（市政工程专业论文）多点进水多级AO工艺处理城市污水的试验研究.pdf

摘要 摘要 由于城市污水处理厂普遍存在着脱氮和除磷效果不能同时达标的现状，为此 合理有效利用污水中的碳源高效脱氮除磷成为了近期研究的热点。本论文以北京 某污水处理厂初沉池出水为研究对象，采用多点进水多级a o 工艺，进行了不 同工况和不同运行参数条件下处理效果的试验研究，探讨了本工艺的主要影响因 素。 反应池由三级o 池串连而成，目的是为了强化生物脱氮除磷，使氮磷能 够同时达标排放。三级a o 必然要三点进水，目的是为了满足三个非曝气区反 硝化和厌氧释磷对碳源的需要。其中，三点进水量分别为总进水量的5 5 、3 0 、 1 5 ，采用进水量依次减小的方式。与普通活性污泥法相比，不设混合液回流设 备，污泥少量回流，工艺运行分六个阶段。该工艺可保证进水在运行周期的全过 程中经历了一个或多个缺氧( 厌氧) 好氧状态，这样污水经过一个或多个硝化、 反硝化和厌氧释磷、好氧吸磷后，增强了去除效果。 参照该水厂运行参数，本试验所采用的试验参数如下：污泥浓度维持在 2 5 0 0 m g l , 一4 0 0 0 m g l ；污泥龄是8 d ；好氧区d o = 2 - 4 m g l ；污泥回流比r = 1 0 0 ； 水温2 2 2 5 。试验共分为四个部分： 1 低c n 比条件下进行试验，此时进水c n 为3 2 ，其中c o d 为1 4 3 m g l - - 1 5 6 m g l ，总氮为4 3 m g l 5 0 m g l ，总磷在5 m g l 左右。经过系统处理后，出 水总氮2 0 m g l 左右，c o d 含量在2 0 m g l 左右，磷去除率较低，出水在4 7 m g l 左右，分析原因是因为污水中碳源不足，造成了氮磷的去除效果较差。 2 仅改变第一个进水点c n 比的试验，c n 比由初期的3 8 5 逐渐增大到4 7 5 ， 最终在c n 比为4 7 5 时出水c o d 为1 5 m g 1 ，总氮为1 3 m g l ，、总磷为0 s t a g 1 ， 达到了国家一级b 排放标准； 3 在各个进水点均改变c n 比的试验，c n 比由初期的3 3 逐渐增大到5 ，最终 在c n 比为5 时出水中c o d 为1 3 m g 1 ，总氮为1 2 m g 1 ，总磷为0 5 6m 朗，达到 了国家一级b 排放标准； 4 试验考察了不同的二沉池污泥回流比对流系统脱氮除磷的影响。将开始阶段 的1 0 0 回流比提高到1 5 0 。结果表明回流比提高到1 5 0 后对脱氮影响不大， 但是由于回流液中带回了更多的硝酸盐氮，这样对厌氧释磷造成了一定的影响， 使得出水总磷量超过了lm r 。 试验期间同时对系统中的微生物作镜鉴观察，在试验初期阶段，低c n 比 时，废水中碳源不足，系统没有出现生物除磷现象，活性污泥菌落呈褐色，结构 较简单，有指示污泥恶化的微生物出现，如草履虫这些快速游泳型生物。后期随 一i 一 北京工业大学t 学硕士学位论文 着c n 比的增加系统出现生物释磷现象，尤其当脱氮除磷都较好时，系统中活 性污泥菌落颜色变深，结构多样，菌落面积较大。镜鉴观察到的微型动物有轮虫、 钟虫、累枝虫、盖虫、有肋楣纤虫、独缩虫、聚缩虫等固着型或者匍匐型种属。 关键词：脱氮除磷；多点进水多级a o ；微生物相 a b s t r a c t a bs t r a c t f o rt h er e a s o nt h a tt h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e ni nm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t ，h o wt or e a s o n a b l yu s et h e c a r b o nr e s o u r c e si nw a s t e w a t e ra n dh o wt o e f f e c t i v e l yr e m o v en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sb e c a m e ah o t s p o to fd i s c u s s i o nr e c e n t l y 1 1 1 i sr e s e a r c ha d o p t e d c o m m u t a t i v em u l t i i n f l u e n ta n da 0p r o c e s st ot r e a tt h ee f n b e n to ft h ep r i m a r y s e d i m e n t a t i o nt a n ki ng a ob e i d i a nw e w a g ep l a n ts oa st os t u d yt h es e l e c t i o no f p a r a m e t e r sa n dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h ee f f e c t i v e n e s so fm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h er e a c t i o nt a n kc o n s i s t so ft h r e ea ot a n k ss oa st oe n h a n c eb i o l o g i c a lr e m o v e o fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n t r i p l e - a oi n c l u d e dt h r e ep o i n t so fi n l e tw a t e r , s oa st o m e e tt h ed e m a n do fd e n i t r i f i c a t i o ni nt h r e en o n a e r a t i o nz o n e sa n da n a e r o b i c d e p h o s o p h o r a t i o nf o rc a r b o nr e s o u r c e t 1 1 et o t a la m o u n t so fi n l e tw a t e rf r o mt h et h r e e p o i n t sd e c r e a s e df r o m5 5 t o3 0 a n da tl a s t t o1 5 c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r y a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，t h i sp r o c e s sd i dn o ti n c l u d et h em i x t u r ec i r c u m f l u e n c e e q u i p m e n t o n l yas m a l la m o u n to fs l u d g er e t u r n e d t h ew h o l ep r o c e s sw a sd i v i d e d i n t os i xs t a g e s i tc o u l db eg u a r a n t e e dt h a ti nt h ew h o l ep r o c e s so fc i r c u l a t i o n ，t h e i n - l e tw a t e rc a m et h r o u g ha tl e a s to n ea n a e r o b i cs t a g e ，s ot h a tt h es e w a g ew a sb e t t e r t r e a t e da f t e ro n eo rm o r en 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 , a n a e r o b i cd e p h o s p h o r i z a t i o n a n da e r o b i cp h o s p h o r i z a t i o n r e f e r r i n gt ot h ep a r a m e t e ro fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，t h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s o ft h i se x p e r i m e n tw e r el i s t e da sf o l l o w e d ： s l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a sb e t w e e n2 5 0 0 m g l - ，4 0 0 0 m g l ； h r tw a sa b o u t8 d ； a e r o b i cz o n ed o = 2 4 m g l ： s l u d g er e t u r nr a t i o ni p l0 0 ： w a t e rt e m p e r a t u r ew a s2 2 2 5 1 n l ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e du n d e rl o wc n i n l e tw a t e rc nw a s3 2 ，c o dw a s 1 4 3 m g l 1 5 6 m g l ，t o t a ln i t r o g e nw a s4 3 m g l - 5 0 m g l ，t o t a lp h o s p h o r u sw a s a b o u t5 m 1 a f t e rt h et r e a t m e n t ，i nt h eo u t l e tw a t e r ，t o t a ln i t r o g e nw a sa b o u t2 0 m g l ， c o dw a sa b o u t2 0 m g l mr e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r u sw a sr e l a t i v e l yl o w ，b e i n g 4 7 m e g l a f t e ra n a l y z i n g r e a s o nf o rt h el o w r e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s w a ss h o w e da st h ec a r b o nr e s o u r c ei nw a s t e w a t e rw a si n s 谢i c i e n t 2 c h a n g ec no f t h ef r s ti n f l u e n tp o i n t i n c r e a s ec nf r o m3 8 5t o4 7 5 a n dc o d i n t h ee f f l u e n tw a s15 m g l ，t o t a ln i t r o g e nw a s13 m g l ，t o t a lp h o s p h o r u sw a s0 8 m g l ，n l ei n d e xm e tt h er e q u i r e m e n to fn a t i o n a lo n ec l a s sbs t a n d a r d 3 c h a n g ec na te v e r yi n _ f l u e n tp o i n t c ng r a d u a l l yi n c r e a s e sf r o m3 3 t o5 ，a n d 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 w h e nc nw a s5 ，c o di ne f f l u e n tw a s13 m g l ，t o t a ln i t r o g e nw a s12 m g l ，t o t a l p h o s p h o r u sw a s0 5 6 m g l t h ei n d e xm e tt h er e q u i r e m e n to fn a t i o n a lo n ec l a s sb s t a n d a r d 4 t h i se x p e r i m e n ta n a l y z e dt h ei n f l u e n c e so ft h es l u d g er e t u r nr a t i oi nt h es e c o n d a r y s e d i m e n t a t i o nt a n kt ot h er e m o v a lr a t e so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ec o n t i n u o u s i n f l u e n ts y s t e m t h er e t u r nr a t i ow a si n c r e a s e dt o15 0 f r o m10 0 a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei n c r e a s ei nr e t u r nr a t i o nh a dn ob i gi n f l u e n c e h o w e v e r ，b e c a u s em o r e n i t r a t en i t r o g e nw a sb r o u g h tb a c ki nt h eb a c kf l o w , a n a e r o b i cd e p h o s p h o r i z a t i o nw a s i n f l u e n c e d t h et o t a la m o u n to fp h o s p h o r u si nt h ee f f l u e n te x c e e d e dlm g 1 d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，m i c r o o r g a n i s m si nt h es y s t e mw e r eo b s e r v e d i nt h ee a r l y s t a g eo ft h ee x p e r i m e n tw h e nn oa c e t i ca c i dw a sa d d e da n dt h e r ew a sn o te m c i e n t c a r b o nr e s o u r c e ，t h e r ew a sn ob i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o ni nt h es y s t e m a c t i v a t e d s l u d g ew a sb r o w na n di t ss t r u c t u r ew a ss i m p l y t h e r ew e r es o m em i c r o o r g a n i s m st h a t i n d i c a t e dt h ed e t e r i o r a t i o no ft h es l u d g e ，s u c hf a s t s w i m m i n gb a c t e r i aa sp a r a m e c i u m i nt h el a t e rs t a g e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fa c e t i ca c i d ，b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z t i o n o c c u r r e d e s p e c i a l l yw h e n t h er e m o v eo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw e r eb o t he f f i c i e n t ， t h ea c t i v a t e ds l u d g ei nt h es y s t e mt u r n e dd a r k ，i t ss t r u c t u r ew a sv a r i o u sa n dt h e c o l o n ya r e aw a sl a r g e r m i c r o o r g a n i s m so b s e r v e db ym i c r o s c o p ei nt h i se x p e r i m e n t i n c l u d e dr o t i f i e r , b e l l s h a p ew o r m ，b o u n c i n g - w o r m s ，e t c k e yw o r d s ：n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，c o m m u t a t i v em u l t i - i n f l u e n t ， m m r o o r g a n l s m 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：生勉e t ；i i ：逊墨：苎! 兰里 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：丝导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着人口的增长、经济的发展以及人们物质文化生活水平的提高，人类社 会对水的需求量迅速增长，加之人类活动造成水污染，使得世界上许多国家和地 区出现水资源危机，水资源紧缺已经成为当今世界许多国家社会经济发展的制约 因素，引起人们普遍的关注。 全世界有半数以上的国家和地区缺乏饮用水，特别是第三世界国家，目前 已有7 0 ，即1 7 亿人喝不上清洁的水；每年有5 0 0 多万人，其中包括2 0 0 万名 儿童死于与水有关的疾病；伴随流域水资源危机而出现的“环境难民”1 9 9 8 年就已 达到2 5 0 0 万人，超过了“战争难民”的人数n 】。有媒体报道指出，中国有四分之一 的人口在饮用不符合卫生标准的水，“水污染”已经成为中国最主要的水环境问题 吲。本节将从国内、外两方面讨论水污染现状。 1 1 国内外水污染现状 1 1 1 国内水污染状况 截止到2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网实际 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 i f 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 卿2 8 ，如图1 - 1 所示。主要污染指标为高锰酸盐指数、氪氮和石油类等。 2 2 图l 一12 0 0 6 年地表水断面水质类别比例 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 曼! 曼曼! 蔓曼曼皇! 曼皇曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼ii ! 曼曼曼! ! ! 曼! 曼! ! 曼皇曼曼曼鼍! 曼曼曼! 量曼皇! ! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼 f i g 1 - 1p r o p o r t i o no fd i f f e r e mk i n d so fw a t e rq u a l i t yo fs u r f a c ew a t e ri n2 0 0 6 1 1 1 1 七大水系水质状况 2 0 0 6 年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体水 质与上年基本持平。 国家环境监测网七大水系的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i 一- i i i 类，、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质 良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。主要污染指标 为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。 1 1 1 2 水库水质状况 监测统计的1 0 座大型水库中，石门水库( 陕西) 为i i 类水质；丹江口水库 ( 湖北) 、密云水库( 北京) 、董铺水库( 安徽) 、千岛湖( 浙江) 为i 类水质； 于桥水库( 天津) 、松花湖( 吉林) 为v 类水质；大伙房水库( 辽宁) 、崂山水库 ( 山东) 和门楼水库( 山东) 为劣v 类水质。主要污染指标为总氮。与上年相比， 于桥水库水质由类变为v 类，水质变差；其它9 座大型水库水质无明显变化。 大伙房水库为中度富营养状态，密云水库为轻度富营养状态，其余7 座大型 水库均为中、贫营养状态【弘5 1 。 1 1 1 3地下水水质状况 根据2 0 0 6 年1 6 3 个城市的地下水水质监测结果，主要监测点的地下水水质 以良好较差为主。深层地下水水质优于浅层地下水，开采程度低的地区地下水 水质优于开采程度高的地区。 项目年废水排放量( 亿吨)c o d 排放量( 亿吨)氨氮排放量( 亿吨) 度合计工业生活合计工业生活合计工业生活 2 0 0 l 4 3 2 9 2 0 2 6 2 3 0 31 4 0 4 86 0 7 57 9 7 31 2 5 24 1 3 8 3 9 2 0 0 2 4 3 9 5 2 0 7 2 2 3 2 31 3 6 6 95 8 4 7 8 2 91 2 8 84 2 18 6 7 2 0 0 34 6 02 1 2 42 4 7 61 3 3 3 65 1 1 98 2 1 71 2 9 74 0 48 9 3 2 0 0 44 8 2 42 2 1 12 6 1 31 3 3 9 25 0 9 78 2 9 51 3 34 2 29 0 8 2 0 0 55 2 4 52 4 3 12 8 1 41 4 1 4 25 5 4 88 5 9 41 4 9 85 2 59 7 3 2 0 0 65 3 72 3 9 52 9 7 51 4 2 8 21 4 1 34 2 1 9 9 2 表1 - 1 最近几年废水排放情况列表 t a b l e1 - 1c o n d i t i o n so f w a s t e w a t e rd i s c h a r g ei nr e c e n ty e a r s 在开展浅层地下水水质监测的1 2 5 个城市中，与2 0 0 6 年相比，主要监测点 第一章绪论 地下水水质呈恶化趋势的城市有2 1 个，主要分布在东北、西北、华东、中南等 地区；水质基本稳定的城市有9 5 个，全国各地均有分布：水质呈好转趋势的城 市9 个，呈零星分布。 在开展深层地下水水质监测的7 5 个城市中，与2 0 0 5 年相比，主要监测点地 下水水质呈恶化趋势的城市1 2 个，主要分布在东部沿海地区；水质基本稳定的 城市5 8 个，全国各地均有分布；水质呈好转趋势的城市5 个，呈零星分布。 2 0 0 6 年，全国废水排放总量为5 3 7 0 亿吨，比上年增长2 4 ；化学需氧量 排放量为1 4 2 8 2 万吨，比上年增长1 0 0 , 6 j 。 1 1 2 国外水污染状况 5 0 年代以来，由于西方国家的工业加速发展，用水量急剧增加，水污染日趋 严重，并逐渐出现水危机。资料报导，全世界每年约4 2 0 0 多亿立方米的污水排 入江河湖海，污染5 5 0 0 亿立方米的淡水，约占全球径水流量的1 4 以上。估计 今后3 0 年内，将增加1 2 倍，而为了稀释这些污水需要的淡水量将为实际流量的 3 倍多。 发达国家在工业迅速发展的过程中走了先污染后治理的路子，目前工业污染 及生活污染源己得到了有效的控制，普遍消除了有机污染、悬浮物等的影响，面 临的主要问题是湖泊的富营养化。美国和加拿大交界的五大湖是世界上最大的淡 水水体，在十九世纪5 0 - - 6 0 也曾污染严重。经过几十年的努力，目前，五大湖 的治理获得了惊人的成功，包括营养物削减、水生生物的恢复、饮用水与公共健 康的改善等，饮用水水源水质维持在一个很好的水平。但是仍面临改变湖体富营 养化的艰巨任务，目前依利湖和安大略湖仍属富营养型，休伦湖和密执安湖处于 中营养状态，只有苏必利湖水质最好，属贫营养型。联合国环境规划署的统计资 料表明整个美国境内有7 6 的湖泊处于富营养化、2 3 处于中营养水平。 饮用水方面，由于世界经济的持续发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、 农药、杀虫剂及除草剂等工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不断增加， 各种生产废水和生活污水的未达标排放，对对地表水源造成极大的危害，水源水 质急剧下降，致使一些水厂不得不增加深度处理工艺，强化对污染物的控制。 1 2 富营养化的来源及危害 国内外的水污染现状都表明有机物污染、富营养化是当前水污染治理中存在 的主要问题，发达国家虽然己经消除了有机物污染，但富营养化依然存在，富营 养化是世界范围内所面临的共同课题。 水体中的氮磷来源很多，其中有外源性负荷和内源性负荷。外源性的氮磷有 ， 北京t 业大学工学硕士学位论文 面源污染和点源污染。面源污染主要来源于农业，点源污染主要来源于生活污水 和工业废水【7 1 。内源性负荷有沉积物中氮和磷的释放、水生动植物新陈代谢分解 等。其来源可以分为以下四种方式：一是因为部分排放氮磷的工业企业达标排放 率不稳定，企业排放量较多，同时国家规定的排放氮磷企业的排放标准相对较低。 第二，大量氮磷随城市生活污水排放，但由于我国相当一批早期建设的污水处理 厂尚不具备脱氮除磷的功能，目前我国污水处理率虽然已经达到5 7 ，城市污水 排放也相应造成氮磷浓度值上升。第三，规模化的畜禽养殖场污染尚未得到很好 的治理。第四，化肥的过度使用也促成了氮磷污染的上升。 水体富营养化实质上是自养型生物( 主要是浮游植物) 在水中建立优势的过 程【8 】。由于流域周围生活污水、工业废水排放，农业径流以及畜牧、水产、旅游 的影响，可造成氮、磷、有机物等营养元素大量进入水体( 如湖泊、水库) ，使 水生生物特别是某些特征性藻类等浮游生物异常繁殖，有机物的分解消耗水中大 量的溶解氧，溶解氧的降低，生物窒急而死，大量的有机体在微生物的作用下分 解氧化释放出甲烷、硫化氢、二氧化碳等使水质变坏发臭，导致水体的富营养化， 使水体生态系统与水体功能受到损去与破坏，加速水体老化过程。 1 3 传统生物脱氮除磷机理 环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严 格的氮、磷排放标准，这也使污水脱氮除磷技术一度成为污水处理领域的热点和 难点。我国现有的城市污水处理厂长期以来主要是针对碳源污染物的去除，忽视 了对导致水体富营养化的主要营养盐氮、磷的去除。城市污水经常规活性污泥法 等二级处理后，虽然b o d 5 去除率可达9 0 以上，但脱氮率一般仅为2 0 - 5 0 ， 除磷率为2 0 , - - - , 3 0 9 1 。出水总氮和总磷含量大大超过了富营养化的临界浓度， 所以必须进行脱氮除磷处理。 1 3 1 生物脱氮基本原理 氮在污水中的主要存在形式有分子态氮、有机态氮、氨态氮、亚硝态氮和硝 态氮以及硫氢化物和氰化物，而未处理的原废水中，有机态氮和氨氮是氮的主要 存在形式；经二级生化处理后出水中氨氮和硝态氮是氮的主要存在形式。在一定 条件下各种形式的氮可以相互转化。废水脱氦的基本原理是将有机氮转化为氨氮 通过硝化反硝化产生氮气从而达到脱氮的目的【1 0 13 1 。进水中的总氮可有三种出路 吲：一部分转化为n 2 ，n x o v ，n h 3 等氮的气体形态从反应器的上方逸入大气；另一部 分在反应过程中被结合入细胞或被微生物吸附，随剩余污泥排除，余者则随出水 第一章绪论 排出。生物脱氮的目的在于尽可能降低出水中总氮，而努力增加另外两种途径的 排氮量。由于微生物的同化作用对于氮的需求十分有限，细胞中的含氮量不大， 通常为1 0 左右。考虑吸附等因素，由剩余污泥排除实现的脱氮量约占进水总氮 的3 0 左右，因此通过该途径难以达到显著的脱氮效果【1 4 1 。把各种形态的氮转化 为气体形态并排入大气是目前生物脱氮的主要途径。在自然界存在着氮循环的自 然现象。在采取适当的运行条件后，是能够将这一自然作用运用在活性污泥反应 系统中。 完整的生物脱氮过程包括氨化、硝化和反硝化三个过程【1 5 1 羽。 ( 1 ) 氨化作用 含氮有机物经过微生物降解释放出氨的过程即是氨化作用。这里的含氮有机 物一般指动、植物和微生物残体，以及它们的排泄物、代谢物所含的有机氮化物。 污水中的有机氮首先在微生物产生水解酶作用下逐步水解为氨基酸，这个过程可 在细胞内或细胞外进行；然后水解形成的氨基酸在氨化细菌脱氨基酶作用下产生 氨。脱氨方式有氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨。 ( 2 ) 硝化作用 生物硝化是由两组自养型硝化细菌一一亚硝酸盐细菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝 酸盐细菌( n i t r o b a c t e r ) ，将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。反应过程亚硝酸细菌、 硝酸细菌参与整个反应，在好氧条件下进行，并以0 2 作为电子受体，消耗一定的 碱度，将氨氮转化为亚硝酸盐，并进一步转化为硝酸盐。硝化作用的好坏将直接 影响脱氮效率。生物硝化应用于污水生物处理中只需要脱氮，而不需去除全部的 氮( 即允许氮以硝态氮、亚硝态氮形式存在) 的情况，硝化作用的程度往往是生 物脱氮的关键。 ( 3 ) 反硝化作用 反应过程是由兼性异养型微生物一反硝化菌来完成的。其反应是在无氧或低 氧条件下，利用各种有机质作为电子供体，以硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体而 进行缺氧呼吸，生成氮气，从水中逸出，从而达到脱氮的目的。反硝化菌需要有 机碳源( 如甲醇等) 作为电子供体。 1 3 2 生物除磷基本原理 所谓生物除磷1 9 抛】，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，。达到从污水中除磷的效果。在生物除磷工艺系统中，进入生 化反应系统的总磷只有两条出路：或被微生物吸附及结合入细胞随剩余污泥排 出，或者随出水排出。生物除磷的方法在于提高剩余污泥含磷量和排放量，努力 减少出水中的总磷的浓度。 北京工业大学工学硕士学位论文 生物除磷机理比较复杂，其过程可分为两部分： 第一步是在厌氧条件下，由于废水中没有溶解氧和化合态氧( n 0 x ) ，一般 无聚磷能力的好氧菌以及脱氮菌不能产生a t p ，而聚磷菌p a o s ( p h o s p h o r u s - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 却能够分解胞内聚合磷酸盐和糖原产生 a t p ，并利用a t p 将污水中的挥发性脂肪酸( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ，v f a s ) 等有机物 摄入细胞，并以聚d 羟基烷酸等有机颗粒的形式储存于细胞内。聚磷的分解将引 起细胞内磷酸盐的积累，由于过多磷酸盐不能全部用于生物体合成作用，所以部 分磷酸盐被相应得载体蛋白通过主动扩散方式排到胞外，使主体溶液中磷酸盐浓 度升高2 3 2 5 1 。 第二步是在好氧条件下，聚磷菌利用溶解氧作为电子受体，以厌氧条件下贮 存的聚b 羟基烷酸作为电子供体，通过氧化分解作用为积累聚磷、生长繁殖和合 成糖原提供能量和碳源。此过程可以观察到细胞内聚d 。羟基烷酸迅速减少，而聚 磷颗粒迅速增加，即磷酸盐由污水向聚磷菌体内转移【2 6 - 2 8 1 。一般来说，在微生物 增殖过程中，在好氧环境下摄取的磷比厌氧环境中所释放的磷要多，污水生物除 磷正是利用了微生物这一过程，作为剩余污泥排走。 1 3 3 生物脱氮除磷机理的研究进展 随着近代生物的发展、水处理微生物学等方面的进步以及人们对生物技术的 掌握，脱氮除磷技术已经从单纯的工艺改革向以生物学特性研究并促进工艺改革 的方向转变。近年来，国内外的学者对提出了一个新的城市污水处理技术新概念： 可持续生物脱氮除磷工艺，它是以脱氮除磷为主要对象的生物营养物的去除工 艺，即通常所说的b n r ( b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ) i 艺。以下是具体的一些新 的观点。 1 3 3 1 生物脱氮机理的进展 ( 1 ) 同步硝化反硝化 根据传统生物脱氮理论，硝化和反硝化反应过程不可能同时进行。然而，近 年来大量的试验研究表明在生物转盘、m b r 、流化床、氧化沟和s b r 等工艺中 确实发现硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下于同一反应器内进行，即 发生同步硝化反硝化反应。与传统的生物脱氮技术相比，s n d 工艺可以减少反应 设备的数或体积，减少工程造价；降低氧气的供给，节省能耗；减少甚至不需要 碳源的投加，节省药剂费用等。 ( 2 ) 中温亚硝化 2 9 - 3 1 】 它是指在同一个反应器内，先在有氧的条件下，利用氨氧化细菌将氨氧化生 成n 0 2 ；然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐反硝化，生成氮 一6 一 第一章绪论 气。这个工艺其实是短程生物脱氮工艺。它具有以下特点：将氨氧化过程控制在 亚硝化阶段，并且成功应用了硝化菌和亚硝化菌的不同生长速度，即在较高温度 下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌的生长速度；硝化与反硝化在同一个反 应器内完成，可简化工艺流程：硝化产生的酸度可部分的由反硝化产生的碱度中 和：可缩短水力停留时间，减小反应器体积和占地面积，即可节省工艺反硝化过 程的所需的外加碳源。由于只须将氨氮氧化到亚硝酸盐，可减少供气量，节省动 力消耗。 ( 3 ) 厌氧氨氧化p 2 1 厌氧氨氧化生物脱氮是指在厌氧条件下，微生物直接以氨氮为电子供体，直 接以亚硝酸氮或硝酸氮为电子受体，将氨氮、亚硝酸氮或硝酸氮转变为氮气。其 特点是由于厌氧氨氧化是自养的微生物过程，所以不需投加有机物以维持反硝 化，且污泥产率低，同时也改善了硝化反应产酸、反硝化反应产碱均需中和的情 况。 ( 4 ) 短程硝化反硝化【3 3 j 短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸氮阶段， 阻止n 0 2 - 的进一步氧化，然后直接进行反硝化。影响亚硝酸积累的因素有：游离 性氨、温度、p h 值、溶解氧( d o ) 以及污泥泥龄等。短程硝化反硝化生物脱氮的 典型工艺主要有s h a r o n 和o l a n d 工艺。 1 3 3 2 生物除磷机理的进展 自1 9 5 5 年首次报道生物“超量吸磷 现象以来，生物除磷的废水处理工艺 应用于世界各国的许多污水处理厂，国内外学者在对生物除磷的基本原理认识的 基础上，对生化机理的研究逐渐深入展开。目前关于除磷的机理还有很多争议， 于生物脱氮机理研究相比，生物除磷系统中聚磷菌的代谢机理仍然不是十分清 楚，而且反硝化除磷现象的发现使得这种强化生物除磷的代谢机理比现在的生化 机理要复杂得多【3 4 1 。因为许多结论都是在试验室获得，而试验室的条件与实际运 行有很大的差距。其中最大差异存在于试验室模拟的生物除磷反应器中的微生物 菌群组成、种类和数量与实际生物除磷水厂之间。目前国内外学者对生物强化除 磷系统中聚磷菌的代谢机理进行了大量研究，并且得出比较认可的结论。 ( 1 ) 反硝化除磷的研究 传统的除磷脱氮理论和实践都是让不同的微生物种群( 聚磷菌、硝化菌等) 以 不同的空间或时间顺序经过不同的反应器，通过各反应器的优势菌种去除不同的 营养物质( 氮、磷、c o d c 0 。但近年来的研究表明一种特殊的微生物可以同步除 磷脱氮。根据其功能，人们称这种微生物为反硝化聚磷菌( d p b ) 。现在的文献一 般倾向于认为d p b 由一类细菌组成，这类细菌既能在厌氧、缺氧和好氧条件下生 北京工业大学工学硕十学位论文 长，又能在厌氧、缺氧条件下生长，在厌氧、缺氧和好氧条件下这类细菌是聚磷 菌( p a o s ) 的一部分，在厌氧、缺氧条件下这类细菌被称为反硝化聚磷菌( d p b ) 。 在厌氧条件下，反硝化聚磷菌吸收污水中的易降解有机物质将其转换成挥发性有 机酸，然后通过将体内的多聚磷酸盐分解成正磷酸盐所获得的能量来合成反硝化 聚磷菌的胞内物质聚b 羟基丁酸( p h b ) 。在缺氧条件下，反硝化聚磷菌利用厌氧 条件下合成的胞内物质p h b 作为碳源( 电子供体) ，以硝酸盐氮作为电子受体进行 同步除磷脱氮。由于胞内p h b 既作为反硝化的碳源，又作为反硝化聚磷菌过量吸 磷的能源，实现了“一碳两用”的目的，因此反硝化聚磷菌同步除磷系统与传统 的除磷脱氮系统( 如u c t ) 相比可以节约碳源【3 5 , 3 6 】。 由于反硝化聚磷菌可以在缺氧环境吸磷，这就使得吸磷和反硝化脱氮这两个 生物化学过程借助同一细菌在同一种环境下同时完成，不仅可节省曝气量及污泥 产量，并且能实现“一碳两用 ，降低了对碳源的需求量。虽然利用硝酸盐产生 的能量低，但富集反硝化聚磷菌的工艺系统却能取得较好的除磷效果 3 7 】。这一点 很重要，因为对于许多城市污水厂来说，特别是南方城市，进水有机碳源含量都 不足以满足同时脱氮除磷的需求。 ( 2 ) 碳源种类对除磷的影响 目前国外学者大多采用人工配水且以乙酸作为唯一碳源考察聚磷菌p a o s 的 生化反应。他们认为在厌氧条件下，p a o s 能够迅速的吸收污水中短链脂肪酸 ( s h o r t c h a i nf a t t ya c i d s ，s c f a s ) 于体内并且合成p h a s ，分解体内的聚磷和糖原 产生a t p ，同时释放磷酸盐于溶液中；生成的a t p 用于把s c f a s 运输到体内并将 其活化，活化后的s c f a s 被还原后合成p h a s 以供好氧条件下使用。 1 4 生物脱氮除磷工艺的研究进展 随着工业的发展，人民生活水平提高，环境污染和水体富营养化问题的尖锐 化使越来越多的国家和地区制定严格的氮、磷排放标准，这也使污水脱氮除磷技 术一度成为污水处理领域的热点。目前，传统的同步脱氮除磷工艺主要有o 工 艺、s b r 工艺、a b 工艺、氧化沟工艺等，但这些工艺都存在不能同时使脱氮和 除磷达最佳效果的缺点。为了达到较好的脱氮除磷效果，环境工作者对一些传统 工艺进行了改进或设计出新工艺，本节分别对这些工艺作介绍，以探讨脱氮除磷 工艺的研究进展。 第一章绪论 1 4 1a 2 o 工艺 混合液回流 剩余污泥 水 图1 - 2a 2 o 工艺流程图 f i g 1 2t h ep r o c e s sf l o wo fa 2 o a 2 o z r _ 艺流程简单，见图1 2 ，厌氧、缺氧、好氧交替运行，可以达到同时 去除有机物、脱氮、除磷的目的，同时能够抑制丝状菌生长，基本不存在污泥膨 胀问题，总水力停留时间，缺氧、厌氧段只进行缓速搅拌，运行费用低【3 剐。该工 艺一般设计参数为：厌氧h r t 为o 5 2 h ，缺氧h r t 为0 5 3 h ，好氧h r t 3 5 9 h ； s r t 为2 毗5 d ；污泥回流比为5 0 - 1 0 0 ；内循环比为8 0 2 0 0 。但是多年来的运 行和试验经验表明a 2 o 工艺存在以下问题：硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负 荷、泥龄以及碳源需求上存在矛盾和竞争，很难在同一个反应系统中同时获得氮 和磷的高效去除，其中最主要的问题是厌氧环境下反硝化与释磷对碳源的竞争， 完全除磷是不太可能的，有可能需要辅助化学除磷。 一针对a 2 o 工艺的不足，张波鲫等人提出了倒置a 2 o i 艺并且进行了研究，其 工艺流程见图1 3 。他们认为按照缺氧厌氧好氧方式即与传统的厌氧缺氧环境倒 置过来运行更有利于氮、磷的去除。其特点有：缺氧区位于厌氧区之前，硝酸盐 在这里消耗殆尽，厌氧区o r p 较低，有利于微生物形成更强的吸磷动力；微生物 厌氧释磷后，直接进入生化效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的吸磷动 力可以得到更充分利用；缺氧段位于首端，反硝化优先获得碳源。进一步加强了 系统的脱氮能力；由于取消了内循环，倒置a 2 o i 艺在流程上更为简捷；参与回 流的全部污泥均经历了完整的厌氧一好氧过程，在除磷方面具有一种“群体效 应”，是十分有利的。 北京工业大学工学硕士学位论文 出水 图1 - 3 倒置a 2 o 工艺流程图 f i g 1 - 3t h ep r o c e s sf l o wo fi n v e r s e da 2 o 剩余污泥 1 4 2u c t 工艺 图1 - 4 为u c t i 艺流程图，此项工艺将a 2 o 中的污泥回流由厌氧区改到缺氧 区，使污泥经反硝化后再回流至厌氧区，减小了回流污泥中的硝酸盐含量。与a 刁o 工艺相比