni sd e t e r m i n e do nt h eb a s i so fap i l o t - s c a l eb n rp r o c e s s a n dt h ep r o c e s sm a t e r i a lb a l a n c ei sc h e c k e dw i t ht h eh e l po ft h es o f t w a r eo fm a c r o b a lt o e n s u r ea c c u r a t e l y t h e n ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai si n p u t t e da q u a s i m 2 0 ，a n dt u dm o d e l i s a p p l i e dt os i m u l a t et h ee x p e r i m e n t , c a l i b r a t ea n dv e r i f yt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e lp a r a m e t e r s w a t e rq u a l i t ya n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o r t i o n so fi n f l u e n tc o da r es t = 10 6 ： s s = 3 8 ；s a = 1 8 9 ；x r = 1 0 ；s r = 1 9 1 ；x s = 4 1 3 t h ec a l i b r a t e da n dv e r i f i e dm o d e lc a l l p r e d i c tt h ep r o c e s sa c c u r a t e l y s e c o n d l y , t h ee n h a n c i n ge f f e c to fp h o s p h a t er e c o v e r yf r o ms i d e s t r e a mo fa n a e r o b i ct a n k o nb 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 li ss t u d i e dw h i l et h er e c o v e r i n gp r o d u c t sa r e a n a l y z e db yt h et e c h n i q u e s o fe l e m e n ta n a l y z i n ga n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) b o t ht h e m o d e l i n gp r e d i c t i o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee f f l u e n t n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u se x c e e ds t a n d a r d ( t n i 5m gn l t p 0 5m gp 。l q ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f i n f l u e n tc o d c = 210m g l 一、t p - - 4 3m gp l 1 、t n = 5 0m gn l i nt h i sc o n d i t i o n ，t h ee f f l u e n t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc a ng r a d u a l l yr e a c ht h es t a n d a r dw h e nt h es i d e - s t r e a mr a t i oo f4 0 i sc a r r i e do u t h o w e v e r , t h a tw i l ln o tb ei m p r o v e dw h e nt h es i d e s t r e a mr a t i oo f6 0 i su s e d a n dt h et r e a t m e n te f f e c ti sd e s t r o y e db e c a u s et h en u m b e ro fn i t r i f y i n gb a c t e r i ad e c l i n e s r e s u l t i n gf r o mt h el a c ko fp h o s p h o r u s t h ee l e m e n ta n a l y z i n gr e s u l t se x p l a i nt h a tp h o s p h o r u s c o n t e n tr i s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp h ，b u tt h a tc h a n g e ss l i g h t l ya f t e rp h10 0 x r dp a t t e r n s i l l u s t r a t et h a tm u c hn o n c r y s t a l l i n em a t e r i a lp r e s e n ti nt h er e c o v e r i n gp r o d u c t s f i n a l l y , t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n g4s t e p si sb u i l tb a s i n go no n l i n e m o n i t o r i n gw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y , m a t h e m a t i cm o d e ls i m u l a t i n go p t i m a lc o n d i t i o na n d a u t o m a t i cc o n t r o la d j u s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w h i c ha c h i e v et h ed i g i t a la u t o m a t i cc o n t r o lo f t h ep r o c e s s t h ea i mo fe n e r g ye f f i c i e n c yi sa c h i e v e ds u b j e c tt ou p - t o - s t a n d a r dd i s c h a r g eo f t h ee f f l u e n t k e y w o r d s ：b i o l o g i c a ln i t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) ，l o wc a r b o nw a s t e w a t e r , p h o s p h a t e r e c o v e r y , s i d e s t r e a mr a t i o ，a n a e r o b i cs u p e m a t a n t ，m a t h e m a t i cs i m u l a t i o n ，d i g i t a lc o n t r o l 1 录 目录 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论：一l 1 1 研究背景。l 1 1 1 活性污泥数学模型1 1 1 2 低碳源污水处理及其运行策略4 1 1 3 磷回收必要性7 1 1 4 智能化自动控制系统在污水处理厂中的应用9 1 2 课题研究目的、内容及方法9 1 2 1 研究目的9 1 2 2 研究内容1o 1 2 3 研究方法lo 第2 章污水水质定性及原始数据可靠性评价1 1 2 1 引言1 l 2 2 试验装置及运行参数ll 2 2 1 试验装置1 1 2 2 2 运行参数l3 2 3 水质定性方法及结果1 4 2 4 原始数据可靠性评价l5 2 4 1 可靠性评价原理l5 2 4 2 可靠性评价结果1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章活性污泥模型的校正及验证2 0 3 1 引言2 0 3 2 活性污泥模犁的校正2 0 3 3 活性污泥模型的验证2 4 3 4 本章小结2 5 第4 章侧流磷回收对生物脱氮除磷的影响研究2 7 4 1 引言。2 7 4 2 试验方法和材料2 7 4 3 模拟预测不同侧流比对脱氮除磷的强化作用2 7 4 4 试验验证不同侧流比对脱氮除磷的强化作用2 9 4 5 影响生物脱氮除磷效果的极限侧流比3 2 4 6 结果讨论3 3 4 6 1 侧流磷回收强化生物脱氮作用3 3 l i i 目录 4 6 2 侧流磷回收强化生物除磷作用3 3 4 6 3 影响生物脱氮除磷的极限侧流比3 4 4 7 本章小结3 4 第5 章侧流磷回收目标产物分析3 5 5 1 前言3 5 5 2 试验与监测方法3 5 5 2 i 试验方法3 5 5 2 2 监测方法j 3 6 5 3p h 对磷回收率的影响3 7 5 4 磷回收目标产物分析3 7 5 4 1 磷回收产物元素分析。3 7 5 4 1 磷回收产物x r d 物相分析3 9 5 5 试验结果讨论4 i 5 5 1 磷回收率和磷含量之间的矛盾4 l 5 5 2 磷回收产物存在形态。4 l 5 6 本章小结。4 l 第6 章工艺数字化控制系统集成4 2 6 1 弓l 言4 2 6 2 制策略及控制参数。4 3 6 2 1 控制策略4 3 6 2 2 控制参数4 3 6 3 数字化控制系统4 5 6 3 1 现场控制层。4 8 6 3 2 集中控制层4 8 6 3 3 监控管理层5 0 6 3 4 综合信息管理层5 3 6 4 自动化系统控制工艺集成5 5 6 5 本章小结5 5 结j 沦5 7 参考文献5 8 致谢6 2 第l 帝绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 本研究将首先借助一b n r 工艺对进水水质进行定性，采用数据评估软件m a c r o b a l 对原始检测数据和工艺运行数据进行物料平衡分析。其次，将验证好的数据输入数学模 拟软件a q u a s i m 2 0 ，运行t u d 数学模型考察工艺厌氧池侧流磷回收技术对低碳源生 活污水的生物脱氮除磷效果的强化作用。再次，应用元素分析法和x r d 技术对所回收 的磷产物进行元素分析鉴定，为回收产物的应用提供参考，同时可有效缓解磷资源紧缺 的局面。最后，在在线检测水质水量、数学模拟技术模拟最优工况、自动控制调节工艺 参数基础上，建立四层分布式控制系统，实现了工艺的数字化自动控制。在出水水质保 证达标排放的前提条件下，同时亦可达到节能降耗的目的。 为此，本章绪论部分将调研活性污泥数学模型的发展，低碳源污水处理现状、磷资 源现状及数字化控制在污水处理中的应用现状及发展，其内容详细阐述如下。 1 1 1 活性污泥数学模型 活性污泥数学模型技术研发与应月j 近年来在国内外都有较快的发展，本节将从模型 发展过程、模型软件平台及应用现状进行阐述。 1 1 1 1 活性污泥数学模型发展 从1 9 8 2 年开始国际水污染研究与控制协会( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no nw a t e r p o l l u t i o nr e s e a r c ha n dc o n t r o l ，i a w p r c ) 成立了活性污泥法设计和运行数学模拟课题组 j ，经过近2 0 多年的努力，研发出活性污泥l 号模型a s m i 、活性污泥2 号模型a s m 2 、 改良活性污泥2 号模型a s m 2 d 及活性污泥3 号模型a s m 3 。 a s m l 只是表述了污水处理的脱碳和脱氮，对除磷过程没有描述；随着污水排放标 准的日益严格，a s m 不得不考虑除磷。由此，a s m 2 应运而生，它不仅涉及污水处理 的脱碳和脱氮过程，而且包括生物除磷过程。随着对反硝化除磷逐渐明晰化，这一复杂 的生物反应机理被整合到a s m 中产生a s m 2 d 。a s m l 和a s m 2 最大之处在于，a s m 2 多了除磷过程，而在模拟以脱碳和脱氮为目的的污水处理，a s m l 因其参数少而显得比 较具有竞争力。但是，a s m l 在脱碳和脱氮的过程中也存在自己的先天不足，例如，异 养菌的生长不受氮和碱度的影响，亚硝化菌的衰减速率在好氧条件下和缺氧条件下没有 区别，没有考虑胞内聚合物等。基于此，为改进a s m l ，出现a s m 3 ，但它并不包括生 物除磷过程，化学沉淀和p h 平衡，a s m 3 只涉及污水处理的缺氧过程和好氧过程，对 第1 章绪论 曼皇曼曼皇, j , q!2i 皇曼鼍皇曼曼鼍 厌氧处理过程并没有较好的描述。 随着对聚磷菌 p a o s ) 除磷完整代谢模型的逐渐认识，1 9 9 9 年，b r d j a n o v i c 将 m u m l e i t n e r 提出的代谢模型和a s m 2 模型结合起来形成t u d 模型，来描述污水处理的 脱碳、脱氮和包括反硝化和非反硝化生物除磷过程 2 1 。各种a s m 模型的特征和适用范 围列于表1 1 。当前，数学模型不仅驻足于对活性污泥进行模拟，对生物膜的模拟也有 尝试，f e n u 等【3 】详细阐述了活性污泥模型如何从模拟传统活性污泥过程到生物膜反应器 过程。 表1 1 各种a s m 模型的特征和适用范围 ! ! 垒! 宝! ：! ! 垒翌! 竺i 墅! ：璺翌g 呈2 仑! i 呈垒! 宝：1 2 匹2 1 垒! ! 兰丝 模型 组分反应过程动力学参数化学计量系数适用范用 1 1 1 2 活性污泥数学模型软件平台 从2 0 世纪7 0 年代起，研究人员和机构陆续开发了多种活性污泥系统的数学模型， 其中以国际水协会提出的a s m 和厌氧硝化模型( a d m ) 最具代表性。在此基础上，研发 了多种计算机应用软件模拟污水处理工艺，包括e f o r 软件、s s s p 软件、g p s x 软件、 w e s t 软件、a q u a s i m 软件及b i o w i n 软件。 ( 1 ) e f o r 软件【4 1 。该软件是基于a s m l 和a s m 2 开发的模拟应用软件，在国外 被普遍使用，该软件能够模拟活性污泥法中的碳氧化、硝化与反硝化和生物除磷过程。 ( 2 ) s s s p 软件1 5 】。该软件是基于a s m i 开发的应用程序，是世界上第一个活性污 泥软件平台，可对污水处理进行稳态模拟和动态模拟。 ( 3 ) g p s x 软件 4 1 。该软件是由h y d r o m a n t i s 公司开发的一种交互式商业软件，为 用户提供开发污水处理厂模型的界面，集成了超过5 0 0 个各类模型，包括a s m 3 。 ( 4 ) w e s t 软件【6 1 。该软件包括a s m i 、a s m 2 、a s m 2 d 和a s m 3 ，模型库提供 了反应器、沉淀池、分离器、传感器和控制器等组件单元，用户可建立组件单元间的关 联，构建污水厂模型。 ( 5 ) a q u a s i m 软件【7 1 。该软件不仅可以用于悬浮增长的a s m 运算，还可以进行 河流和湖泊水质模型计算。 ( 6 ) b i o w l n 软件【8 】。，该模型核心是a s d m 综合模型，整合了活性污泥( a s m l 、 a s m 2 、a s m 3 ) 三套模型并集成于a s d m 、p h 平衡、气体转移和化学沉淀等平衡，采 2 第1 章绪论 用单一矩阵的整体结构模型整个污水处理j 各流程。 1 1 1 3a s m 应用现状 国际水协开发的a s m 为城市污水生物处理系统的设计优化和运行提供良好的平 台，并在欧美得到广泛地应用。将a s m 应用到生物膜反应器就要充分考虑微生物菌落 不同导致不同的化学计量系数和动力学参数，a s m 已经广泛应用于普通的活性污泥工 艺，而应用于生物膜反应器只是停留在小型或中试系统。 为实现准确模拟需要提供可靠的水质特性参数。在模型软件可以从国外直接引进的 背景下，水质特性参数的测定，尤其是城市污水c o d 组分的测试与表征，已经成为我 国a s m 研究应用中的瓶颈。按照生物降解性划分c o d 组分列于图卜l 。 、*r 活性微生物( 异养菌x h 、自养菌x a 、聚磷菌x p a o ) 也 i 娈ir 颗粒性不可溶解性c o d ( x 1 ) c 思不可生物降解c o dt 溶解性不可溶解性c o d ( s 1 ) ol d ir 慢速生物降解c o d ( x 。 l 可生物降解c 。t 易生物降解c o d ( s s ) 厂可发酵生物降解c 。( s f )l 易生物降解 ( 列 “叶7 l 发酵产物( s a ) 图1 - 1a s m 中c o d 组分划分 f i g 1 - 1f r a c t i o n a t i o no f c o dc o m p o n e n tf o ra s m 重庆大学【9 】对活性污泥模型c o d 组分进行测试与表征，已经成功应用于唐家桥污 水处理厂。顾国维等【1 0 】用m a t l a b 软件编程自动完成进水c o d 组分的求解，该方法已成 功应用到上海市曲阳污水处理厂和白龙港污水处理厂。 数学模拟软件不仅停留在对水质参数进行测定的研究之上，更多的工程实例在国内 外已经是举不胜举。 b a r a t 等】利用t u d 模型模拟荷兰h a r d e n b e r g 污水处理厂厌氧池上清液侧流磷回收 强化生物除磷结果表明，磷酸盐回收率与侧流比和污泥负荷率有关。l e e 等【1 2 1 利用 a s m 2 d 对上海市曲阳、松江污水厂现有处理工艺做了优化诊断，全而评价两厂现存工 艺状况和瓶颈所在，对几种可能的工艺改造方案进行模拟预测，提出了能确保达标的改 造设计工艺和优化方案。d u t t a 等【1 3 】基于a s m 3 建立一维物质传递和扩散模型，模拟生 物转盘对污水进行碳氧化和脱氮处理，该模型有助于开发灵活、便捷的生物转盘，优化 工艺设计。 湖南大学【1 4 】以a s m 2 d 为基础，利用m a t l a b 程序建立s b r 仿真模型，对s b r 反应 器进行了模拟。模型参数经校核能更好地模拟实际s b r 的出水结果。y a s u i 等【1 5 j 研究了 a s m 和a s d m ，发现两个模型的状态变量具有相关性。济宁污水处理厂利用a s m 2 d 第1 币绪论 对a b 法进 j ：数学模拟升级改造【1 6 j 结果表明，溶解氧是硝化的关键制约凶索，如将b 段 改造成a 2 o 工艺，通过控制内回流比和污泥回流比并投加碳源可使出水水质达到一级 b 排放标准。l u b e l l o 等【1 7 1 基于a s m l 分别在低污泥龄( s r t 3 0 d ) 和高污泥龄两种情 况下对污泥产量进行了评估，成果在制革废水和纺织废水的污泥产量中也得到了验证。 l a n g e r g r a b e 等【1 8 1 采用a s m ，添加介孔水力模型用于描述固体颗粒传递模型及吸附解吸 过程，整合形成人工湿地1 号模型，该模型能较好的模拟垂直流和水平流人工湿地的好 氧、缺氧和厌氧过程。 清华大学1 9 1 使用b i o w i n 软件对某污水处理厂进行数学模拟，考察软件在辅助设 计、工艺优化和科学研究等方面的作用，结果显示，b i o w l n 能够正确反映实际工艺运 行状况。西安建筑科技大学 2 0 l 利用a s m 2 对西安市邓家村污水处理厂a 2 o 工艺进行了 预测和诊断。结果表明，a s m 2 可较好的模拟生物脱氮除磷过程。 p a o s 和聚糖原菌( g a o s ) 在厌氧条件下就会对有机物产生竞争作用，竞争的优势 直接关系到生物除磷效率。研究发现，污水碳源f 2 、污水p h 2 2 1 和温度f 2 3 】对两者的竞争 有重要影响。o e h m e n 等【2 4 】将生物强化除磷代谢模型嵌入了p ! a o s 和g a o s 竞争机制， 详细研究了在厌氧好氧、厌氧缺氧条件下对氮的转化机制。v e r r e c h t 等【2 副使用a s m 2 对某生物膜反应器能耗运行优化显示，优化曝气量、污泥停留时间和回流比可节省2 3 的能耗。o e h m e n 等【2 6 1 具体研究糖降解途径在厌氧条件下对p a o s 菌代谢的影响，确定 模型中的化学计量系数，从而精确评估p a o s 和g a o s 对生物强化除磷的贡献，使模型 精确可靠。 综上所述，数学模拟技术已经广泛应用于设计、诊断和工艺改造之中，在国内外出 现研发与应用并举的良好局面。 1 1 2 低碳源污水处理及其运行策略 1 1 2 1 低碳源污水 近年来，水体富营养化日益突出，对其治理成为当前亟待解决的问题。水体中的营 养元素( 氮、磷等) 是引起水体富营养化的重要原因，防止水体富营养化的重要举措就 是去除污水中的营养物质，保证水体达标排放。然而，绝大多数城镇污水处理厂的进水 碳源不能满足生物脱氮除磷所需，根据国家城市给水排水工程技术研究中，t ) 2 7 1 2 0 0 8 年 7 8 5 座城镇污水处理厂之中高达5 1 5 座进水b o d s t k n 4 ，低于3 的达3 3 7 座，而采用 生物法有效除氮的c t k n 为8 1 3 2 8 2 9 1 。因此，低碳源高氮磷污水给污水处理厂生物脱 氮除磷达标排放提出了新的挑战p 0 3 t 。 4 第1 荦绪论 1 1 2 2 低碳源污水处理工程运行策略 针对碳源不足这一问题，技术和工程上通常采取的措施包括：外加碳源，取消化粪 池，污泥污水水解酸化，侧流磷回收，调整工艺参数和采用新技术。下面详细说明。 ( 1 ) 外加碳源 当污水处理厂面临碳源不足时，最简洁的工程方法便是向污水中投加碳源，通常所 用的外部碳源包括甲醇、乙醇、葡萄糖、砂糖和乙酸钠等，不仅可以满足反硝化脱氮的 要求，而且对生物除磷大有帮助。尽管如此，外加碳源产生大量污泥，给污泥后续处理 带来了负担，不合理投加量可能影响反硝化除磷效果【3 2 1 。 ( 2 ) 取消化粪池 化粪池是一种比较简单的初级污水处理构筑物，主要是靠重力沉淀截留悬浮有机物 进行厌氧发酵分解。化粪池污水经过1 2 2 4h 的沉淀后，原有1 0 0 3 5 0m g l o 的悬浮固 体约为6 0 0 0 7 0 可被去除，原始1 0 0 4 0 0m g l 有机物可去除2 0 0 0 - - 3 0 ，但是对氮、 磷的去除却微不足道 2 1 。将化粪池取消有助于增加污水处理厂碳源，提高脱氮除磷效果。 ( 3 ) 污泥污水水解酸化 水解酸化工艺利用产酸性厌氧和兼性细菌将污水中大分子有机物分解成小分子有 机物，将不溶解性有机物水解成可溶解性物质，从而提高污水的可生化性。因此，可以 作为生物处理的预处理工艺提高生物脱氮除磷所需碳源。黄祥荣等【3 3 】设计水解缺氧悬 浮填料移动床好氧( h a m b b r o ) 组合工艺处理低碳源城市污水，结果表明，将二沉池 污泥回流至水解池既增加了反硝化的碳源，又实现了污泥的减量化，减量率达5 6 以上。 尽管如此，一旦进水中总c o d 成为限制性因子，将原污水中颗粒性有机物予以水 解酸化并不会增加进水中总的有机物含量，只能促进c o d 的利用率，对生物脱氮除磷 的促进作用十分有限。 ( 4 ) 侧流磷回收 降低c o d ，p 比值中分母项p 含量亦可以提高进水中c o d p 比值，这就意味着从原 污水中或b n r 工艺系统内部沉淀去除一部分p 负荷，采用化学磷沉淀方式显然可以较 为简单地实现这一目标。但是，对原污水实施化学磷沉淀会因进水量大、磷浓度低而导 致较低的p 去除效率和高昂的运行成本，另一方面，对原污水实施化学磷沉淀亦会导致 原污水中部分c o d 因絮凝而被去除，这就需要从b n r 工艺系统内部寻找更为有效的化 学磷沉淀途径。研究与应用表明，厌氧池上清液因释磷量高( 最高可达4 0 - 5 0m g l 。1 ( 以 p 计) ) ，非常适合实施侧流化学磷沉淀p 4 1 。 郝晓地等【3 5 】已经采用数学模拟技术预测和试验验证侧流磷回收强化生物除磷效果。 侧流磷回收不仅可以节省碳源，降低污水处理运行费用，同时可回收宝贵的磷资源。 ( 5 ) 优化工艺参数 适当调整污水处理工艺运行参数可有效改善工艺运行效果。华南理工大学1 3 6 1 发现， 控制厌氧段条件提高释磷效率是确保s b b r 处理低碳城市污水高效除磷的关键。 5 第1 荦绪论 宝钢技术中心【37 】用时间继电器控制系统的进水、排水、曝气和搅拌，低碳源的城市 污水经处理后出水t n 满足一级a 排放标准。韩国忠北国立大学1 3 8 j 采用两级s b r 工艺 对低碳源( c n = 2 7 ) 的生活污水和猪粪尿进行脱氮除磷研究，结果表明，通过控制工 艺参数c o d 、n 、p 的去除率可达8 7 、8 1 和6 0 。采用s b r 工艺辅以污泥外循环厌 氧释磷后排放富磷上清液的方法可提高低碳源城市污水的脱氮除磷效果【3 9 1 。中国市政工 程中南设计研究院 4 0 l 通过合理调整a 2 o 工艺的厌氧、缺氧、好氧停留时间比进行强化 厌氧后，出水1 1 p 平均浓度为0 4 8m g l 一。针对重庆市鸡冠石污水处理厂1 4 i 】倒置a 2 o 工 艺在低温条件下处理低碳源污水时脱氮效果不稳定的问题，有针对性地采取了提高污泥 浓度和控制曝气池d o 等措施，可明显提高生物脱氮效果。 ( 6 ) 采用新工艺和技术 双生物膜工艺、分点进水高效生物脱氮除磷工艺、反硝化除磷、短程硝化反硝化、 厌氧氨氧化及完全自养脱氮等新型生物脱氮除磷工艺及技术可明显提高低碳源污水的 生物脱氮除磷效果。 双生物膜工艺d b p ( d o u b l eb i o f i l mp r o c e s s ) 实质是将a 2 o 工艺、接触氧化法和曝气 生物滤池有机结合起来f 4 2 】，使这3 种工艺优点互补，缺点互避，形成的一种生物脱氮除 磷工艺，其工艺流程如图1 2 所示。 图1 - 2d b p 工艺流程 f i g 1 2d o u b l eb i o f i l mp r o c e s s d b p 工艺中硝化菌与聚磷菌分别在两个系统中培养驯化，前端活性污泥系统可以采 用较短的污泥龄满足聚磷菌时代时问要求，而后端通过生物滤池强化自养菌硝化菌的增 值，巧妙的解决了脱氮除磷相互抑制的矛盾，包括异养微生物对硝化菌抑制的矛盾，避 免了沉淀池因反硝化而造成污泥上浮的问题，从而提高了脱氮除磷效率。 中国矿业大学【4 3 】根据统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论， 研发出一种用于城市污水高效脱氮除磷工艺分点进水高效生物脱氮除磷工艺，工艺 流程如图1 3 所示。 全流程分点进水工艺实现高污泥浓度适当增加流程最后段的进水量，全程低营养状 态；充分利用污泥吸附性能，在生物反应池末端仍进行配水；设置3 5 个问断的缺氧 区，实现交替硝化反硝化；合理控制溶解氧浓度，实现同步硝化反硝化。 6 第1 章绪论 i l l 质飘蕊露虢瓤城i = = l 女 图1 - 3 分点进水高效生物脱氮除磷工艺流程 f i g 1 3t h es t e p f e e de c o l o g i c a ls u p e r i o rn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s 反硝化除磷是在缺氧( 没有分子态氧，但有硝酸氮) 的条件下，反硝化除磷菌像好 氧条件下一样，利用硝酸氮作为电子受体进行生物摄磷。反硝化除磷菌可以减少5 0 的 c o d 和3 0 的供氧量【2 1 。 短程硝化反硝化技术利用中温条件下，a o b 生长率高于n o b 生长率，如果控制反 应条件，实现亚硝化，可以缩短硝化路径，同时缩短了反硝化路径，与传统硝化反硝化 脱氮工艺相比，短程硝化反硝化工艺可以节省4 0 的碳源，这就使得此脱氮工艺可用于 低c n 污水的脱氮处理【2 】。 厌氧氨氧化工艺a n a m m o x ( a n a e r o b i ca o n i u mo x i d a t i o n ) 是一种新型生物脱氮 技术【2 1 ，厌氧条件下氨氮以亚硝酸盐氮作为电子接受体直接被氧化到氮气的过程，其反 应如式1 1 。与常规硝化反硝化过程相比可以看出，中温亚硝化s h a r o n 和a n a m m o x 结 合工艺在处理高浓度氨氮废水方面具有巨大优势。 加墨+ n 0 2 一2t 2 皿0 ( 1 - 1 ) 完全自养脱氮c a n o n ( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i cn i t r o g e nr e m o v a lo v e rn i t r i t e ) i 艺 原理是在生物膜内溶解氧受限，亚硝化菌对氧的亲和常数比硝化菌要低得多，亚硝化菌 的生长占优势，氨氮部分被氧化成亚硝酸盐，在内层缺氧状态下，未被氧化的氨氮将与 亚硝氮在a n a m m o x 菌作用下发生a n a m m o x 反应，最终完成完全自养脱氮过程。c a n o n 反应无需有机碳源，可以节省1 0 0 的外碳源投加量，该工艺可节省6 3 的供氧量【删。 1 1 3 磷回收必要性 1 1 3 1 世界磷资源储量 世界磷矿资源分布很不均衡，非洲磷矿资源富集程度相对高，据美国地质调查局 ( u s g s ) 统计，世界主要国家和地区磷灰石储量和储鼍基础列于表1 - 2 4 5 1 。 截至2 0 0 7 年，所报告的全球磷矿基础储量为5 0 0 亿公吨，磷灰石储量1 8 0 亿公吨【4 5 】。 现在世界磷矿石的年开采量达到了1 4 亿吨左右，专家预计到2 0 3 0 年世界磷矿石的年开 采量将超过1 8 7 亿吨m 。据欧洲化肥生产协会2 0 0 0 年统计数据，以目前消耗速度计算， 全球磷矿将会在1 0 0 2 5 0 年内消耗殆【4 7 】，国际肥料发展中心i f d c 2 0 1 0 年最新报道f 4 8 ， 7 第1 章绪论 世界磷矿石的产量高峰出现在1 9 8 7 1 9 8 8 年和2 0 0 8 年( 1 6 亿公吨) 。 可见，全球磷矿石储量和磷矿石资源量已经成为过去2 0 年来热议话题。 表1 - 2 世界主要国家磷灰石储量和储量基础 国家或储量储量基础“国家或储量储量基础 地区 ( 亿公吨)( 亿公吨) 地区 ( 亿公吨)( 亿公吨) 美国 1 23 4 摩洛哥 5 72 1 0 澳大利亚0 7 7 1 2俄罗斯2l o 巴西2 63 7塞尔维亚0 5 1 6 加拿大0 2 5 2 南非 1 52 5 中国6 61 3 0叙利亚18 以色列l7 6多哥 0 3 0 6 埃及 1 88 突尼斯 l6 约旦91 7其它8 92 2 ”储量基础( r c s e r v eb a s e ) ：u s g s 定义的储量基础指开采成本低于$ l o o t 的磷矿。 1 1 3 2 - 从污水中回收磷 磷在自然界几乎不存在自然循环途径，其基本转移路径属于起始于陆地磷矿、终止 于海洋沉积物的直流式运动，这种现象造成了陆地磷资源奇缺而近海沉积层磷丰富的现 象。全球出现磷“地上少、水中多”的现象，必然促使人们认真考虑磷的可持续利用问 题。磷随径流进入水体的农业面源又难以回收、利用。凶此，由点源入手，从人类生产、 生活中各个环节中收集污水、动植物粪便、秸秆，人工回收其中所含的磷元素( 即，所 谓磷的人工循环) 便成了资源与环境管理方面的国际热点研究课题。就污水处理而言， 变传统的“磷去除”为当今的“磷回收”越米越得到世界各国学者与政府的高度重视。 有关从污水废物中回收磷的国际会议到目前为止已召开了4 届。2 0 0 9 年5 月在加 拿大温哥华召开的第4 届“从污水中回收营养物”国际会议，进一步使各国学者、政要 达成一致共识，在地球磷资源日益匮乏的今天，将污水废物中所含的磷元素加以回收利 用不仅仅是未雨绸缪之国际研究热