（环境工程专业论文）sbmbbr中低碳污水的反硝化除磷研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 反硝化除磷工艺具有一碳两用，节约碳源的优点，为低碳城市污水的氮磷达标处理 提供了有效途径。本文主要研究了在低碳源条件下，影响序批式移动床生物膜反应器反 硝化除磷性能的因素，包括进水c o d 浓度、硝酸盐浓度及投加方式、亚硝酸盐、p h 值、 搅拌速度等，并且引入双泥系统，研究了a 2 n s b m b b r 的反硝化除磷性能，还考察了 其对实际生活污水的处理效果。实验结果表明： ( 1 ) 经过三个阶段的培养驯化，生物膜中d p b 占全部p a o s 的比例从1 5 7 增长到 7 1 3 ，达到了在生物膜中选择与富集d p b 的目的。 ( 2 ) 随着c o d 浓度的增大，p h b 的转化量与厌氧释磷量逐渐增加。当c o d 浓度为 2 0 0m g l ，由于碳源不足，反硝化除磷率只有8 1 8 。当c o d 浓度为3 0 0m g l ，反硝 化除磷效率最高，达到9 0 6 。当c o d 浓度为4 0 0m g l ，p h b 的含量出现积累，除磷 率不高，发生了单纯的反硝化作用。 ( 3 ) 在c o d 浓度为2 0 0m g l 条件下，n 0 3 - n 投加量的不足与过量都会降低反硝化 除磷效率，使生物膜中p h b 的含量出现积累，并且缺氧末端在投加量不足的情况下会 出现磷的少量释放。相同硝酸盐浓度下，其投加方式对反硝化除磷效率无影响，只影响 缺氧初期的反硝化吸磷速率，随投加次数的增加而减小。 ( 4 ) 亚硝酸盐在低浓度( 5 1 0m g l ) 下，可以做为反硝化除磷的电子受体，进行 反硝化除磷；在高浓度( 1 5m g l ) 下，反硝化除磷受抑制，并出现磷的释放现象。 ( 5 ) 反应器在中性条件下，p h b 的转化量最高，偏碱性次之，偏酸性最低，应控制 反应器在中性偏碱条件下进行释磷。搅拌速度过大或过小都会对系统的除磷效果和生物 膜量产生影响，适宜的搅拌速率为8 0r m i n 。 ( 6 ) 反应器的反硝化除磷过程主要以剩余污泥形式去除磷，磷的其他转化形式很微 弱，系统内磷含量基本平衡。 ( 7 ) 在进水c o d 、n i - 1 4 + - n 、p 0 4 3 - p 浓度分别为2 0 0m g l 、5 0m g l 、7m g l 的条 件下，p 0 4 3 p 去除率为8 3 7 ，t n 去除率为6 4 0 ，a 2 n s b m b b r 具有较好的反硝化 除磷性能。 ( 8 ) 利用a 2 n s b m b b r 系统对实际低碳生活污水进行处理，效果较好，p 0 4 3 p 平 均去除率为8 5 2 ，t n 平均去除率为8 4 5 ，表现出反硝化除磷性能。 关键词：序批式移动床生物膜反应器；低碳污水；反硝化除磷；双泥系统；反硝化 聚磷菌 s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 s t u d yo 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 lf r o ml o w c a r b o ns o u r c e w a s t e w a t e ri ns b m b b r a b s t r a c t d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v i n gp r o c e s sh a sa d v a n t a g e so fu s i n gt h es a m ec a r b o n s o u r c ea n dr e d u c i n gc a r b o nc o n s u m e ，p r o v i d i n ge f f e c t i v e a p p r o a c hf o rn i t r o g e n a n d p h o s p h o r u ss t a n d a r dt r e a t m e n to fl o wc a r b o ns o u r c eu r b a nw a s t e w a t e r t h ee x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u ti nas e q u e n c i n gb a t c hm o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o ru n d e rl o wc a r b o ns o u r c e i nt h e e x p e r i m e n t ，t h ef a c t o r sw h i c hc o u l da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u s r e m o v a l ，s u c ha sc o dc o n c e n t r a t i o n ，c o n c e n t r a t i o na n da d d i t i o nm o d e so fn i t r a t e ， c o n c e n t r a t i o no fn i t r i t e ，p hv a l u ea n ds t i r r i n gs p e e d 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fa 2 n - s b m b b rw a s s t u d i e da f t e rt w o - s l u d g es y s t e mw a si n t r o d u c e d ，a n dt h et r e a t m e n te f f e c to nt h ea c t u a ld o m e s t i c w a s t e w a t e rw a si n v e s t i g a t e dt o o n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h r e es t a g e so f c u l t i v a t i n ga n dd o m e s t i c a t i n gb i o f i l m ，r d p br o s ef r o m1 5 7 t 071 3 a n dt a r g e to fs e l e c t i n ga n de n r i c h i n gd p bw a sa c h i e v e d ( 2 ) w i t hi n c r e a s i n gc o dc o n c e n t r a t i o n ，a m o u n t so fp h bc o n v e r s i o na n dp h o s p h o r u s r e l e a s ei n c r e a s e d w h e nc o dc o n c e n t r a t i o nw a s2 0 0m g la n dd e f i c i e n t ，p h o s p h o r u s r e m o v a le f f i c i e n c yw a so n l y81 8 p h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw a st h eh i g h e s ta n dw a s 9 0 6 u n d e r3 0 0m g a c o d w h e nc o dc o n c e n t r a t i o nw a s4 0 0m g n ，a m o u n to fp h b o c c u r e da c c u m u l a t i o n ，a n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw a sl o wb e c a u s eo fs i m p l e d e n i t r i f i c a t i o n ( 3 ) w h e nc o dc o n c e n t r a t i o nw a s2 0 0m e g l ，d e f i c i e n c ya n de x c e s so fn i t r a t eb o t h d e c r e a s e dp h o s p h o r u sr e m o v a le f 五c i e n c ya n da c c u m u l a t e dc o n t e n t so fp h bi nb i o f i l m p h o s p h o r o u sr e l e a s eo c c u r r e di nt h ee n do fa n o x i cp h a s ew h e nn i t r a t ew a sd e f i c i e n t u n d e rt h e s a m en i t r i t ec o n c e n t r a t i o n a d d i t i o nm o d e sc o u l d n ta f f e c tt h ee 伍c i e n e yo fd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a l ，b u ta f f e c t e di t sr a t ei nt h ee a r l ya n o x i cs t a g e w i t hi n c r e a s i n gt i m e so f a d d i t i o n ，r a t eo fd 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 ld e c r e a s e d ( 4 ) u n d e rl o wc o n c e n t r a t i o n ( b e t w e e n5a n d10m g l ) ，n i t r i t ec o u l ds e r v ea se l e c t r o n a c c e p t o ra n dc a r r yo u td e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v a l u n d e rh i g hc o n c e n t r a t i o n ( 15m g l ) ， d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v i n gw a si n h i b i t e da n do c c u r e dp h o s p h o r o u sr e l e a s e ( 5 ) a m o u n to fp h bc o n v e r s i o nw a st h eh i g h e s tw h e np hv a l u ew a sn e u t r a l ， m e t a - a l k a l e s c e n c ew a ss e c o n da n dw e a ka c i d i t yw a st h el o w e s t s o r e a c t o rs h o u l d b e c o n t r o l l e du n d e rn e u t r a la n da l k a l i n ee n v i r o n m e n tt or e l e a s ep h o s p h o r o u s t o ol a r g eo rt o o u 一 大连理工大学硕士学位论文 s m a l ls t i r r i n gs p e e db o t ha f f e c t e dp h o s p h o r o u sr e m o v a la n db i o f i l mb i o m a s s p r o p e rs t i r r i n g s p e e do ft h er e a c t o rw a s8 0r m i n ( 6 ) d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v i n go ft h e r e a c t o rm a i n l yd e p e n d e do ns l u d g e d i s c h a r g et or e m o v ep h o s p h o r o u s ，a n do t h e rt r a n s f o r m a t i o nf o r m sw e r es l i g h t p h o s p h o r o u so f t h er e a c t o rs y s t e mr e a c h e dar o u g hb a l a n c e ( 7 ) u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tc o n c e n t r a t i o no fc o d ，p 0 4 3 pa n dn i - h + - nw e r e2 0 0m g r l ， 7m g la n d5 0m e g l ，a 2 n - s b m b b rh a db e t t e ra b i l i t yo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v a l ， r e m o v a lr a t e so fp 0 4 3 - p ，t nw e r e8 3 7 a n d6 4 0 ，r e s p e c t i v e l y ( 8 ) a c t u a ll o wc a r b o ns o u r c ed o m e s t i cw a s t e w a t e rw a st r e a t e di nt h es y s t e mo f a 2 n s b m b b ra n dg a i n e d b e t t e rt r e a t m e n tr e s u l t t h e p e r f o r m a n c e o fd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r o u sr e m o v a lw a sp r e s e n t e da n da v e r a g er e m o v a lr a t e so fp 0 4 j - _ p ，t nw e r e8 5 2 a n d8 4 5 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hm o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( s b m b b r ) ；l o wc a r b o n s o u r c ew a s t e w a t e 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 ；t w o s l u d g es y s t e m ；d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ( d p b ) 1 1 1 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：墨里迪旦垦生堡毯透盔鲍厦趟焦险盛珏究 作者签名：翠麴牡帆珥年上月尘日 大连理工大学硕士学位论文 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： 作者签名： 导师签名： 日期：耳年上月生日 日期：丛手年j 月扯日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 我国水资源与水污染现状 随着我国经济社会发展、人口增多和气候变化等原因，水资源形势极为严峻，不仅 资源性、水质性缺水现象日益加剧，而且两者并存的地区愈来愈多。水资源紧缺和日趋 严重的水污染，已经严重影响了我国经济社会的发展和人民生活水平的提高。水是生命 之源，我国的水资源必须进行合理开发、利用、管理，做到水量、水质的可持续利用， 使其永续地为社会发展服务。 1 1 1 我国水资源现状 我国水资源严重贫乏，属缺水型国家，水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，居世界第6 位， 但人均拥有量仅为2 3 0 0m 3 ，只占世界人均拥有量的1 4 ，列世界第1 2 1 位，是1 3 个贫 水国之一。新中国成立5 0 年来，全国用水量从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿m 3 增加到1 9 9 7 年 的5 5 6 6 亿m 3 。近年来，全国正常年份缺水量将近4 0 0 亿m 3 ，6 6 9 座城市中，有4 0 0 多 座供水不足，缺水总量为6 0 亿m 3 ，严重缺水的1 1 0 座，在3 2 个百万人口以上的特大 城市中，有3 0 座长期受到缺水困扰【l 】。随着全国用水量的持续增长，水资源短缺形势将 进一步加剧。预计到2 0 3 0 年，当我国人口增至1 6 亿时，人均水资源量将降低到1 7 6 0m 3 ， 按国际一般标准来说，成为用水紧张国家。 但在水资源短缺的情况下，我国水资源在开发和使用中的浪费十分严重，利用方式 粗放，水资源的有效利用率只有1 6 。农业方面，我国大部分地区仍然采用大水漫灌方 式，有效利用系数仅为0 4 5 左右，农业节水灌溉面积只占有效灌溉面积的3 5 。工业 方面，我国1 9 9 9 年每万元工业增值取水量约为3 3 0m 3 ，是日本的1 8 倍，美国的2 2 倍。 水资源的低重复利用率和再生利用度，加剧了我国水资源形势的严峻性。 1 1 2 我国水污染现状 近年来，随着我国经济快速发展，各类污水排放量和主要污染物逐年增加( 如表1 1 所示) ，水环境污染普遍，大部分地区的污染水平已经超过了水环境的容量。流经城市 9 0 的河段受到严重污染，7 5 的湖泊出现富营养化，近5 0 的重点城镇饮用水不符合 取水标准，水体污染现象十分严重。2 0 0 6 年6 月，国家环保总局公布了2 0 0 5 年7 大水 系4 1 1 个地表水监测断面的水质状况，其中，已经达到v 类和劣v 类水质的，海河为6 0 、 辽河为4 8 、淮河为4 5 、黄河为3 2 、松花江为3 l 、长江为1 3 、珠江为6 。另 s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 据水利部门对全国1 0 万k m 河流的调查，被污染河流已占半数，其中有4 万k m 河流不 符合渔业水质标准，2 4 0 0k m 河流鱼虾绝迹1 2 j 。 目前，我国城镇生活污水已超过工业废水的排放量，且每年平均以4 的速度增长。 到2 0 0 5 年底，全国还有2 7 8 个城市没有建立污水处理厂，即使建成的，也多因设计能 力超前、管网不配套、缺乏资金等原i n # k t ：停运或半停运状态【l 】，对周边水体和城市水 生态环境产生了严重污染。 表1 1全国2 0 0 1 - 一2 0 0 5 年污水及主要污染物排放量 t a b 1 1w a s t e w a t e ra n dm a i np o l l u t a n te m i s s i o na m o u n td u r i n g2 0 01 - - - 2 0 0 5 1 1 3 水体富营养化及其危害 水体富营养化通常表现为“水华 、“赤潮”，它是天然水体由于氮、磷污染和营 养物质的进入，导致水体中藻类和其它微生物异常增殖，由于呼吸作用和生物死亡之后 的分解作用，溶解氧被消耗殆尽，造成水体质量恶化、破坏水生生态结构、加速水体功 能的退化。大量氮磷肥料的生产和使用，城市生活污水和工业废水的排放，工业废气、 烟尘在水体的溶解，以及水体自身底泥的氮磷释放，都会导致水体中的氮磷超标，引起 富营养化问题的出现。 水体富营养化的危害大且影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。 其危害主要有以下个方面【3 】：使水味变得腥臭难闻，影响人们正常生活；降低水 体的透明度，丧失景观功能；大大降低水体的溶解氧，使水体处于缺氧甚至厌氧状 态，使需氧生物难以生存，形成富营养化状态的恶性循环；向水体释放有毒物质， 引起疾病，有害人体健康；影响供水水质并增加制水成本，增加了水处理的技术难 度；破坏水体生态平衡，降低水生生物的稳定性和多样性；加速水体沼泽化、陆 地化进程。 大连理工大学硕士学位论文 我国的水体富营养化问题已经日趋严重，仅在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；许多湖泊、水库己进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、 西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、莱州湾、九龙江、黄浦江等。根据2 0 0 4 年中国 环境状况公告，在评价的2 7 个重点湖泊中，类、v 类或劣v 类水质湖库2 0 个，占 7 4 ，其中“三湖 ( 太湖、滇池、巢湖) 水质均为劣v 类。尤其是，近年来江苏太湖几 乎年年都会出现蓝藻危机，给工农业生产和人民生活带来了严重影响。 对于水体富营养化的控制，防止水体污染，其关键是对污染源进行治理，使污水中 的氮、磷等达标排放，减少向受纳水体所排放的营养物质浓度。我国2 0 0 2 年最新颁布 的城镇污水厂排放标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) ，对各类排污单位所排放污水中氮磷的含量 进行了明确规定，因此无论是新建污水厂还是已有污水厂都面临污水脱氮除磷的要求， 这对我国水环境污染和水资源短缺的根本好转将会起到积极的促进作用。 1 2污水生物脱氮除磷原理与工艺现状 1 2 1 传统生物除磷原理 通过大量的理论与实践研究，到目前为止，“聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微生物 一一 p a o s ( p 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 ) 的释吸磷原理，是国际上普遍认可和接受的生 物除磷理论( 如图1 1 所示) 。该类微生物的特点是，能从外部环境中过量地摄取磷，所 摄取的磷量超过其生理需要，将过量摄取的磷以聚合磷酸盐贮存在体内，形成高含磷污 泥排出系统，从而达到将磷从废水中去除的效果【4 5 j 。 厌瓴辫境：敞缳、蛩 碳好f 缺) 激鲜缝：缀磷，毵谶 图1 1p a o s 释吸磷示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k eb yp a o s 传统生物除磷的过程可以分为两个，分别为厌氧释磷与好氧吸磷： ( 1 ) 厌氧释磷原理： s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 在厌氧条件下，p a o s 分解细胞内的a t p ，形成a d p 和能量，利用产生的能量摄取 污水中挥发性短链脂肪酸( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ，v f a s ) 等有机物质，以聚一1 3 羟基烷酸盐 ( p h a s ) 或糖原的形式贮存在胞内，同时将细胞内的聚磷酸盐分解，以无机磷酸盐的 形式释放到水中，在宏观上表现为污水中磷含量的大幅升高。厌氧释磷反应方程式表示 为： a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量 ( 2 ) 好氧吸磷原理： 在好氧条件下，p a o s 利用氧化分解p h a s 所产生的能量，产生质子推动力，在质 子推动力的作用下，a d p 与污水中的磷酸盐合成a t p ，完成繁殖代谢作用。在这个过 程中，p a o s 超量吸收污水中的磷酸盐来合成聚磷酸盐及糖原等有机颗粒，并贮存在细 胞内。微生物在好氧条件下摄取的磷比在厌氧条件下释放的磷多，同时，微生物得到了 增殖，污水生物除磷正是利用了微生物的这一过程，将污水中的磷随剩余污泥的排走而 去除。好氧吸磷反应方程式表示为： a d p + h 3 p 0 4 + 能量- a t p + h 2 0 1 2 2 传统生物脱氮原理 在传统的污水生物处理过程中，生物脱氮作用可以分为三个过程：首先含氮有机物 被异养型微生物转化为n h 4 + - n ，然后在好氧条件下，通过好氧自养型硝化和亚硝化菌 的作用，将废水中的n i - - h + - n 氧化为n 0 2 - - n 或n 0 3 - n ，最后在缺氧条件下，利用反硝 化细菌将n 0 2 - - n 和n 0 3 - n 转化为n 2 从污水中逸出，从而达到脱氮的目的【6 】。其基本 原理见图1 2 所示。 氨化菌 亚硝酸菌硝酸菌反硝化菌反硝化菌 有机氮氨氮_ n 0 2 。n 0 3 n 2 0 n 2 ( 异养，氨化作用)( 自养，硝化作用)( 异养，反硝化作用) ( 厌氧或好氧，需有机物)( 好氧，不需有机物) ( 缺氧，需有机物) 图1 2 生物脱氮过程示意图 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o no fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 传统生物脱氮理论将生物脱氮作用，分为同化、氨化、硝化和反硝化作用四个部分， 生物脱氮过程是这四种生化反应综合作用的结果。 大连理工大学硕士学位论文 同化作用：污水中的氨氮或有机氮被微生物细胞同化利用，用于自身生长需要。 该部分作用一般可以去除8 2 0 的氨氮。 氨化作用：污水中的有机氮的形式主要以蛋白质和氨基酸为主，蛋白质在水解 酶的催化作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶作用下脱氨基使有机氮转化为 n h 4 + - n 。以氨基酸为例，其反应方程式为： r c h n h ，c o o h + o ，骂r c o o h + c o ，+ n h ， 硝化作用：它是将氨态氮转化为n 0 2 - n 或n 0 3 - - n 的过程，亚硝化菌和硝化菌从 氨态氮或n 0 2 - n 的氧化反应中获得能量。其反应方程式为： 2 n h ：+ 3 0 ，型马2 n o i + h ，o + 4 h + 2 n o ；+ o ，- 马2 n o ； 反硝化作用：它是指在无氧或低氧条件，被微生物还原转化为分子态或者通过生 物同化还原转化为氨氮成为细胞组成部分的过程。参与该作用的微生物利用有机基质为 电子供体，以n 0 2 - n 或n 0 3 - n 为电子受体，在降解有机物的同时进行反硝化作用【7 j 。 其反应方程式为： ，、1 n o j + 3 h 锥子供体一有机基质) 一去n 2 + h 2 0 + o h 一 二 ， 1 n 0 3 + 5 h 悼子供体一有机基质) 一去n 2 + 2 h 2 0 + o h 一 二 1 2 3 传统生物脱氮除磷工艺现状 生物脱氮除磷工艺基本上包括厌氧、缺氧、好氧三种状态，这三个不同的工作状态 可以在空间上进行分离，也可以在时间上进行分离。空间顺序工艺的最大特征是污水的 各种生化反应在不同的反应池里同时完成，整个生化反应是连续进行，典型代表有a 2 o 、 p h o r e d o x 、u c t 工艺等。时间顺序的生物除磷脱氮技术的最大特征是污水的各种生化反 应均在同一个反应池里，按时间顺序进行污水处理，典型代表是间歇活性污泥法s b r 工艺。 a 2 o 工艺( 厌氧一缺氧好氧生物脱氮除磷工艺) a 2 o 工艺是一种同时具有脱氮和除磷功能的处理工艺，图1 3 为其工艺流程【4 】。它 是在a o 工艺的基础上增设一个缺氧区，并使好氧区中的混合液回流至缺氧区使之反硝 化脱氮。废水首先进入厌氧区与含磷回流污泥混合，进行磷的释放和部分有机物的氨化 作用。随后废水进入缺氧区，反硝化细菌可利用好氧区中经混合液回流而带来的硝酸盐， 以及利用废水中可生物降解有机物进行反硝化。废水进入好氧池后，聚磷菌可利用体内 s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 贮积的p h b 以氧为电子受体产生能量，放出的能量除供自身生长繁殖之外，还过量吸 收水中磷酸盐，同时好氧区还具有去除有机物和硝化的功能。最后，通过沉淀完成泥水 分离，污水中的磷随剩余污泥被排除，达到除磷目的。 进水 混合液回流 图1 3a 2 0 工艺示意图 f i g 1 3c o n f i g u r a t i o no f a 2 0p r o c e s s 出水 泥 p h o r e d o x 工艺( 改良型b a r d e n p h o 工艺) 1 9 7 3 年b a r n a r d 提出将o 工艺与w u h r m a n n 工艺联合，被称之为b a r d e n p h o 工艺， 它是在a o 工艺基础上增设一个缺氧段及一个好氧段，由缺氧一好氧一缺氧一好氧四个 反应区构成【引。它的设计目的是为了强化生化脱氮，第一缺氧池主要功能是反硝化脱氮， 第一好氧池完成含碳有机物氧化、含氮有机物氨化及硝化和除磷。第二缺氧池反硝化菌 利用混合液中的内源代谢物进一步反硝化脱氮，第二好氧池主要功能是吸收磷，并进行 进一步的硝化和有机物去除。b a r d e n p h o 工艺在概念上具有完全去除硝酸盐的潜力，但 实际上是不可能的。 二沉池 图1 4p h o r e d o x 工艺示意图 f i g 1 4c o n f i g u r a t i o no fp h o r e d o xp r o c e s s 后来，b a m a r d 通过对该工艺进行中试研究后提出，在b a r d e n p h o 工艺的缺氧反应 器前加一厌氧反应器就能有效除磷，保证磷的释放，从而使微生物在缺氧条件下具有更 大连理工大学硕士学位论文 强的磷吸收能力，提高除磷效果。该工艺在南非称5 阶段p h o r e d o x 工艺，简称p h o r e d o x 工艺，在美国称之为改良型b a r d e n p h o 工艺，其工艺流程如图1 4 所示。 u c t 工艺 u c t 工艺是由南非开普敦大学开发的，它是类似于a 2 o 工艺的一种脱氮除磷工艺 【9 】，图1 5 为其工艺流程。u c t 工艺与a 2 o 工艺的不同之处在于，沉淀池污泥回流到 缺氧池而不是厌氧池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池破坏其厌氧状态，减小对 系统除磷率的影响。另外，还增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，由于混合液中含 有较多的溶解性b o d ，而硝酸盐浓度很小，从而能够为厌氧段内所进行的有机物水解 反应提供最优条件。 图1 5u c t 工艺示意图 f i g 1 5c o n f i g u r a t i o no fu c tp r o c e s s 污泥 为了使进入厌氧池的硝态氮量尽可能少，保证污泥具有良好的沉淀性能，即回流比 不能太小，c a p e t o w nu n i v e r s i t y 开发了改良型的u c t 工艺，其工艺流程如图1 6 所示。 混合液同流1混合液同流2 图1 6 改良型u c t 工艺示意图 f i g 1 6c o n f i g u r a t i o no fm o d i f i e du c tp r o c e s s 改良型u c t 工艺，其缺氧池分为两部分，第一缺氧反应池接纳回流污泥，然后从 该反应池将混合液回流至厌氧池；硝化混合液回流到第二个缺氧池，使大部分硝酸盐回 流至第二缺氧池进行反硝化。改良型u c t 工艺基本解决了u c t 工艺原来存在的问题， s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 最大限度地消除了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对聚磷菌所产生的不利影响。但由于回 流系统的增加，使得运行费用和工程造价提高。 s b r 工艺 s b r 工艺的特点是，能在时间序列上实现厌氧、缺氧、好氧的组合，在不同的时间 段内实现进水、曝气、沉淀、排水、等待、排泥等的灵活操作。它通过不同的运行方式、 合理分配曝气和搅拌时间，创造厌氧、缺氧、好氧交替的条件来实现脱氮除磷。与其他 工艺相比，s b r 在污水脱氮除磷方面有着更大的优势，它具有工艺处理构筑物少( 基建 投资少) 、无需污泥回流、工艺灵活、适应性强的优点，并且不宣产生污泥膨胀。图1 7 为其工艺流程示意图。 闲置进水一静止 一日一排水沉淀反应一曝气反 图1 7s b r 工艺示意图 f i g 1 7c o n f i g u r a t i o no fs b rp r o c e s s 应一搅拌 目前，根据传统生物脱氮除磷机理开发的工艺，基本上都是生物硝化与反硝化、生 物除磷工艺的组合。一个处理系统要达到同时完成脱氮和除磷的目的，需要涉及硝化、 反硝化、释磷、吸磷等多个生化过程，而各个过程之间不可避免地会产生一些矛盾，如 碳源竞争、污泥龄长短不一、硝酸盐的影响等。从而导致处理系统存在以下弊端：对 污水中基质的竞争影响系统的处理效果；对污泥龄长短不一的要求影响系统的处理效 果硝酸盐的回流，影响厌氧释磷程度，进而影响后续的吸磷过程；剩余污泥产量大， 含磷量高，处理难度大。这些问题的存在，使得传统的脱氮除磷工艺在实际应用中难以 实现达标排放。 近年来，一些新型脱氮除磷技术的开发和工艺研究，为解决上述问题提供了有效的 新途径。 水一气一 堂堡 融幽 、 甑腓司一 水 二 u |一向 器 婚| t 拌黼 芝 搅搅|虱 水 二 。|一西 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 新型生物脱氮除磷技术 短程硝化反硝化 将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化，直接进行反硝 化反应，这就是短程硝化反硝化技术。与传统的硝化反硝化技术相比，短程硝化反硝化 具有如下优点：好氧阶段节省2 5 的氧消耗量；缺氧段节省4 0 的外碳源消耗量；亚硝 酸盐反硝化反应以硝酸盐反硝化反应速率的1 5 - 2 倍进行；降低剩余污泥产量5 0 ； 减少投碱量【1 0 j 。荷兰d e l f t 技术大学应用该技术开发出的s h a r o n 工艺是第一个成功实现 短程硝化和反硝化技术并成功应用的工艺【1 1 1 ，其工艺核心是应用硝化菌和亚硝化菌在高 温条件下的不同生长速率，通过控制系统的水力停留时间使其介于硝化菌和亚硝化菌最 小停留时间之间，从而使亚硝化菌具有较高的浓度而硝化菌被自然淘汰，维持稳定的亚 硝酸盐积累。短程硝化反硝化在经济上和技术上均具有较高的可行性，特别是在处理高 氨氮浓度和低c n 比的污水时。 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u r no x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 是指厌氧条件下，以 n 0 2 - n 、n 0 3 - n 作为电子受体将氨氮转化为氮气。与传统硝化反硝化工艺相比，它不 需要外加有机碳源进行反硝化，污泥产量少；完全不需要氧气，节省运行费用；不需要 酸碱中和剂，避免了二次污染【l2 1 。目前已开发的厌氧氨氧化工艺主要有3 种： s h a r o n a n a m m o x 工艺、o l a n d 工艺( 限氧自养硝化反硝化) 、单相c a n o n 工艺( 基于 亚硝酸盐的完全自养脱氮) 。鉴于该工艺的技术特点，它在处理高氨氮、高碳源废水， 如焦化、石化、化肥以及垃圾渗滤液等时，将具有处理效果好、成本低的优点。深圳市 下坪固体废弃物填埋场渗滤液处理厂通过s b r 反应器实现c o n o n 工艺，将溶解氧控制 在1m g l 左右，进水氨氮小于8 0 0m e g l ，氨氮负荷小于o 4 6k g n h 4 + ( m 3 d ) 的条件下， 氨氮的去除率大于9 5 ，总氮的去除率大于9 0 i l 引。 同时硝化反硝化 同时硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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 n ，s n d ) 是指当一个反应 器中同时存在好氧与缺氧环境时，硝化和反硝化在同一个反应器中、相同操作条件下同 时发生的现象。该现象确实存在于各种不同的生物处理系统，如生物转盘、s b r 、氧化 沟、c a s t 工艺等。同时硝化与反硝化的反应机理研究尚不明确，初步的解释有三种： 宏观环境理论，微环境理论和微生物学理论f 1 4 】。s n d 能有效保持反应器中p h 稳定，这 对于最适p h 在7 5 , - - 8 6 的硝化菌意义很大：能省去缺氧池的建设，或至少减少其容积， 节省基建费用；能减少反应时间，节省曝气量。碳源、溶解氧浓度、微生物絮体是实现 s n d 的主要控制因素，另外温度、p h 值对s n d 的实现也有一定的影响。 s b m b b r 中低碳污水的反硝化除磷研究 反硝化除磷( 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 ) 技术 反硝化除磷技术是由反硝化聚磷菌( 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 ， d p b ) 在厌氧缺氧交替环境中，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过 程，从而达到除磷脱氮的双重目的。 反硝化除磷现象的提出比较早，c o m e a u 等【l5 1 于1 9 8 6 年的小试研究中，就发现某些 聚磷菌在缺氧状态下具有利用硝酸盐作为电子受体进行除磷的功能，同时完成反硝化脱 氮。随后，反硝化除磷现象的存在也为其他研究者所证到1 6 。1 引。对于反硝化除磷的解释 存在两种观点，一类菌属说1 列和两类菌属学说【1 7 】。前者认为在生物除磷系统中只存在一 类p a o s ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，只有在厌氧缺氧这种交替环境得到强 化的条件下，这种能力才能表现出来，即特定的厌氧缺氧交替环境可以诱导p a o s 体内 具有反硝化作用的酶，使其具反硝化能力。后者认为生物除磷系统中的p a o s 可分为两 类菌属：一类只能以氧气作电子受体，属于普通p a o s ；另一类则既能以氧气又能以 n 0 3 - n 作电子受体，在吸磷的同时进行反硝化，即d p b 。上述两种观点都有各自的只 此着，但赞同后者的居多。另外，d p b 被证实具有和好氧聚磷菌极为相似的代谢特征， 具有和好氧聚磷菌同样高的强化生物除磷性能，但其吸磷速率要比好氧吸磷速率低 1 1 9 - 2 0 o 研究表明【2 ，充分利用反硝化聚磷菌除磷原理的工艺，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 ，符合环境的可持续发展要求。反硝化除磷技术， 作为一种新型高效低能耗的技术已被广泛接受，它可以解决污水脱氮除磷过程中碳源双 重消耗的问题，对碳源偏低而氮磷含量较高的城市污水处理具有十分重要的理论意义和 实际应用价值，因此成为了近年来水污染控制工程研究领域的热点之一。 1 3 反硝化除磷技术 1 3 1 典型反硝化除磷工艺 目前，满足d p b 所需环境和基质的典型工艺可以分为单级工艺( 单污泥系统) 、 双级工艺( 双污泥系统) 两种。和单级工艺相比，双级工艺采用后置反硝化而不是前置 反硝化，可以避免从好氧池向缺氧池大量回流污泥，从理论上来说可以达到1 0 0 的除 磷效率。在单级工艺中，d p b 、硝化细菌及普通p a o s 同时存在于同一污泥系统中，顺 序经历厌氧缺氧好氧三种环境，最具代表性的是b c f s 工艺。在双级工艺中，硝化细 菌与d p b 各自独立，单独存在于某一反应器中，互不影响，d e p h a n o x 工艺和a 2 n s b r 工艺为其代表。 大连理工大学硕士学位论文 b c f s 工艺 循环一 循环二 图1 8b c f st 艺示意图 f i g 1 8c o n f i g u r a t i o no fb c f sp r o c e s s b c f sfb i o l o g i s c hc h e m i s c h ef o s f a a ts t i k s to f v e r w i j d e r i n g ) i 艺是由荷兰d e l f t 科 技大学的m a r k 教授在帕斯韦尔氧化沟和u c t 工艺及原理的基础上开发的，它充分利用 d p b 的缺氧反硝化除磷作用以实现磷和氮的最佳去除，还设有化学除磷单元以减轻生 物除磷的压力【2 2 1 。b c f s 工艺流程如图1 8 所示，它由厌氧池、选择池、缺氧