（环境工程专业论文）cept—mbbr组合工艺脱氮除磷研究.pdf

摘要 摘要 经过2 0 多年的迅猛发展，我国经济实力快速提升，同时对资源环境也形成 巨大压力，水污染问题尤其突出。随着环保要求同益严格，脱氮除磷成为污水 处理的必然发展趋势，而我国现有城市污水厂大多为二级污水处理厂，对氮、 磷等营养性元素没有处理效果，因此，现有污水厂升级改造已成为亟待解决的 问题。另外，在我国广大中小城镇，污水厂普及率相当低，考虑n d , 城镇经济、 技术水平等因素，开发低成本、高效率、运行管理简单的污水脱氮除磷工艺具 有重要意义。据此，本文对化学强化絮凝( c e p t ) 联合流动床生物反应器( m b b r ) 脱氮除磷进行了小试和中试研究，探索新工艺技术可行性并为工程实践提供参 考。研究结论主要如下： 1 二沉池剩余污泥作为生物助凝剂，在达到一定污泥浓度情况下助凝效果 良好；但从理论计算结果来看，在以脱氮为主要功能的后续生物处理段中，要 提供满足生物化学絮凝所要求的回流污泥量，低温条件下，存在于泥龄偏短的 问题。 2 以有机物去除率、氨氮去除率以及污泥沉降性能作为m b b r 反应器是否 启动成功的标准较为可靠；当m b b r 对有机物去除率稳定达到7 0 ，对氨氮去 除率稳定达到6 0 ，且污泥沉降性能( s v i ) 稳定不变时，可认为m b b r 挂膜 完成。 3 在水力停留时间为3 4 5 0 h ，填料投配率为5 0 的条件下，m b b r 对有 机物和氨氮去除效果良好，出水水质完全达到了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 ) 中二级标准，部分监测指标达到一级b 标准。 4 组合工艺脱氮除磷效果良好。在p a c 投加量为2 8 6 - 3 0 0 m g l ，总水力 停留时间5 9 7 0 小时( 含c e p t 、m b b r 以及二沉池) ，填料投配率为3 0 5 0 的情况下，出水水质完全达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 ) 中一级b 标准要求，部分出水水质指标达到一级a 要求。 5 中试装置化学絮凝出水b o d 5 厂r l 比通常生物脱氮要求比值略低( 约为 3 左右) ，但其溶解性有机物比例大大提高。通过物料平衡计算发现，c e p t 没有 对后续反硝化碳源产生影响，即组合工艺不存在常规生物脱氮除磷工艺中碳源 矛盾的问题。 6 两工况中化学污泥c s t 平均值分别为1 3 4 6 s 和1 3 9 2 s ，脱水性能基本相 摘要 同，这说明在进水水质相似和絮凝剂投加量相近条件下，产生的化学污泥脱水 性能比较稳定；生物污泥c s t 平均值为4 2 5 s ，脱水性能好于化学污泥，因此可 考虑将化学污泥和生物污泥混合后处理以改善化学污泥的脱水性能，减小脱水 难度。 7 组合工艺的污泥产率为1 6 0 k g s s 1 0 3 m 3 ，其中，化学污泥占总污泥量的 8 7 5 ，生物污泥占总污泥产量的1 2 5 ；在进水水质相似条件下，组合工艺产 泥率要低于其他工艺( 含初沉池) ，约为其他工艺污泥产率的8 0 - 9 0 。 8 强化絮凝流动床生物氧化工艺脱氮除磷效果可靠，出水水质好，基 建、运行费用低，操作、管理、维护方便，无论在新建有脱氮除磷要求的污水 处理厂还是对原有污水处理厂升级改造方面都很有竞争力，具有广阔的应用前 景。 关键词：脱氮除磷，悬浮填料，生物膜，投配率，硝化，反硝化，碳源，污泥 产率 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e rm o r et h a n2 0y e a r sf a s td e v e l o p m e n t ，o u rc o u n t r ye c o n o m i cs t r e n g t hh a s b e e ng r e a t l ye l e v a t e dw h i l et h eh u g ep r e s s u r et ot h ee n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e s a p p e a r sm o r eo b v i o u s w a t e rp o l l u t i o ni se s p e c i a l l ys e r i o t i s a tp r e s e n t ，m o s to fo u r c o u n t r y se x i s t i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p ) a r es e c o n d a r yw w t p s w i t h o u tt h ec a p a b i l i t yo fr e m o v i n go fn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u s w i t hm o r ea n dm o r e s t r i c ts t a n d a r d so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t n u t r i e n t sr e m o v a lw i l lb eab a s i cr e q u i r e m e n t f o rw w t p s r e t r o f i t sa n du p g r a d i n go fe x i s t i n gw w t p sh a st ob eau r g e n tp r o b l e m t ob es o l v e d b e s i d e s o u rs m a l lc i t i e sa n dt o w n sa r es h o r to fw w t p s a n di t s s i g n i f i c a t i v et od e v e l o pa n dr e s e a r c hn e wn u t r i e n t sr e m o v a lp r o c e s sw i t hl o wc o s t s h i g l le 伍c i e n c i e sa n de a s ym a i n t a i n su n d e rt h ec o n d i t i o no fw e a k n e s si ne c o n o m i c a n dt e c h n o l o g i e si nt h e s ea r e a s t h e r e f o r e t h i sp a p e rm a k e sl a b s c a l ea n dp l a n t - s c a l e e x p e r i m e n t st os t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc e p t m b b ru n i t e dp r o c e s s a l s o o f f e r ss o m ei m p r o v e dp a r a m e t e r st om a k er e f e r e n c e s f o rf u t u r ea p p l i c a t i o n s t h e c o n c l u s i o n so fm yp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e s i d u a ls l u d g ef r o ms e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kh a sg o o fe f f e c to n f l o c c u l a t i o nw h e na ta p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o n ；t h e o r e t i ca n a l y s es h o w st h a tt h e s u b s e q u e n tb i o l o g i c a lt a n kw h i c hh a st om e e tt h er e q u i r e m e n to fn i t r o g e nr e m o v a l m a yn o t0 f f e re n o u g hr e s i d u a ls l u d g ef o rc h e m i c a l b i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n 2 i ti sr e l i a b l et ou s eo r g a n i c sr e m o v a lr a t e n i t r o g e nr e m o v a lr a t ea n ds v ia s i n d e x e st h a ti n d i c a t ew h e t h e rm b b rs t a r t u ps u c c e s s f u l l y ；w h e no r g a n i c sr e m o v a l r a t eo fm b b ra t t a i n s7 0 ，n i t r o g e nr e m o v a lr a t ea t t a i n s6 0 a n ds v ia r es t a b l e i t c a r lc o n s i d e rt h a tm b b rh a ss t a r t e ds u c c e s s f u l l y 3 e f f l u e n tf r o mm b b ri sg o o da to r g a n i ci n d e xa n dn i t r o g e ni n d e x a n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n tt h ef i r s tr a n kbo f w h e nf i l l e dw i t i l5 0 s u s p e n d e dc a r r i e r sa n d 3 4 - 5 o hh r t 4 u n d e rt h ec o n d i t i o no f2 8 6 3 0 0 m g lp a c d o s a g e t o t a lh i 玎5 9 7 0 ha n d f i l l e dw i t h3 0 5 0 s u s p e n dc a r r i e r so fr e a c t o rv o l u m e t h ec o m b i n e dp r o c e s si s o u t s t a n d i n ga tn u t r i e n t sr e m o v a lw i t ha l li n s p e c t e di n d e x e sa b s o l u t e l ym e e t i n gt h e r e q u i r e m e n to ft h ef i r s tr a n kbo f ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) e v e n p a r t l yt h ef i r s tr a n ka 5 c o d s c o d ，i nc e p te f f l u e n ti n c r e a s e dg r e a t l ya n dt h eq u a l i t yo fc a r b o n s o u r c ea l s oi n c r e a s e sa sf o rn i t r i f i c a t i o n t h o u g l lt h e o r e t i c a la n a l y z ea n dc a l c u l a t i o n ， c e p td o e s n ta f f e c tc a r b o ns o u r c ef o rs u b s e q u e n tn i t r i f i c a t i o n 6 t h es l u d g ey i e l do ft h ec o m b i n e dp r o c e s s16 0 k g s s 10 3 m w h i l e8 7 5 o ft h e t o t a jf r o mc e p ta n dl2 5 f r o mm b b r ；u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs i m i l a ri n f l u e n t i i i a b s t r a c t t h e s l u d g ey i e l d o ft h ec o m b i n e d p r o c e s s i s r e l a t i v e l y l o wt h a no t h e r p r o c e s s e s ( i n c l u d i n gp r i m a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k ) a n di sa b o u t8 0 t o9 0 o fo t h e r p r o c e s s e s 7 t h ea v e r a g ec s to fc h e m i c a ls l u d g ei nt w oe x p e r i m e n t sa rel3 4 6 sa n d 13 9 2 s i ti n d i c a t e dt h a tu n d e rs i m i l a ri n f l u e n ta n dc o a g u l a n t sd o s a g e t h ec h e m i c a l s l u d g ew a ss t a b l ei nd e w a t e r i n g t h ea v e r a g ec s to f t h es l u d g ef r o mm b b r i s4 2 5 s t h e r e f o r e ，i ti sc o n s i d e r e dt oc o m b i n ec h e m i c a ls l u d g ea n db i o l o g i c a ls l u d g et o i m p r o v et h ee f f e c to fd e w a t e r i n g 8 c e p t - m b b ru n i t e dp r o c e s sh a sc h a r a c t e r i s t i c so fg o o de f n u e n t s t a b l eh i g h e f f i c i e n tf o rn u t r i e n t sr e m o v a l ，r e l a t i v e l yl o wc o s t so fc o n s t r u c t i o na n df u n c t i o n c o n v e n i e n c eo fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，a n dw i d ep r o s p e c tf o rw h a t e v e r c o n s t r u c t i o n so fn e ww w t p s r e q u i r e do fn u t r i e n t sr e m o v a lo ru p g r a d i n go fe x i s t i n g o l dw w t p s k e yw o r d s ：n u t r i e n t sr e m o v a l ，s u s p e n d e dc a r r i e r , b i o f i l m ，f i l l i n gr a t i oo fs u s p e n d e d c a r t i e r , n 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 ，c a r b o ns o u r c e ，s l u d g ey i e l d w 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 躲修 御弓月2 1 - 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者等名：能l 6 w 力一一7 州年弓月2 e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 将刻噬各励纡 少易年乡月毒日 亥确 舔一 轹 乡 签 ：。 利 库 佑 形 文 驰 帔少 位 第1 章概述 第1 章概述 1 1 我国水污染现状及污水脱氮除磷必要性 1 1 1我国水污染现状 人类活动所能利用水的最广泛来源是地表水，这包括所有的湖泊、溪流和河 流。这些地表水源通过蒸发而损耗，又通过降水得到补充，形成了自然界的水 循环。地表水资源的污染可归结为两类，一类是点源污染，主要是工厂、城市 合流排污管道出流以及污水厂排水：另一类是非点源污染，主要包括农业灌溉 溢流，由采矿或地质结构活动造成的地表冲蚀和大气降水。能对地表水体产生 污染的物质有很多，目前人们关注的主要是有机物、氮磷等营养元素、病原体、 有毒化合物、有毒金属、酸度及盐类1 1 1 。随着全球城市化和工业化进程加快，水 污染问题对人类社会发展所产生的影响越来越大【2 】。 从我国水资源状况来看，2 0 0 4 年七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 一- i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ，主要 污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类；2 0 0 4 年监测的2 7 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库2 个，占7 5 ；i i i 类水质的湖库5 个，占 1 8 5 ；i v 类水质的湖库4 个，占1 4 8 ；v 类水质湖库6 个，占2 2 2 ；劣v 类水质湖库1 0 个，占3 7 0 。其中“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 水质均为劣v 类，主要污染指标是总氮和总磷【3 j 。2 0 0 4 年，影响全国近岸海域水质的主要污 染因子依然是无机氮和活性磷酸盐，四大海域沿岸海域的主要污染物均是无机 氮和活性磷酸盐【4 。 表1 - 1 1 列出了2 0 0 3 年我国污水及主要污染物排放量。从表中可看出，我国 污水排放总量每年均稳步增长。工业污水由于近年来环保法律法规日益严格、 监督手段强化、治理力度加大，污染物总量有所下降。但由于人民生活水平的 提高，生活污水排放水量和污染物排放总量都呈上升的趋势。 我国水污状况严重主要有以下几方面原因造成。首先，工业生产技术水平不 高，对资源利用率低下，重复利用率低。表1 - 1 2 列出了我国主要耗水指标与发 达国家的比较，从表中可看出，与发达国家相比，我国工业牛产显著带有高物 耗低产出的特征；其次，农业面源污染和水土流失将大量营养性元素带入水体， 第1 章概述 造成水质恶化；最后，我国城市基础设施建设落后，城市污水处理厂普及率低， 现有污水厂处理程度低，污水管网不完善，污水治理率低，导致大量污染物直 接排入天然水体1 7 棚。 表1 - 1 1 全国废水及其主要污染物排放量年际对比1 5 1 目 废水排放最( 亿吨)c o d 排放晕( 万吨)氨氮排放量( 万吨) 年度 合计工业生活合计工业生活合计工业生活 1 9 9 8 年3 9 5 32 0 0 51 9 4 81 4 9 5 68 0 0 66 9 5 0 1 9 9 9 年 4 0 1 11 9 7 32 0 3 81 3 8 8 96 9 1 76 9 7 2 2 0 0 0 在4 1 5 21 9 4 32 2 0 91 4 4 5 07 0 4 57 4 0 5 2 0 0 1 年4 3 3 02 0 2 72 3 0 31 4 0 4 86 0 7 57 9 7 31 2 5 24 1 38 3 9 2 0 0 2 年4 3 9 52 0 7 22 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 91 2 8 84 2 18 6 7 2 0 0 3 笠4 6 0 02 1 2 42 4 7 61 3 3 3 65 1 1 98 2 1 71 2 9 7 4 0 48 9 3 增减率( ) 4 72 56 62 41 2 35 00 7_ 4 03 0 注：增减率指2 0 0 3 年与2 0 0 2 年相比 表1 - 1 2中国主要耗水指标与发达国家比较1 6 1 指标我国发达国家 万元g d p 用水量t 4 6 51 3 ，9 1 万元工业增加值用水量t 9 51 9 8 5 工业用水重复利用率( ) 5 58 5 农业g d p 用水效益( 美元t ) 1 0 78 5 5 我国是水资源缺乏国家，按照联合国评价标准，我国人均水资源仅为世界人 均水资源的1 3 ，有限的水资源和严重的水污染已经成为制约我国部分地区经济 发展的主要矛盾。因此，污水处理特别是对污水进行脱氮除磷的深度处理对社 会的可持续发展来说具有重要意义f 9 1 。 2 第1 章概述 1 1 2氮磷污染与水质富营养化 微生物的正常生长，必须有适宜的营养物质。根据研究发现，原核生物中8 0 是水，2 0 为干物质，干物质中9 0 约为有机物，1 0 为无机物，氮、磷是微生 物生长所需的大量养料i l o i 。 研究表明，若藻类分子式可表达为c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p ，则通过光和作用，每吸 收1 公斤磷大约能产出1 1 1 公斤藻类，相当于1 3 8 公斤c o d l l l j 。因此，当水体 接纳了过量的氮、磷等营养物质，会使藻类及其他水生植物异常繁殖，导致水 体透明度降低，水中溶解氧下降，水质恶化及一系列水体生态结构破坏和功能 退化过程，即产生富营养化现象。国内外关于富营养化的研究均表明，过度向 水体排放氮、磷等营养性元素，是导致水库、湖泊、海湾等水体水质下降的最 主要因素1 1 明。排入水体营养性元素主要来源见图1 - 1 1 1 1 剐。 图1 - i 1排入水体营养元素来源 富营养化的危害是多方面的，从生态学角度讲，富营养化导致水体原有种群 结构被破坏，优势生物种群发生更替，生态系统的结构和性质发生显著变化， 易产生个别种群的爆发；从宏观环境来看，富营养化降低水体使用价值，增加 工业、生活用水制水成本，危及饮用水安全j 影响城市水体景观【l 弘2 0 l 。因此， 各国对污水脱氮除磷都十分重视。我国也制定了相关法律、法规。污水综合排 放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和城镇污水处理厂污水排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 对营养元素去除都做了相应规定。可见，我国对污水脱氮除磷的要求必将越来 越高，这意味着原有二级污水处理厂和今后新建污水处理厂都必须要考虑污水 脱氮除磷1 2 1 - 2 2 1 。 3 水水水利剃埘饵入 污废污冲冲冲投输活业殖田地道鱼雨 蒜 乍工养农林街养降 芝 d动母”动蓟缈研污泥 ，-1_，、_-i_i、，_llll-_lif，iii_-_-j-l。-、 正，_11，l1城 点 血 一 涮 源 外 内 ，llqll 途染污 第1 章概述 1 2 脱氮除磷机理 1 2 1生物脱氮机理 城市污水中氮的存在形式主要有：有机氮( 蛋白质、氨基酸、尿素等) 、氨 氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。当城市污水中不含有工业污水时，硝酸盐氮含量 几乎可忽略。污水生物脱氮主要包括氨氮硝化和硝酸盐氮反硝化两个过程，氮 的转化包括有机氮氨化、生物同化、硝化和反硝化作用【2 3 1 。污水中氮元素的最 终出路共有三条，如图1 2 1 所示。氮在微生物体内仅占很小比例，因此依靠生 物合成除氮是达不到脱氮要求的，主要还是依靠硝化反硝化将氮转化成氮气， 逸出系统。 1 2 1 1 氨化 氨化是较为容易发生的反应，绝大多数的异养菌都具有氨化功能。污水中有 机氮化合物脱氨的方式主要有水解脱氮、氧化脱氨、还原脱氨和减饱和脱氨【2 4 1 ， 其化学计量方程式见1 - 1 - 1 - 4 。 水解脱氨基r c h n h ，c o o h 马r c h o h c o o h + n h 、( 式1 - 1 ) 氧化脱氨基r c h n h ，c o o h 玛尺c = o c o o h + 日，( 式1 2 ) 还原脱氨基r c h n h ，c o o h 丝一r c 日，c o o h + 删3 ( 式1 3 ) 减饱和脱氨基 r c h 2 c ( c o o h ) 2 n h 2 一r i - i c = c ( c o o h ) 2 + n h 3 ( 式1 - 4 ) 进水总氮 图1 - 2 - 1 氮的生物去除途径 4 第1 章概述 1 2 1 2 硝化 硝化包括亚硝化作用和硝化作用两部分，氨氮首先在有氧条件下被微生物氧 化成亚硝酸盐( n o r ) ，然后再进一步氧化成硝酸盐氮( n 0 3 ) 。具有硝化功能 的细菌为好氧自养型亚硝酸菌和硝酸细菌。硝化菌主要有以下特征捌： 【1 】自养性 硝化菌以无机碳化合物为碳源，以氨氮或亚硝酸盐氮为电子供体，以游离氧 为电子受体，通过对氨氮或亚硝酸盐氮的氧化获得能量，其产物是亚硝酸盐氮 或硝酸盐氮。硝化菌的生长不仅不需要有机底物，而且当有机物浓度过高时， 对硝化菌的生长不利。通常，认为有机物负荷小于0 1 5 k g b o d s & g s s d 时，才 能有明显的硝化反应。 【2 】生长速率低 亚硝化菌世代时间是8 3 6 小时，硝化细菌为1 2 - - - 5 9 小时，两者的世代时 间都很长，其生长速率远远低于异养细菌的生长速率。因此，在生物反应器内 要维持一定的硝化菌数量，必须保证足够长的泥龄； 【3 】好氧性 硝化细菌在氧化氨氮时会消耗大量的氧，因此，要保证硝化反应正常进行， 反应器内必须维持较高的溶解氧浓度，一般在2 m g l 以上； 【4 】依附性 硝化细菌和悬浮固体有强烈的亲和作用，易依附在悬浮固体、填料等固体介 质上，具有附着生长的特点； 若用c s h 7 n 0 2 表示硝化细菌的化学组成，则氨氮氧化和新细胞合成的反应方 程式可描述为1 5 、1 - 6 ，总方程式可合并为式1 7 。 5 5 m 7 ；+ 7 6 d 2 + 1 0 9 h c 0 f 3jc 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 3 + 5 7 2 0 + 1 0 4 4 2 c 0 3 ( 式1 - 5 ) 4 0 0 n o ；+ a 疆苟+ 4 抒2 c d 3 + h c o ；+ 1 9 5 0 2 一c 5 h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o ；+ 3 日2 0 ( 式1 6 ) 倍苟+ 1 9 8 h c q - + 1 8 6 0 2 0 o x ? 5 h 7 n 0 2 + 0 9 8 7 谚+ 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c o , ( 式1 7 ) 通过式1 7 可计算出，每氧化1 9 氨氮为硝酸盐氮约生成0 1 4 6 9 新细胞物质， 消耗碱度为7 0 7 9 ( 以c a c 0 3 计) ，消耗4 2 5 9 氧。故在硝化过程中，p h 值和供 氧量要保证满足要求。 影响硝化反应的主要因素有以下几个方面： 【1 】温度 生物硝化可在4 - 4 5 c 范围内进行。亚硝酸菌最佳生长温度为3 5 ，硝酸 5 第1 章概述 菌最佳生长温度为3 5 一4 2 。对于操作温度低于2 8 的硝化系统，氨氧化动力 学与亚硝酸盐氧化动力学均为速率限制反应，因此，假设系统中存在过量的溶 解氧可利用，则硝化菌比生长速率满足式1 8 ： 以= 【筹b 拭懈) 其中，以硝化菌比增长速率，g 新细胞儋细胞d ： 。硝化菌最大比增长速率，g 新细胞儋细胞d ； 氮的浓度，g c m 3 ； k n 半速率常数，数值上等于在最大比基质利用率一半时的基质浓度； 七幽硝化菌的内源代谢系数，gv s s gv s s d 据报道，在2 0 1 2 时，。值介于0 2 5 - - 0 7 7gv s s gv s s d 之间，这可能是 由于废水中存在抑制性物质和试验技术及分析方法不同所致【l 。但在任何温度 下，硝化菌的。值均远低于异氧菌的相应值，因此，活性污泥硝化系统要求采 用较高的泥龄。 【2 】溶解氧 硝化菌是好氧菌，硝化反应必须在好氧环境下进行，溶解氧是影响硝化反应 的重要因素之一。由于硝化菌大多处于生物絮体内部，存在着一定的传质阻力， 液相主体中溶解氧浓度和生物絮体内部溶解氧浓度有相当大的差异。因此，提 高液相中溶解氧浓度，将有助于提高溶解氧对生物絮体的穿透力，从而提高硝 化反应速率。对于活性污泥法系统，溶解氧浓度在1 2 - - 2 m g l 范围，即可发生 硝化反应，为了提高硝化速率，通常将溶解氧控制在2 m g l 以上。 【3 】p h 值和碱度 硝化反应对p h 值很敏感。在p h 值低于6 8 时，反应速度显著下降。在p h 值接近5 8 6 0 时，反应速度仅为p h 为7 0 时的1 0 - 2 0 。最佳硝化速率出 现在p h 值为7 5 - 8 0 时。通常采用的p h 值为7 0 7 2 ，在此条件下，可维持 比较理想的硝化速度啪l 。 【4 】毒性 硝化菌对很多有机和无机化合物都很敏感，在这些物质浓度很低时，就会影 响硝化菌，但不会影响好氧异养菌。在很多情况下，这种抑制不会使硝化反应 停止，但会使硝化速率大为降低，在某些情况下，毒性可使硝化菌致死；重金 属对硝化菌也有抑制作用，这包括z i l 、c u 、h g 、c r 、h i 、a g 、c o 、c a 和p b 等；硝化也会被游离氨或非离子化亚硝酸盐抑制，这种抑制影响取决于总氮浓 6 第l 奄概述 度、温度和p h 。 【5 】有机负荷 硝化菌在任何温度条件下比增长速率都远小于异养茵，当有机底物充足时， 异养菌会大量增殖，在和硝化菌对溶解氧的竞争中会占据优势地位，从而抑制 硝化菌的生长。表1 2 _ l 列出了b o d 5 t k n 与硝化菌所占比例的关系。通常，在 工程设计中，将有机物负荷控制在o 1 5 k g b o d s k g s s d 以下，可以保证硝化反 应的进行。 表1 - 2 1b o d 5 t k n 与硝化菌所占比例的关系2 7 1 b o d s i k n 硝化菌所占比例b o d 5 t k n硝化菌所占比例 0 5o 3 550 0 5 4 10 2 160 0 4 3 20 1 270 。0 3 7 3 0 0 8 380 0 3 3 4 0 0 6 4 9 0 0 2 9 1 2 1 3 反硝化 具有反硝化脱氮能力的细菌既有异养菌也有自养菌，但主要为兼性异养菌。 兼性异养菌具有利用氧、硝酸盐和亚硝酸盐的能力，当有氧存在时，它会以氧! 为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有硝酸盐或亚硝酸盐时，则以硝酸盐或亚 硝酸盐为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。有些细菌 在缺少硝酸盐或氧气的条件下也可以完成发酵过程。 生物反硝化过程可表述如下： 移；+ 3 h - , 2 n 2 + 胃2 d + o h 一 r d ；+ 5 h - - i n 2 + 2 h 2 0 + o h 一 ( 式1 9 ) ( 式1 1 0 ) 从上述公式可得出，转化l gn o ；一为2 时。需要1 7 1 9b o d ，转化 l g n o ；一为2 时，需要2 8 6 9b o d ，同时产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 对生物反硝化影响因素主要包括以下几个方面： 【1 】温度 温度对反硝化过程速率的影响遵从a r r h e i u s 方程，可用式1 1 1 表示。 7 第1 章概述 q d r = q d 0 r 一 ( 式1 8 ) 其中，q d 丁温度t 时反硝化速率，g n 0 3 一n g v s s - d ； q d 加_ 2 0 时反硝化速率，g n 0 3 - n g v s s d ； o 温度系数，1 0 3 , - - , 1 0 5 。 反硝化反应温度较宽，在5 - - - , 4 0 范围内都可进行，最适宜的运行温度为 1 5 3 5 。在低温条件下运行时，为了保证反硝化效果，可适当延长反硝化段 水力停留时间。 【2 1 p h 值 反硝化过程最适宜p h 为7 0 7 5 ，不适宜的p h 值影响反硝化菌的增殖和酶 的活性。当p h 值低于6 0 或高于8 0 时，反硝化反应受到强烈抑制。 反硝化过程中，每还原l g n o ；一会产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) ，这补 充了在硝化过程中消耗的一部分碱度，有助于减小p h 值的变化幅度。 【3 】溶解氧 反硝化菌是兼性细菌即可利用游离氧进行有氧呼吸，也可利用硝酸盐氮进行 无氧呼吸。优先进行哪种呼吸，主要取决于呼吸产能效率。表1 2 2 列出了反硝 化与有氧呼吸产能比较。从表中可看出，当同时存在游离氧和化合态氧时，由 于有氧呼吸产生较多的能量，有氧呼吸将优先进行。因此，必须保持缺氧装态 才能保证反硝化顺利进行。一般认为，活性污泥系统中，溶解氧应保持在0 5 m g l 以下，才能使反硝化反应正常进行。而在附着型生长系统中，由于生物膜对氧 传递的阻力大，易形成缺氧的微环境，在较高的溶解氧浓度下，也能发生反硝 化。 表1 2 2无氧呼吸与有氧呼吸产能比较 反硝化菌产能 反应方程式 呼吸类型( k j m o i ) 有氧呼吸 c 6 h 1 2 0 6 + 6 0 2 寸6 c 0 2 + 6 h 2 0 2 3 8 6 5 无氧呼吸 5 c 6 h 1 2 d 6 + 2 4 k n 0 3 3 0 c 0 2 + 1 8 - 2 0 + 2 4 k o h + 1 2 2 2 8 7 2 1 【4 】反硝化碳源 在反硝化过程中，碳源数量及其可生化性对反硝化程度影响很大。生物脱氮 过程中，碳源可来自于三个方面：( 1 ) 废水中的可生物降解有机物；( 2 ) 内源代谢 中产生的可生物降解有机物；( 3 ) 外加碳源，如甲醇或醋酸盐等。有研究表明进 水中碳源类型和质量对反硝化速率和反硝化程度都有影响【2 8 1 。一般认为，当污 8 第1 章概述 水中b o d 5 t k n 3 5 时，可认为碳源充足。 1 2 2化学、生物除磷机理 1 2 2 1 化学除磷机理 磷的化学沉淀是通过投加多价金属离子盐来产生微溶磷酸赫沉淀物柬完成。 使用最普遍的多价金属离子有钙盐、铝盐和铁盐。表1 2 3 列出了化学除磷中主 要反应方程式。 表1 2 3化学除磷主要反应机理【2 7 1 投加药剂化学反应 化学污泥的组分 5 c a 2 + + 3 p 0 2 4 一+ o h 一一饧5 ( p 四一) ( o i - i ) c 吗( 户防) ( o i - 1 ) 石灰 c 口2 + + c q 一- o c a c qc a c q a 1 3 + + p 呀_ 彳护qa u c l 铝盐 a 1 3 + + 3 0 h 一寸a t ( o h ) 3a t ( o h ) 3 f e r , 七p o - - 争f e p 0 4f e r o 铁盐 f e 3 + + 3 0 h 一专f e ( o n ) 3f e ( o n ) 3 从表1 2 - 3 可看出，等摩尔的铝盐或铁盐可以沉淀等摩尔的磷酸根，但在实 际反应中，由于有许多竞争性反应以及存在于污水中的碱度、p h 、微量元素、 配位体等的影响，实际反应要比方程式描述的复杂的多，生成的沉淀物成份也 比表中所列要复杂。 1 2 2 2 生物除磷机理 生物除磷机理可阐述为如下几个部分【2 3 l ： 厌氧区 在厌氧状态下，兼性细菌将溶解性b o d 转化成v f a s 等低分子发酵产物；聚 磷菌( p a o s ) 将v f a s 等运送至体内，同化成胞内碳能源贮存物( p h b p h v ) ， 所需能源来自于聚磷的水解及胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。 好氧区 细菌以聚磷的形式贮存超出生长需求的磷量，通过p h b p h v 的氧化代谢产 生能量，用于磷的吸收和聚磷合成，并合成新的贮磷细胞，产生富磷污泥。 除磷系统 通过剩余污泥的排放，将富磷污泥从系统中排出，从而达到除磷目的。 9 第1 章概述 1 3 污水脱氮除磷工艺研究进展 随着人们对脱氮除磷理论研究不断深入以及工业技术的不断进步，脱氮除磷 工艺在近年来有很大发展，出现很多新工艺。对这些工艺进行归纳总结，可分 为三大类： 1 3 1a a o 工艺及其变型 图1 - 3 - i p h o r e x t o x ( a o ) t 艺流程 b a m a r d 在1 9 7 4 年首先提出了p h o r e d o x 过程，认为必须使回流污泥在进入好 氧段之前与进水进行厌氧接触，才能完成生物除磷过程。b a r n a r d 的成果由后来 的a i rp r o d u c t sa n dc h e m i c a l si n c 申请专利，即a o 过程，其流程图见图1 3 1 。 该工艺中不产生硝化作用，厌氧区水力停留时间约为0 5 一- l h ，好氧区s r t 约为 2 - 4 d 。 a a o 工艺同样是由a i rp r o d u c t sa n dc h e m i c a l si n c 申请专利，它是a o 工艺 的强化及变型，增加一段缺氧段用以进行反硝化，其工艺流程见图1 3 2 。硝化 液通过内回流送到缺氧区进行反硝化，以减少回流入厌氧段的硝酸盐氮量。富 磷污泥回流到厌氧区进行厌氧释磷。a a o 工艺通过改变进水配水方式形成了改 良a a o 工艺，近年来还发展出倒置工艺和投料倒置工艺等新方法【2 9 1 。 回流 1 0 第1 章概述 b a r d e n p h o ( 5 段) 工艺在a a o 工艺基础上增加了一组缺氧好氧池，且硝化液 回流方式略有改变，其工艺流程见图1 3 3 。添加的第二个缺氧段是为了强化反 硝化脱氮作用，最后的好氧段用以吹脱混合液中的氮气，并尽量减少在二沉池 中磷的释放，改善出水水质。五段法b a r d e n p h o 工艺s r t 约为1 0 - - 2 0 d 。 回流 u c t 工艺由南非c a p et o w n 大学开发并命名。u c t 工艺特点是尽量避免了 硝酸盐氮进入厌氧区对聚磷菌厌氧释磷产生的影响，其工艺流程见图1 3 4 。u c t 与a ，o 法区别在于：回流污泥先回流到缺氧段，而非直接回流到厌氧段；内 回流从缺氧段回流至厌氧段。将污泥回流至缺氧段则污泥中所含硝酸盐可被反 硝化去除，从而增加了聚磷菌在厌氧段中厌氧释磷程度；积聚更多的好氧吸磷 动力。由于缺氧段混合液污泥浓度低于二沉池压缩污泥，通常缺氧回流比较大， 约为2 0 0 左右。 缺氧回流 图1 3 4u c t - 1 2 艺流程 第1 章概述 v i p - i - 艺是美国v i g i n i ai n i t i a t i v ep l a n t 在改造过程中产生的一种新工艺，其工 艺流程图见1 3 5 。v i p 工艺与u c tt 艺在回流系统布置上相似，其特点是在每 一功能区都进行分格，每格反应区都进行搅拌，实现完全混合。因此，v i p 工艺 反应条件较好，反应速率较高。 1 3 2s b r 工艺及其变法 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r , s b r ) 近年来在污水处理中应 用广泛，并在原有工艺基础上发展出多种变化形式。 经典的s b r 采用单池处理，间歇进水，按照进水、反应、沉淀、滗水、闲置 5 个步骤完成水处理过程。由于单池只能间歇进水，因此，在工程应用上采用多 池系统，保证可连续处理进水。这使得进水需在各池之间来回切换，显著增加 了s b r 工艺操作的复杂性。 间歇式循环延时曝气活性污泥法( i n t e r m i t t e n tc