（环境工程专业论文）城镇污水mbbr强化脱氮除磷中试研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着城市化的发展和人们生活水平的提高，城镇污水大量排放导致水体氮磷 污染持续加重，而提高城镇污水处理厂的处理效率是解决该问题的关键。本文采 用b r ( m o v i l l gb e db i o f i l mr e a c t o r ，移动床生物膜反应器) 工艺对城镇综合 污水进行强化脱氮除磷的中试研究，通过工艺参数优化、系统处理效果、填料微 生物菌群结构等研究，初步探明中试b r 系统脱氮除磷性能，以期为污水处 理厂的改造工程提供理论依据。 在填料填充率为3 0 ，r t 为8 9h ，d o 为2 3 m g l 的条件下，经过5 2 d 培养，b r 池对c o d 去除率为5 3 6 士6 5 ，容积去除负荷为5 9 9 5 士1 2 7 3 g m 一d - 1 ；对氨氮的去除率稳定至9 8 以上，容积去除负荷为6 7 7 5g m 3 d - 1 。随 着挂膜成功，填料生物膜厚度逐渐增加、结构变得更为紧密、微生物种类增加。 缩短印盯可提高b r 对c o d 的容积去除负荷率，但是降低了氨氮的容 积去除负荷率；较长的m 盯有利于b r 生物膜的稳定，也可获得较好的氨氮 去除效果。m b b r 活性污泥联合工艺对c o d 、氨氮和总磷的去除率分别为 7 1 2 土8 5 ，9 4 9 士1 0 3 ，7 1 5 士l o 8 ，出水水质达到污水处理厂工程排放要求。 对比b r 工艺和活性污泥工艺对城镇污水的处理效果，结合污水处理厂 原有氧化沟工艺的运行效果分析前置m b b r 工艺对污水处理厂工程改造的可行 性。两段活性污泥工艺处理后出水水质劣于m b b r 活性污泥联合工艺处理的出 水水质。污水厂原氧化沟工艺对氨氮的去除效率与两段活性污泥工艺相当，明显 低于b r - 活性污泥联合工艺，且处理效果不稳定。采用b r 工艺可有效提 高系统硝化性能，确保出水氨氮达标排放，同时有利于强化生物除磷，减少化学 药剂用量和化学污泥产量。 关键词：脱氮除磷；m b b r ；改造工程；中试研究 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei l i 仃0 9 e n o l l sa i l dp h o s p h o n 工sp o l l 蛐d i s c h a 唱e di n t o 撇l t e rb o d y 舶m 瑚七a i l 、豫s t e w a t e ra r ei n c r e a s i l l ga l o n gw i m m er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b 撕z a t i o na s 、e l la si m p r o v e m e n to fh u m a l l sl i v i n g ，s oi m p r o v i n gt l l ee 伍c i e n c yo fw a s t e w a t e r n - e a n n e n tp l 锄ti st h ek e yt os o l v i l l gt h ep r o b l e m t l l i ss n j d yi 1 1 i l o v a t i v e l ya d o p t e d p i l o t - s c a l em b b r ( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ) p r o c e s st os _ 仃e r 蛐e ni l i 缸o g e n 龇l d p h o s p h o m sr e m o v a l ，t h i s l e s i sa l s os t u d i e dt l l ep r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a 矗。玛 p f o c e s sr e m o v a lc a p a c i 锣a r l dm i c r o b i a ls t r i j c t u r es o 1 a tt 1 1 en 。e a t m e n tp e d o 肋a 1 1 c eo f p i l o t - s c a l e m b b r 、e r ei i r v e s t i g a t e dt ol a yam e o 代：t i c a lf 0 u 1 1 d a t i o nf o r 也e m o d i f i c a t i o np r o j e c to f 恤w a s t e w a t e rt r e a 缸n e n tp l a n t ( w w t p ) i n 吐i ec o n d i t i o no f 汀8 9 1 1 ，3 0 r a t i oo f 虹l ef i l l e r s ，d o2 - 3 m g l ，a f t e r5 2d s c u l t i v a t i o n ，t l l er e m o v a le 髓c i e n c yo fc o d 、a s5 3 6 士6 5 ，c o dv o l u n l e t r i cr e m o v a l l o a d 岖r a t cw a s5 9 9 5 士1 2 7 3g m - 3 d - 1 ；恤r c m o v a le 箍c i e n c yo f n h 4 + - nw a sm o r e m a n9 8 ，n h 4 + 二nv 0 1 u m e t r i cr e m o v a l l o a m n gr a t ew 觞6 7 7 5g m 一d - 1 d u r i i l g 恤 b i o f i l ms 脚p e r i o 也t h eb i o f i l mt h i c l 【n e s si i l c r e a s e dg r 删1 y ，g 呻c t u 】呜c h a j l g e da t i g h ta n d l ev a r i e 锣o fm i c r o b e si l l c r e a s e d s h o n e nh r tc o u l di m p r 0 v et 1 1 ev o l 眦e t r i cc o dr e m o v a lr a t e ，b mr e d u c em e v o l 啪e 仃i cm 山+ - nr e m 0 v a lr a t e t h ea v e m g er e m o v a le m c i e n c yo fc o d ，n h 4 + - n a n dt pf o ru l l i t e dm b b r a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw e r e7 1 2 士8 5 ，9 4 9 士10 3 ， 7 1 5 圭l o 8 ，r e s p e c t i v e l y ，w a t e rq 训毋c a i lr e a c hm ed i s c h 鹕es t a i l d 砌o f p o l l u 咖t s f o rm u m c i p a iw w t p c o m p a r e dt h e 仃e 釉e n te 仃e c to f b r 埘ma c t i v a t e ds l u d g em e m o d ，a n a l y s i s 龀f e a s i b i l 时o f 也ew w t pm o d i f i c a t i o np r o j e c tc o m b i i l d 丽吐lm l l s c a l eo x i d a t i o n d i t c ho p e r a t i o ne f f e c t 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt l l a tm ec o da i l da m m o i l i ai l i 仃o g e n r e m o v a le 伍c i e n c yo ft v 旧p h a s ea c t i v a t e ds l u d g em e t l l o dw e r e 、 ，o r s em a 芏lu 1 1 i t e d m b b r - a c t i v es l u d g ep r o c e s s t h e 锄l m o i l i a1 1 i 仃d g e nr e m o v a le 维c i e n c yo ff h l l - s c a l e o x i 眦i o nd “c hp r o c e s s 锄l dt 、v op h a s ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw e r eb o t hl o w e r 也a n m b b r a c t i v es l u d g ep r o c e s so b v i o u s l y ，a i l dt l ：i e 仃e a n n e n te 疵c ti sn o ts t a b l e u s i n g i t t 浙江大学硕士学位论文 a b s t 嘲 m b b r t e c l l i l i q u ec a l li m p r o v em e1 1 i 仃i f i c a t i o np e r f o m a n c et oe n s u r e 也a t 舢o n i a l l i 们g e n i i le f n u e n tc a i lm e e t 此e m i s s i o n 咖d 砌f 删1 e n n o r e ，n m b rc o u l d e 1 1 l l a n c eb i 0 1 0 9 i c a lp h o s p h o n l sr e m o v a l ，r e d u c i n gc h e m i c a l sd o s a g ea n ds l u d g e p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：n i 仃o g e na i l dp h o s p h o m sr e m o v a l ；m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) ； m o d i f i c a t i o np r o j e c t ；p i l o t p l a n ts t l j d y 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在硕士生活即将结束之际，回想三年来在浙江大学的求学路，感慨万千! 三 年的浙大生活让我在学业、生活、个人意志品质等多方面得到了提升，受益匪浅。 我的硕士论文得以完成，得到过许许多多人的帮助，在此向他们无私的帮助致以 最真挚的感谢! 首先，感谢我的导师杨岳平副研究员对我的谆谆教导。从论文选题、开题报 告、方案确定到论文撰写的每个环节，杨老师都倾注了大量的心血，确保论文顺 利完成。在此，我向杨老师表示最衷心的感谢! 作为杨老师的学生，我感到非常 荣幸。杨老师宽广渊博的学识，孜孜不倦的精神，求真务实的作风，是我终身学 习的楷模，让我受益终身。 感谢我的校外导师申长喜高级工程师，申老师扎实的理论知识和丰富的工程 经验为项目现场的顺利进行提供强有力的支持，解决实际操作中的很多问题。 感谢徐新华教授对本课题的帮助，徐老师品德高尚、治学严谨、平易近人， 在我的求学期间不仅传授我做学问的秘诀，还传授了我做人的准则。 感谢母校浙江大学为我提供的学术平台，她所秉承的求是学风、创新精神赋 予我神圣的使命感和责任感，是我不断进取的力量源泉。 感谢实验室所有人员在科研和生活上给予我的帮助和关怀。感谢胡安辉博 士、谢柳、叶国祥、高冲、杨浩峰、唐勇、赖水秀、李清峰、郑豪、包子健、董 事壁、骆金等。感谢我的室友黄蕾和宋芳芳同学，在日常生活中给予我的帮助和 关怀，三年来我们朝夕相处、共同进步。 感谢我的男朋友张俊同学对我的支持与帮助，在浙大求学三年我们相互扶 持、风雨同舟，正是有他这个坚强的后盾，我可以克服一个个的困难，直至本文 的顺利完成。我所取得的成绩离不开他的帮助与鼓励。 最后，特别感谢我的父母和家人。养育之恩无以为报，是你们多年来一直默 默给我鼓励和支持，为我排忧解难，谢谢你们多年来对我的付出，感谢你们对我 最无私的爱! 唐佳坞 2 0 1 2 0 1 于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 文献综述 1 1 氮磷污染现状及危害 1 1 1 我国氮磷污染的现状 水是人类赖以生存的重要资源。随着我国经济的发展，水资源不足的矛盾已 日益突现，成为制约许多城市经济发展的瓶颈，严重影响国民经济的增长。根据 2 0 l o 年中国环境状况公报，我国地表水污染较为严重，七大水系总体为轻度污 染，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 8 ；类的5 个，占1 9 2 ；类的4 个，占1 5 4 ；v 类 的6 个，占2 3 1 ；劣v 类的1 0 个，占3 8 5 【。2 0 1 0 年全国氨氮排放量为1 2 0 3 万吨，比2 0 0 9 年的1 2 2 6 万吨下降1 9 ，然而总氮和总磷仍是我国长江、黄河、 珠江等水系以及滇池、太湖、巢潮等主要湖泊的主要污染物指标。氮磷等污染物 排放引起的水体富营养化仍然十分严重，威胁到人类健康和生态安全，已成为我 国当前亟待解决的重大环保课题。 “十一五”期间，我国已在典型城市开展污水深度脱氮除磷，推广应用5 0 0 座城市污水处理厂的升级改造，每年削减化学需氧量1 6 万吨，氨氮5 4 万吨和 总磷1 4 万吨【1 1 。“十二五”期间，政府将继续抓好新建、已建及在建污水处理厂 的脱氮除磷工艺升级改造，全面削减氮磷排放。 水体中氮磷等污染物主要来自农业污水、工业废水和城镇生活污水的排放。 农业排放包括大量化肥的淋溶和牲畜排泄物。我国的氮肥利用率不高，目前我国 每年施用氮肥约2 1 0 0 万吨，平均损失率高达4 5 ，计算下来每年损失的氮素高 达9 4 5 万吨【2 】。而其中损失的化肥主要通过地表径流和淋溶作用进入到地表水和 地下水水体中【3 】。根据统计数据显示，我国2 0 0 2 年禽畜粪便的总氮产生量为1 5 3 0 万吨，进入水体的流失率高达2 5 3 0 【4 】。工业废水因污染物种类和浓度差异较 大而较为复杂，其中氮、磷污染主要来自n 、p 生产型和使用型工业企业，排放 形式以氨氮和磷酸盐为主。据统计，2 0 1 0 年我国生活污水氨氮排放量为9 3 万吨， 占氨氮排放总量的7 7 3 ，可见生活污水排放是水体中氨氮的主要来源，城镇生 活污水中氮主要以氨氮和有机氮等形式排放。此外，我国约有9 0 的生活垃圾采 浙江大学硕士学位论文文献综述 用填埋的方式进行处型5 1 ，垃圾填埋产生的渗滤液氨氮含量较高。上述形式排放 的氮、磷污染都会对环境造成不利影响。 1 1 2 氮磷污染的危害 氮、磷是藻类生长的限制性因素，富含氮磷的污水排入水体会促进藻类生长， 破坏水生态环境。此外，地表水体和地下水中的氮磷污染会引起生态及人类健康 方面的有害影响，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 藻类的生长需要氮磷等营养物质，一旦水体中氮磷过量就会引起水体 富营养化，继而危害鱼类的生存；( 2 ) 城市污水处理厂出水所含的氨氮，进入地 表水体中会消耗溶解氧，影响水体环境质量；( 3 ) 游离氨对鱼类有毒害效应。水 体中如果存在微量的游离氨，会影响鱼类对氧气的传输利用，使鱼类致死；( 4 ) 饮用水中含有的硝酸盐和亚硝酸盐能结合人体中的血红蛋白形成高铁变性血红 蛋白，削弱血液的输氧能力；( 5 ) 硝酸盐在人体中易转化为三致物( 致癌、致畸、 致突变) 亚硝胺，对人体健康有严重的潜在威胁【6 1 。 1 2 污水生物脱氮除磷工艺研究 针对氮磷污染现状及其发展趋势，脱氮除磷工艺的研究已成为国内外环境科 学与工程领域内的研究热点之一。目前物理化学技术和生物处理技术是最常用的 脱氮除磷技术。物化处理技术主要包括空气吹脱法、折点氯化法、离子交换法和 化学沉淀法，具有快速高效的优点，但是通常需要外加大量化学药剂，成本较高， 且容易引起二次污染，维护困难。因此，生物处理方法以其成本低、能耗小、处 理效果好、不产生二次污染等优点成为主流技术。 1 2 1 生物脱氮工艺研究进展 1 2 1 1 传统生物脱氮原理 传统的生物脱氮工艺是基于硝化作用和反硝化作用而进行的。 硝化作用是首先利用氨氧化细菌( a m m o i l i ao x i d i z i n gb a c t e r i u m ，a o b ) 将 n h 4 + - n 氧化成n 0 2 - - n ，再由亚硝酸氧化细菌( n i t r i t eo x i d i z i n gb a c t e r i u m ，n o b ) 将n 0 2 _ n 氧化为n 0 3 。n 。总反应式可表示为式1 1 ，其中速率限制步骤是氨氧 化细菌将n h 4 + n 氧化成n 0 2 。_ n 的过程。 2 浙江大学硕士学位论文文献综述 n h 4 + 2 0 2 一n 0 3 一+ h 2 0 + 2 h + ( 1 1 ) 氨氧化菌是化能自养型细菌，以氨氧化为能源，以c 0 2 为碳源生长，生长 速度缓慢，同时对氧气、p h 、温度、生长基质和代谢产物等因素敏感，严重制 约了硝化反应器性能的提高和稳定运行。 反硝化作用是利用反硝化细菌将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮转化为气态产物脱 除的废水处理工艺。 反硝化细菌在分类学上没有专门的类群，在自然界分布广泛污水处理系统 中的反硝化细菌主要有变形杆菌、假单胞杆菌、产碱杆菌和小球菌等兼性细菌。 反硝化作用以有机物为电子供体的反应式可表示如下： n 0 2 一+ 3 h 专o 5 n 2 + h 2 0 ( 1 2 ) n 0 3 一+ 3 h 专o 5 n 2 + h 2 0 ( 1 - 3 ) 1 2 1 2 新型生物脱氮工艺 传统生物脱氮工艺由于硝化细菌和反硝化菌存在竞争而影响运行的高效性 和稳定性，因此，近二十年来，发展了一批高效经济的生物脱氮新工艺，包括： 同步硝化反硝化工艺、短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺等。 ( 1 ) 同步硝化反硝化工艺 同步硝化反硝化工艺( s i m u l t a i l e o u sn i t r i f i c a t i o na 1 1 dd e 血i f i c a t i o n ，s n d ) 是通过调控合适的溶解氧浓度在同一个反应器中同步实现硝化反应和反硝化反 应用。目前，关于同步硝化反硝化的形成机理，主要有以下三种观点： 宏观环境理论 该理论认为在实际生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态是不存在 的，在好氧为主的反应器中也会出现局部缺氧环境，因此在曝气过程中出现某种 程度的同步硝化反硝亿是完全可能的。 微环境理论 该理论认为填料内外由于微生物种群结构分布的差异性和曝气的不均匀性 使溶解氧梯度分布，填料生物膜外表面溶解氧浓度较高，以好氧硝化细菌为主要 菌群；氧传递至生物膜内表面时形成缺氧区，生物膜内层以兼性厌氧反硝化菌为 主要菌群，这种微环境易于形成同步硝化反硝化【引。 浙江大学硕士学位论文文献综述 生物学理论 同步硝化反硝化生物学理论是基于好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现而提 出的。彳砌z 咖咒鲫如e c 口凰( 产碱菌属) 、砌，口c c 搬比，z f 聊c 口凇( 脱氮副球菌) 以及r p “如m d 咒伽( 假单胞菌属) 等具有在好氧的条件下将h 4 + - n 氧化的能力， 同时在低溶解氧的条件下，能以n 0 2 n 或n 0 3 。- n 为电子受体氧化有机物【9 1 。 同步硝化反硝化的影响因素主要包括d o 、c n 比、h 1 玎、泥龄( s i 玎) 、食 微比( f 似) 、氧化还原电位( o i 冲) 等工艺参数，其中溶解氧浓度( d o ) 的控 制最为关键，一般控制在0 5 0 8m g l 。1 较为合适【1 们。 与传统的全程硝化反硝化相比，s n d 工艺可使硝化和反硝化在同一反应器 且同一操作条件下进行，过程相对简单，减少基建投资，操作管理简便；另一方 面，同步硝化反硝化工艺能有效维持反应器中酸碱度的平衡【1 1 1 。 ( 2 ) 短程硝化反硝化工艺 短程硝化反硝化工艺( s i l 唱l er e a c t o rh i g ha c t i v i 够a m m o n i ar e m o v a lo v e r n i t r i t e ，s h a r o n ) 是指在较高的温度( 3 0 _ 4 0 ) 下，a o b 的生长速率高于n o b ， 通过控制中温温度和合适的p h 值、较短的s i 玎( 污泥停留时间) ，将硝化反应 控制在亚硝酸盐阶段( 式1 。4 ) ，直接进行反硝化反应( 式1 5 ) 【1 2 1 。 n h 4 + 1 5 0 2 一n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h + ( 1 - 4 ) 6 n 0 2 一+ 3 c h 3 0 h + 3 c 0 2j3 n 2 + 6 h c 0 3 一+ 3 h 2 0 ( 1 - 5 ) s h a r o n 工艺是首个实现短程硝化反硝化技术并成功应用于工程实践的工 艺，在荷兰d o l ( 1 l a v e n 污水处理厂，已建成了规模为1 5 0 0 m 3 的反应器进行厌氧 硝化污泥压滤液脱氮处理，随后推广到荷兰u t r e c h t 污水处理厂【13 1 。采用该工艺， 单位氨氮处理费用仅为1 7 欧元瓜gn 瞰n ，远低于其他脱氮工艺。 与传统的全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化工艺具有以下优点：1 ) 节 省反硝化所需的外加碳源4 0 ；2 ) 好氧段节省2 5 的氧消耗量，从而减少动力 消耗；3 ) 无需额外添加化学试剂中和即可调控酸碱度的平衡；4 ) 工艺流程较 短，装置结构设计不用考虑活性污泥的截留。 ( 3 ) 厌氧氨氧化工艺 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o i l i u mo x i d a t i o n ，a n 锄1 m o x ) 工艺是指在厌氧 的条件下，同时存在氨和n 0 2 州0 3 。时，氨作为反硝化的电子供体，n 0 2 0 3 。 4 浙江大学硕士学位论文文献综述 作为电子受体，生成n 2 的过程【1 4 】。a n 猢o x 新型生物脱氮工艺最先由荷兰d e l n 工业大学提出，但事实上早在1 9 7 7 年就有科学家预测自然界可能存在某种微生 物将氨氮直接氧化为氮气15 1 。1 9 9 4 年，m u l d e r 【1 6 】等通过氮平衡和氧化还原平衡 证实脱氮反应器内发生了以n h 4 + 作电子供体、n 0 3 为电子受体的氧化还原反应 ( 式1 6 ) 。1 9 9 7 年，d eg | 徼f 【1 7 】等通过实验进一步发现，厌氧氨氧化确切来 说是以亚硝酸盐为电子受体，反应式如式1 7 ： 3 n 0 3 一+ 5 n h 4 + _ 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + ( 1 6 ) n 0 2 一+ n h 4 + 一n 2 + 2 h2 0 ( 1 - 7 ) 厌氧氨氧化工艺具有以下优点：1 ) 彻底改变需要外加碳源才能反硝化的传 统途径，节约能源6 0 以上；2 ) 将剩余污泥产量降至最低，节省污泥处置费用； 3 ) 污泥形式以颗粒污泥为主，容积负荷率高，占地省，节约投资。然而，厌氧 氨氧化技术工程化应用也受到很多因素的限制。例如，厌氧氨氧化菌生长速率极 低( 世代时间为1 0 d 左右) ，反应器启动时间长；厌氧氨氧化技术需要苛刻的中 温条件( 3 0 ) ；厌氧氨氧化工艺较适用于低c o d 、高氨氮的废水【1 引。 1 2 2 生物除磷工艺研究进展 1 2 2 1 生物除磷原理 目前普遍认为生物除磷是在厌氧好氧交替环境下由聚磷菌实现的。聚磷菌 在厌氧条件下，释放出细胞内储存的聚磷酸盐，同时产生能量以利用废水中的溶 解性有机基质，完成磷的释放；随后，聚磷菌进入好氧环境，又氧化分解体内储 存物质获得能量并大量吸收溶解态的正磷酸盐，在自身细胞内合成多聚磷酸盐并 加以累积，这一过程完成磷酸盐由废水向聚磷菌体内的转移，即磷的吸收【1 9 】。 聚磷菌通常是异养型细菌，主要分布于彳砌口勿施嬲妙( 不动杆菌属) 、彳鲫如册d ，脚 ( 气单胞菌属) 和风p “如m d 挖傩( 假单胞菌属) 。一般细菌体内含磷量只有2 左右，而聚磷菌超量吸磷可使其体内含磷量高达3 0 。好氧和厌氧能量动力学的 关键就在于摄取的磷比释放的多，从而形成了一种在生物体中浓缩磷的机制，并 最终通过剩余污泥排出1 2 0 】。 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 2 2 2 生物除磷工艺 传统的生物除磷工艺是在厌氧、好氧的交替环境下实现的，主要包括a o 工艺，b a r d e n p h 0 工艺，u c t 工艺，v i p 工艺等。 o 工艺是最简单的生物脱氮除磷工艺，但是容易受到水质波动的影响，于 是出现了a 2 o 工艺( 图1 1 ) 。a 2 o 工艺是在厌氧好氧工艺的基础上增设了图 中虚线部分所示的缺氧池，并将好氧池流出的部分混合液回流至缺氧池前端，来 达到硝化脱氮的目的。单独设置的厌氧缺氧好氧的功能分区有利于不同功能的 微生物菌种繁殖生长，各司其职，还可抑制污泥膨胀现象的产生，兼具削碳、脱 氮除磷的三重功能。a 2 o 工艺的特点是抗冲击能力强，运行较为稳定，但总磷 的去除率不是很高，因为回流污泥携带的硝酸盐和部分溶解氧影响除磷效果。现 阶段我国大部分污水处理厂都采用a 2 o 工艺，该工艺己相对成熟，但工艺流程 较长，水头损失大【2 1 1 。 混合液固流 污泥回流 图1 1 刖0 工艺及a 2 ，o 工艺流程图 f i 9 1 1p r o c e s sn o wd i a g i i 锄0 f o 锄da 2 o 直到上世纪9 0 年代初，荷兰d e l r 大学的k u b a 【2 2 1 等人发现在厌氧缺氧的交替 环境下，存在着一类微生物同时具有除磷和反硝化的双重作用，这类微生物被称 为反硝化除磷菌( d e i l i 仃i 黟i n gp h o s p h o r 邺r e m o v i n gb a c t e r i a ，d p b ) ，能够以氧 气或硝酸盐为电子受体【2 3 1 。反硝化除磷菌的发现为生物脱氮除磷工艺提供了一 条全新的捷径，研究人员继而开发出b c f s 、d e p h a n o x 和a 2 n s b r 等新工艺。 d e p l l a i l o x 工艺是b o r t o n eg 等人【2 4 1 于1 9 9 6 年根据w 锄e r 理论研究开发的新型双污 泥系统，v l a d i m i rt o r r i c o 等人通过分析研究d e p h 觚o x 工艺得出其工艺特点：1 ) 在厌氧池后设置沉淀分离，将硝化过程与除磷过程分开从而避免了菌种对碳源的 竞争；2 ) 采用后置反硝化工艺减少了硝酸盐的回流；3 ) 后置二次氧化和沉淀装 6 浙江大学硕士学位论文文献综述 置可进一步加强对磷的去除，从而获得稳定的去除效果【2 5 1 。 不同的生物除磷工艺具有不同的特点( 见表1 1 ) ，在实践应用中应针对水 质特点和工程需要选用合适的除磷工艺。 表1 1 不同除磷工艺的原理和特点 t a b l e l 1p r i n c i p l e s 锄dc h a m c t e s t i c so f d i 仟e r e n tp h o s p h o r u sr e m o v a l t e c h n o l o g i e s 1 2 3 生物脱氮与除磷工艺的矛盾 生物脱氮与生物除磷是两个相互独立又相互交叉的过程，涉及到硝化、反硝 化、厌氧释磷、好氧吸磷等过程，每个过程对菌种构成、环境条件、基质类型的 需求都不一样，因此，在同一污水脱氮除磷工艺中总是存在着矛盾关系【2 6 】： ( 1 ) 碳源的矛盾。在脱氮除磷系统中，反硝化和释磷都需要碳源，若满足 厌氧释磷对碳源的需求，就会造成反硝化对碳源需求的不足，影响反硝化效果； 反之则影响除磷效果。而硝化过程又对碳源存在着排斥，在整个脱氮除磷系统中， 形成碳源供需不平衡的矛盾关系。 ( 2 ) 溶解氧的矛盾。硝化细菌是好氧菌，反硝化细菌和除磷茵大多是异养 兼性菌，氧气的存在会阻碍硝酸氮的还原，脱氮和除磷对溶解氧浓度需求的差别 造成脱氮和除磷两个过程在空间上的难以统一。 7 浙江大学硕士学位论文 文献综述 ( 3 ) 泥龄的矛盾。硝化细菌增殖速度慢，通常需要较长的泥龄；而反硝化 菌和除磷菌增殖速度较快，泥龄相对较短。泥龄太长，不利于除磷，而泥龄短不 利于硝化细菌的存活，这就造成了同一脱氮除磷系统中泥龄的矛盾。 ( 4 ) 硝酸盐的矛盾。硝酸盐是硝化反应不可避免的中间产物，是反硝化反 应的基础物质条件，但硝酸盐的存在又会影响聚磷菌释磷过程的效率，甚至在挥 发性有机物较少时硝酸盐的存在会直接导致聚磷菌吸磷，因此脱氮和除磷过程存 在着硝酸盐的矛盾。 1 3 移动床生物膜反应器研究应用 1 3 1m b b r 工艺原理和特点 1 - 3 1 1 工艺原理和特点 移动床生物膜反应器( m o v 堍b e db i o f i h nr e a c t o r ，m b r ) 是集传统的活 性污泥法和生物流化床为一体的新型高效工艺，因其生物膜载体具有很高的比表 面积和与水接近的密度，生物膜在填料内外大量生长口7 1 。填料在曝气或搅拌的 作用下，保证了污水和载体上的生物膜频繁的接触，在提高传质效率的同时，保 持生物膜活性。b r 工艺具有处理能力高、抗负荷能力强、处理效果稳定、 能耗低、占地面积小以及操作管理简单等特点，适用于中小型污水处理厂在现有 工艺基础上的升级改造。近年来，国内外利用m b b r 技术对污水处理厂进行的 升级改造均取得了较好的效果【2 8 】【2 9 1 。 生物膜内外物质扩散对b r 处理工艺起重要作用。由于物质传递作用， 有效生物膜的相对厚度也尤为关键，通常基质渗透深度少于1 0 0 岬，因此移动床 生物膜反应器工艺的理想生物膜厚度是薄且分布均匀。为了达到理想效果，将基 质有效传输到生物膜内部，反应器内呈紊流状态，通过水流剪切力作用维持生物 膜一定的厚度，生物膜不断老化和更新维持了生物膜活性。m 【b b r 既可以通过 曝气用于好氧反应需要，也可通过搅拌设置为厌氧反应器。对于好氧b r 来 说，曝气扩散装置的设计决定反应器的性能，气泡从曝气设备扩散上升后与填料 碰撞接触破裂，增大与污水的接触面积，从而提高氧气的传质效率。所以，为了 获得较好的处理效果，要设定合适的曝气量，曝气量太小，填料不能自由悬浮翻 转；曝气量太大，则增加动力消耗。 浙江大学颐士学位论文文献综述 1 3 1 2 填料及反应器研究 m b r 工艺的核心在于比重接近于水、在气流作用下能成流化状态的生物 填料。通常填料由聚乙烯或聚丙烯材料制成，每一个填料的外形为中间有径向支 撑的小圆柱体，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的9 0 。与 传统的生物填料相比，m b b r 填料利用整个反应器体积增长生物量，水头损失 较小，而且由于生物膜上生长大量的微生物，b r 不需要污泥回流就能维持 较高的污泥浓度，单位体积处理负荷高：b r 工艺另一个特点就是可以根据 工程需要选择合适的填充率。考虑到填料翻转以及反应器的体积，填料的填充率 被定义为载体所占空间的比例，通常填充率最大为7 0 【3 0 1 。填料填充率越大， 气泡和填料接触的机会越大，但若超过合理的比例，会使填料间相互拥挤而影响 反应器流化状态。最早的b r 填料是挪威k a l d n e s 公司开发的，国外已有多 个利用k a l d n e s 悬浮填料处理污水的工程实例，其中三种最常用的k a l d n e s 生物 填料性质如表1 2 所示。国外污水处理厂大多采用k 1 填料，它采用p h e d 材料， 密度为0 9 5 9 c m 3 ，在连续运行1 5 年的工程规模b r 工艺中没有观察到填料 的破损和穿透。目前国内采用的填料也多是k l 填料及在此基础上的改性填料。 表1 2 常用生物填料特性 t a b l e l 2d a t af o rs o m eb i o f i l mc a r r i e r s 此外，水力停留时间也是工程应用b r 工艺的重要参数。水力停留时间 不仅决定了反应器内微生物和废水中有机物的接触反应时间，还可决定反应器的 体积大小，在工程设计中根据水力停留时间和进水流量即可设计相应反应器体 积。在实际工程应用前，一般会先进行小试实验研究不同水力停留时间对废水的 处理效果，从而选取最佳h 】 玎参数为工程设计做参考。s h h o s s e i i l i 等【3 l 】进行了 9 浙江大学硕士学位论文 文献综述 m b b r 工艺处理含酚工业废水的小试研究，考察了不同水力停留时间条件下 b r 的处理效果，结果表明酚类物质去除效率受水力停留时间和c o d d h c o d t o t ( 即废水中酚类物质的c o d 浓度与总c o d 浓度的比值) 的影响。当这一比值 从0 2 变化至1 时，仅当这一比值等于0 6 时，c o d 的去除效率最高且不受水力 停留时间的影响。这些有关网r t 的实验研究可为今后b r 工艺的推广应用提 供理论依据，但也需结合不同水质和实际情况分析，同时要结合其他b r 工 艺影响因素综合考虑，以挖掘b r 工艺的最大处理潜能。 上述两点分别从填料和设备结构的角度来研究b r 工艺的改进与发展， 其实除这最重要的两点以外还有很多内容值得研究，比如环境因素、水质条件。 环境因素包括：d o 、温度、p h 值等；水质条件包括：c n 比、进水水质水量波 动性、有毒有害物质、硝态氮的浓度等；另外还有涉及总磷去除的泥龄、停留时 间、磷的富集与释放等因素。特别是结合工程实际以后，需要从实际出发针对众 多影响因素进行具体的研究，这才能更全面更综合的解决工程实际问题。 1 3 2m b b r 工艺的研究进展 移动床生物膜工艺是在2 0 世纪8 0 年代研究开发的专利技术，1 9 8 9 年使用 该工艺建成了第一个城市污水处理厂，此后，鉴于移动床生物膜反应器的诸多优 点，该工艺及其组合工艺被广泛应用于城市污水、工业废水及脱氮除磷的试验性 研究3 2 1 ，但实际工程应用的实例还不多。 季民等【3 3 】利用m b r 处理生活污水，证实该方法挂膜容易，处理能力高， 出水水质稳定，操作管理简便。当进水c o d 为8 0 3 0 0 m 胡， 玎盯为2 4 h ，有 机负荷0 4 8 2 9 3k gc o d ( m 3 d ) 时，出水c o d 浓度降至3 0 “o m g l 。等【3 4 】 用b r 处理经化学沉淀预处理的市政污水，发现当d o 在2 m g l 左右时同步 硝化反硝化( s n d ) 现象的存在，t n 去除率达到8 9 9 。 工业废水水量和水质波动大，缺乏营养物质，甚至含有有毒有害物质，对废 水处理工艺的要求高。王学江等【3 5 】利用b r 处理石化废水，采用改性聚乙烯 填料，当卸 玎大于6 h ，反应器填料投加率为5 0 的情况下，出水各项指标均达 到了国家排放标准。王庆等【3 6 1 采用移动床生物膜反应器深度处理造纸中段废水， 在进水c o d 负荷为o 8 k ( m 3 d ) 、悬浮填料填充率为3 0 、d o 2 m 鲈、水力 停留时间为6 5 h 的条件下，b r 反应器运行稳定且处理效果良好，对c o d 和 1 0 浙江大学硕士学位论文 文献综述 s s 的去除率稳定达到5 0 以上。s i g 砌j 等用好氧b r 处理热机械纸浆白水 ( 5 5 ) ，在1 0 7 d 的试验时间里，运行中最高c o d 负荷为2 5 3 5k g ( m 3 d ) ， h r t 为1 3 2 2h ，c o d 去除率达到6 0 “5 【3 7 1 。 郭海燕等【3 8 1 考察了不同操作模式下移动床生物膜反应器对模拟污水的处理 效果，发现单级好氧序批式操作模式下，由于存在单个d o 周期性的变化，较连 续进水更有利于同步硝化反硝化的发生，脱氮率达到7 4 。而厌氧好氧序批式 操作使得进水中的有机物能够在厌氧阶段优先被聚磷菌和反硝化菌消耗，脱氮效 果最优，脱氮率达到8 8 ，其中t n 的脱除是由于进水和搅拌阶段的缺氧反硝化、 好氧阶段的s n d 。 c h e n 等【3 9 1 利用厌氧好氧b r 来处理城市垃圾渗滤液。结果表明，水力 停留时间对处理效率影响较大，当h r t 为0 7 5 d 时，系统对氨氮的去除率仅有 2 0 ，当好氧段卸 盯大于1 2 5 d ，系统对氨氮的去除率可达9 7 以上。另外还证 明m b b r 具有很强的抗冲击负荷能力，污泥产量低，厌氧m b b r 污泥产量仅为 0 0 5 3 8 9 v s s gc o d 。 王翥田等f 4 0 】通过向好氧池投加新型生物悬浮填料，将原有a 2 o 工艺改造成 为活性污泥b r 复合生物处理工艺，该工艺加强了污水处理厂冬季低温时期 对氨氮的去除效果，可以保证出水氨氮达标。实验还表明，活性污泥m b r 复 合生物处理工艺具有典型生物膜法及a 2 o 工艺的特点，投加填料的好氧池内有 效生物量巨大，其耐受低温、抗冲击负荷及脱氮效果较单一的活性污泥法更强。 m b b r 系统是活性污泥悬浮相和生物膜固定相相结合所形成的复合式生物 处理系统，有利于世代时间较长的硝化细菌的生长，有利于同步硝化反硝化的实 现，且占地面积小，运行管理方便。现阶段我国很多污水处理厂一方面必须提高 处理效率以应对日益严格的排放标准，另一方面对污水厂处理容量的要求越来越 高，也使污水处理厂面临着不断改进和扩建的需求。在我国未来中、小型污水厂 的改造和扩建中，b r 类型的复合式生物处理工艺具有极为广阔的应用前景。 1 4 研究意义与内容 富含氮磷的城镇污水大量排入水体是造成水体富营养化的主要原因，氮磷污 染同时也对生态环境和人类健康造成了巨大危害，因此采用高效稳定的工艺强化 浙江大学硕士学位论文文献综述 我国现有城镇污水处理厂的脱氮除磷至关重要。移动床生物膜反应器具有处理能 力高、抗负荷能力强、占地面积小、能耗低、操作管理简便等优点，适用于当前 中小型城镇污水处理厂在现有工艺基础上的升级改造。 本课题联合浙江省某污水处理厂，针对该污水处理厂原有氧化沟工艺脱氮除 磷效率低及运行稳定性差等问题，设计了一套中试规模移动床生物膜反应器进行 了强化脱氮除磷技术的研究，以期为污水处理厂的改造工程提供参数依据和理论 基础。本文着重开展了以下几方面的研究： ( 1 ) b r 反应器的启动性能及水力停留时间对m b b r 处理效果的影响； ( 2 ) 中试m b b r 活性污泥联合工艺对有机物和氮磷处理效果的研究； ( 3 ) 中试两段活性污泥法工艺处理效果研究，并对比b r - 活性污泥工艺 和两段活性污泥法工艺的处理效果。 1 2 浙江大学硕士学位论文城市污水厂m b b r 强化脱氮除磷中试装置设计 2 城市污水厂m b b r 强化脱氮除磷中试装置设计 2 1 污水处理厂原有处理工艺 为解决城市生活污水和工业废水的排放出路，改善区域水环境质量，浙江省某 污水处理厂建设了污水处理工程。该工程是一项跨县、市、区的大工程，它的建成 收纳、输送该地区范围内工业废水和居民生活污水，经二级生化处理后排入杭州湾。 该污水处理厂处理能力为3 0 万m 3 d ，工艺流程如图2 1 所示。现已稳定运行5 年，但出水水质无法满足排放要求，主要原因在于主体构筑物氧化沟池容偏小， 水力停留时间4 2h 较短，氨氮的处理效果不稳定，对总磷的去除依靠后续化学除 磷强化。可见，单一氧化沟工艺存在较大的脱氮除磷局限性。在氧化沟工艺中， 增殖速度快的微生物菌种优先利用废水中的有机物造成反硝化碳源不足，硝酸盐 的大量累积会对聚磷菌厌氧释磷造成不利；聚磷菌在氧化沟中依次通过好氧段和 缺氧段，使得原本好氧段摄取的磷在缺氧段又重新释放出来，总磷的去除率受到 影响。不同类型的氧化沟工艺处理效果也不一样，而该污水处理厂采用的微曝氧 化沟处理效率一般，在冬季低温时期氧化沟的处理效果更不理想。 除了工艺本身的原因，污水处理效果不理想还包括以下原因：进水中含有 6 0 以上的工业废水，水质复杂，难降解c o d 所占比例大；进水中氨氮和总磷含 量升高，负荷超出设计值；污水处理厂周围土地紧张，对现有工艺升级改造限制 性较大。上述种种问题都严重影响污水厂的处理能力，实际出水水质达不到城 镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的二级排放要求，因此该污水 处理厂急需升级改造。 图2 1 污水厂一期工程工艺流程图 f i 9 2 1p r o c e s sn o wd i a g r a i no ff i 体t - s t a g ep r o j e c ti 1 1w w t p 1 3 浙江大学硕士学位论文城市污水厂m b b r 强化脱氮除磷中试装置设计 2 2 进出水水质调研 2 2 1 污水厂进水水质分析 根据污水处理厂近年运行的实测迸水水质资料，分析一期工程现状