（环境工程专业论文）分段进水ao工艺生物脱氮的性能研究.pdf

摘要 摘要 水体富营养化问题的日益严峻，污水排放标准的日趋严格，以控制富营养化 为目的的氮、磷去除成为当今污水处理研究领域的热点之一。无论新建污水处理 厂还是已有污水处理厂都面临着深度脱氮除磷的要求。分段进水活性污泥系统是 国外近年来新开发的生物脱氮工艺，该工艺具有能够充分利用原水中碳源、可实 现深度脱氮等优点。 本试验在1 2 5 c m 5 0 c m 6 1 c m ，有效容积为3 2 0 l 的反应器中以实际生活污 水为处理对象进行中试研究。连续流分段进水a o 工艺采用四段进水，处理水 量为9 6 0 l d ，水力停留时间为8 h 。本文对分段进水a o 工艺的控制参数进行了 较系统深入的研究，在此基础上探讨了外碳源投加方式对系统的影响。 首先针对分段进水生物脱氮工艺的控制参数进行研究。每一段硝化产生的硝 态氮进行反硝化所需要的碳源由下一段进水提供，根据c n 比推导出进水流量 分配比，实际运行中通过试验可找到更优化的流量分配方案。在满足硝化反应完 成和含碳有机物去除的情况下，降低曝气量可能够为反硝化提供良好的缺氧环境 并减少缺氧区可快速降解有机碳源的消耗，能够有效提高t n 去除率。污水分段 进入而污泥回流到系统首端，污泥回流比直接影响第一段缺氧区反硝化容量的利 用，在一定范围内可以提高污泥回流比，但是最大污泥回流比不宣超过1 0 。系 统中既要保证硝化的进行，又要尽可能提高利用反硝化容量，通过调节缺氧区和 好氧区的体积比，可以提高原水碳源利用效率，加强t n 去除效果。 随着能源短缺的日益严重，开发高效、低能耗的污水处理技术显得尤为必要。 在满足出水水质要求的前提下，适当降低曝气量可降低运行费用。分段迸水生物 脱氮系统中，在进水有机物浓度低，c n 比低的情况下，将d o 浓度分级控制， 总体浓度在1 2 m g l 以下，试验证明系统可以长期在低氧条件下运行，对有机物 去除效果及硝化效果均较好，恒定d o 能够有效控制污泥体积指数。 外碳源投加是降低生物脱氮工艺出水总氮浓度的一种必要方法，但碳源投加 应适量，既要保障硝态氮的去除，又要尽可能降低外碳源投量。投加过多会因为 碳源的消耗增加运行费用，增加污泥产量和耗氧量，而投量过低，则不能实现出 水总氮浓度达到排放标准。本试验分别向后两段以及最后一段投加碳源，通过在 线硝态氮浓度以及o r p 值控制，综合考虑处理效果以及碳源投加量，得出最优 的碳源投加控制方案。 关键词分段进水；生物脱氮；流量分配；溶解氧：外投碳源 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y st h es t u d yf o c u s i n go nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g yi n w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta i m i n gf o re u t r o p h i c a t i o nc o n t r o li sb e c o m i n gp o p u l a r , w h i l e t h es e v e r ee u t r o p h i c a t i o np r o b l e mi s g e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，r e s u l t e dt h e s t a n d a r do fw a s t e w a t e rd i s c h a r g ei sb e i n gc o n t r o l l e dm o r es t r i c t l y a l lw a t e rt r e a t m e n t p l a n t s ，i n c l u d i n gn e w l yb u i l ta n de x i s t i n go n e s ，a r eb e i n gt a k e nu pt h ed e m a n do fd e e p r e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h es t e p - f e e db i o l o g i c a l p r o c e s si sn e w l y d e v e l o p e dn t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw i t ht h ea d v a n t a g e so fm a k i n gf u l lu s eo fc a r b o n i nt h es e w a g ea n dc a na c h i e v i n gt h eh i g he f f i c i e n c yo fn i t r o g e nr e m o v a l t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti na1 2 5 c m x 5 0 c m x 6 1 c mf o r m i n gav a l i dv o l u m e o f32 0 lr e a c t o r , b a s e do nr u r a lw a s t ew a t e r , w i t h a d o p t i o no ff o u rp h a s e s i n a n o x i c o x i c ( a o ) w a t e rf e e d ，i n f l u e n tq u l i t i t yi s9 6 0 l da n dw i t hh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m ea t8 h t h ep a p e rs t u d i e dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so fs t e p f e e da ob i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s ，h i nu n d e rl o wd of o ral o n gt i m e ，a n df u r t h e rm o r e ，t h e s t u d ya l s oi n v o l v e dt h ee f f e c to fa d d i n ge x t e r n a lc a r b o n f i r s ti st h es t u d yo fc o n t r o lp a r a m e t e r so fb i o l o g i c a ls t e p f e e dn i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s ，t h es u p p l yo fc a r b o nt od e n i t r i f yf o r m e di ne a c hs t a g ew h i c hn i t r a t ei sf r o m n i t r i f i c a t i o n ，i sc o m p l e t e l yp r o v i d e db yn e x ti n f l u e n tf l o w a no p t i m i z e di n f l u e n t d i s t r i b u t i o nr a t i oc a nb ef o u n df r o mp r a c t i c a le x p e r i m e n ta c c o r d i n gt of e e d i nf l o w d i s t r i b u t i o nr a t i ob a s e do nc nr a t i o u n d e rac i r c u m s t a n c et h a tc a nm e e tr e q u e s to f n i t r i f i c a t i o na n dr e m o v a lo f c a r b o no r g a n i cd e m a n d ，r e d u c t i o no fa e r a t i o nc a np r o v i d e g o o dm e t a b o l i s m f o rd e n i t r i f i c a t i o na n dr a p i dd e g r a d a t i o no fo r g a n i cc a r b o n c o n s u m p t i o ni nm e t a b o l i s m ，a sw e l la se n h a n c er e m o v a lo ft n t h es e w a g es t e p f e e d si na n dt h er e t u r n e ds l u d g eb a c kt ot h eh e a do ft h es y s t e m ，t h es l u d g er e t u mr a t i o w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eu s a g eo ft h ea m o u n to fd e n i t r i f i c a t i o ni nt h ef i r s ts t a g e i ti s p o s s i b l et oi n c r e a s et h er e t u r nr a t i oi nac e r t a i nl e v e lb u ts h o u l dn o te x c e e d1 0 i nt h e s y s t e mi th a st oe n s u r et h en i t r i f i c a t i o na n da l s om a x i m u mt h eu s a g eo fa m o u n to f d e n i t r i f i c a t i o n b ya d j u s t i n gt h ev o l u m eo fa n o x i aa n do x y g e nm a yi n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo fc a r b o nr e s o u r c e si nt h ew a t e ra n dt nr e m o v a l ， d u et o i n c r e a s i n g l y s e r i o u se n e r g ys h o r t a g e ，t h ed e v e l o p m e n to fe f f i c i e n t l o w - p o w e rc o n s u m p t i o ns e w a g e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y c a l l sa t t e n t i o nf o ri t s n e c e s s a r i l ye s s e n t i a l t om e e tt h ew a t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，p r o p e rr e d u c t i o no f a e r a t i o nr a t ec a nr e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t i nt h eb i o l o g i c a lf e e d i nd e n i t r o g e n i 工i 一 北京1 ：业大学一学硕十学何论文 曼! 曼鼍! 曼曼曼! ! ! ! ! ! 曼曼曼! ! 曼! 曼曼! ! 皂! ! 皇曼曼! ! ! 毫苎寡曼! ! ! 皇! ! 苎ii 毫! 苎! 皂! 皇! 曼! ! ! 曼蔓! ! ! ! ! 皇 s y s t e m ，t h ee x p e r i m e n tr e v e a l e dg o o ds y s t e ml o n gt i m eo p e r a t i o nu n d e ra e r a t i o na n d a c h i e v e d g o o dr e s u l to fo r g a n i c a n d n i t r i f i c a t i o n ，w h e nc l a s s i f yd oa tl o w c o n c e n t r a t i o no fo r g a n i ca n dl o wc no fi n f l u e n tw a s t e w a t e r s t a b i l i z el o wd oc a n e f f i c i e n t l yc o n t r 0 1s e w a g ev o l u m ei n d e x a d d i n ge x t e r n a lc a r b o n t ot h e b i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a l p r o c e s si s a l l i m p o r t a n ts t r a t e g yt or e d u c et o t a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no fe f f i u e n t i ts h o u l db ea t a p p r o p r i a t ec a r b o na d d i t i o na m o u n t ，n o to n l yt og u a r a n t e et h er e m o v a lo fn i t r a t e ，b u t a l s om i n i m i z et h ea m o u n to fc a r b o n e x c e s s i v ew i l li n c r e a s eo p e r a t i n gc o s tb e c a u s eo f c a r b o nc o n s u m p t i o n ，s l u d g eo u t p u ta n do x y g e nc o n s u m p t i o nw i l li n c r e a s e ，a n dt h e t o t a ln i t r o g e no ft h ee f f l u e n tw i l ln o ta c h i e v ed i s c h a r g es t a n d a r d sa tl o wa d d i t i v e i n t h i se x p e r i m e n t ，w ea d d i n gc a r b o nt ot h el a s tt w oa n dt h el a s to n es t a g er e s p e c t i v e l y ， b yo n l i n en i t r a t ec o n c e r n t r a t i o na n d0 r pv a l u ec o n t r o lm e t h o d c o n s i d e r i n go ft h e e f f e c to fr e m o v a la n du s a g eo fc a r b o nt os e e kt h eb e s tc a r b o na d d i t i o ns o l u t i o n k e yw o r d ss t e p f e e d ；b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ；i n f l u e n tf l o wr a t ed i s t r i b u t i o n ； d i s s o lv e do x y g e n ；e x t e r n a lc a r b o na d d i n g i v - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：堑l ! 煞墨日期：坦! 璺至基塑旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 血驰照 导师签名 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科技基金国际重大合作项目( 5 0 5 2 1 1 4 0 0 7 5 ) “污水脱 氮除磷新技术、新工艺及过程控制”； 国家“8 6 3 计划”项目( 2 0 0 6 a a 0 6 2 3 1 9 ) “活性污泥微膨胀节能理论与方法 及中试研究”； 国家自然科学基金( 5 0 7 7 8 0 0 5 ) “丝状菌种群优化及其污泥低氧微膨胀的研 究”； 北京市属高等学校学术创新团队“水污染控制与水资源可持续利用”。 1 1 2 课题的目的和意义 1 1 2 1 我国水资源现状 我国是水资源严重短缺的国家，水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，占全球水资源 的6 ，仅次于巴西，俄罗斯和加拿大，屠世界第四位，而人均水资源占有量仅 有2 3 0 0 m 3 ，排世界第1 2 1 位，是世界1 3 个贫水国之一【1 2 1 。到2 0 世纪末，全国 6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多城市存在供水不足问题，其中严重缺水的城市达1 1 0 个。 随着经济的快速发展，水体污染和水体富营养化问题同益严重，这主要是 由氮、磷营养物的大量排放引起的。 据水利部2 0 0 5 年资料，全国同排污水已超过1 3 亿吨，其中8 0 以上未经 任何处理就直接排入水域，使江河湖海普遍受到污染，7 8 流经城市的河段已经 不适宜作为饮用水源，城市地下水的5 0 受到污染。 据环境保护部门对我国1 1 8 个城市地下水污染监测资料的评价，污染较重的 城市有7 6 个，占6 4 ，污染较轻的城市3 9 个，占3 3 ，基本未受污染的城市 只有3 个，不足3 。据统计分析，地下水污染的特点一是“三氮”污染；二是 硬度升高；三是酚、氰化物、砷、汞、铬、氟等有毒有害物质污染【j j 。 据了解，中国一年洗衣污水量就将近2 2 亿吨，相当于3 4 个十三陵水库，7 6 个昆明湖。仅北京市2 0 0 5 年废水排放为1 0 1 0 亿吨，其中生活污水就达到8 8 2 亿吨，占总排污的近9 0 。城市生活废水和农业污水开始成为水污染物的主要来 源。同时，生活污水对城市地下水和内陆湖泊的污染情况同益凸显。已经对我们 一1 一 ：i 匕京下、l k 人学f ：宁：硕十学何论文 的生活和健康构成严重威胁，必须引起每个人的足够重视m 】。据调查，6 0 的人 体疾病与饮用不清洁的水有关。经过对5 3 2 条河流的监测，有4 3 6 条河流遭受了 不同程度的污染。中国七大河流经过的1 5 个主要大城市的河段中，有1 3 个河段 水质污染严重p j 。 当水体中总磷浓度高于0 0 2 m g l 或者总氮浓度高于0 2 m g l 时即被视为富 营养化水体，它的表征之一即为藻类过度增生【5 】。目前，我国的大型淡水湖泊和 城市湖泊均达中度和重度的富营养化污染。 中国五大淡水湖水体中的营养盐均大大超过n 、p 富营养化的发生浓度，尤 其 i n 浓度高达1 0 倍以上，目前太湖和巢湖已进入富营养化状态，部分水体己 达严重富营养化水平。其他3 个湖泊只要某些条件一旦具备，水体的富营养化的 现象就会显露出来【6 】。对全国1 3 1 个主要湖泊和3 9 座大中型水库的调查，有6 7 个湖泊，1 2 座水库已经处于富营养化水平。 富营养化导致水体溶解氧下降。因藻类的过度生长繁殖，藻类的呼吸作用和 死亡藻类的分解作用所消耗的氧，能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，从 而影响鱼类生存以及其它水中生物的生存【7j 。 1 1 2 2 目的与意义 近年来，随着科学技术的不断发展，世界上已有许多国家和地区把经过适当 处理的市政污水作为新水源，应用于工农业生产和城市建设，取得了良好的经济 效益和社会效益。我国从2 0 世纪5 0 年代开始，就采用污水灌溉的方式回用污水， 但直到2 0 世纪8 0 年代才真正将污水深度处理后回用于城市生活和工业生产瞵j 。 随着水体“富营养化”问题的日渐突出，以及大部分城市水危机的频频出现， 为了缓解水资源的紧张状况，污水的再生回用是城市节制使用水资源，解决富营 养化问题的重要途径，而污水再生回用的基础和前提就是对污水实现脱氮除磷的 深度处理。为此，我国水排放标准不断紧缩，污水处理技术逐渐从以单一去除有 机物为目的的阶段进入既要去除有机物又要脱氮除磷的深度处理阶段，以使得处 理后的水质达到回用标准。 以控制富营养化为目的的脱氮除磷已成为当今污水处理领域的研究热点之 一。控制水体富营养化，防止水体污染的最基本措施就是对污染源进行治理，控 制污染物的排放量，使污水厂出水中的氮、磷含量必须达到一定标准，减少排放 到水体中的氮、磷含量。我国最新颁布的污水排放标准g b l 8 9 1 8 _ 2 0 0 2 要求 污水厂出水中磷和氮的含量据接纳水体的等级分别为o 5 m g l 和1 5 m g l 以下， 因此无论是新建污水厂还是已有污水厂都面临着污水脱氮除磷的要求p j 。 国内外许多研究学者都致力于深度脱氮除磷工艺的研究1 1 0 - t 2 1 。在生物脱氮 除磷水处理工艺中，对于磷元素，尽管生物除磷具有一定的不稳定性，但采用传 - 2 - 第l 草绪沦 统工艺进行除磷后投加化学药剂仍可保证出水t p 达到0 m g l ；但是对于氮元素， 采用膜法( 超滤，微滤，纳滤，反渗透) 具有2 个不可避免的缺点：投资，运 行费用过大；n h 4 + 、n 0 2 一具有与h 2 0 相近的分子量而会随h 2 0 一起透过膜， 因此只能采用生物法脱氮i j 引。另外氮元素除可引起水体富营养化问题，还产生 以下危害：氨氮消耗水体中的溶解氧，氨氮随着污水排入水体后，可在硝化细 菌的作用下被氧化成硝酸盐，氧化1 m g 的n h 4 + - n 为n 0 3 - n 要消耗水体中的溶 解氧4 5 7 m g ；氨氮与氯作用生成氯胺，并被氧化成氮，当以含有较高浓度氨 氮的水体作为水源，或对含氨氮量较高的污水厂出流进行消毒时，增大了水厂对 ( 给) 排水的氯的消耗量：氮化合物对人和生物有一定的毒害作用。氨氮会影 响鱼鳃的氧传递，对多数鱼类而言，水中流离氨的致死量为l m l 。硝酸盐和亚 j硝酸有可能转化为亚硝胺，亚硝胺是致癌、致变和致畸物质，对人体有潜在的危 害【l4 1 。因此脱氮技术的发展是十分必要的而且具有重要的意义。 。 1 2 生物脱氮原理及典型工艺 1 1 2 生物脱氮原理 城市污水中的氮主要包括有机氮和无机氮( 主要是氨氮) 两部分，在生物氮 方面，国内外都做了大量的研究。目前，把各种形态的氮转化为气体形态排入大 气是污水处理中生物脱氮的主要途径。通常需要涉及以下几个过程： 有机氮马n 日一型丝寸叼一马g 一堂鲨一n 2 个，m g 个 生物脱氮的基本原理是先将废水中的有机氮转化为氨氮，然后通过硝化过程 将氨氮转化为硝态氮，再通过反硝化过程将硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从 而达到从废水中脱氮的目的【1 5 】。 ( 1 ) 氨化反应 废水中有机氮化合物在微生物( 氨化细菌) 的作用下，分解产生氨的过程， 常称为氨化反应。主要发生的反应如下： hh r c c o o h 型马r c c o o h + n h ， n h z o h ( 1 1 ) h 月一c c o o h 生三马r c c o o h + n h ： 1 i m 2 0 ( 1 2 ) 一3 一 北京r 业大学r 学硕十学1 _ 奇：论文 在好氧和厌氧环境中，很多细菌、真菌和放线菌等都能分解蛋白质及其含氮 衍生物，有机氮经细菌分解后大部分转化为氨氮，极少部分用于细菌生长。在脱 氮工艺中，氨化阶段生化效率高，通常不作为控制步骤。但当水环境中存在一定 浓度的酚或木质素蛋白质复合物( 类似腐殖质的物质) 时，会阻滞氨化作用的 进行【”1 。 ( 2 ) 硝化反应 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 。n ) 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 - n ) 。这两 类细菌统称为硝化细菌，它们利用无机碳化物如c 0 32 、h c 0 3 和c 0 2 作为碳源， 从n h 3 、n i - h + 、n 0 2 的氧化反应中获取能量。亚硝酸菌和硝酸菌都是好氧自养 菌，只有在溶解氧足够的条件下才能生长，硝酸菌的世代周期长，生长速度慢； 亚硝酸菌世代周期较短，生长速度快，较易适应水质水量的变化和其他不利的环 境条件。 亚硝酸化反应：m 鬈+ 1 5 d 2 专n o ；+ 2 日+ + h 2 0 + a g( 1 - 3 ) 硝酸化反应：n o ；+ 0 5 0 2 专n o ；+ a g( 1 4 ) 硝化总反应：n h 2 + 2 0 2 寸n q ；+ 2 h + + h 2 0 + z x g( 1 - 5 ) 由上述反应式计算可知，在硝化反应过程中，将1 9 氨氮氧化为硝酸盐需耗 4 5 7 9 氧( 其中亚硝酸化反应需3 4 3 9 ，硝酸化反应需1 1 4 9 ) ，同时大约需要消耗 7 1 4 9 重碳酸盐碱度( 以c a c 0 3 计) ，以平衡硝化产生的酸度。研究表明，硝化 反应速率主要取决于氨氮转化为亚硝酸盐氮的反应速率。 影响硝化反应的主要因素有【怕1 ： 溶解氧氧是生物硝化作用的电子受体，溶解氧浓度的高低对硝化反应 的速率和硝化细菌的增长有很大影响。在活性污泥系统中，大多数人认为溶解氧 浓度应控制在1 2 m g l ，低于o 5 m g l 时硝化作用将趋于停止。 温度硝化反应受温度影响也很大，原因在于温度对硝化细菌的增殖速 度和活性有影响，硝化菌和亚硝化菌的最适宜温度范围是2 5 3 0 。c 。低于2 5 或 高于3 0 硝化菌生长速率都会减慢，当温度低于5 。c 时，硝化菌的生命活动几乎 停止。 p h 值硝化反应是产酸过程，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化 反应的进行，p h 值会下降。硝化菌对p h 值十分敏感，硝化菌和亚硝化菌的最 适宜p h 值分别为7 o 7 8 和7 7 8 1 ，超出这个范围，它们的活性都会降低。生 物脱氮的硝化过程，p h 值一般控制在7 2 8 0 。 b o d s t k n 一些研究表明，活性污泥中的硝化菌的含量与b o d 5 t k n 有关。如果b o d 5 t k n 比值越高，则硝化菌的所占比例就越低。硝化段的含碳 有机质浓度不可过高，b o d 5 般应低于2 0 m g l ，若有机基质浓度过高，会使系 - 4 - 笫1 章绪论 统中增长速率大的异养菌数量大大增加，成为优势菌种，从而使硝化菌的增长受 到抑制，削弱了硝化作用。 污泥龄( s i 订) 由于硝化菌是自养菌，生长缓慢，其世代时间比较长。 因此，为了使硝化细菌菌群能在系统中生长，就必须保证系统的s r t 大于自养 型硝化菌的最小世代日, - t l 司，否则硝化菌的流失率大于其增长速率，硝化菌将会从 系统中流失。一般来说，为了保证硝化反应的充分进行，s r t 应大于1 0 d 。 ( 3 ) 反硝化反应 反硝化反应是指在无氧或低氧条件下，硝态氮和亚硝态氮被微生物还原转化 为分子态氮( n 2 ) 的过程。参与这一作用的微生物是反硝化细菌，这是一类异养 型兼性厌氧细菌，如变形杆菌、假单胞菌、小球菌、芽抱杆菌、无色杆菌、嗜杆 菌和产碱杆菌等。它们在缺氧的条件下，利用有机碳源为电子供体，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，其反应过程可表达为： 2 g + 3 1 - 1 2 专27 r + 2 明一十2 2 0 ( 1 6 ) 2 n 0 3 + 5 一21 、+ 2 伽一+ 4 h 2 0 ( 1 7 ) 污水生物处理系统中微生物在无氧条件下大多具有反硝化能力，这些细菌利 用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝态氮还原成n 2 或n 2 0 。其过 程如下： 防塑堂马n o ；型型型塑鸟n o 型垫吗m d 型墅塑垦堕j m 反硝化细菌能利用的有机物质包括：碳水化合物、有机酸类、醇类以及烷烃 类、苯酸盐类和其他苯衍生物类化合物。在反硝化过程中有机物的氧化可表示为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 g 专2 2 + 4 明+ 5 c 0 2 ( 1 8 ) 这些有机化合物在废水处理中显得特别重要，它们往往是废水的主要组分， 因此反硝化不仅被认为是一种非污染形式的脱氮手段( 因硝态氮转化成对人无害 的氮气) ，而且也是一种氧化分解废水中有机污染物的方法。反硝化作用过程中 可产生3 5 7 9 碱度( 按c a c 0 3 计) ，可使硝化作用所耗去的碱度有所弥补。因此， 在废水处理中如何合理地利用反硝化技术来达到脱氮去碳，并最大可能地减少动 力消耗和药耗便成为当前国内外重点研究的课题。 1 。2 2 典型生物脱氮工艺 迄今为止，以开发并广泛应用的典型生物脱氮工艺有b a r d e n p h o 工艺、前置 反硝化工艺、氧化沟工艺和s b r 工艺等。在许多国家，特别是中国，大约有8 0 的城市污水处理厂采用曲尊置反硝化工艺进行生物脱氮。前置反硝化工艺在生物脱 氮方面具有一定的优势。污水首先进入缺氧池优先进行反硝化反应以提高总氮去 除率，反硝化反应能去除进水中大部分的有机碳源，从而大大缩短了好氧池的停 - 5 - 北京r 业大学1 宁? 7 t 页十学何论文 _- 留时间和池容。由于前置反硝化工艺的构成的特点，出水硝念氮浓度与回流液中 的硝态氮的浓度相等，因此在前置反硝化工艺中，不会达到很高的总氮去除率。 但是此工艺的最初开发设想为我们提供了启迪。 ( 1 ) a o 工艺 缺氧一好氧( a n o x i e o x i e ) 生物处理系统( 简称为a o 系统) ，是目前污水 处理厂首选的脱氮工艺，这套工艺被称为a o 工艺。它是随着废水深度处理， 尤其是脱氮要求的提高而出现的。其所完成的生物脱氮在机理上主要由硝化和反 硝化两个生物过程构成。废水在好氧条件下使含氮有机物被细菌分解为氨，然后 在好氧自养型亚硝化细菌的作用下进一步转化为亚硝酸盐，再经好氧自养型硝化 细菌作用而转化为硝酸盐，至此完成了硝化反应；硝酸盐进入到缺氧条件下，在 兼性异氧细菌的作用下，利用或部分利用废水中原有的有机物碳源为电子供体。 以硝酸盐替代分子氧作电子受体，进行无氧呼吸，分解有机质。同时，将硝酸盐 中氨还原成气态氮，至此完成了反硝化反应。a j o 工艺不但能取得比较满意的脱 氮效果，而且通过上述缺氧一好氧循环操作，同样可取得高的c o d 和b o d 的去 除率。 然而由于种种原因，传统的彤o 工艺脱氮效率不高，仅为6 0 7 5 。我国于 2 0 0 2 年颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中对氮的 排放规定了更为严格的标准，随着国家对污水氮磷排放标准的提高，污水脱氮除 磷处理新工艺的研究、开发和工程应用愈来愈受到污水处理界的重视。这就意味 着今后大多数城市污水和工业废水处理厂都需要考虑安装脱氮除磷处理装置，同 时我国绝大多数不具备脱氮除磷功能的城市污水处理厂将面临艰巨的改造任务。 ( 2 ) a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 工艺 厌氧缺氧好氧( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 简称a 2 o 工艺，是一种典型的应 用广泛的生物脱氮除磷工艺。污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧 发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物转化为v f a ；聚磷菌释磷， 同时吸收v f a 以p h b 的形式贮存于胞内。在缺氧区反硝化菌利用污水中的有机 物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮。在好氧区，有机 物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应，同时聚磷菌过量摄 磷。通过沉淀、排除剩余污泥来达到除磷的目的。 我国先后建立多座采用a 2 o 工艺的城市污水处理厂，如天津纪庄子污水处 理厂、泰安市污水处理厂、保定市污水处理厂、深圳罗芳污水处理厂和桂林第四 污水处理厂等。从运行的情况看，其脱氮除磷效果不稳定，脱氮效果好时除磷效 果差，除磷效果好时脱氮效果差。这是因为生物脱氮除磷工艺需包含硝化、反硝 化、释磷和摄磷过程，而每一过程有固定的或专性微生物类群完成，其对环境的 要求也不同，所以不可避免地产生了矛盾p j 。 ( 3 ) 氧化沟工艺 一6 一 第1 章绪论 设置厌氧、缺氧段的c a r r o u s e l 氧化沟，具有生物脱氮除磷功能，是目前城 市生活污水处理的主流工艺之一。在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、 缺氧、好氧3 个基本条件，但是在实施过程中由于所需的处理构筑物多、污泥回 流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。c a r r o u s e l 氧化沟将厌氧、 缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开白成体系，但彼此又有 联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机 结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回液的能量消耗。 ( 4 ) s b r 工艺( 序批式活性污泥法) 序批式活性污泥法是一种将初沉、反应和二次沉淀各工序放在同一反应器中 进行，提供一种时间顺序上的污水处理。整个处理过程分为进水、反应、沉淀、 出水、闲置五个时期，具有构筑物简单、投资省、操作灵活、管理方便等优点。 该法早期也用于废水处理，但由于过去的技术条件的限制，在发展过程中逐渐被 连续运行的活性污泥法所取代。目前，随着自动化技术的提高，特别是计算机控 制技术的普及，s b r 工艺日益受到人们的重视，已经应用于各类废水的处理。 在s b r 工艺中，高污泥活性，较高的污泥质量浓度以及系统内缺氧、厌氧、好 氧状态交替出现的情况有利于氮磷的去除，已有许多报道指出s b r 工艺具有良 好的脱氮除磷效果【l 。 近几十年来，脱氮技术有了很大的发展。传统的生物脱氮工艺主要有前置反 硝化和后置反硝化两种。其中前置反硝化系统如a o 工艺和a a o 工艺已在国 内外广泛应用，特别是在中国，有8 0 的污水处理厂采用a o 脱氮工艺【i 。前 置反硝化能够利用废水中部分快速易降解有机物作为碳源，虽然可节约反硝化阶 段外加碳源的费用，但都需设置相应的内回流设施，池容也较大，且脱氮效率较 低【1 8 】，若想获得较高的氮去除率则必须加大硝化液循环比，能耗也相应也增加。 例如，对于前置反硝化系统，若想达到9 0 以上的脱氮效率，则需要8 0 0 的内 循环，这无疑是很高的能耗。而后置反硝化则有赖于外加快速易降解有机碳源的 投加，同时还会产生大量的污泥，并且出水中的c o d 和低d o 也影响出水水质。 综上，传统的生物脱氮工艺主要存在以下问题：工艺流程长，占地面积大，基 建投资高；由于硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低 温季节，造成系统的h r t 较长，需要较大的曝气池，增加了投资和运行费用； 系统为了维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥和硝 化液回流，增加了动力消耗和运行费用；系统的抗冲击能力较弱，高浓度的 n h 4 + - n 和n 0 2 - n 废水会抑制硝化菌的生长；硝化过程中产生的酸度需要投加 碱中和，不仅增加了处理费用，而且还有可能引起二次污染圳。 - 7 - ：i 匕京t 、i p 大号：+ r 亨：硕十；：何论文 曼! ! ! ! ! ! ! 皇曼! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 皇! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼苎曼! 曼曼曼曼! ! ! ! ! ! i i i ii i | 1 3 分段进水生物脱氮工艺 1 3 1 工艺的原理 分段进水生物脱氮工艺是近年来快速开发的生物脱氮n - f z t 2 0 2 6 】。进水沿 池长分段投配而回流污泥在第一段的首端进入。各段的缺氧池与好氧池连接成为 一个单元( 段) ，通常每个系列分为2 。4 个单元，见图l 一1 。分段进水系统可看作 几个缺氧好氧处理单元的串联组合体，各池均采用完全混合式。工艺的硝化液 从各段的好氧区直接流入到下一段的缺氧区，一般不需要设置内回流系统。当初 沉池出水按同一比例均匀分配至各段的缺氧池时，进入各段的b o d 和氮的负荷 量虽然相同，但前面几段的m l s s 浓度提高，导致污泥龄增加、污泥负荷变小。 好氧池( 硝化池) 池容的确定需考虑满足在设计水温下足以完成硝化作用所需的 好氧泥龄【i 引。 第一段的缺氧区主要对回流污泥中的n o x - n 进行反硝化，同时，进入该区 的污水( q 。) 为反硝化提供碳源。然后，混合液流入第一段的好氧区进行硝化反 应，反应后的混合污水流入到第二段的缺氧区进行反硝化，同时第二段缺氧区进 入的污水( q 2 ) 为反硝化提供碳源。混合液再进入到第二段的好氧区进行硝化反 应，以后各段以此类推。由于最后一段进入的污水只发生了硝化反应，没有反硝 化的条件，所以出水将含有一定的硝态氮。因此，对出水总氮有严格要求的污水 处理工程，可以考虑最后一段不投加污水，只投加外碳源，并在最后的好氧区加 大曝气量，以去除碳有机物。分段进水生物脱氮工艺的原理如图1 1 所示( 以四 段式为例) 。 1 进水箱：2 进水泵：3 机械搅拌器；4 竖流式沉淀池；5 出水； 6 剩余污泥排放管；7 污泥回流泵；8 空压机；9 气体流量计； 图1 1 分段进水生物脱氮工艺示意图 f i g 1 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e p f e e da c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 分段进水生物脱氮工艺与前置反硝化系统相比，具有如下优势： 一8 一 第1 苹绪论 ( 1 ) 污水沿池长方向分段进入而回流污泥在首段进入，系统的s r t ( s o l i d r e t e n t i o nt i m e ) 比相同容积的推流系统长。分段进水系统在不增加反应池m l s s 浓度的情况下，使污泥龄得以增加。 ( 2 ) 硝化液从各段的好氧区直接流入下一段的缺氧区，完全省去了传统污 水生物脱氮技术的内循环步骤，从而简化了工艺流程，易于工艺的操作运行和管 理。 ( 3 ) 上一段硝化产生的硝酸盐在下一段完全反硝化所需的碳源由下一段进 水提供，最大程度地利用了进水中的有机碳源，节省了外碳源的投加。 ( 4 ) 反硝化反应的出水直接进入硝化反应池，在一定程度上补充了硝化反 应对碱度的要求。 ( 5 ) 脱氮效率高，出水总氮浓度低。工艺达到最高脱氮率应该满足上一段 硝化产生的硝酸盐在下一段完全反硝化掉，即不产生硝酸盐的积累且最后一段的 进水流量最小。在一定进水c n 比条件下，无需内回流设施即可达到高于9 5 的总氮去除率。 ( 6 ) 混合液中活性污泥浓度沿池长呈阶梯分布，出流混合液浓度降低，减 轻了二沉池的负荷，有利于提高二沉池的固液分离效果。 ( 7 ) 易于对原有的污水二级处理设施进行改造以达到生物脱氮的目的。只 需将污水改为分段进入反应器，同时将污水进入的一段反应区改为缺氧方式运 行，其他设施如格栅、初沉池、二沉池、污泥回流设施等均无需任何改动，就可 以达到目的。当一沉池出水分段均匀进入反应池的各段，每段b o d 和氮的负荷 相同。在这一设定条件下，各段池容可按相同的生物量进行设计。各段进水采用 单污泥系统，因此各段的微生物量也是相同的，这样各好氧池的需氧量也几乎相 同，从而安装在好氧池中的曝气器在理论上可以采取同样的规格，好氧池均按同 样要求运行，可减少维护管理的工作量。 ( 8 ) 池容小、基建投资省 对反应器中的s s 进行物料衡算得算式( 1 9 ) s s , = 堕学 ( 1 9 ) 式中q 。分段进水系统中某一段内污水流量，m 3 d ： s s 。某一段内悬浮固体浓度，g m 3 ； q 。1 前一段内污水流量，m 3 d ： s s x 1 前一段内悬浮固体浓度，g m 3 ； q o 。某一段内来自于初沉池出水的污水量，( q o x = q x q x - 1 ) ，m 3 d ； s s o x 初沉池出水中悬浮固体浓度，g m 3 ； 由于s s o 。非常小( 一般小于2 0 9 m 3 ) ，与s s 、( 一般大于2 0 0 0 9 m 3 ) 相比， 可忽略不计，于是质量方