（市政工程专业论文）CAST工艺处理城市污水的优化控制研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 本课题在北京市某污水厂内建立c a s t 中试基地，使用新型处理设备。探索d o 与o r p 的关系， 并采用d o o r p 双参数对c a s t ：r 艺脱氮除磷及系统运行进行应用优化研究。 研究结果表明：( i ) 当温度在1 8 2 5 ，泥龄在1 0 1 5 d 变化时，控制d o 在0 5 1 0 m g l 低 范围内，仍能取得较好的c o d 及n h 3 - n 去除效果。c o d 去除率保持在7 5 以上，出水氨氮基本稳 定在1 0 m g l 以f ，去除率达到9 5 以上；泥龄为1 0 d 时，硝化作用仍较好，增人泥龄对提高硝化过 程的作用不丈。此外，低温对硝化过程产生一定的不利影响：( 2 ) 反硝化是s n d 脱氮的土要限制步 骤，将d o 控制低于1 0 m g l 的水平内，可强化s n d 脱氮过程。当进水c 饿9 2 时，尽管进水t n 在 4 0 8 0 m g 1 , 之间变化，且波动较大，去除率仍能超过6 0 以上，部分情况下甚至达到8 2 。低水温 ( 1 5 ) 及c n 比( 2 ) 则会影响s n d 脱氮效果：( 3 ) 进水中较高的磷负荷对系统除磷产生不利 影响，增大泥龄会影响除磷效果，故维持泥龄为1 0 d 时即可： ( 4 ) 当s r t 在1 0 b1 5 d 、d o 在o 5 2 o m g i , 之间变化时，随d o 的增大，d o 与o r p 之间呈 现良好的对数关系，r 。在0 7 5 以上。当d o 低于0 5 m g l 时，d o 与o r p 之间的相关性较差；( 5 ) 进水曝气初期d o 曲线的突跃将会使o r p 相应发生跃升。曝气后期，o r p 随d o 变化不明显。通过 对d d ，o r p 导数变化曲线的分析，其导数曲线上特征点变化也证实了该观点：( 6 ) 系统变化对于 d o o r p 曲线也具有一定的影响，应及时调整工艺的运行，以确保系统的稳定有序进行，实现处理效 果与运行能耗的最优化。 关键词：c a s t 工艺；同步硝化反硝化；脱氮除磷；溶解氧；氧化还原电位 u l 北京建筑工程学院硕士学位论文 b yap i l o tt e s ti naw w t po fb e i j i n g t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h eo p t i m i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f n & p r e m o v a li nac a s tr e , a c t o ru s i n gd oa n do r pp a r a m e t e r sa sw e l la st h er e l a t i o n - s h i pb e t w nd oa n d o r p 。 t h er e s u l t s i n d i c a t e d t h a t ( 1 ) w h e n t h e t e m p e r a t u r ea n ds r t w e r ea t t h er a n g e l 8 2 5 、1 0 1 5 d s e p e r a b l y , l o w i n gt h ed ob e l o w0 5 1 0 m g lc o u l da c h i v eg o o dc o da n dn h 3 - ne l i m i n a t i o n , w i t ht h e r e m o v a ie 伍c i e n c ym o r et h a n7 5 、9 5 a n de m u e n tn h 3 - nc o n c e n t r a t i o nl e s st h a n1 0 m g l 1 1 尬s u i t a b l e s r tf o rn i t r i f i c a t i o nw a sl o d b e s i d e s t h el o wt e m p e r a t u r ew o u l dd e p r e s st h en i t r i f l c a t i o np r o c e s s ：( 2 ) 1 1 ” d e n i t r i f i c a t i o np h a s ew a st h ek e yt oe n h a n c 七t h es n dp r o c e s s a n dt h er e m a r k a b l ed e n i t r i f i c a t i o nc c u l d a c h i v e dw h e nt h ed ol o w e rt 1 1 a n1 0 m # l t h o u g ht h ei n f l u e n tt nw a sr e m a r k a b l ef l u c t u a t e df r o m4 0t 0 8 0 m g l i t sr e m o v a le f f i c i e n c yw a sm o r et h a n6 0 e v e n8 0 s o m e t i m e sw h e nt h ei n f l u e n tc ，nr a t i ow a s o v e r 2 。t h e l o w c nr a t i o ( 2 ) a n d i o w t e m p e r a t u r e ( 1 5 ) w o u l da f f e c t t h e d e n i t r i f i c a t i o na b i l i t y ；( 3 ) t h eh i g hi n f l u e n tt pl o a d i n gw a su n f a v o r a b l ef o rt h et pr e m o v a l ，a n dt h eb e s ts r tw a s1 0 d ，h i g h e ro f w h i c h c o u l dr e d u c et h et pr e l n o v a le f f i c i e n c y ( 4 ) t h e r ew a sag o o dl o g a r i t h mr e l a t i o n - s h i pd e t w nd oa n do r ew h i l ei t s l a t i o n s h i pw a s a n o b v i o u s w h e n d o l o w e r t h a n 0 5 m g l ( 5 ) t h e o r p c u r v e s j u m p e dr e m a r k a b l ys i n c e t h e i u m p o f t h e d o c u r v e si nt h ee a r l i e rp h a s eo ft h et - d l a e r a t i o n , w h i l ew e n ts m o o t h l yb e f o r et h ee n do ft h ef i l l - a e r a t i o np h a s e e v e nd oc u r v e sc h a n g e d t h i sp a p i e rf o a n ds o m ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ed e v r v a t i v eo fo r p & d ot o t i m e w h i c hc o u l dw e l ia p p r o v et h e s ev i e w p o i n t s s o m ec h a n g e so ft h es y s t e mm a ya l s oc o n t r i b u t et ot h e c h a n go f o i 冲d oc u r v e i tw a se x p e c t e dt h es y s t e mw a so p e r a t e ds t a b l yt oa c h i v et h eo p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o ne n e r g ya n d l t e a t m e n te f f i c i e n c yb ya d j u s t i n gt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so f c a s tp r o c e s s k e w o r d s ：c a s tp r o c e s s ；s n d ；n & p r e m o v a l ；d o ；o r e i v 北京建筑工程学院硕士学位论文 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 嚣畜筠 日期：汹年，胡坫日 n 第一章绪论 1 绪论 1 1 水体污染及富营养化问题 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指富含氮、磷等植物性营养物质的水体，在适宜的环境条件+ f ， 水生植物和藻类过度生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异氧微生物代谢活动中，水体中的溶解氧 很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。 水体富营养化可分为大然和人为两种。在自然条件下，由于水土流失、蒸发和降水输送等过程水 体中的营养物质逐渐积累，缓流水体从贫营养状态向富营养化发展，但整个过程十分缓慢。然而人类活 动的影响可加剧这一过程，特别是在现代生产和生活中，人类对环境资源的开发利用日益频繁工农业 发展迅速，大晕的营养物质进入水体并在其中不断积累，导致富营养化在短期内出现。目前，人类活动导 致的水体富营养化已成为当今世界各国水污染治理的难题，是全球范围内普遍存在的一个环境问题。 1 1 1 富营养化形成机理及成因 关于富营养化的形成机理，目前普遍主要有两种理论：食物链理论及生命周期理论。 食物链理论是由荷兰科学家马丁肖顿于1 9 9 7 年6 月在“磷酸盐应用技术研讨会”上提出的。该 理论认为，自然水域中存在水生食物链。如果浮游生物的数量减少或捕食能力降低，将使水藻生长 量超过消耗量，平衡被打破而造成水体富营养化。根据这一理论，氮、磷等营养负荷的增加并不是导 致富营养化的唯一原因。 生命周期理论是近年来普遍为人们所接受的一种理论。它认为，含氮和含磷的化合物过多排入水 体，破坏了原有的生态平衡，引起藻类人量繁殖，过多的消耗水中的氧，使鱼类等浮游生物缺氧死亡， 其尸体腐烂又造成水质污染和恶化。根据这一理论，氮、磷的过量排放是造成富营养化的根本原因， 藻类是富营养化的主体，它的生长速度直接影响水质状态在适宜的光照、温度，p h 值、硅及其它营 养物质充分的条件下，容易造成富营养化。 造成水体富营养化的途径可分为内源途径和外源途径。其中内源途径主要是指水体底层淤泥中的 营养盐重新释放到水体的过程，它是水体内部营养的主要来源。而外源途径又可分为点源和面源两种。 点源是指污染物通过排放口直接或经渠道排入水体的污染，污染物主要是含有氮、磷及有机物的城市 生活污水和j i ：业废水。面源污染( 非点源污染) 则指降雨过程把地表和大气中的溶解或同体污染物带入 水体所产生的污染，其发生地点和时间不周定，具有区域性。 1 1 2 富营养化的危害 水体一旦发生富营养化，将产生巨大的危害及极其严重的后果，主要表现在以下几个方面； ( 1 ) 危害水源水质，增加给水处理难度和成本 富营养化使水体中有机质增加。病原菌孳生，从而危及饮用水的安全。处于富营养化态的水体作 为给水水源时，将会给净水厂的正常运作带来一系列问题，如源水中的藻类会堵塞滤池，影响了出水 率；同时脱色、除臭、除味等化学药剂的用量大大增加，从而加大了处理的难度，增加了制水成本费 用。 ( 2 ) 破坏水体的生态平衡，危害人体健康 富营养化会引起水生生态环境的恶化，导致水生生物的多样性和稳定性降低，大型水生植物群将 随富营养化程度的发展而逐渐消失，造成水生态平衡的破坏。同时由于藻类和水生生物大量生长和繁 殖，会加速水体沼泽化和陆地化进程。 某些造成富营养化的源物质本身即严重危害人类健康，如二甲基驱硝胺为致癌物质；氨氮在特定 条件下转化为距硝酸盐，其为合成“三致物质”砸硝胺的前体。此外，某些异常繁殖的藻类分泌大最 生物毒素，不仅威胁水生生物的生存，而且对人体健康也构成威胁。蓝藻能释放蓝藻毒素，主要包括 作用于肝脏的肝霉素、作用于神经系统的神经毒素等；铜绿微囊藻可释放一种引起消化道炎症的水溶 性环式多肽毒素：生长于富营养化水体的鱼虾、贝类等水产品中人量富集着藻类产生的各种毒性物质， 通过食物链又会被人体食用或吸收，影响人类身体健康。 ( 3 ) 恶化水体感官性状，降低水体美学价值 在富营养化的水体中，蓝、绿藻大量繁殖，水体色度大大增加，水质变得浑浊，透明度明显降低， 并散发出腥臭味，严重污染环境，大大降低水质及水体在现代城市生态系统中的重要功能，丧失其应 有的美学价值。 ( 4 ) 降低水体的溶解氧含量 在富营养水体的表层，藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而 放出氧气，因此，表层水体有充足的溶解氧。然而，在富营养水体深层，情况就不同。首先，表层的 第一章绪论 密集藻类使阳光难以射入水体深层，使深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，使溶解氧来源减少。 其次，藻类死亡后向水体底部沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体的溶解氧，使得需氧生物难 以生存。如果一旦出现溶解氧为零，会引起一系列严重后果。例如，有机物无机化不完全，产生甲烷 气体；硫酸盐还原形成硫化氢气体；底泥中铁、锰溶出，在底泥附近形成硫化铁等。从而影响水体水 质。 ( 5 ) 影响水资源、生态资源和旅游资源的利用水体经济价值下降 水体富营养化导致水质恶化，造成可利用的水资源量短缺，加剧水资源危机，严重影响工农业生产 的可持续发展。同时，恶化的水体质量和感官性状，还会对渔业等生物资源和风景湖泊等旅游资源的开 发利用产生不利影响，使其经济效益大大降低。与此同时，水体富营养化还可加速水体淤积，降低江河湖 泊蓄水能力，导致洪涝灾害。 1 1 3 富营养化的防治对策 对于水体富营养化的防治，主要采用以下几种对策及方法： ( 1 ) 控制外源性营养物质输入 制订营养物质的排放标准和水质标准以达到符合规定的水体营养物质( 氮、磷) 浓度的水质标 准；根据水环境容量，实施总量控制；实施截污工程或者引排污染源：合理使用土地，最大限度地减 少十壤侵蚀、水士与肥料流失。 ( 2 ) 减少内源性营养物质负荷 生物性措施，即利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动这一自然过程达到去除水体中氮、 磷营养物质的目的；：i ：程性措施，主要包括清除底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀等； 化学方法，包括凝聚沉降和化学药剂杀藻等。 ( 3 ) 去除污水中的营养物质 城市生活污水及某些工业废水中含有较高浓度的氮、磷营养物质，一部分氮、磷能够通过二二级生 化处理过程被微生物去除，利用生物法进行脱氮除磷是一种比较适用的方法 1 2 水体中氮磷营养物来源 1 2 1 氮的来源 进入水体的氮营养来源是多方面的，包括自然过程和人类活动两方面。自然过程主要包括大气降 水降尘、非市区径流和生物i 刮氮作用等。人类活动引起的氮主要来源于以下几个方面i l 】； ( 1 ) 工业或生活污水未经处理直接进入河道或水体 一部分工业废水( 如屠宰废水、制药废水、制革废水、化肥厂排放污水等) 中的氮磷含量较高， 生活污水中的氮主要以有机氮和氨态氮两种形态存在，其主要来自食物中蛋白质代谢的废弃物及人体 排泄物等。城市污水及上业废水经污水厂处理后，仍有大量氮营养物随出水排入河道，成为河道水体 中氮的来源。 ( 2 ) 面源性的农业污染物 面源性的农业污染物主要包括肥料、农药和动物粪便等。肥料和农药通过雨水冲淋、农业排水和 地表径流等途径从农田中流失，并进入河道和水体成为直接的营养源。此外，畜禽养殖业肥料和水中 野生动物的排泄物也富含氮物质。排入水体由此产生了大量氮营养物。 ( 3 ) 城市固体废弃物填埋产生含高浓度氨氮的垃圾渗滤液 垃圾中所含的水份、有机物分解产生的水份以及人气降水、径流等由地表渗入填埋厂区的水，除 一部分被蒸发外，其余的将储存在填埋层中，当垃圾填埋层含水量达到饱和后，便形成了垃圾渗滤 液。垃圾渗滤液中的氨氮含晕较高，且随着时问延长而有所升高。主要是有机氮转化为氨氮造成的， 较高的氨氮浓度是垃圾渗滤液的重要特征之一。 1 2 2 磷的来源 水体中的磷主要来源于工业废水及生活污水中的各种洗涤剂、工业原料、农业肥料的生产过程及 人体的排泄物等。含磷洗衣粉是含磷废水的主要来源之一，近年来合成无磷洗衣粉在一定程度上降低 了水体中的磷含量。 1 3 我国水处理技术的政策导向 随着经济的发展，用水的需求也日益扩大，由此产生了大量污水。部分富含氮、磷营养成分的污 水未经完全处理就直接排入受纳水体，带来严重污染及引起富营养化现象。为避免富营养化加剧，彻 底控制污染源，世界各国都相应制定了严格的行业出水氮磷排放标准。由此极大地推动了一些脱氮除 磷i ：艺及技术的发展。 我国是一个水资源极其匮乏的国家，中央政府历来都较重视加强水环境保护工作，也出台了相关 2 第一章绪论 的行业法规标准。但经济利益的过度追求和国民环保意识的淡薄，人为地肆意排放，使得排污量日益 加大，污水中甯含的氮磷成分给水体造成沉重的负担。为改变“先污染，再治理”的传统思维， 政府加大了对各行业排污的控制力度，欲在源头上监控。在今年的十一无规划中，政府再次明确强调 环保_ 作的重要性及严峻性，提出要“源头控制，重在预防”，并倡导加大对新型水处理l 艺及技术 的投入。一些科研单位相继开展了相关研究，部分污水处理机构也通过改进，r 艺或技术，使得在去除 有机物及氮磷等污染物的同时，达到节能减耗目的，以便优化处理效果及运行成本 1 4 生物脱氮除磷工艺及技术 生物脱氮除磷的工艺较多，一般在工艺上设置缺，好，厌三阶段，即可满足要求。目前，按照处理 工艺流程的不同，主要分为两大类吲：( i ) 空间顺序连续流生物脱氮除磷工艺；( 2 ) 时间顺序间歇 ( 连续) 流生物脱氮除磷工艺。 1 4 1 空间顺序连续流生物脱氮除磷工艺 该工艺的主要特征是在不同的反应器内完成生物吸傲磷及硝化，反硝化过程。典型代表为a 0 、 a z 0 、u c t 、b a r d e n p h o ，v i p 等工艺，现简述如下： 依据除磷、脱氮的特定要求，a o 工艺分为厌，好氧( a n a e r o b i c o x i c ) 除磷系统及缺，好氧 ( a n o x i c o x i c ) 脱氮系统。前者是将污水依次通过厌氧池、好氧池，实现放，吸磷过程，从而达到除 磷目的。因系统中不存在硝酸盐对厌氧放磷的不利影响，所以除磷效果较好。后者将硝化及反硝化分 别在缺氧池，好氧池中进行，利用进水中的有机物作为碳源进行反硝化，同时可补充后续好氧池的碱 度。该工艺由于为前置反硝化方式，常常造成出水硝酸盐较高，脱氮效果较差。 为达到同步脱氮除磷目的，在a o 脱氮工艺的缺氧段前加一个厌氧池，将沉淀池污泥回流到前端 厌氧池，硝化混合液在回流到缺氧池，从而形成了厌氧缺氧好氧组合r 艺，即a 2 0 上艺。该，i ：艺通 过厌，缺好氧交替环境及系统内硝化菌、反硝化菌及聚磷菌等不同微生物菌群的作用，一定程度上可 实现除磷及脱氮功能，但该工艺常常造成脱氮与除磷之间的矛盾。 u c t ：t = 艺是一种类似1 二a 加，【艺的脱氮除磷技术，不同之处在于沉淀池污泥回流到缺氧池，且 增加了由缺氧池返回到厌氧池的混合液回流。因硝化混合液的回流，导致厌氧池回流混合液中含有一 定量的硝酸盐，间接影响了生物除磷效果。研究人员将u c t 工艺进一步改进，即将缺氧池分流成两 个缺氧池，并使硝化回流与缺氧回流独立分开，避免了缺氧回流液中硝酸盐对厌氧池产生的不利影响， 但由于j ：艺较复杂，一定程度上限制了其发展。 b a r d e n p h o ( 4 段) 工艺由缺氧一好氧一缺氧一好氧循环池组成，一定程度上能实现脱氮功能，但操作 较复杂，且第二缺氧池的反硝化速率较低，故池容利用率不高。 b a r d 唧h 0 ( 4 段) 经过改造变成b a r d e n p h o 变型( 5 段) ，可兼作脱氮除磷功能。无段系统分别 由厌氧、缺氧、好氧段分别去除磷、氮、碳，第二个缺氧段提供额外的反硝化作用，展后的好氧段是 吹脱剩余的氮气，并尽量减少二沉池中磷的释放。该工艺除磷效果不佳，且兼作除磷功能时池容需增 大。 1 4 2 时间顺序间歇( 连续) 流生物脱氮除磷工艺 随着1 ：艺的改进，又相继山现大量新型或改良脱氮除磷工艺，以s b r 法及其变形f ：艺为典型代表。 s b r 法属于时间顺序间歇流r 艺，主要特征是污水的生物除磷、硝化反硝化过程在同一反应器中的不 同时段完成，由于s b r 法具有独特的工艺结构特点，加上近年来自控技术及设备的不断发展，因而受 到普遍关注。 尽管s b r 法在过去的十年问在国内得到了广泛应用，人们对s b r 法的优点也有了十分直观的认 识，但是s b r 法的一些问题和不足也逐渐被发现。针对经典s b r 法的缺点，不断有新摧改进的s b r 工 艺产生，这些新型的s b r 反应器在克服了原有缺点的同时，也产生了一些新问题亟待人们去解决。在 传统的s b r 工艺基础上。相继开发了一系列的变型，如i c e a s ，c a s t ，m s b r 、u n i t a n k 、多级( 段) s b r 等，其中相对而言，c a s t t 艺的脱氮除磷效果最好。 1 5 课题研究目的及意义 c a s t t 艺是间歇式活性污泥法( s b r ) 法的一种改进型，它具有占地面积小、工艺流程简单、对水 质水量变化适应性强、耐冲击负荷和脱氮除磷能力强、处理效果稳定、投资及运行费用低等优点，适 用于有脱氮除磷要求的城市污水及某些工业废水的处理。以降低水体氮磷含量，缓解富营养化危机， 因此在我国具有广阔的应用前景。目前，国内由于对c a s t 工艺脱氮除磷的机理还缺乏了解，所取得 的运行数据也较少，工程实际中采用的控制方式大多是严格的时间控制，而这种依赖于经验数据的控 制方式并不能适应水量、水质的变化。d o 、o r p 等参数与污染物去除及系统运行等具有重要影响， 且其作为实时控制参数的应用已成为污水处理自动控制领域的研究热点，在s b r - l 艺中也进行了人量 3 第一章绪论 理论和实践研究。然而，我国由于环保事业起步较晚，技术和设备能力尚不完善，在这方面尚处于理 论探索阶段。在c a s t t 艺的工程实际中，各种在线控制仪表只是起到了监测作用，未能有效利用自 控仪表反馈系统运行情况。今后有必要通过大量的基础研究和工程实践来获得完善统一的理论指导和 较为成熟的设计方法，研究其设计及优化控制的有关参数，同时提高自动控制装置及系统的运行可靠 性、稳定性，使其更加符合我国废水处理的实际情况 开发c a s t t 艺的主要目标是尽可能提高处理效率，降低基建和运行费用，简化操作过程，提高 系统的可靠性和运行的灵活性。在以下方面仍有待进一步深入研究： ( 1 ) 新型曝气设备及滗水器等 的研制：( 2 ) 自动控制系统的研究及开发：( 3 ) c a s t i ：艺有机物去除及脱氮除磷机理的研究及处 理效果的提高；( 4 ) 参数优化控制的可行性及运行影响因素的分析与研究；( 5 ) 特种废水处理l 艺 设计及运行参数的确定。 本课题作为应用性课题，在北京市某污水厂内建立c a s t 中试基地。使用无动力式滗水器、盘式 微孔曝气器、潜水搅拌机成套化设备，并采用d o o r p 双参数对c a s t 工艺去除有机物及脱氮除磷的 优化研究，并强化对自控系统的应用。 通过d o o r p 参数的研究，以期为同类c a s t 工艺的运行控制提供一些参考及经验参数。进一步 深化c a s t 工艺自控技术的应用，以便在提高系统氮磷处理效果的同时，达到节能减耗目的，以减少 工程投资及运行费用。 随着我国对氮磷等污染物排放标准的严控及法规惩治的加大，一些氮磷污染行业开始陆续引进内 部污水处理工艺，这将大大推动c a s t 的发展及应用。通过加大处理力度，将有效减少排放剑水体的 氮磷含量，延缓富营养化趋势，以改善水体环境。随着我国环保行业的迅速发展、技术及资金的大量 投入、国内外技术及经验的交流合作以及科学研究的不断深入，相信今后c a s t 工艺将以其独特的亡 艺及技术优势，得到更加广泛地研究与应用。 1 6 课题研究主要内容 ( 1 ) 建立处理规模为1 2 0 m 3 d 的c a s t 工艺中试实验装置，采用潜水搅拌机、微孔曝气头、无动力 式滗水器等处理设备。在正常运行阶段，不断调整系统参数，加强对进出水水质的监铡，对运行数据 进行记录、积累，并定期进行分析。 ( 2 ) 分析d o 、o r p 参数的典型变化规律及两参数间、参数与污染物指标之间定性或定量的相关关 系。 ( 3 ) 通过d o o r p 参数调控，研究控制参数的变化对c a s t 工艺污染物去除及s n d 作用的影响。 ( 4 ) 研究泥龄及水温变化对c a s t 工艺脱氮除磷的影响。 ( 5 ) 与工程放大工艺进行对比实验，并初步建立o r p 控制模式，以便为c a s t 工艺的参数优化控 制提供相关指导及参考。 4 第二章s b r 法及其变型与脱氮除磷 2s b r 法及其变型与脱氮除磷 2 1 污水的生物脱氮除磷 2 1 1 生物脱氮除磷机理 一般认为，生物脱氮由硝化和反硝化两个生物阶段完成。在好氧条件下，通过硝化作用将污水中 的含氮有机物分解为氨态氮，进一步再转化为硝酸盐；在缺氧环境中，硝酸盐还原为氮气溢出，从而 得以脱氮。 脱氮过程由两种菌来实现，分别为硝化菌及反硝化菌。硝化菌为自养型专性好氧菌。反硝化菌为 兼性异养菌，能利用污水中的有机物作为电子供体，以硝酸盐做为电子受体进行无氧呼吸。在两种菌 的协同作用下，达到脱氮目的。 生物除磷由污水中的聚磷菌( p a o s ) 完成，首先厌氧释磷，在后续好氧环境中过量吸磷，然后 通过排除含磷污泥达到除磷目的。 在厌氧条件下，聚磷菌分解细胞内的聚磷酸盐，产生的能鼍将污水中的脂肪酸等有机物摄入细胞 内，并以p h b ( 聚一b - 羟基丁酸盐) 的形式储存。在好氧条件下，聚磷菌义利用氧化分解p h b 获得 的能量，过量吸收污水中的溶解性磷，以聚磷酸盐的形式积累于体内 2 1 2 生物脱氮除磷的影响因素 污水脱氮除磷系统中，由于脱氮与除磷存在多种菌( 脱氮菌、聚磷菌) 的协同作用。不同的环境 及运行条件都将会影响总体脱氮除磷效果。有机碳源、d o 、s r t 、温度等是主要的制约因素，若控 制得不好，会造成脱氮效果好时，除磷结果不佳；反之亦然。为此需探求最佳影响条件，以强化脱氮 除磷的效果。 ( 1 ) 进水有机物的影响 有机碳源对脱氮的影响作用很大。高有机质浓度限制了硝化过程，而过低有机质的浓度也将抑制 反硝化反应的进行。一般理论计算得出，当c n ， 4 时，基本上能满足反硝化对碳源的需求；而曹国民 等人研究认为，当4 c ，n 1 0 时，t n 去除率会随c n 比增大而增加；而当c n ， 1 0 时，影响较j d 3 j 。 同时有机碳源类型对反硝化也具有重要影响，反硝化菌会优先利用易降解有机物作为电子供体进行反 硝化过程。 废水生物除磷t 艺中，厌氧段有机基质的种类、含量及其与微生物营养物质的比值( b o d d t p ) 是影 响除磷效果的重要原因。分子量小、易降解的有机物( 如低级v f a ) 易于被聚磷菌利用。另一方面，如果 废水中有机物不适合聚磷菌( p a o s ) 生长，有可能使非聚磷菌( g a o s ) 在竞争中占优势，从而影响除 磷效果。同时在厌氧段避免有高浓度的硝态氮，消耗碳源而抑制聚磷菌的放磷。 c 源还影响着脱氮除磷的总体效果，这是因为聚磷菌( p a o s ) 和反硝化菌会竞争c 源。 ( 2 ) d o 的影响 d o 是硝化反硝化的主要限制性因子。硝化过程中要求较高的d o 。而反硝化过程又受d o 抑制， 故要求在缺氧反硝化过程中d o 低于o 5 m g l ，而硝化过程d o 一般控制在2 3 m g l 。 d o 的控制对生物除磷过程有着重要意义，厌氧区必须保持严格的厌氧条件，而在好氧区又必须 供给足够的氧。厌氧释磷为后续提供很好的吸磷动力。厌氧释磷越大，则出水磷浓度就越低。 ( 3 ) 泥龄的影响 硝化细菌世代周期较长，比增长速率较小，故对于泥龄( s l i t ) 控制应重视。s l i t 过短会影响硝 化菌的繁殖，从而不利于氨氮去除。 s r t 对除磷也有直接影响。一般来说短泥龄，排泥高，除磷效果好。但泥龄过短硝化将会受抑制。 综合脱氮除磷，一般研究认为s l i t 在1 5 d 左右为宜。 ( 4 ) 温度的影响 温度对于系统的稳定性以及对硝化作用和脱氮均具有重要的影响。大多数硝化细菌的适宜生& 温 度为1 5 3 5 c ，大于2 0 c 时，硝化细菌活性较高；但超过3 8 c ，硝化作用将完全停止小于2 0 ( 2 时氨转化 会受到影响i j j 。 一般而言，废水生物除磷过程在5 3 0 c 范围内均可有效进行，但除磷速度一般会随温度的增 加而下降，这是由于除磷菌是嗜冷性菌的缘故1 4 l 。 ( 5 ) 氧化还原电位的影响 氧化还原电位( o r p ) 与污水生物脱氮除磷过程也具有直接联系。o r p 能间接反映处理系统中 氧化还原态物质特性。如在硝化过程中，o r p 随着氧化态的硝酸盐含量的增多而上升。而反硝化过程 中则随其浓度降低而减少。 第二章s b r 法及其变型与脱氮除磷 此外，o r p 还能间接反映生物除磷过程中，厌氧段内细菌所处环境的厌氧程度。b u r b a n k 认为好 氧区的o r p 维持在+ 4 0 + 5 0 m v 之间较为合适。汪慧贞等人对o r p 的影响也进行了实验研究。研究 结果表明。在缺氧区o r p 与n 0 3 o n 浓度关系密切，而在厌氧区o r p 与p 0 4 3 。具有密切关系，缺氧区 最佳o r p 可控制在- 1 6 0 s m v 【4 】。国内外也开展了大量利用o r p 优化控制系统运行的研究，如在s b r 工艺中，缺，厌，好二阶段o r p 曲线具有较明显的特征变化。可作为过程控制的参数吲。 ( 6 ) 其它影响冈素 p h 等其它因素也制约了脱氮除磷的效果。一般系统p h 维持在6 7 5 之间即可满足脱氮除磷微 生物要求。此外，通过l 艺改进，实现缺厕好氧交替运行环境，可强化脱氮除磷功效。 2 2s b r 法及其变形工艺 2 2 1s b r 工艺流程及特点 间歇式活性污泥法s b r ( s e q u a n z i n g b a t c h r e a c t o r ，又称序批式反应器) ，是近年米国内外普遍关 注和研究的一种生物处理技术。s b r i 艺为变容积运行，在单体构筑物内实现生物降解、沉淀等功能。 且根据不同的脱氮除磷c 艺要求，通过缺氧、好氧、厌氧时段的设置，较好地实现了营养物的去除。 典型s b r i 艺的一个完整的运行周期由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个工序组成。 ( 1 ) 进水阶段加入基质，均衡水质、水量； ( 2 ) 反应阶段一完成基质的降解； ( 3 ) 沉淀阶段静态沉淀，实现泥水分离； ( 4 ) 撇水阶段排除上清液。水位逐渐降至最低水位，同时进行剩余污泥的排放； ( 5 ) 闲置阶段兹生物恢复活性。 s b r 的：i ：艺流程简单，节省基建与运行费用；处于理想推流状态，生化反应推动力大。处理效率 高，运行方式灵活，脱氮除磷效果及可控性好，不易发生污泥膨胀：静j l 沉淀，出水效果好无需污 泥同流，可维持较高的污泥浓度耐冲击负荷，有利于提高难降解有机物的处理效率。 但处理较大水量时t 对于单- - s b r 反应池要较大的容积或多个s b r 池联用，故难于适应大型污水 处理厂要求；设备和反应器有效容积的利用率较低；对自动化控制及设备要求较高等。 2 2 1s b r 法的变形工艺 由于传统s b r 法自身存在着一定的局限性，随着技术的改进，后又衍生了s b r 的各种变种工艺， 如i c e a s 、c a s t 、u n i t a n k 、m s b r 等 ( 1 ) 间歇循环延时曝气系统( i c e a s ) i c e a s 一般由两个矩形反应器组成，单池由预反应区和主反应区两部分组成。预反应区一般处于 缺厌氧状态。主反应区是曝气反应的主体。该工艺可连续进水。 ( 2 ) 需氧间歇曝气法( d a t - i a t ) 该1 ：艺由需氧池( d a t ) 和间歇曝气池( i a t ) 组成。在d a t 内连续进水、曝气，其出水进入 认t 池，在次进行曝气、沉淀、滗水、排泥等过程。 ( 3 ) 循环活性污泥c a s t ( c a s s c a s p ) 工艺 c a s t ( c a s s c a s p ) 工艺为一变容积反应池。一般分为生物选择区、预反应区、主反应区，容 积比一般为l ；5 ：3 0 。按曝气，非曝气阶段运行。生物选择区作为絮状菌的选择器。可有效避免污泥 膨胀的发生。预反应区是一个水力缓冲区，如果在非曝气阶段停止进水则可省去该区主反应区作为 反应的主体，再依次进行生物降解及泥水分离，该工艺具有同步脱氮除磷功能。 ( 4 ) 一体化活性污泥( u n l t a n k ) = 艺 u n i t a n k 工艺由中间池和两边池构成。两边池既做反应池，又可作为沉淀池；中间池只作曝气 用。该工艺与交替运转的三沟式氧化沟相似通过将传统s b r 的时间推流与连续系统的空间推流相 结合，保证了系统的连续运行。 ( 5 ) 改良型s b r ( m s b r ) 工艺 m s b r 是目前集约化程度较高的一体化s b r 处理新技术，由s b r 与a 2 o 串联而成。一般由厌 氧池、缺氧池、曝气池、泥水分离池、两个s b r 池等6 个功能池组成。污水依次经过厌，缺，好氧池， 有效地实现了脱氮除磷。两s b r 池交替作为反应池与沉淀池，保证了系统稳定的出水。 ( 6 ) 其它新型s b r 亡艺 随着s b r 法的不断发展，又出现了一些改良工艺。如在u n i t a n k 工艺上发展的a i c s 、l u c a s 6 1 工艺，与膜生物反应器相结合的b s b r ，s b r 的串联工艺( 多段s b r 系统) ，满足连续进水要求的 t c b s 工艺p 】等。 6 餐 厘 誓 龋 d 爱 粕 堪 匿 鹭 嫠刺警 心 1鄹l 匿 薹 鼎鄢斟 盘 餐o 氓 * 暮 爱剃骟 掉 j l n 心 蜊匿 魍 导 蔷 宣 毯扩 鬻茎 寸 霹 伯 薏1 5o 献 *瞪 磐 罄耥罄 鼙 l 己 l搿l 耳 积叠1 5斟 啦 匠嚣 震 i 端 斗 j j j 薷 1 j i j 震 日- 暑n 钫 羹蒌 餐苗 怕 笛 誉 ? f 椎一 誉 矗 厘厦艋扈 ?s*嵌淑虫 u 誉 争( 医 n疆 描 辫 妥 签 龉 宝 哥 厘 薹 昌 v 旷 篁 鳘 稚 甘 整 詹 制 匿 * 起 1 翟 毯 描 则 一* g 端 s桶 苗 卜 室 冥 j ! j端 艋 厘逭 卜 蜘 * 舌 卜 舌 凶 骞 毯凶 吨 蓄 备 呕目 蝼 苗 始 龉 v 、 2 区 稚 筠 l 口 罄罄 辩 理 ll 隧蟠 j i j厘 箍 星 2?献 一 幂 譬 录州扑 寸o 葚 窿霹 n 制 求 趟 筠 蠹 旷 基 舞 蔷龉 撩 龉 2 2 瞽 一 匿 稚 詹 疆警 癸 厘厘艋厘 22献掌 糍 * 疆 ll 累 嵌 寸 寮 制 杂 赠 枣e 趟 毒 簧 咒 剥 翥蓄葵 篙 皇 薹 瑗 霎 墓 枷 髻 魁 翟 翟 蛰 簧雷帮赠 地聪嚣螺 匠翟篮 划 舞被 黑 譬 国 蹰 船轻盘 霹蓍 匿 鬓 裴 铎：闩翟端g桐h蛰锹酲l-n群 答篷聪翟坷副愀林越燃盛褂城 第二章s b r 法及其变型与脱氮除磷 各常见s b r 改进型的基本性能比较如表2 1 所示i s 。从表中可见，对丁二脱氮除磷，c a s ti ：艺优 于其它同类s b r 变形工艺。是一种高效经济的废水处理方法，因而在理论及工程实践上得到大量研 究和麻用。 2 3c a s t 工艺与脱氮除磷 循环活性污泥法c a s t 亡艺( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ，又称c - t e c h 池) 是s b r 法的一 种变型。在一个( 或多个平行运行) 反应容积可变的池子中，完成生物降解过程和泥水分离过程。c a s t 系统一般至少设2 个池子，以满足连续进水要求。 本 艺前端进水处设有“生物选择器”，处于缺厌氧环境。污水中的大部分可溶性b o d 在此区 被活性污泥微生物吸附，形成高浓度的基质快速积累过程。且污水中的磷在此得以有效释放。后续主 曝气区作为反应的主体，进行低负荷的基质降解过程，以实现有机物及氮磷的去除。同时部分污泥混 合液同流至选择区，以保证选择器内含有一定的微生物。回流液中少鼍的硝酸盐得以反硝化去除。除 脱氮除磷功效外，c a s t 还能适应进水波动较大的情况，具有一定的抗冲击负荷能力。 2 3 1c a s t 工艺的组成及运行 2 3 1 1c a s t 工艺的组成 c a s t 工艺一般由生物选择器，主曝气区、污泥系统( 回流及捧泥) 、撤水系统等组成。 ( 1 ) 生物选择器 生物选择器设在c a s t 工艺进水的前端，水力停留时间一般为o 5 l h 。废水中的溶解性有机 物质在此区能通过酶反应机理而迅速去除。污泥回流液中所含有的硝酸盐可在此选择器中得以反硝 化，选择器的最基本功能是防止产生污泥膨胀。 ( 2 ) 主曝气区 主曝气区是去除营养物质的主要场所。通过鼓风机向c a s t 工艺的主曝气区进行曝气供氧，主 要完成降解有机物、s n d 及除磷过程 ( 3 ) 污泥回流，排除剩余污泥系统 在主曝气池的末端设有潜污泵，污泥通过此潜污泵不断地从主曝气区回流至选择器中( 回流量约 为进水流最的2 0 左右) 。剩余污泥泵在沉淀阶段结束后将工艺过程中产生的剩余污泥排出系统 剩余污泥的浓度一般能达到1 0g r l 左右 ( 4 ) 撇水装置 在主曝气池的末端设有滗水装置，以排出处理后的出水。 2 3 1 2c a s tt 艺的运行 c a s t 工艺每一操作循环由下列四个阶段组成：进水，曝气、沉淀、撤水( 闲置) 。 循环开始时，由于进水，池子中的水位由某一最低水位开始上升，经过一定时间的曝气和混合后， 停止曝气，以使活性污泥在静态环境中进行絮凝沉淀，沉淀结束后，由撇水装置排出已处理的上清液， 使水位下降至池子所设定的最低水位，然后再重复上述过程。为保持池子中有一个合适的污泥浓度， 需要根据产生的污泥量排出相应的剩余污泥，排泥一股在沉淀阶段结束后进行。其操作循环过程见图 2 - l 所示。 2 3 2c a s t 工艺的特点 与常规s b r 法类似，c a s t 工艺具有共于传统活性污泥法的优特点，主要包括：占地少( 比常规 活性污泥法减少占地3 0 5 0 ) ，流程简单( 不设初沉池、二沉池等设施) ，管理方便( 处理设施少) ， 处理效果好( 去除有机物效率高，还有脱氮除磷功能，缓冲能力强，抗污泥膨胀性能较好) ，基建投 资省( 规模l o 万m d 的污水处理厂基建投资比常规活性污泥法节省l o 2 0 ) ，处理成本低，设 备国产率高等。 此外，相对于传统s b r 法，c a s t 工艺在脱氮除磷、防止污泥膨胀等方面显示了更强性能，且由 于同步硝化，反硝化t 大大节省了能耗。由于沉淀过程中不进水，静沉水质好 8 第二章s b r 法及其变型与脱氮除磷 图2 - 1c a s t 工艺的循环操作过程 2 3 3c a s t 工艺脱氮除磷 2 3 3 1c a s tq - 艺脱氮研究 不同于s b r 艺的脱氮机理，c a s t i 艺无需设置单独的缺氧时段，而主要通过同步硝化，反硝化 ( s n d ) 实现。研究显示，在s n d 系统内，氮的去除通常与在微生物絮体内由于受扩散限制而引起的 d o 浓度梯度有关。即硝化菌存在于高d o 或正氧化还原点位( o p r ) 环境，而在低d o 区或负o p r 环境下 反硝化菌较活跃pj 。通过控制曝气阶段d o 在不同水平，使活性污泥絮体内外出现较高的d o 梯度。 污泥外部保持好氧环境进行硝化，由于氧在活性污泥絮体内的传递受到限制，而具有较高浓度梯度的硝 酸盐则能较好地渗透到絮体内部，从而系统内形成微反应区( 微缺氧环境) ，即发生了曝气状态下的 反硝化( s n d 作用) 。在沉淀及滗水阶段也发生了一定的反硝化作用。 一般来说。在曝气开始时，d o 控制在较低的水平( 约0 2t 0 5r a g l ) ，直到曝气阶段结束前。才 使d o 提高到2 3 m g