（环境工程专业论文）强化ab工艺脱氮除磷功能实验研究.pdf

强化ab 工艺脱氮除磷功能实验研究 强化a b 工艺 脱氮除磷功能实验研究 摘要 随着水体富营养化现象r 趋严重，人们对污水中氮和磷的排放提 出了更严格的要求，城市污水处理厂都面临着强化脱氮除磷的问题。 a b 法工艺具有工艺稳定、对有机物的去除效率高等优点，在国内有广 泛应用，但由于工艺本身的局限性，其脱氮除磷效果较差。本文借鉴 了国内外对a b 法工艺及传统活性污泥法工艺的改造经验提出了增加 碳源运行间歇曝气工艺改进a b 法工艺脱氮除磷功能的试验方案，并依 据采用a b 工艺的海泊河污水厂的实际运行情况进行了小试研究。 本研究第一阶段利用系统内碳源，采取两种措施：将a 段污 泥部分引入到间歇曝气池；将消化池进泥经物化除磷处理后，按 一定比例加入到小试系统进水。试验结果表明采取上述措施，系统对 n f i 。一n 和t n 的去除率有较大幅度的提高，系统的脱氮效果令人满意，但 没能实现生物强化除磷。分析原因认为系统碳源仍偏低，不能同时满 足高效脱氮除磷功能的需求。为进一步增加进水碳源，本研究第二阶 段从系统外强化碳源，试验分两部分：投加甲醇、乙酸钠等有机 外碳源；投加高浓度有机工业废水( 用啤酒替代啤酒废水) 。试 验表明，这两种措施均能取得较好的氮磷脱除效果。通过试验，初步 探讨了不同运行参数对系统运行效果，尤其对脱氮除磷效果的影响， 为今后的进步中试试验和生产性试验提供了参考。 此外，本文还总结了近年来生物脱氮除磷机理研究新进展及新兴 的脱氮除磷工艺，并通过试验对间歇曝气工艺去除有机物的机理进行 了进一步探讨。 关键词：问歇曝气法生物脱氮除磷有机碳源a b 工艺 堂些竺三苎些墨堕壁些堕壅些塑堑 e p e rim e n t ai s t u d y o nt h e e n h a n c e m e n to fnitr o g e na n dp h o s p h or o u s r e m o v aiina bpro c e ss a b s tr a c t w i t hth ep r o b le mo ft h ee u t r o p h ic a t io nb e c o m i n gm o r ea n d m o r es e r iou s ，p e o p l ea t t a c hm uc hm o r ea t t e n t io nt ot h e n ，p l e v e lo ft h ed is c h a r g e d s e w a g e t h usm o s to ft h es e w a g e t r e a t m e n tp l a n ta r er e q u ir e dt oi m p r o v et h ee f f ic i e n c yo ft he n ，pr e m o v a l t h ea bp r o c e ssisw e l lk n o w no fi tss t a b i l i t y a n dh ig h o r g a n i c c o m p o u n d sr e m o v a le f f ic ie n c y b u tt h en ，p r e m o v a lc a p a c i t yo fa bp r o c e ssis c o m p a r a t i v e l yw e a kb ec a u s e o fth ed is a d v a n t a g eo ft h e p r o c e s si ts e l f t h is p a p e rp u t f o r w a r dt h e e x p e r i m e n tp r o j ec to fe n h a n c i n gt h e n ，pr e m o v a l e f f ic ie n c yo fa b p r o c e s s b y in t r o d u c i n g in t e r m i t ten t a e r a t io n s y s t e ma n din c r e a s i n go r g a n i cso ft h ein f l u e n t on th eb a s iso ft h es t u d ie sh o m ea n da b r o a d t h e m a in e x p e r i m e n tsh o w sa sf 0 1 l o w s ：d u r in gt hef ir s t p e r io d o f e x p e r i m e n t ， i no r d e rt oe n h a nc et h e o r 旦a n ic c o n ce n t r a t io no ft h ein f l u e n t 。 t w om e a s u r esa r et a k e n ： b r in gt h es lu d g eo f a s t a g e toth ein f lue n to fb s t a g e ： t a k ethein f lu e n ts lu d g eo ft h ed i g es t e r ，w h ic hh a v e b e e n d is p o s e d b y c h e m ic a lp r e m o v a lm e a s u r e s 。a tt h er e a lr a t io inth e p l a n t t ot h ein f lu e n to f l a b s c a l ee x d e r i m e n t t he e x p e r i m e n t a lr e s u l t in d ic a t est h a tt h er e m o v a lo f n h 3 一na n d t nh a v e i m p r o v e dg r e a t lyc o m p a r in gt h ep r e v io u s b u t t h e sy s t e md o esn t a ch ie v ee x c e ss p h os p h o r u sr e m o v a l ，t h e m a in r e a s o niss t i l lt h e c o m p a r a t iv e ly lo wc nr a t i o int h ef u r t h e re x p e r i m en t s ，t oin c re a s et h ec o n c e n t r a t io n o f 。 o r g a n i cc o n c e n t r a t io nint h ein f lu e n t ，a d do r g a n ic c o m p o u nda n dth e nw a s t e w a te ro fb e e rf a c t o r y ， t ot h ein f lu e n t t h er e su l ts h o w st h a t t h esy s t e ma t t a inss a t i s f a c t o r yn p r e m ov a 】r a t e t h r o u g h th e e x p e r i 用e n t ， d is c uss est h e in f lue n ceo fsev e r a l p a r a m e t e r st oth ee x p e r i m e n t a le f f e c t a nd a is o p r es en ts s u i t a b le o p e r a t i o np a r a m e t e r sf o rt h e 2 强化a b 工艺脱氮| 缭磷功能实验研究 f uflh erexd e r i m e n t ina d d i t i 0 1 1 ， t h js 1 3 a p e rs r m m a r i zesthel 矗teslrese a j r ch 0 fthem ech af i is ma ndp r o cessesor lt h eenh a ncedb i0 l0 9 ic a ln p remov a l t h r 0 u g h thee xper jm er l t ，t h o ie m 0v a ln 】ech ar is mo f in ter m i t te 1 1 ta er a t i0 i i p f 0 c e ssa lsoisd iscussedf u r the r k e y w o r d s ： in t er m i t t en ta era t io n s ys t e m ：b 0 io g ic a n i t r o g e l 3 a n d p h 0s p h 0 rus r e i l l o v a i ： o r g a n i cs ： b p ro c e s s 业些三堇些塾塑塑堡塑墅一 1 绪论 1 1 水体氮磷污染的危害及控制标准 水体中氮磷污染会产生多种危害：当水源水氨氮浓度过高会导致 自来水加氯量增加，有机氯量也随之增加，对人体健康有害 同时， 水中较高浓度的氨氮氧化时将消耗水中的溶解氧，会严重影响和威胁 鱼类的生存：另外，硝酸盐和亚硝酸盐转化为亚硝胺，会产生“致 癌、致变、致畸”的毒害作用 1 1 ；而更为严重的是，氦磷等营养物质 进入水体会引起水体富营养化现象，严重破坏生态系统，影响了水体 功能，降低了水资源的利用价值，对城市经济、政治和自然环境构成 严重威胁。 水体中的氮、磷是判断陆地水域、海域水体污染和富营养化程度 的关键性指标之一【2 1 。控制污染源氮磷排放、降低废水中氮磷含量是 防止水体富营养化的主要任务。鉴于国内氮磷污染目趋严重，我国对 原有城市污水综合排放标准进行了修订，颁布了新标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，见表1 - 1 1 ，对氮、磷的排放均提出了更高的要求p j 。这意 味着，今后大多数城市污水处理厂都面临着加强脱氮除磷处理的问 题。 污染物适用范围一级标准二级标准 医药原料药、染料、 石油、化工工业 1 55 0 氨氮 其它排污单位 1 52 5 磷酸盐( 以p 计)一切排污单位 0 51 o 1 。2 生物脱氮除磷机理及研究进展 1 2 1 生物脱氮除磷基本机理 强化a b 工艺脱鼠除磷功能实验研究 1 ，生物脱氮机理 氮在废水中主要以氨氮( n h 3 - n ) 、硝酸氨( n 0 3 一n ) 、亚硝酸氮 ( n 0 2 一n ) 以及有机氮( 氨基酸、蛋白质) 等形式存在，用传统的活性 污泥法将有机氮转化为氨氮，却不能有效地从废水中去除氮。废水生 物脱氮的基本原理及在生物处理过程中使废水中含氮有机物被微生物 分解，转化为n ：从液相中释放出来，这个过程包括硝化作用和反硝化 作用1 4 l 。整个转化过程见图： 好氧 有机氪( o r g - n ) 坚璺n i - h + - ne n o 2 - n 州o ，_ n ln 2 ，n 。o ，t有机氨 叫 + l 一+ n 0 3 二n 二二 ， 。 y 下 氨化反应 亚硝化硝化反硝化 厌氧菌 亚硝酸菌硝酸菌 图1 2 1生物脱氮过程示意图 氨化是一种普遍存在的生化作用，主要是把大分子有机氮转化为 氨氮，几乎所有的异养型细菌都具有氨化功能。在脱氮工艺中，氨化 阶段反应效率很高，通常不会成为反应的限速阶段。生物硝化反应包 括两个步骤，第一步由亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 ) ，第 二步由硝酸细菌进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐( n 0 3 ) 。这两类细菌 都是自养型好氧菌，统称为硝化细菌，它们利用无机碳化物如c 0 ，2 。、 h c 0 3 一和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n l - h + 或n 0 2 的氧化反应中获取能 量。如果采用c 5 h 7 0 2 n 作为硝化菌的细胞组成，则硝化过程可由下面 的化学计量关系式筘1 表示： n 1 4 + + l 。8 6 0 2 + 1 。9 8 h c 0 3 o 。0 2 0 6c 5 h 7 0 2 n + 0 9 8 n 0 3 。+ 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 反硝化作用主要是由兼性异养型细菌完成的。这类细菌种类繁 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 多，世代时间通常较短，广泛存在于水体、土壤以及污水生物处理系 统中。当污水中没有游离氧时，它们可利用硝酸根或亚硝酸根中的氧 进行呼吸，氧化分解有机物，同时利用有机碳源为电子供体，n 0 3 - - n 作电子受体，使硝态氮还原为n 2 或n 。o ，。少量硝态氮可通过同化作用 被还原成氨氮，用于微生物的合成。假定硝态氮可以被彻底还原为 n 2 ，则反硝化过程可表示为： n 0 2 。+ 3 h ( 电子供体) _ 州2 + h 2 0 + o h n 0 3 。+ 5 h ( 电子供体) _ 州2 + 2 h 2 0 + o h 。 目前公认的从n 0 3 一还原为n 。的过程为 n 0 3 一n 0 2 斗n 0 斗n 2 0j n 2 进行生物脱氮作用， n 0 2 ；不含溶解氧； 电子供体。 必须具备以下几个条件6 】 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 存在n 0 3 或 存在兼性细菌菌群；适宜和适量的 2 生物除磷基本机理 污水中的磷主要以磷酸盐( p 0 4 3 。一p ) 和有机磷( 聚磷酸酯等) 的 形式存在。随污水进入生化反应系统的磷只有两条出路：被微生物 吸收入细胞随剩余污泥排除，或者随出水排出。除磷的目的在于提 高剩余污泥的含磷量和排放量，而努力减少出水中总磷的浓度。 生物除磷过程主要由一类统称为聚磷细菌p a o s ( p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ) 的微生物完成。该类微生物均属异养型细菌，包 括：不动杆菌属、假单胞菌属、气单胞菌属、棒杆菌属、肠杆菌属、 着色菌属、脱氮微球菌属等。在厌氧条件下，聚磷菌把细菌中的聚磷 水解为难磷酸盐( p 0 4 3 p ) 释放胞外，并从中获得能量，利用污水中易 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 降解的c o d 如挥发性脂肪酸( v f a ) ，合成贮藏物聚b羟_ r 酸( 刚f j ) 等贮于胞内。在好氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化胞 内贮存的p h b ，并利用该反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸 盐，合成高能物质a t p ，其中一部分又转化为聚磷，作为能量贮于胞 内，好氧吸磷量大于厌氧释磷量，通过剩余污泥的排放可实现高效地 除磷目的。聚磷菌除磷的过程可由下面的生化模型1 7 】表示： 有机基质 厌氧区好氧区 、吸磷 、 、 图卜2 2生物除磷机理示意图 根据聚磷菌除磷的原理，开发了一种高效的活性污泥除磷系统一 强化生物除磷系统( e n h a n c e d b i o l o g i c a lp h o s p h a t er e m o v a l e b p r ) 。e b p r 工艺的特点为：活性污泥交替进行厌氧好氧过程，并在厌氧段引入 污水，经过交替厌氧好氧过程，聚磷菌取得优势地位，并在体内聚 集大量的磷，通过排除剩余污泥，可实现磷的去除。 1 2 2 生物脱氮除磷机理研究新进展 1 短程硝化一反硝化 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 1 9 7 5 年v o e t 发现在硝化过程中h n o 。积累的现象，首次提出了短 程硝化一反硝化生物脱氮( s h o t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ，也 称为简捷硝化反应硝化生物脱氮) 1 8 1 ，随后国内外许多学者对此 进行了试验研究。短程反硝化即n h 4 - - - - n 0 2 一- - ，n 2 ，是相对全程( 或完 全) 硝化一反硝化而言的。这种方法就是将硝化过程控制在h n 0 ：阶 段而终止，随后进行反硝化。亚硝酸菌和硝酸菌虽是两类独立细 菌，但在开放体系中这两类菌普遍存在，并生活在一起，彼此有 利，因此难以单独存在；氨氧化为亚硝酸的速度较亚硝酸氧化为硝 酸速率慢，在n h 3 一h n 0 3 中，亚硝酸的形成是限速步骤，所以通常 硝化产物为硝酸，亚硝酸浓度很低。短程反硝化中亚硝酸盐积累受 温度、p h 、氨浓度、氮负荷、d o 、有害物质、泥龄等的影响。 短程生物脱氮具有以下特点：对于活性污泥法，可节省供氧量约2 5 ，降低能耗；节省反硝化所需碳源4 0 ，在c n 比一定的情况下 提高t n 去除率；减少污泥生成量达5 0 ：减少投碱量；缩短反应时 间，相应反应器容积减少。 近年来，高氨低碳源废水处理过程中所反映的一系列问题和短程 生物脱氮的提出，又促使人们围绕短程生物脱氮的可行性进行了大量 实验研究和工程实践。荷兰m u l d e r l 9 9 7 年提出了s h a r o n 工艺 9 1 ，用于 处理城市污水二级系统中污泥消化上清液和垃圾滤出液等高氨废水， 硝化系统中h n 0 2 积累达1 0 0 。国内学者在进行高氨废水生物处理中 也发现h n 0 2 积累现象：l a a n b r o e k i 1 1 研究表明亚硝酸菌对d o 的亲 合力较硝酸菌强，低溶解氧下亚硝酸盐会大量积累。利用硝酸菌、亚 硝酸菌在动力学特性上的差异有望在活性污泥系统和生物膜上逐渐淘 汰硝酸菌，以实现短程反硝化。 2 同步硝化反硝化： 近年来许多研究者发现在几种生物处理系统中，如氧化沟h 2 3 、 s b r 工艺、间歇曝气反应器、生物转盘、c a s t 工艺1 1 3 等，存在同步 硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 强化a b5 - 艺脱氯除磷功能实验研究 现象，有资料表明其脱氮比例为2 0 一3 5 。研究者对此进行了广泛 的研究，普遍认为微环境的存在是其主要原因【1 4 】：由于氧扩散受到一一 定的限制，在微生物絮体内形成溶解氧梯度，在絮体内部则可能产q ： 缺氧区甚至厌氧区，形成发生反硝化的微环境，致使反硝化菌在絮体 内部占优势，当反硝化所需要的有机碳源进入絮体内时便可能发生反 硝化反应。另外，从微生物发展的角度看，存在着目前尚未被认识 的微生物菌种( 如好氧条件下的反硝化细菌) 能使同时硝化反硝化现 象发生。但对其机理的认识还未统一，尚处于探索阶段。 3 厌氧氨氧化( a n a m m o x ，a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ) 1 6 】 在含氮污染物的控制中，目前国内外主要采用生物脱氮技术， 研究的热点集中在如何改进传统的硝化一反硝化工艺。从微生物学的 角度看，硝化和反硝化是两个相互对立的生化反应，前者借助硝化细 菌的作用，将氨氮氧化为硝酸盐氮，需要氧的有效供给；而后者则是 一个厌氧反应，只有在无氧条件下，反硝化细菌才能把硝酸还原为氮 气。此外，在环境中存在有机物时，自养型硝化细菌对氧和营养物质 的竞争能力劣于异养型微生物，其生长速度很容易被异养型生物超 过，并因此而难以在硝化中发挥应有的作用；但要使反硝化反应顺利 进行，则必须为反硝化细菌提供合适的电子供体( 通常为有机物如甲 醇等) 。1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室开发出 a n a m m o x 工艺( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ) ，即在厌氧条件下， 以n o j 。为电子受体，将氨转化为n ：。最近研究表明，n 0 2 。是一个关键 的电子受体。由于该菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝 化。实验研究发现：厌氧反应器中n h 4 + 浓度的降低与n 0 2 的去除存在 一定的比例关系。发生的反应可假定为： n h 4 + + n 0 2 。一n 2 + 2 h 2 0o o = 3 6 0 k j m o l ( n h 4 * ) ( 1 5 ) 这重大新发现为改进传统的生物脱氮技术提供了理论依据。 若能歹1 ：发利用厌氧氨氧百分比迸行生物脱氮，不仅可以大幅度地降 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 低硝化反应的充氧能耗，免去反硝化反应的外源电子供体，而且还 i j 改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的状况。后两项 对控制化学试剂消耗，防止可能出现的二次污染具有重要作用。 4 聚磷菌的反硝化功能 最近诸多研究1 8 1 证明存在一种“兼性厌氧反硝化除磷菌”一 d p b ( 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 i n gb a c t e r i a ) ，它可以在缺氧条件 下，利用硝酸盐作为电子受体氧化胞内贮存的p h a ，并从环境中吸 磷，这就使得吸磷和反硝化两个过程可借助同一种细菌在同一环境下 完成。吸磷和脱氮的结合不仅节省脱氮除磷对碳源的需要，而且吸磷 在缺氧区内完成可缩小曝气池的体积，还可节省能源。有文献1 19 】表 明，充分利用d p b 除磷原理，可使c o d 需求量减少5 0 ，耗氧量减少 3 0 ，剩余污泥量减少5 0 。 然而，理论上聚磷菌以硝酸盐为电子受体比以氧为电子受体产生 的能量低4 0 ( k u b a 等( 1 9 9 4 ) 2 0 1 ) ，而且缺氧吸磷的速率要低于好氧吸 磷，这对于厌氧缺氧系统的除磷是不利的。但是，研究证明厌氧 缺氧系统与厌氧好氧系统的总磷去除效果都较好。m i n o 等( 1 9 9 8 ) 认 为这可能是由于聚磷合成所需的能量与细菌生长和合成p h a 所需的能 量相比较小，并且聚磷菌的聚磷能力高于通常的磷负荷【2 ”。但由于该 技术还不成熟，用于实践时应迸步验证其有效性和稳定性。 5 碳源对脱氮除磷的影响 在生物脱氮过程中碳源的类型和质量直接影响着反硝化过程进而 最终影响脱氮效果。细菌反硝化可以利用外加碳源，也可利用废水中 所含碳源及微生物内源呼吸溶出的有机碳。近来一些研究证明：内源 呼吸的反硝化速率仅为投加甲醇作外碳源的反硝化速率的1 0 【2 2 】；相 对较高的c o d 负荷对反硝化有毒害作用【2 3 】，而较低的c o d n 率则导致 反硝化不充分等后果【2 。废水处理工艺运行效果显示进水中碳源类型 和质量既影响反硝化速率，又影响反硝化的程度及反硝化菌的生长情 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 玑。 在除磷过程中，碳源主要消耗于释磷和异养菌正常代谢等方面， 释磷速率与进水碳源中易降解的部分，尤其是v f a 的数量关系巨大。 有研究解释为v f a 可通过自由扩散、促进扩散、主动运输等方式进入 细菌胞内；而对于其它长链碳源，则只能通过主动运输或基团转位方 式进入胞内，故细菌更倾向于v f a ；若从生物代谢角度考虑，长链碳 源代谢途径复杂，在较多情况下需要能源而v f a 可直接参加其产能 反应，故微生物亦更倾向于v f a 。所以必须设法提高进水中的v f a 占 进水总碳源的比重。然而，一般城市污水中所含的易降解c o d 的数量 十分有限，以v f a 为例，通常只有几十个m g l 。所以城市污水生物脱 氮除磷系统易存在碳源不足的问题。 解决这一问题一般需要从两个方面来考虑。是在系统内部采取 措施增加进水中易降解c o d 的数量，例如取消初沉池，污泥硝化液回 流，将初沉池改为酸化池等都有一定作用，还可考虑外加碳源的方法 等。二是从工艺结构考虑，更合理的为反硝化和释磷分配碳源。例如 倒置a 2 o 工艺将缺氧区放在工艺最前端，厌氧区置后。经过这种改 变，反硝化菌可以优先获得碳源，反硝化速率得到大幅度提高。同 时，原来困扰脱氮除磷工艺的硝酸盐问题不复存在，所有污泥都充分 释磷、吸磷，除磷能力不仅未受影响，反而有所增强【2 ”，系统的脱氮 除磷取得了很好的效果。 1 3 新兴的生物脱氮除磷工艺 1 3 1 生物强化脱氮除磷组合工艺 通常的二级处理工艺对氮磷去除效率不高，近年来日本、瑞士、 英国、德国与荷兰等国家相继开发了多种“强化生物脱氮、除磷”的 组合工艺1 2 6 1 这些组合工艺从系统的泥龄、流态到设备的组合，尤其 是厌氧、缺氧、好氧三种运行状态的组合和优化方面进行了研究，达 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 到既能去除 般的悬浮物、有机物，又能脱氮除磷，对氮磷的去除；枉 部有明显的提高。 1 a 2 o 工艺与倒置a 2 o 工艺f 2 7 】 2 8 】【2 9 】 在厌氧好氧除磷系统和缺氧好氧脱氮原理的基础上，人们提出了 a 2 o 污水处理工艺，即将两个系统组合起来，使污水经历厌氧、缺氧 和好氧过程，可同时达到去除氮、磷及b o d 的目的。 混合液回流 回流污泥 图1 - 3 1a 2 o 工艺流程图 剩余污泥 a 2 o 工艺虽能实现同时脱氮除磷，但是存在抗回流硝酸盐能力不 强的弱点，不能同时取得良好的脱氮除磷效果。倒置a 2 o 工艺将缺氧 段与好氧段倒置，使硝酸盐问题自动消失，同时省却内循环，使工艺 变得更简洁。小试试验结果表明其除磷效率较a 2 o 工艺有较大的提 高，而脱氮效率与a 2 o 工艺相当。 回流污泥 图l - 3 2 倒置a 2 o 工艺流程图 m u c t 、v i p 工艺及j h b 工艺 剩余污泥 强化a b 工艺脱氯除磷功能实验研究 u c ti 艺 3 0 l 与a 2 o 工艺相比最显著的特点是有两个内循环。一个 将硝化液从好氧段回流到缺氧段，另一个将缺氧段的混合液循环至厌 氧段。故回流污泥不直接进入厌氧段而进入缺氧段，避免了回流污泥 中大量硝酸盐对厌氧段冲击，改善了释磷环境。 回流污泥 图1 - 3 3u c t 脱氮除磷工艺流程图 剩余污泥 由于混合作用，u c t 工艺中进入缺氧区的回流污泥只有部分经内 循环至厌氧区，即只有部分剩余污泥经历完整的厌氧、好氧过程，可 能影响工艺的除磷效果。于是开发了改进型u c t 即m u c t 工艺，该 工艺缺氧区被分成两部分，第一个缺氧池只接受二沉池的回流污泥， 并有混合液回流至厌氧区；缺氧二池接受来自好氧区的混合液回流， 其内进行反硝化。这样避免了将过量的硝酸盐带入厌氧区。 缺氧混合液回流好氧混合液回流 回流污泥剩余污泥 图1 3 - 4m u c t 脱氮除磷工艺流程图 u c l 、工艺的另一种改进型为v i p 工艺【3 2 】，其厌氧、缺氧和好氧三 强化a b 工艺脱氖除磷功能实验研究 个反应器都是由多个完全混合反应器串联组成分格方式形成了有机 物浓度的梯度分布，提高了厌氧释磷和好氧摄磷的速度。与u c t 工艺 相比，v i p 工艺具有泥龄短、污泥中的活性生物比例高、负荷高、脱 氮除磷效果高等特点。 j h b 工艺吲是在a 2 ( ) 工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了一个 缺氧池，回流污泥携带的硝酸盐利用污泥本身的碳源得到还原，故避 免了硝酸盐对厌氧释磷的不利影响。但污泥回路上的缺氧区只能以内 源代谢物作为反硝化的碳源，反硝化速率很慢，所需容积较大。 混合液回流 图1 3 5j h b 工艺流程图 3 e a s c 工艺与j l s 工艺 据生物除磷与污水中基质的关系，开发了增加厌氧段短链脂肪酸 含量的e a s c ( e x t e n d e d a n a e r o b i c s l u d g ec o n t a n t ) 和j l s 工艺。 e a s c 工艺【3 4 】的厌氧段( a i ) 实际上是用初沉池改造而形成的。二沉池回流 污泥与进水一起进入a l 段，二沉污泥与初沉污泥混合沉入泥斗。由于 初沉污泥中含有大量有机物，而污泥中的厌氧环境可将一部分有机物 水解酸化，增加可污水中v f a 的浓度，为有效释磷提供条件，其流程 图见图1 3 - 6 。 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 内循环 回流污泥 剩余污泥 图1 3 6e a s c 工艺流程图 j l s 工艺的特点是在a 2 o 工艺的每一段都放置生物转盘，在0 段 放置r b c ，硝化菌可以栖于r b c 表面而不参加回流，解决了泥龄矛 盾。同时，在厌氧和缺氧段设置r b c ，开发者认为r b c 上可以生长长 久性的厌氧菌，对进水有机物的水解酸化有促进作用d5 1 。当然设置 r b c 也带来了一些问题，首先须增加一定的动力消耗，运行管理也复 杂化。 进 内循环 污泥回流剩余污泥 图卜3 7j l s 工艺流程图 1 3 2 简洁化脱氮除磷新工艺 前面介绍的几种工艺虽能够达到较高的n 、p 去除率，但工艺流 程太复杂，造成了运行管理困难、投资费用高等方面问题。随着现代 化的机械装备、控制手段( 如在线控制等) 在污水处理上逐步得到推 广应用，人们力图在完成要求功能的情况下使工艺变得简洁、高效、 经济，有些构筑物从工艺到结构趋向于合建一体化，于是出现了一些 强化a b 工艺脱氙除碡功能实验研究 简洁化脱氮除磷新工艺。 1 一体化氧化沟 一体化氧化沟【3 6 】集生物处理与固体分离于一体，常将连续环式反 应池作生化反应器，通过特殊的曝气转刷等使混合液在沟内循环流 动，使污水依次历经缺氧、好氧或缺氧、厌氧、好氧环境。环形沟道 的闭路工艺构形具有极好的脱氮条件，较长的泥龄使硝化反应很易发 生，菌胶团内部的反硝化反应在整个系统中脱氮具有显著作用。菌胶 团内部的厌氧环境则为释磷创造了条件，也为微生物的过度吸磷奠定 了基础。 该工艺与a 2 o 工艺相比回流具有以下特点：厌氧段回流混合 液来自缺氧段，厌氧段中硝态氮含量降低有助于厌氧段聚磷菌释磷。 缺氧段和好氧段之间实现了混合液的水力内回流，省掉了一套机 械回流装置。固液分离器在实现固液分离作用的同时实现了污泥 向好氧段的无泵自动回流，又省掉了一套机械回流装置。 氧化沟进水方式较为灵活，可有多个进水点交替进水：曝气转届0 转速一般是不一样的，控制要求较为严格，常采用全自动控制，正常 情况下其脱氮除磷效果较好。 2 s b r 、c a s t 和u n i 州k 工艺 传统s b r 工艺是指曝气池与沉淀池合二为一，即生化反应器与泥 水分离在同一反应池中实现，污水分批次进入反应池，分别按时间顺 序完成进水、反应( 曝气) ，沉淀、滗水，待机( 闲置) 等基本操 作，如此反复进行，采用限时曝气或半限时曝气运行方式，实现了时 州序列上的缺氧好氧或厌氧好氧的过程并控制每一部分合适的时 间比例，从而达到高效去除有机物及脱氮除磷的目的。反应池进水处 以厌氧状态，发生释磷：曝气处以好氧状态，进行b o d 降解、硝化、 摄磷：沉淀、排放处以缺氧状态，进行反硝化，从而不需设专门的缺 氧、厌氧池及污泥回流系统。 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 s b r ，r 艺的缺氧、厌氧环境是在一定时间内，而且是从好氧逐渐 转变过去的，反硝化和磷的释放不充分，脱氯除磷效果不够理想。为 r 提高s b r 工艺的脱氯除磷功能，丌发了c a s t 工艺【2 “。该工艺最大 的改进是在反应池前端增加一个选择段，污水首先进入选择段与来自 主反应区的混合液混合，在厌氧条件下聚磷菌首先繁殖，为高效除磷 创造了条件，同时还可以有效地抑制丝状性细菌的大量繁殖克服污 泥膨胀提高系统的稳定性。在主反应区混合液的溶解氧大部分曝气 时间内控制低于0 5 1 0 m g l ，污泥絮体表面和内部将形成不同的溶解 氧浓度，于是在池中同时存在好氧和缺氧微环境，可同时硝化和反硝 化，由于这种环境延续时间长，同时硝化和反硝化进行的较充分，达 到很好脱氮效果。另外，该工艺耐冲击负荷能力强，对一些工业污水 比例较大的城市污水处理效果也很好。 s e g h e b s 公司提出的u n i t a n k 工艺 3 8 】是s b r 法又种变形和发 展，它集合了s b r 和传统法污泥法优点，一体化设计。u n i t a n k 系统 主体是被间隔成数个单元的矩形反应池，典型的是三格池( 见图 1 3 8 ) ，三池之间水利连通。每池均设有曝气系统，外侧两池设有出 水堰及剩余污泥排放口，它们交替作为曝气池和沉淀池。污水可以进 入三池中任意一个，采用连续进水，周期交替运行。通过对系统进行 灵活的时间和空间控制，适当增大水力停留时间，可以实现污水b o d 去除及脱氮除磷。每个运行周期包括两个主体运行阶段。污水交替进 入左侧池和中间池，左侧池作为缺氧搅拌反应器，进行脱氮、释磷， 中间池曝气运行时，去除有机物进水并搅拌时，可进行反硝化，同 时污泥向右推进。右侧池进行沉淀含磷污泥一部分作为剩余污排放。 在进入第二主体运行阶段的污水只进人中间池，使左侧池尽可能完成 硝化反应。然后左侧池停止曝气作为沉淀池，进入第二主体运水由右 向左，运行过程完全相同。 强化a b 工艺脱氟除磷功能实验研究 出 水 进水 乇勺表示设定时间好氧厌氧交替进行 图1 3 - 9u n i t a n k 工艺示意图 3 连续进水间歇曝气工艺1 3 9 1 连续进水间歇曝气工艺是在对传统活性污泥的改造中发展起来的 一种工艺。该工艺在生化反应池中实行间歇曝气( 对两组生化反应池 来说是交替曝气) ，在时间顺序上，形成了一系列曝气和不曝气的时 段，相当于数个a 段和o 段的组合。通过曝气方式的改变，再辅以其 它措施，可使传统推流式活性污泥法具备脱氮除磷功能。其流程见图 1 3 】0 。 污泥回流剩余污泥 图1 - 3 1 0间歇曝气工艺流程 间歇曝气工艺有以下一些特点 强化a b 工艺脱氮除磷功能实验研究 具有脱氮除磷功能 由于向曝气池内鼓入空气是1 1 团歇进行的，因此曝气池内的溶解氧 呈周期性变化，不断变换着好氧、缺氧、厌氧过程，成为时间上的 a a o 法。曝气阶段完成有机物和n h 3 n 的氧化及生物吸磷：在停气 前期，溶解氧迅速下降并接近于零，生化反应池内处于缺氧状态，微 生物进行反硝化，达到生物脱氮目的；在停气后期，溶解氧和结合态 的氧均消耗殆尽，生化反应池处于厌氧状态，聚磷菌吸收有机物并释 磷。在间歇曝气池内周期性的好氧、缺氧、厌氧环境，使得该系统具 备了脱氮除磷功能。 改善污泥性能 减少初沉时间或超越初沉池，提高了曝气池污泥浓度，周期性的 好氧、缺氧、厌氧过程大大改善活性污泥的沉降性能，污泥指数明显 降低，颗粒结构增大增密，缓解了污泥浓度的提高对二沉池的负担。 流程简单，易于改建 硝化、反硝化、释磷、吸磷过程在同一反应池内完成，无须设置 专门的缺氧、厌氧池，而且内循环与污泥回流合并为一个回流系统， 因此流程简单。该工艺在对传统活性污泥法工艺改造时，原有设施可 不作变更。最简单的改建方法是按照规定时间向曝气池供气和停气， 当有数组曝气池时，只需按规定时间启闭各组曝气池的进气阀门，交 替轮流供气。因而用本工艺改造原有污水厂极为方便。 运转经济灵活 可根据进水水量、水质的不同以及季节温度等因素的变化，灵活 地调节曝气、停气时间，保证出水水质，同时节省曝气能耗。因此运 转灵活经济。 1 4a b 法工艺 1 4 1 a b 工艺的特点 a b 法是吸附生物降解法( a d s o r p t i o n b i o d e g r a d a t i o n ) 1 4 0 1 的简称，是 强化a b 工艺脱氰除磷功能实验研究 德国亚琛大学b b o h n k e 教授于7 0 年代中期丌发的一种工艺，属超高负 荷活性污泥法。该工艺不设初沉池，由a 段和b 段二级活性污泥系统 串联组成，并各自有独立的污泥回流系统。其工艺流程见图l 一4 1 ，污 水由城市排水管网经格栅和沉砂池直接进入a 段，a 段的微生物绝大 部分为细菌，其世代时间很短，繁殖速度很高：该段污泥负荷很高， 泥龄短，水力停留时间很短，约为3 0 分钟；b 段污泥负荷较低，停留 时间约为2 6 h ，泥龄1 5 2 0 d ，溶解氧含量常控制在1 2 m g 1 ，由于a 段 的有效功能使b 段处理效果得以提高，不仅进一步去除b o d 、c o d ， 而且提高了硝化效果。 回流污泥剩余污泥 回流污泥剩余污泥 图1 - 4 1a b 法工艺流程图 a b 工艺突出的优点是a 段负荷高，抗冲击负荷能力强，特别适 用于处理浓度较高、水质水量变化较大的污水，对b o d 、c o d 、s s 、 磷和氨氮的去除率，一般均高于常规活性污泥法。其主要弱点为产泥 量较大，而且不具备深度脱氮除磷功能，出水水质尚达不到防止水体 富营养化的要求。该工艺于8 0 年代初应用于工程实践，目前，国内已 有多家城市污水处理厂采用了a b 法工艺。 1 4 2a bt 艺的脱氮除磷功能 1 脱氮效果 强化a b 工艺脱氯除磷功能实验研完 a b 法工艺的a 段对污水中有机物的去除率一般高于对氨氮的去 除率，这样，污水经a 段处理以后，出水b o d j n 值降低，从而有望增 大硝化菌在b 段活性污泥中的比率和硝化速度，这对于系统硝化作用 的完成是有利的。但是a b 法工艺仅完成了硝化功能，虽然可去除氨 氮，但硝酸赫的存在依然会导致水环境的污染。常规a b 法工艺的总 氮去除率约为3 0 4 0 ，其脱氮效果虽较传统活性污泥法好，但出水尚 不能满足防止水体富营养化的要求。 当要求强化a b 法工艺的总氮去除功能时，就必须进行反硝化。 一般认为后置两段活性污泥法往往不能达到满意的反硝化效果，因为 进入第二段曝气池污水中的有机物含量过低，不利于反硝化的正常进 行。反硝化所需的b o d 5 n 比值，根据反硝化方程式可知，每去除l m g 的氮至少需要2 8 6 r a g 的氧，所以理论上b o d 5 n 2 8 6 才能保证反硝化 的顺利进行。b o h n k e 对德国多家a b 法污水处理厂的研究认为，这个 结论对于传统的两段活性污泥法系统可能是合适的，但对a b 法而 言，污水经过a 段处理后，大部分的不溶解性物质通过吸附、絮凝和 沉淀而被去除，而那些相对容易降解的溶解性物质其相当一部分流过 a 级，进入低负荷b 段【4 l 】。而且，当a 段以兼氧方式运行时，污水中 长链的难分解的基质可被打开分解成短链的化合物，即某些难生物降 解的有机物能在兼氧条件下转化成易降解物，从而改善a 段出水的可 生化性，有利于b 段的反硝化作用以及对有机物的进一步去除，据此 认为低负荷的b 段能有效完成硝化功能，同时对反硝化来说亦有足够 易生物分解的、主要以溶解态存在的有机物。因此，a 段出水b o d s n 比值在3 左右就足以保证反硝化效果【4 2 】。但对此结论尚有争议，因 为上述比值仅是理论值，不少学者认为进行反硝化所需的b o d 5 n 值， 不宜小于4 5 。 笔者认为，a b 法工艺的a 段对b o d 5 、c o d 的去除率可高达 6 0 7 0 ，在这种情况下，将b 段改进为生物脱氮系统时，很可能面临 碳源不足的问题。在实际运行中，a b 法工艺污水厂的b 段污水是否 有足够的反硝化碳源，应根据具体的情况通过试验来确定，应考虑到 强化a b 工艺脱氤除磷功能实验研究 a 段对b o d 5 和氮的去除率，污水水质特别是氮含量、b o d 5 和c o d 的组成情况以及实际运行参数的控制等。 2 除磷效果 根据有关文献报导 4 3 1 ，a b 法的除磷效果明显高于传统一段活性 污泥法。当a 段按好氧状态运行时，a 段的磷去除率可达到3 5 5 0 ， 是常规一段活性污泥法的两倍以上，常规a b 法工艺对磷的总去除率 可达到5 0 7 0 。a b 法工艺对磷的去除一般认为主要是依靠a 段的絮 凝吸附作用，一般城市污水中约3 0 的总磷是以悬浮( 胶体) 状态存 在的，随着生物絮凝吸附作用的发生，大部分不溶解性磷和部分溶解 性磷可以得到去除；也有研究者认为a 段中存在聚磷菌，聚磷菌超量 吸磷对磷的去除起一定作用，主要依据是溶解氧浓度的变化对a 段除 磷有很大影响，这与聚磷菌的除磷特性相一致，理论基础是取消初沉 池后，原污水中的微生物实际上是在厌氧缺氧( 沟渠或管道) 和好 氧( a 段曝气池) 选择性环境下生长，而这种环境非常适于聚磷菌的 生长，当污水进入a 段好氧环境后，可出现较明显的过度吸磷特征 p 。a 段是否存在聚磷菌过度吸磷作用还需进一步研究确认。污水经 过a 段处理进入b 段后，通过微生物机体的合成可进一步去除部分剩 余的磷。 与a b 法工艺对氮的去除相似，虽然常规a b 法工艺对磷的去除 率高于传统活性污泥法。但是出水磷含量一般达不到现行污水排放标 准，无法满足防止水体富营养化的要求。 1 4 3 a b 法脱氮除磷功能的强化h 4 】 根据生物脱氮除磷的机理，要强化污水处理工艺的脱氮除磷效果 必须具备下列条件。第一，要提供脱氮除磷过程所必需的足够的碳 源：第二，要提供脱氮除磷反应所必需的反应容积；第三。要提供脱 氮除磷过程所必需的缺氧、厌氧、好氧环境。对a b 法氮磷脱除功能 强化，常规的作法主要是将b 段改为a o 生物脱氮工艺、a o 生物除 强化a b 工艺脱氪除磷功能实验研究 磷工艺、a 2 o 牛物脱氮除磷工艺或辅以物化除磷处理措施，以上改进 措施通常需对原有设施进行不同规模的改建或扩建，投资较大。也可 通过运行方式的改变对a b 工艺进行改进，如采用间歇曝气法，可在 充分利用原有设施的基础上，由曝气方式的改变，达到氮磷脱除功能 强化的目的。总之，要强化a b 法工艺脱氮除磷功能，应根据各污水 厂的具体情况，如处理流程，进水水质等，充分利用原有设