（环境工程专业论文）采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究.pdf

摘要 中国日益严峻的环境形势和越来越严格的污水排放标准，使得众多的污水处 理厂迫切需要一种符合国情，经济又高效的生物强化技术来提高传统活性污泥法 去除有机物、n 和p 的效率，从总量上控制并减少这三类污染物质进入水体的数 量。 本文以厦大学生宿舍区下水道生活污水为处理对象，采用按a o 方式运行 的s b r 反应器作为实验平台，研究投加粉末活性炭和混凝剂是否会强化活性污 泥对有机物、n 和p 的去除能力，初步得到了一些结论： ( 1 ) 全过程一次性投加粉末活性炭可以强化活性污泥对有机物的去除效果，而 且与投加量有关，其中一次性投加2 4g 粉末活性炭后( 按反应器体积计：4 0 0 m g l ) 的c o d 去除率相对于对照组提高的百分比平均值达到5 1 7 ，而一次性 投加1 2g 粉末活性炭( 按反应器体积计：2 0 0m g l ) 只有2 4 5 ；全过程一次 性投加粉末活性炭不能明显提高系统对n h 3 n 、t n 以及t p 的去除率，但可以 降低出水中的悬浮物含量，提高活性污泥的沉降性能。每天补投加0 3g 粉末活 性炭( 按进水量计：1 0 0m g l ) 对活性污泥去除污染物未表现出强化作用。 ( 2 ) 在每个周期曝气阶段结束前3 0 分钟投加混凝剂可以大幅度提高系统对t p 的去除率，并且能够保持较高的稳定性，其中在1 0 0m g l ( 按进水量计) 的投 加量下，氯化铁和硫酸铝对t p 的去除率相对于对照组提高的百分比平均值分别 为6 5 5 2 和6 9 9 5 ，化学辅助除磷效果最好；而混凝剂对活性污泥去除其它污 染物的能力未产生显著不利影响，但可以提高其沉降l 生能。 ( 3 ) 每天补投加0 3g 的粉末活性炭可以在一定程度上缓解苯酚对活性污泥中异 养微生物的抑制作用，对硝化细菌则没有明显效果；并且粉末活性炭可以起到防 止活性污泥絮体大量解絮的重要作用。 关键词：粉末活性炭；混凝剂；生物强化技术 a b s t r a c t c h i n a si n c r e a s i n g l ys e v e r es i t u a t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n di n c r e a s i n g l y s t r i n g e n tw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d s ，m a k i n gm a n yo ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t sw i t ha l lu r g e n tn e e df o rak i n do fb i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi s a c c o r d i n gw i t hn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，e c o n o m i ca n de f f i c i e n tt oi m p r o v et h er e m o v a l r a t eo fo r g a n i cm a t t e r 、na n dp b yt h et r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，c o n t r o la n d r e d u c et h eq u a n t i t yo ft h e s e t h r e ec a t e g o r i e so f p o l l u t a n t si n t ot h er e c e i v i n gw a t e r t h ee x p e r i m e n tw i t hs e w a g ef r o mt h ed o r m i t o r ya r e ai nx i a m e n u n i v e r s i t ya st h e t r e a t m e n tt a r g e t ，a d o p t e db yt h es b rr e a c t o rw i t ha 0r u n n i n ga sa p l a t f o r mt os t u d y i fa d d i n gp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o na n dc o a g u l a n t sw i l ls t r e n g t h e na c t i v a t e ds l u d g e r e m o v a lc a p a c i t yo fo r g a n i cm a t t e r 、na n dpa n ds o m ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o n sa s f o l l o w s ： ( 1 ) a c t i v a t e ds l u d g e 谢t ho n e - t i m ed o s i n gp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o ni ne n t i r e p r o c e s sc a ns t r e n g t h e nt h er e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e r ，a n db e i n gr e l a t e dt ot h ed o s a g e ， t h er e m o v a lr a t eo fc o da f t e ro n e t i m ed o s i n g2 4go fp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ( a sr e a c t o rv o l u m e ：4 0 0m g l ) c o m p a r e dt ot h ec o m p a r i s o ng r o u pi n c r e a s e dt h e p e r c e n t a g eo ft h ea v e r a g er e a c h e d5 17p e r c e n t ，w h i l eo n e t i m ed o s i n g1 2go f p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ( a sr e a c t o rv o l u m e ：2 0 0m g l ) o n l y2 4 5p e r c e n t ；o n e - t i m e d o s i n gp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o ni ne n t i r ep r o c e s sc a nn o tb em a r k e d l yi m p r o v e d s y s t e mo fn h 3 - n ，t na n dt pr e m o v a l ，b u tc a nr e d u c es u s p e n d e ds o l i d so fe f f l u e n t a n di m p r o v et h es e t t l e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g e d a i l ys u p p l y i n g0 3 gp o w d e r e d a c t i v a t e dc a r b o n ( a si n f l u e n ta m o u n t ：10 0m e l ) h a v en oe f f e c to ns t r e n g t h e n i n g a c t i v a t e ds l u d g et or e m o v ec o n t a m i n a n t s ( 2 ) a d d i n gc o a g u l a n t s3 0m i n u t e sb e f o r et h ee n do fa e r a t i o ni ne a c hc y c l ec a l l g r e a t l yi m p r o v et pr e m o v a lr a t eo ft h es y s t e m ，a n dt om a i n t a i nh i g hs t a b i l i t y ，w h i c h i nt h e10 0m g l ( a si n f l u n e t ) o ft h ed o s a g e ，f e r r i cc h l o r i d ea n da l u m i n i u ms u l f a t e t o w a r dt h et pr e m o v a lc o m p a r e dt ot h ec o m p a r i s o ng r o u pi n c r e a s e dt h ep e r c e n t a g eo f a v e r a g er e s p e c t i v e l y6 9 9 5p e r c e n ta n d6 5 5 2p e r c e n t , b e s to nt h ec h e m i c a l a s s i s t e d p h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t ，a n dt h ec o a g u l a n t sd i dn o th a v eas i g n i f i c a n ta d v e r s e i m p a c to nt h ea b i l i t yo fr e m o v i n go t h e rp o l l u t a n t so ft h ea c t i v a t e ds l u d g e ，b u tc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f i t ss e t t l e m e n t ( 3 ) d a i l ys u p p l y i n g0 3go fp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o nc a ne a s et h ei n h i b i t i o n o nt h eh e t e r o t r o p h i cm i c r o o r g a n i s m si nt h ea c t i v a t e ds l u d g eb yt h ep h e n o l ，b u tn o o b v i o u se f f e c to nt h en i t r i f y i n gb a c t e r i a ；p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o nc a ns e r v et o p r e v e n ta c t i v a t e ds l u d g ef r o mf l o es e p a r a t i n g k e y w o r d s ：p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ；c o a g u l a n t ；b i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g y 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：磁趁久 2p 口g 年g 只z 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) t una ( 签名) ：i i 东硅灸 2 d 谚年矿月z ，日 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 据资料介绍，2 0 0 6 年，我国地表水总体水质属于中度污染。在国家环境监 测网( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 一i i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、 3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。2 0 0 7 年5 月底 6 月初发生的太湖蓝藻事件是太湖水质严重富营养化的一个突出反应，既是天灾 也是人祸，但根本原因是太湖周边城市大量工业废水以及城镇生活废水的未处理 及未达标处理排放，恶臭的湖水在短时间内使得无锡的居民无法喝上合格的自来 水，严重影响了当地人们的生产和生活活动。太湖蓝藻事件是我们国家地表水污 染日益严重的一个缩影，也是一个警钟，中国的水污染形势已经非常严峻。 近年来中国城镇生活废水的年排放量已经超过了工业废水的排放量，2 0 0 6 年中国环境状况公报的数据显示，2 0 0 6 年中国生活废水的排放量已经达到2 9 7 5 亿吨，c o d 和氨氮排放量也远远超过工业废水的排放量，而目前我们国家的城 市污水处理率只有5 7 1 ，其中城市生活污水处理率4 3 8 f 2 1 ，大量未经处理的 城镇生活废水源源不断地排放到江、河、湖、库；同时由于各种原因，相当数量 的城镇污水厂的出水水质并不能达到排放标准，城镇生活污水的未处理及未达标 排放是造成我们国家地表水中度污染的一个极其主要原因。当前中国的城镇污水 处理厂大部分还是采用传统的活性污泥法工艺，虽然活性污泥法具有对有机物和 s s 的去除效率高，运行处理费用低等优点，但也存在投资建设费用高，对n 、p 的处理效率不理想，微生物易受有毒有害污染物以及温度的影响造成运行不稳定 等不足之处，因此急需一种经济有效，适合我国国情的水处理技术来对现有的老， 旧以及出水不达标的城镇污水处理厂进行改造升级，削减有机物、n 、p 进入环 境水体的数量，逐步扭转我国地表水污染加重的趋势。 本课题就是在这一背景下，通过查阅国内外相关文献和书籍、手册，研究比 较了众多的强化生物处理技术，结合我国的国情，提出了采用粉末活性炭和混凝 剂强化活性污泥的处理能力的思路，通过向曝气池投加一定量的粉末活性炭和混 凝剂来提高整个生化系统对有机物、n 、p 的去除率，尤其是提高对n 、p 的去 1 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 除率，来满足越来越严格的污水排放标准。鉴于只是增加药剂储备、投加方面的 设备，并不会大幅度地增加污水厂的处理设施，如果实验能取得理想的效果，而 且在经济上能够承受，那么上述提出的强化生物处理技术将为污水处理厂的改造 提供有益的借鉴。 1 2 城镇污水生化处理技术 现在，活性污泥法用于城市污水和工业废水的生物处理是常规的做法。活性 污泥法的前身要回溯到早在1 8 8 0 年a n g u ss m i t h 博士的工作，他考察了废水在 池中曝气作用，以及有机物加快氧化的现象。其后有许多研究人员研究过废水的 曝气，在1 9 1 0 年b l a c k 及p h e l p s 报道过，向池中废水强制压入空气能使腐败程 度大大降低。在1 9 1 2 和1 9 1 3 年期间，c l a r k 和g a g e 在l a w r e n c e 试验站进行的 试验中发现，在瓶子中能培养出有机体的繁殖，在池水中部分放置间距为2 5m r n 的屋面石板，会大大增加净化程度。在l a w r e n c e 试验站进行的这项工作的成果 如此惊人，以致英国曼彻斯特大学的g j f o w l e r 博士在得知后就建议在曼彻 斯特污水厂沿用同样路线进行试验。试验是由a r d e m 和l o c k e r 发现，在曝气取 得的效果中，污泥起了重要作用，在1 9 1 4 年5 月3 日发表的论文中，他们宣布 了这一发现。a r d e m 和l o c k e r 将这一过程命名为活性污泥法，因为它产生一种 能将废水中的有机物进行好氧稳定的活性微生物物质【3 l 。 1 2 1 活性污泥法的原理【4 1 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。在活性污泥上栖息着 具有强大生命力的微生物群体。在微生物新陈代谢功能的作用下，使活性污泥具 有将有机污染物转化为稳定的无机物质的活力，故此称之为“活性污泥”。 活性污泥上的微生物是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种群体 所组成的混合培养体。在活性污泥处理系统中，净化污水的第一承担者是细菌， 也是主要承担者，而摄食处理水中的游离细菌，使污水进一步净化的原生动物则 是污水净化的第二承担者，也是活性污泥系统的首次捕食者。后生动物摄食原生 动物，则是生态系统的第二次捕食者。 在活性污泥处理系统中，有机污染物从污水中去除过程的实质就是有机污染 of 第一章绪论 物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，也就是所谓“活性 污泥反应”的过程。这一过程的结果是污水得到净化，微生物获得能量合成新的 细胞，使活性污泥得到增长。整个过程大致分为以下两个阶段： 1 初期吸附去除 活性污泥有着很大的比表面积( 介于2 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0m 2 m 3 ) ，在表面上富集着 大量的微生物，在其外部覆盖着多糖类的粘质层，因此活性污泥具有很强的吸附 能力。当其与污水接触时，污水中呈悬浮和胶体状态的有机物即被活性污泥所凝 聚和吸附而得到去除。因此在污水开始与活性污泥接触后的较短时间( 5 1 0 m i n ) 内，污水中的有机物即被大量去除，出现很高的b o d 去除率。这些被吸 附在微生物细胞表面的有机物，在经过数小时的曝气后，才能够相继地被摄入微 生物体内，因此，被“初期吸附去除”去除的有机污染物的数量是有一定限度的。 2 微生物的代谢 污水中的有机污染物，首先被吸附在有大量微生物栖息的活性污泥表面，并 与微生物细胞表面接触，在微生物透膜酶的催化作用下，透过细胞壁进入微生物 细胞体内，小分子的有机物能直接透过细胞壁进入微生物体内，而如淀粉、蛋白 质等大分子有机物，则必须在细胞外酶一水解酶的作用下，被水解为小分子后再 为微生物摄入细胞内。被摄入细胞体内的有机污染物，在各种胞内酶，如脱氢酶、 氧化酶等的催化作用下，微生物对其进行代谢反应。 一部分有机物被氧化分解，最终形成c 0 2 和h 2 0 等稳定的无机物质，微生 物从中获取合成新细胞物质所需要的能量。 另一部分有机污染物为微生物用于合成新细胞，即合成代谢，所需能量取自 分解代谢。 活性污泥反应进行的结果，污水中的有机污染物得到降解、去除，污水得以 净化，由于微生物的繁衍增殖，活性污泥本身也得到增长。通过二次沉淀池的固 液分离，回流一部分活性污泥到曝气池，同时排放掉剩余污泥，使曝气池中的微 生物数量保持稳定和一定的活性。 下图是活性污泥法处理系统的基本流程： 3 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 回流污泥 ： 一一一一一一一一。1 j 剩余污泥 图1 活性污泥法的流程系统( 传统活性污泥法系统) 如图所示，活性污泥法处理过程包括以下三个基本组成：( 1 ) 曝气池，设有 空气扩散装置，对活性污泥进行曝气，为微生物提供氧气，同时也使污水、活性 污泥处于剧烈搅动的状态，保持泥水充分混合和接触；( 2 ) 固液分离，通常是在 沉淀池中进行；( 3 ) 回流系统，将二次沉淀池沉淀分离去除的活性污泥送回曝气 池，保证曝气池中有足够的微生物量和相应的活性。在大多数情况下，活性污泥 法和物理及化学过程联合应用，后者用于废水的预处理和一级处理，以及包括消 毒( 可能还有过滤) 的后处理。 活性污泥法在近百年的应用中，由于以下因素而演变出多种过程，这些因素 有：( 1 ) 回应对废水处理厂出水较高水质的需求而出现的工程创新；( 2 ) 设备、 电子学和过程控制的技术进步；( 3 ) 对微生物过程和基础知识的了解日益增进； ( 4 ) 市政和工业部门持续要求降低基建和运行费用。在最近的一二十年中，很 多活性污泥法的变法演变出来，主要是针对有效而又高效的脱氮除磷方法。这些 设计应用串联的反应池，在好氧、缺氧和厌氧条件下操作，可能采用内循环泵和 管道【3 1 。 1 2 2 废水生物脱氮的原理和工艺 废水生物脱氮实际上是将自然界氮循环的原理应用于污水处理上，并借助于 不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制，将生物去碳过程中转化而 产生及在原废水中存在的氨氮转化为氮气而从废水中脱刚5 1 。 生物脱氮通常包括下面三个阶段 舶1 11 ： ( 1 ) 氨化反应 有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，这一过程称为“氨 化反应”，以氨基酸为例，其反应式为： 4 第一章绪论 r c h n h 2 c 0 0 h + 0 2 r c 0 0 h + c 0 2 + _ n h 3 ( 2 ) 硝化反应 在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，分为两个阶段进行，首先在亚 硝化茵的作用下，使氨( n h 4 ) 转化为亚硝酸氮，产能反应式为： n 地+ + 1 5 0 2 - * n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h + 一f 生物合成反应式为： 13 n h 4 + + 1 5 c 0 2 10n 0 2 一+ 3 c s h 7 n 0 2 + 2 3 w + 4 h 2 0 然后亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，反应式为： n 0 2 一+ 0 5 0 2 - - - - n 0 3 一一f 10 n 0 2 一+ 5 c 0 2 + n h 4 + + 2 h 2 0 10 n 0 3 一+ c s h 7 n 0 2 + w 硝化反应总的产能反应式为 n h 4 十+ 2 0 2 一n 0 3 一+ h 2 0 + 2 h + 一a f 整个硝化反应式为： 1 0 0 n h 4 + + 1 8 9 0 2 + 0 0 8 0 5 c 0 2 一o 9 8 4 n 0 3 - + 0 0 16 1c 5 h t n 0 2 + 1 9 8 h 0 9 5 2 h 2 0 由上式可知，在硝化反应过程中，将1g 氨氮氧化为硝酸盐氮需耗氧4 3 2g ， 同时约需消耗7 0 7 9 重碳酸盐( 以c a c 0 3 计) 碱度。 影响硝化反应的因素包括溶解氧、温度、p h 值、污泥龄、重金属及有害物 质以及氨和亚硝酸盐的浓度。特别需要指出的是硝化细菌是一类嗜碱细菌，对 p h 值的变化非常敏感，最适生长范围在7 5 8 0 之间。 ( 3 ) 反硝化反应 反硝化反应是指硝酸盐氮( n 0 3 - - n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 - - n ) 在反硝化菌 的作用下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。 以甲醇为基质时，m c c a r t y 等人实验测得的计量关系为： n 0 3 一+ 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 - - 0 0 5 6 c s h t n 0 2 + 0 4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 一 n 0 2 一+ 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 - - 0 0 4 c s h 7 n 0 2 + 0 4 8 n 2 + 1 2 3 h 2 0 + h c 0 3 0 2 + 0 9 3 c h 3 0 h + 0 0 5 6 n 0 3 一_ o 0 5 6 c s h v n 0 2 + 1 0 4 h 2 0 + 0 5 9 h 2 c 0 3 + 0 0 5 6 h c 0 3 一 根据上式，如果考虑细胞合成，还原1g 硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别需要甲 醇2 4 7g 和1 5 3g ，各产生3 5 7g 左右的重碳酸盐碱度( 以c a c 0 3 计) ，细胞产 率分别为0 4 5 2g g ( 细胞干重硝氮) 和0 3 2 3g g ( 细胞干重亚硝氮) 。此外甲醇 5 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 还用于还原废水处理系统中存在的溶解氧。 影响反硝化反应的环境因素包括溶解氧、碳源、温度、p h 值、污泥龄、重 金属及有害物质。特别需要指出的是，一般认为，当污水中b o d 5 t n 值 3 , - - - 5 时，即可认为碳源充足，勿须外加碳源，反之，则须向废水中投加有机碳源，如 甲醇等。 硝化反应主要是依靠氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌协同完成；反硝化主要 是依靠反硝化细菌完成。三种细菌的各项生化反应特征如下表所示： 表1 硝化细菌和反硝化细菌的生化反应特征【4 l 【6 】 生化反应硝化 反硝化 类型 亚硝化硝化 自养型细菌自养型细菌 微生物兼性厌氧芮 共五个属共四个属 能源化学能化学能光能、化学能 氧源 ( h 受体) 0 20 2n 0 3 一，n 0 2 一 溶解氧 2m g l 以上2m g l 以上o 0 5m g l 氧化1m g n i - 4 + - n 需 还原1m g n 0 3 - - n 生成3 5 7 碱度没有变化 要7 0 7m g 的碱度 m g 碱度 分解l m g 有机物( c o d ) 氧化1m g n h 4 + - n 需氧化1m g n 0 2 - - n 需 需要n 0 2 一- n0 5 8m g ，n 0 3 一 氧的消耗 氧3 4 3m g氧1 1 4m g n0 3 5m g ，以提供化合态 的氧 最适p h 值 7 5 8 07 5 8 o6 8 最适水温 2 5 3 0 2 5 3 0 3 4 3 7 增殖速度( d 一1 ) 0 2 1 1 0 80 2 8 1 4 40 3 0 9 7m g n i - h + - n ( g 0 0 2m g n 0 2 一- n c g 分解速度 m l s s h 、 m l s s h ) 饱和常数k 0 6 3 6o 3 1 7 ( m g l ) 0 0 4 0 1 30 0 2 o 0 7 m g v s s m gn l - h + - n ，m g v s s m gn 0 2 - - n ， 产率 能量转换率5 能量转换率5 - - 3 5 3 5 生物脱氮工艺从碳源的来源分，可分为外碳源工艺和内碳源工艺；从硝化和 反硝化过程在在工艺流程中的位置来分，可分为传统工艺和前置反硝化工艺；从 6 第一章绪论 处理工艺中微生物的存在状态来分，则可分为悬浮生长型和附着生长型f 5 】。具有 代表性的工艺有以下两种【4 】： 1 活性污泥法脱氮传统工艺 活性污泥法脱氮的传统工艺是由巴茨( b a r t h ) 开创的所谓三级活性污泥法 流程，它是以氨化、硝化和反硝化3 项反应过程为基础建立的。工艺流程如下图 所示： 碱 c h 3 0 hn 2 图2 传统活性污泥法脱氮工艺( 三级活性污泥法流程) 第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除b o d 、c o d ， 使有机氮转化，形成n h 3 、n h 4 + ，即完成氨化过程。 第二级硝化曝气池，主要进行硝化反应，使n h 3 及n h 4 + 氧化为n 0 3 - 一n 。 硝化反应需要消耗碱度，因此，需要投碱，以防p h 值下降。 第三级为反硝化反应器，这里在缺氧条件下，n 0 3 - 一n 还原为气态n 2 ，并 逸入大气，在这一级应采取厌氧一缺氧交替的运行方式。碳源，既可投加c h 3 0 h ( 甲醇) ，也可引入原污水充作碳源。 这种工艺的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌，分别在各自反应器内 生长增殖，环境条件适宜，而且各自回流在沉淀池分离的污泥，反应速度快而且 比较彻底。但流程长、处理构筑多、基建费用高，需外加碳源因而运行费用较高， 管理不够方便。 2 缺氧一好氧生物活性污泥法脱氮系统 又称a o 脱氮工艺，是一种前置反硝化工艺，由b a r n a r d 于2 0 世纪8 0 年代 7 采j j 粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 初提出，是目前研究和实际工程中应用较多的一种较为简单实用的生物脱氮工 艺，其流程如下图所示： n 2 水 ； 回流污泥 ； - 一- 一一- 一- - - - - 一- - - - - - - - - 一- - 一- - 一- _ - 一- 一1 0 剩余污泥 图3 分建式缺氧一好氧活性污泥脱氮系统( m o 法) 曝气池( 硝化池) 中已进行充分反应的硝化液的一部分( 2 0 0 - - 3 0 0 ) 回 流反硝化池，而反硝化池内的反硝化菌以原污水中的有机物作为碳源，以回流液 中硝酸盐的氧作为电子受体，进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为气态氮( n 2 ) ， 不需要外加碳源( 如甲醇) 。由于在反硝化过程中，还原1m g 硝态氮能产生3 7 5 m g 的碱度，而在硝化反应中，将1m g 的n h 4 一n 氧化为n 0 3 一n ，要消耗7 0 7 m g 的碱度，因此，在缺氧一好氧系统中，反硝化反应所产生的碱度可补偿硝化 反应消耗的碱度的一半左右。因此，对含氮浓度不高的( 如生活污水、城市污水) 可不必另行投碱以调节p h 值。 与传统的生物脱氮工艺相比，o 工艺具有流程短、造价低的优点。不足之 处是该流程的处理水是来自曝气池( 硝化池) ，因此，在处理水中含有一定浓度 的硝酸盐，如果沉淀池运行不当，在沉淀池内也会发生反硝化反应，使污泥上浮， 使处理水水质恶化。此外，如欲提高脱氮率，必须加大内循环比r n ，这样作势 必使运行费用增高，此外，内循环液来自曝气池，含有一定的溶解氧，使反硝化 段难于保持理想的缺氧状态，影响反硝化进程，一般脱氮效率很难达到9 0 。 除了上述两种具有代表性的脱氮工艺以外，还有b a r d e n p h o 工艺、以及通过 合理的运行控制具有脱氮功能的a b 、s b r 、氧化沟等工艺，这些工艺的本质都 是运用了经典的生物脱氮原理。 2 0 世纪9 0 年代中期以来，随着新的氨氮转化途径的发现，出现了s n d 、 a n m m o x 、s h a r o n 和o l a n d 等一系列更具有经济性和发展前景的新型脱氮 8 第一章绪论 工艺，但目前尚未大规模应用或还处于研究之中。 1 2 3 废水生物除磷的原理和工艺1 4 1 生物除磷，是利用聚磷菌一类的微生物，能够过量地、在数量上超过其生理 需要，从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态贮藏在菌体内，形成高磷污泥， 排出系统外，达到从水中除磷的效果。 生物除磷机理比较复杂，基本过程是： ( 1 ) 聚磷菌的释磷 在厌氧条件下( d o 0 ，n o x - 0 ) ，聚磷菌生长受到抑制，为了生长便释 放出其细胞中的聚磷酸盐( 以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中) ，同时产生其 利用废水中简单的溶解性有机基质( v f a 等低分子有机物) 合成聚1 3 羟基丁酸 ( p h b ) 所需的能量。此时表现为磷的释放。 ( 2 ) 聚磷菌对磷的过剩摄取 在好氧条件下，聚磷菌将p h b 降解以提供其从废水中摄取磷所需的能量， 从废水中大量摄取溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成多聚磷酸盐，并加以积累。 这种对磷的积累作用大大超过微生物正常生长所需的磷量，可达细胞重量的 6 - - - 1 0 。这一阶段表现为微生物对磷的过量吸收，即磷酸盐由废水向聚磷菌 体内的转移。 这样，聚磷菌具有在好氧条件下，过剩摄取磷酸盐，在厌氧条件下，释放磷 酸盐的功能。 下图为聚磷菌除磷机理的简图【5 】： 进 水 厌氧段 好氧段 有 溶 a d p a t pa d p 机磷 饥物 a d pa r f p 污溅地流 图4 聚磷菌在厌氧好氧环境中的作用机理 - 9 出 水 剩余污泥 ( 商磷) 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 影响生物除磷的环境因素包括温度、p h 值、进水组分、易生物降解c o d 与 挥发性有机酸、b o d ：p 比值、硝酸盐和氧、污泥负荷与污泥龄、厌氧停留时间。 特别指出的是在无硝酸盐回流到厌氧区的生物除磷处理中，b o d ：p 比值至少为 1 5 - - 2 0 。在实际条件下，生物除磷主要受硝酸盐的影响较大。硝酸盐进入厌氧段 会产生两种不利影响：长时间持续地将硝酸盐引入厌氧段会导致反硝化茵，而不 是反硝化除磷菌的生长；在c o d 与硝酸盐同时存在的情况下，反硝化会更加有 效地利用c o d 。就短时间而言，有时会发现在厌氧释磷实验或在厌氧池测得的 释磷量较低。醋酸盐、c o d 被用于反硝化而聚磷菌能在硝酸盐存在的情况下吸 收磷酸盐【7 1 。 根据废水生物除磷的基本原理，其工艺须分别创造厌氧释磷和好氧摄磷的环 境条件，同时须使富含聚磷菌的污泥依次处于厌氧一好氧交替运行的条件下，并 通过聚磷菌在上述条件下的增长繁殖，而实现有效的废水除磷处理。因而，除磷 工艺一般由厌氧池( a 池) 和好氧池( o 池) 串联运行而构成。目前，a o 工艺 是生物除磷工艺的典型代表工艺，同时在其基础上，并根据聚磷茵的特性，通过 运行操作方式的改进，提出了p h o s t r i p 和a p 工艺，下面就简单介绍一下a o 和 p h o s t f i p 这两种比较有代表性的工艺f 5 1 ： ( 1 ) a o 工艺 进水处理水 k 一一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一- - - - 一- 一一一一一一一l 一- 一一 回流污泥( 含磷污泥) 剩余污泥 图5 厌氧一好氧除磷工艺流程( a o 法) a o 工艺是最基本的废水生物除磷工艺。在a o 工艺系统中，聚磷菌在厌 氧条件下将细胞中的磷释放，然后进入好氧状态，在好氧条件下通过聚磷菌的增 殖及过量摄磷能力，摄取比在厌氧条件下所释放的更多的磷，并最终以富含磷的 剩余污泥的方式排出处理系统之外，从而降低处理出水中磷的含量。由于系统中 磷的去除是通过对富含磷的剩余污泥的排除而实现的，因此a o 工艺适宜在高 1 0 第一章绪论 负荷、短泥龄的条件下运行【5 1 。 经试验与运行实际还发现本工艺具有如下问题【4 】： a 除磷率难于进一步提高，因为微生物对磷的吸收，既或是过量吸收，也 是有一定限度的，特别是当进水b o d 值不高或废水中含磷量高时，即p b o d 值 高时，由于污泥的产量低，将更是这样。 b 在沉淀池内容易产生磷的释放的现象，特别是当污泥在沉淀池内停留时 间较长时更是如此，因此应注意及时排泥和回流。 ( 2 ) p h o s t r i p 工艺 p h o s t r i p 工艺系统是在以除磷方式运行的活性污泥工艺的污泥回流管线上增 设一个用于污泥浓缩上清液除磷池的化学处理单元而构成，与a o 工艺相同， 其除磷机理同样是利用聚磷菌对磷的过量摄取作用而实现的，不同之处在于将回 流污泥的一部分( 3 0 - - - 4 0 ) 直接回流至曝气池，而将另一部分( 1 0 3 0 ) 输入厌氧除磷池( 停留时间一般为8 1 2h ) 使之充分释磷，经释磷的污泥亦回 流至曝气池，而其富含磷( 2 0 - - 一5 0m g l ) 的上清液则进入投加化学药剂( 如石 灰) 的混合反应池，通过化学沉淀作用除磷，因而此工艺亦称为生物化学除磷 工艺【5 1 。 i 含磷污泥 图6 p h o s t r i p 除磷工艺流程 水 p h o s t r i p 工艺在实际运行中也存在一些问题【4 】： ( 1 ) 工艺流程复杂，运行管理比较麻烦，投加石灰乳，运行费用有所提高， 建设费用也高。 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 ( 2 ) 沉淀池i 的底部可能形成缺氧状态，而产生释放磷的现象，因此，应当 及时地排泥和回流。 1 2 第二章强化生物处理技术的研究进展 第二章强化生物处理技术的研究进展 2 1 强化生物处理技术的研究进展 活性污泥法自诞生以来，人们就一直研究如何不断提高活性污泥对废水中各 种污染物的去除能力，尤其随着工业的不断发展，大量人工合成的难以生物降解 的化学物质以及重金属进入水体，传统的生物处理技术在处理这类废水时遇到了 困难，因此许多强化生物处理技术被开发出来以适应这一变化趋势，这些技术的 本质就是提高微生物对各种有机、无机污染物的适应以及去除能力。为了达到上 述目的，各国的研究人员主要从增加微生物的数量，提高微生物的活性，投加适 合降解各种类型废水的特效菌种这几个途径来对活性污泥进行改良和强化。下面 就这三种途径简要介绍一下各自代表性的技术及研究和应用进展。 2 1 1 增加微生物的数量 传统的活性污泥法曝气池中的活性污泥处于悬浮状态，容易流失，污泥浓度 和污泥负荷无法做到太高，曝气池体积庞大，而且运行中易发生污泥膨胀；采用 生物固定化技术不仅可以明显增加微生物的数量，减少污泥膨胀，而且一些在传 统活性污泥法中不容易生存的世代时间较长的微生物也能生长，同时也可以提高 污水的处理负荷，减小曝气池体积。比较有代表性的工艺是生物膜法。污水的生 物膜处理法是古老的，又是发展中的污水生物处理技术，特点就是向曝气池中放 置填料或者滤料供微生物附着生长。迄今为止，属于生物膜处理法的工艺有生物 滤池( 普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池以及曝气生物滤池等) 、 生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床【4 】。 2 1 2 提高微生物的活性 添加营养元素：微生物的生命活动需要六种大量元素，分别是c 、o 、h 、n 、 p 和s ，对于污( 废) 水生物处理中的微生物来说，主要是c 、n 和p 【引，污( 废) 水生物处理中好氧微生物群体( 活性污泥) 要求的碳氮磷比为b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ： 5 ：1 ，厌氧消化污泥中的厌氧微生物群体对碳氮磷比要求b o d s ：n ：p = 1 0 0 ：6 ： 1 3 采用粉末活性炭和混凝剂强化生物处理的实验研究 1 。除了这些主要的营养元素外，另外需要一些微量元素，它们是微生物维持正 常生长发育所必需的，像金属离子如m n 、c u 、a 1 、m o 、n i 和c o 等，极微量就 可刺激微生物的生命活动。许多微量元素是酶的组分，或是酶的激活剂f 9 】。因此 在废水的生化处理中，营养元素的比例是否合理直接影响活性污泥中微生物的新 陈代谢，从而影响废水的处理效率1 8 】；同时不合理的营养元素比例也是引发污泥 膨胀的一个重要因素【l o 】。下表为活性污泥对营养元素的理论需求浓度【8 1 1 1 1 1 ： 表2 活性污泥对营养元素的理论需求浓度 营养元素 npsc ak 理论浓度( m g l ) 1 5 03 01 00 4 1 4 0 8 3 0 营养元素 f e m g m nc ua l 理沦浓度( m g l ) 0 1 o 40 5 5 00 0 1 0 0 5 0 0 1 o 0 50 0 1 0 0 5 营养元素 z nm oc o 理论浓度( m g l ) 0 1 1 o0 1 0 70 1 5 0 为了保证污( 废) 水生物处理的效果，要求按碳氮磷比配给营养。城市生活 污水能满足活性污泥的营养要求，不存在营养不足的问题。但有的工业废水缺某 种营养，当营养量不足时，应供给或补足【9 1 。 华东理工大学的方一丰等人研究了补加营养元素对活性污泥系统c o d 去除 和氧消耗速率的影响。由于工业废水中缺少一些微生物新陈代谢所必须的营养元 素，其会影响活性污泥系统处理废水的效率。加n 和p 营养元素都能提高活性 污泥的新陈代谢能力；无论n p 平衡与否，补加金属离子c o 、c a 、m o 和m n 都能提高活性污泥系统处理废水的效率。而加c u 离子对系统有毒害作用；n p 平衡时，补加金属离子a l 和f e 引起吸附效应；而n p 不平衡时，加舢对微生 物的活性有毒害作用【1 2 l 。 投加活性炭：医药废水、石油废水、染料废水、焦化废水和电镀废水等工业 废水中往往含有一定浓度的有毒有害物质，如有机化合物和重金属等，这些物质 除了对人体和环境具有危害性外，也会对水处理微生物产生毒性和抑制作用，直 接影响到废水处理的效果，甚至常常会使生物处理系统崩溃；利用活性炭进行预 处理或者直接加入到活性污泥中，可以通过吸附作用减少这类有毒有害物质在废 水中的浓度，减轻对微生物的毒性和抑制作用，一定程度上提高废水处理的效果。 1 4 第二章强化生物处理技术的研究进展 2 1 3 投加特效菌种和共代谢基质 投加特效菌种：菌种可以来源于原有处理体系，经过驯化、富集、筛选、培 养，从而达到一定数量的微生物，也可以是原来