（环境工程专业论文）厌氧好氧交替式sbr处理城市污水的生产性试验研究.pdf

中文摘要 本论文以生产性规模的厌氧好氧交替式s b r 反应池为主体，以城市污水为 处理对象，研究其在不同的运行参数下，对污染物的去除效果，同时进行s b r 同步脱氮除磷理论和影响因素的分析，并进一步探讨系统的反硝化除磷脱氮现 象。 根据周期运行参数和系统状态特点，厌氧好氧交替式s b r 系统的运行分为 三个阶段。各阶段c o d 、s s 的去除效果都保持良好，但是氮、磷的去除效果存 在差异。第一阶段，周期总时长为6 h ，s b r 厌氧好氧交替式运行，氨氮去除率 高，但反硝化不完全，因此t n 去除效果差，t p 的去除率也较低；第二阶段， 周期总时长延至1 2 h ，运行方式不变，各种污染物去除效果最好，c o d 、氨氮、 t n 、t p 、s s 的去除率分别为9 2 0 7 、9 6 6 9 、7 1 9 8 、9 5 1 6 、9 6 3 1 。；第 三阶段，周期总时长为8 h ，运行期间发生轻微污泥膨胀，氢氮的去除较差，但 t n 、t p 去除率较高。 温度对s b r 系统中氮的去除影响很大，温度降低至1 5 左右时，氨氮去除效 果开始变差，降到1 3 6 时，氨氮去除率降到5 0 以下；温度降低至1 1 9 。c 时， 反硝化速率也明显降低。提高好氧段溶解氧浓度和延长厌缺氧段和好氧段时间 能够在低温环境中提高氮、磷的去除率。硝酸盐的浓度大小对厌缺氧段释磷速 率和释磷总量产生一定影响。 研究发现：s b r 采用厌氧好氧交替的运行方式能够富集大量反硝化除磷菌， 有效提高t n 的去除率。试验中，活性污泥中具有反硝化能力的聚磷菌( d p a o s ) 在所有聚磷菌( p a o s ) 中所占比例( r l n 0 3 ) 为0 6 7 ，说明系统中反硝化聚磷菌对氮、 磷的同步去除有重要贡献。 关键词：厌氧好氧交替s b r 同步脱氮除磷城市污水反硝化除磷 a bs t r a c t i n t h i sp a p e r , af u l l s c a l ea n a e r o b i c a e r o b i cs b rs y s t e mw a su s e dt ot r e a t m u n i c i p a lw a s t e w a t e r t h em e c h a n i s mo fs i m u l t a n e o u sn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s r e m o v a la n dd e n i t r i f y h a gp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sa l s oa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ep e r i o do p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m s t a t e ，a n a e r o b i c a e r o b i cs b rs y s t e m sw e r ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s i nd i f f e r e n t s t a g e s ，t h er e m o v a lo fc o d ，s sw a sg o o d ，b u tf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si s d i f f e r e n t t h e p e r i o d o ft h ef i r s t s t a g e w a s6 ha n ds b ro p e r a t e du n d e r a n a e r o b i c a e r o b i ca l t e r n a t i o nm o d e ，r e m o v a lo fa m m o n i an i t r o g e ni nt h i sp h a s ew a s g o o & b u tt n ，t pr e m o v a le f f i c i e n c yi sp o o r ；t h ep e r i o dt i m ew a se x t e n d e dt o 12 hi n t h es e c o n ds t a g e ，a n da l lp o l l u t a n t sc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c i e so f c o d ，n h ，一n ，t n ，t 只s sw e r e9 2 0 7 ，9 6 6 9 ，7 1 9 8 ，9 5 1 6 ， 9 6 31 r e s p e c t i v e l y ；t h ep e r i o do fs i n g l ea n a e r o b i c a e r o b i cs b rw a s8 hi nt h et h i r d s t a g e ，s l i g h ts l u d g eb u l k i n gi n d u c ep o o r a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yb u t g o o dt n ，t pr e m o v a le f f i c i e n c y t e m p e r a t u r eh a ds i g n i f i c a n ti m p a c to nt h en i t r o g e nr e m o v a li na n a e r o b i c a e r o b i c s b rs y s t e m t h en i t r o g e nr e m o v a lr a t eb e g a nt od e c r e a s ew h e nt h et e m p e r a t u r ef e l l t o15 c ；a st h et e m p e r a t u r ef e l lt o13 6 c ，t h en i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sb e l o w5 0 a n dd e n i t r i f i c a t i o nc o u l da l s ob ei n f l u e n c e dw h e nt h et e m p e r a t u r ef e i lt o11 9 t h e 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 sc o u l db ee n h a n c e db yi n c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o n o f d i s s o l v e do x y g e na n de x t e n dt h et i m eo f a n a e r o b i c a n o x i cs t a 垂ew h e nt e m p e r a t u r e w a sl o w p r e s e n c eo fn i t r a t ec o u l di n h i b i tt h ep h o s p h o r u sr e l e a s er a t ea n dp h o s p h o r u s r e l e a s ec a p a c i t yi na n a e r o b i c a n o x i cs t a g e f u r t h e r m o r e ，i tw a so b s e r v e dt h a ta n a e r o b i c a e r o b i cs b rc a ne n r i c hd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a l b a c t e r i aa n de n h a n c et h er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e n t h ep e r c e n to f d p a o si np a o s ( r l n 0 3 ) i s0 6 7 i na c t i v es l u d g e ，w h i c hr e v e a lt h a td e n i t r i f y i n g p h o s p h a t er e m o v a lb a c t e r i ah a sa ni m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt os i m u l t a n e o u sn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l k e yw o r d s ：a l t e r n a t i n ga n a e r o b i c a e r o b i c ，s b r , p h o s p h o r u sr e m o v a lm u n i c i p a l p h o s p h o r u sr e m o v a l s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n d w a s t e w a t e r , d e n i t r i f y i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他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。 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年月乡日 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字吼川年百月弓日 导师签名 签字日期砂q 年1 6 r 月弓日签字日期：砂o1 年侈月刍日 触 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 水是生命之源，是人类文明发生和发展的基础。古今中外，水资源问题一直 是社会经济生活中的重点。然而随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化 程度的不断提高，我国水资源短缺与水污染问题日益突出，严重影响了人民的生 活质量和身体健康，制约着我国社会、经济和环境可持续协调发展。水环境污染 的主要特征是水体的有机污染和富营养化，特别是水体的富营养化问题在世界各 地日趋严重，已对水生生物和人体健康造成了严重危害。引起水体富营养化的主 要营养成分有有机碳、氮、磷、钾、铁等。而污水中有机碳经一般的生物处理后 可基本去除，氮、磷之外的其它成分相对于富营养化发生过程中的需求量极低， 不会成为富营养化的限制因子。因此，引起水体富营养化的主要因子是氮和磷， 其主要来源于城市污水或生活污水【l 。3 1 。随着水体富营养化问题的日渐凸现，公 众环境意识的加强，污水脱氮除磷成为水污染控制中广受关注的热点越来越多 的国家和地区制定了严格的污水氮、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。 由此可见，无论是现有污水厂还是新建污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要 求。因此研究和开发高效、经济的生物脱氮除磷工艺以解决我国日益严重的水污 染问题，具有重要的理论和现实意义。 1 1 环境中氮、磷来源及其危害水 1 1 1 水环境中氮、磷的来源 进入水体的氮主要有无机氮和有机氮两类。无机氮包括氨态氮( 简称氨氮) 和硝态氮。有机氮有氨基酸、蛋白质、核酸、尿素等含氮有机物。水体中的磷主 要以磷酸盐的形式存在。水体中氮、磷的来源是多方面，主要由城市生活污水、 工业废水和农业污水三方面带入【4 | 。 ( 1 ) 生活污水中的氮、磷，主要由人类排泄物及食物残渣，洗涤剂如厨房洗 涤、淋浴、洗衣等带入水中i 引。 ( 2 ) z 业废水中的氮、磷主要来自于含氮、磷产品的生产厂和使用厂。如食 品加工企业( 例如乳制品加工) 、化肥生产企业、磷化工行业等。 第章绪论 ( 3 ) 农业生产过程中产生的氮、磷污染主要来自含氮、磷的化肥及农药的使 用。我国是一个农业大国，化肥施用量已经达到了一亿吨，而施肥利用率仅有 3 0 0 o - - - 5 0 的水平，大量氮、磷成分可通过各种途径进入了水体【6 1 。 1 1 2 水环境中氮、磷的危害 氮和磷是生物的重要营养源。水体中氮、磷量过多，会产生极大的危害，最 大的危害就是引起水体富营养化，恶化水体质量。这不仅会造成经济上的重大损 失，而且会危害人类健康，影响深远。其危害主要表现在【4 ，7 ，8 j ： 使水味变得腥臭难闻：水体藻类过度繁殖，导致水体产生霉味和臭味；藻 类的死亡分解，也会散发浓烈恶心的腥臭。降低水体的透明度，蚊虫大量滋生： 由于表层水体悬浮着密集的水藻，使水质变得浑浊，透明度显著降低，感官性状 下降；同时，在温度较高时节，藻类将为蚊虫的大量滋生提供充足的养料。消 耗水体的溶解氧：表层的藻类由于光合作用充分而过度繁殖覆盖水面，影响光照 深入水体，加之藻类死亡腐烂分解消耗大量溶解氧，使得深层水体生物难以存活。 这种厌氧状态可以触发或加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的 高负荷，形成富营养水体的恶性循环。向水体释放有毒有害物质：富营养化水 体内的大量藻类能够分泌、释放有毒有害物质，危害水生生物，并对人类健康产 生严重影响。影响供水水质并增加制水成本：过量水藻给水厂的运行带来障碍； 同时富营养水体产生的有毒有害气体等问题加大了水处理技术难度。对水体生 态的影响：一旦水体受到污染，水体环境的生态平衡会被扰乱，水生生物的稳定 性和多样性降低，水体平衡遭破坏。对渔业的影响：一些藻类有毒，不适合作 鱼的饵料。同时，藻类过度繁殖，会降低水体溶解氧，进j 步影响鱼类的生存； 水体的营养化水平变化时将影响鱼类种群结构，影响鱼的质量。 1 1 3 污水脱氮除磷的必要性 水体富营养化所引起的危害如此之多，而且水体富营养化现象在世界各地均 日趋严重，己成为人类所面临的严重水环境问题之一。由此可见，最大限度的控 制排放入水体的氮和磷，是防止水体富营养化的关键。 另外，随着水环境污染，节水问题的尖锐化及公共环境意识的增强，越来越 多的国家和地区制定了严格的污水氮磷排放标准。我国2 0 0 2 年的城镇污水处 理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 均明确规定了较为严格的氮磷排放标准。 这就意味着绝大多数城市污水和工业废水处理设施都要考虑氮磷的去除，从这个 意义上说，研究和开发经济高效的除磷脱氮污水处理技术将成为水污染控制工程 领域的重点和持续热点课题之一。 天津人学硕士学位论立 1 2 传统生物脱氨除磷理论及工艺 1 2 1 生物脱氮原理 关于脱氮原理的研宄已有一百多年，w i n o g r a d s k y ( 18 9 0 ) 第次发表r 关 于氨氮氧化的报道但直到二十世纪初才有硝化( 1 9 2 6 年k l u y v e ra n d d o n k e y ) 和反硝化( 1 9 1 0 年b c u e r i n c ka n dm i n k m a n ) 的概念p l 。废水中的氮主要土要以 有机氨( 胺基、氢基、硝基化台物及其它有机古氮化台物) 和无机氪( 氨、亚硝 酸盐、硝酸盐等) 两种形态存在。废水生物脱氮主要包括氢化、硝化和反硝化几 个过程，如下国所示： 署吒i 署生百_ 一 “ 呈芝- 瓶 x 旦= 2 x 。阜量= 2 n o 图i 1 生物脱氟示意图 现对生物脱氦的三个过程加以详细阐述。 ( 1 l 氨化反应 废水中的有机氮在微生物( 氧化细菌) 的作用下，分解产生氨的过程称为脱 氨基作用常称为氨化反应。在未经处理的废水中古氮化台物主要是以有机氮 如蛋白质、尿素，胺类化台物、氨基化台物以及氨基酸等形式存在的，此外也有 少量的氨志氯，如n h ；及n h ：等， 在氧化菌的作用下，有机氯化合物分解、转化为氨态氨，以氨基酸为倒，其 具体转化过程式如式( i i ) 所示： r c h n h 2 c o o h + o ：_ r c o o h + c o ! + n h f 2 ) 硝化反应 硝化反应是指由硝化菌将氨氨氧化成硝酸盐的过程。这个过程必颓在好氧条 第一奄绪论 件下才能进行。硝化反应包括两个步骤，第步是由氨氧化菌( n i t r o s o m o n a s ) 将 氨氮转化为亚硝酸盐( n o ；) ，氨氧化菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和 亚硝化球菌属。第二步则由亚硝酸盐氧化菌( n i t r o b a c t e r ) 包括硝酸杆菌属、螺菌 属和球菌属，将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐( n o ：o 氨氧化菌和亚硝酸盐氧化 菌统称为硝化菌。这类菌利用无机碳化合物如c o ；、h c o ：和c o ，作碳源，从 n h ，、n h ；或n o ；的氧化反应中获取能型旧】，两项反应均需在有氧的条件下进 行。亚硝化反应和硝化反应可以下列反应式表示： n h ；+ 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 胍g 马o 9 8 2 岖+ 1 0 3 6 h 2 0 ( 1 - 2 ) + 1 8 91h 2 c 0 3a t 0 0 18 c 5 4 7 0 2 n n o ；+ 0 4 8 8 0 ：+ 0 0 0 3 1 + c o ；+ 0 0 l 致c q j 墼人r g f + o 0 0 8 h _ , o ( 1 - 3 ) 娟0 0 3 c 5h ，0 2 n 总反应为： 删+ l 8 6 0 2 + l 9 8 2 们gj ! 马o 9 8 2 n o ；+ 1 0 0 4 h 2 d ( 1 4 ) + 1 8 81 h 2 c d 3 + o 0 21 g 马d 2 n ( 3 ) 反硝化反应 生物反硝化反应就是硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成n ，的过 程。参与这一生化反应过程的微生物是反硝化细菌，反硝化菌大多数是兼性的， 在缺氧的条件下利用有机物为碳源，作为电子供体提供能量，而硝酸盐中的氧作 为电子受体】。反硝化菌大量存在于污水处理系统，包括变性补菌( p r o t e u s ) 、 假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、小球菌( m i c r o c o c c u s ) 、嗜气杆菌属( a e r o b a c t e r ) 等【1 2 】，这是一类化能异养兼性缺氧型微生物。反应过程中反硝化细菌在无分子氧 的条件下，利用各种有机基质作为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体 进行缺氧呼吸。其具体反应式如下所示： 5 c ( 有机碳) + 2 曰2 0 + 4 n 0 3 垦翌吗2 2 + 4 伽一+ 5 c 0 2 3 c ( 有机碳) + 2 月2 0 + 4 n o l _ 塑塑2 2 + 4 阳一+ 3 c 0 2 ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有机 物时，无机物如h ：、h ：s 等也可以作为反硝化反应的电子供体，微生物也可以 天津大学硕士学位论文 通过消耗自身细胞进行内源反硝化13 1 。 1 2 2 生物除磷原理 生物除磷是新工艺，近二十年来受到广泛的重视和研究。它是由聚磷细菌 ( p a o s ，p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 利用厌氧好氧( 缺氧) 交替环 境，来实现磷的释放和过量吸收，然后通过沉淀排除剩余污泥实现磷的去除。 污水中的磷主要以磷酸盐( p o ：一p ) 和有机磷( 聚磷酸酯等) 的形式存在，一般 来说，生物除磷主要是依靠厌氧好氧交替运行条件下驯化出的聚磷菌( p a o s ) 能 在好氧条件下过度吸磷，并以聚磷( p o l y p ) 的形式贮存在体内，从而通过剩余污 泥的排放实现除磷的目的。生物除磷通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。如 图所示： 厌氧段好氧段 有枫质台成辨i a i 鼎 d 睁 p h 降解无枧物 d pa i p 图1 2 生物除磷示意图 现对厌氧释磷和好氧吸磷两个过程作详细阐述。 ( 1 ) 厌氧释磷 厌氧条件下，活性污泥中微生物细胞内的p a o s 吸收污水中的低分子脂肪酸 ( v e a ，如乙酸) ，并以聚经基烷酸( p h a s ) 的形式贮存于细胞内，这过程中消耗 了h + 。为维持细胞质子动力( p m f ) 的恒定趋向，胞内的p o l y - p 和糖原( g l y c o g e n ) 水 解，水解同时所产生的a t p 又为细胞吸收v f a 提供能量。在聚磷的水解过程中， 磷被释放，金属阳离子也同时被运输到细胞外。以乙酸为例，该过程如下方程式 所示【1 4 1 ： 等1 伙3 3 c 裂ho + 0 ，( p j h 黧b ) 6 0 0 1 瑟安黑04 4 h 艺p m o , 鹏叩卜n 0 2 3 印m 7 ， 一 ，。 + 7 c 0 ，+ ， 、 ( 2 ) 好氧吸磷 第一章绪论 好氧条件下，同时外界环境碳源不足时，a p o s 消耗厌氧时贮存的大量p h a s 作为碳源和能源，而建立起三羧酸循环和呼吸链产生h + ，即产生质子推动力p r n f 。 为维持p m 瞧定趋向，p a o s 将通过消耗p m f 把胞外的磷以电中性或电阳性的形式 输送到细胞内合成a t p 。进而合成丰富的p o l y p 幂l l g l y c o g e n 及微生物，同时金 属阳离子被协同运输到细胞内，实现生物除磷。 1 2 3 生物脱氮除磷工艺 目前以传统脱氮除磷理论为基础，已经开发出多种生物脱氮除磷及有机物去 除工艺。而污水生物处理过程中，多数情况下要求同时去除氮、磷，因而在实际 应用中，往往把氮、磷的去除结合在一个工艺中加以考虑，即同步脱氮除磷工艺， 也被称之为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 ) 一生物营养物去除工艺。自上世纪七 十年代b a n l a r d 在研究b a r d e n p h o l l 5 】脱氮工艺时发现废水中的磷也得以同时除，提 出了同步脱氮除磷的p h o r e d o x 工艺【1 6 1 ( 改良型b a r d e n p h o t 艺) 之后，随着科技的发 展，现代化的机械装备、控制手段的推广应用，生物同步脱氮除磷技术得到了不 断的发展。目前的同步脱氮除磷技术按操作模式可分为两大类：连续流脱氮除磷 工艺以及序批式脱氮除磷工艺。 连续流工艺以空间顺序安排为主对污水进行处理，主要工艺有a a o 工艺、 倒置a a o i 艺、u c t i 艺【7 】、b a r d e n p b o s e 艺、p h o r e d o x i 艺、v i p i 艺【引、j h b 工型9 1 、氧化沟工艺【1 7 1 等。尽管连续流工艺经过一系列的技术革新后有了较大的 改进，但仍存在运行条件的可调节性有限的缺点，如遇到水质波动、氮磷负荷冲 击的情况时，调节余地较小，因而无法确定运行效果。 序批式( s b r ) 脱氮除磷工艺的机理与连续流工艺完全一致，只是运行方式不 同。它是以时间序列控制产生缺( 厌) 氧好氧环境实现脱氮除磷。与连续流工 艺相比，s b r 工艺具有运行管理灵活、耐冲击负荷强、占地面积小等优势，但其 最大的缺点就是操作复杂，难以管理。 下面主要对几种典型连续流脱氮除磷工艺作详细介绍。 ( d a a o i z t l 7 , i s a a o 工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化工艺和生物除磷工艺的综合，在 国内外己有广泛应用，而且大多数生物脱氮除磷技术都是在这个基础上发展起来 的。此工艺流程如图1 3 所示： 原污水与从二沉池排出的含磷回流污泥进入厌氧反应器，该反应器主要 功能是释放磷，同时部分有机物进行氨化。 污水经过厌氧反应器进入缺氧反应器，该反应器的首要功能是脱氮，硝 态氮是通过内循环由好氧反应器送来的。 天津大学硕士学位论文 混合液从缺氧反应器进入好氧反应器，该反应器是多功能的：去除b o d s 。 硝化和吸磷。 二沉池的功能是泥水分离，污泥的部分回流厌氧反应器，上清液作为处 理水排放。 图1 - 3a o 脱氮除磷工艺流程 o 工艺运行控制较简单，一般在高负荷状态下运行才能获得良好的脱氮 除磷效果，即泥龄短、水力停留时间短。该工艺的特点有：将污水生物脱氮除磷 融为一体，流程相对简单，易于运行管理；脱氮时不需外加碳源，运行费用较低。 但是该系统脱氮除磷能力取决与混合液回流比，且其除磷效果受到泥龄、回流污 泥中挟带的溶解氧和硝态氮的限制，一般难以同时取得好的除磷和脱氮效果。 ( 2 ) 改良h a o - v 艺【1 7 。州 如图1 4 所示，倒置o 工艺同样由缺氧池、厌氧池和好氧池三个工艺段 组成，与刖o 工艺相比，不同之处是将缺氧段位于厌氧段前，污水分为两部分 分别进入缺氧段和厌氧段，也可将全部污水进入缺氧段，取消混合液内回流，适 当加大污泥回流比。该工艺在缺氧段去除污泥回流带入的硝态氮，减轻了厌氧区 硝态氮对释磷的影响。 o 衢0 f 一1 回濠圬泥 1 5 0 嘲) 图1 - 4 倒置a a o 脱氮除磷工艺流程 倒置a ，o 工艺中污泥回流系统和混合液回流系统合二为一，与o 工艺 相比，工艺流程较简单，污泥回流比大，般为1 5 0 2 5 0 。且所有的回流污泥 全部经历厌氧释磷和好氧吸磷过程，聚磷菌在厌氧状态下形成的吸磷动力可以得 第一章绪论 到充分利用，提高了系统的除磷能力。该工艺中的缺氧段、厌氧段并无严格界限， 主要取决于工艺构筑物采用的形式。 。 ( 3 ) b a r d e n p h o 工艺7 # 叫 b a r d e n p h o i 艺由南非人b a r n a r d 首创，为e i m c o 工艺设备公司的专利。该工 艺由四段组成，可认为是两个a o 工艺的串联，与其他工艺相比，其主要特征是 水力停留时间较长，剩余污泥中磷的含量为4 6 1 2 1 1 ，具有较好的脱氮除磷效 果。将第一个缺氧池分成厌氧缺氧区，回流污泥在该区前部进入，而进水则从 后部进入，即j h b 工艺。这种布置使回流污泥中可能含有的n o ；在厌氧释磷前首 先反硝化，避免影响后续的厌氧释磷。而p h o m d o x _ q 二艺则是在b a r d e n p h o _ 工艺前 增设厌氧池，回流污泥与进水在厌氧池中完全混合，可进一步提高出水效果，该 工艺一般情况按低负荷运行时设计，可提高脱氮率。 图1 - 5b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺流程 ( 4 ) 氧化沟- v 艺t 1 7 捌j 氧化沟又称“循环曝气池”，它是一种呈封闭环状沟渠形的污水处理构筑物， 污水与活性污泥的混合液在曝气沟中经长时间( 一般为1 5 3 0 h ) 的循环流动而得 到净化。氧化沟是2 0 世纪5 0 年代由荷兰的巴斯维尔开发的，它属于活性污泥法的 一种变形。严格的说氧化沟不属于专门的生物脱氮除磷工艺，但是随着氧化沟技 术的不断发展，其具有了多种多样的工艺参数和功能选择。通过合理的设计，选 择适当的污泥龄、池型、流态、电子供体等工艺要素及特定曝气设备的不同选择， 使沟内产生交替循环的好氧区、缺氧区和厌氧区，从而达到脱氮除磷的目的。 从运行方式考虑，氧化沟工艺可分为两方面：一是按时间顺序安排为主对污 水进行处理，二是按空间顺序安排为主对污水进行处理。氧化沟工艺相当于a o 工艺，其具有除磷功能实质是污水依次历经缺氧、好氧或缺氧、厌氧、好氧环境。 除磷脱氮功能氧化沟是常规氧化沟与其他除磷脱氮工艺的结合，典型的结合方式 为单独的厌氧池加氧化沟，硝化和反硝化功能在氧化沟内完成。氧化沟工艺系统 由于流程简单，处理效果稳定，基建费用低，在欧洲国家应用较多。 毒墨 迅 一 一? 一 天津大学硕士学位论文 1 3s b r 脱氮除磷工艺及研究进展 1 3 1s b r 工艺特点 本试验采用s b r 反应器为处理城市污水的主体，主要考虑到s b r 反应器有 以下优点： ( 1 ) i 艺流程简单、基建与运行费用低 s b r 系统的主体工艺设备是一座间歇曝气池，与传统的连续流系统相比， 无需再设二沉池和污泥回流设备，一般也不需调节池，许多情况下，还可省去初 沉池，这样s b r 系统的基建费用往往较低。根据k e t c h u m 等人的统计结果，采 用s b r 法处理小城镇污水比用传统连续流活性污泥法节省基建投资3 0 【2 2 】以 上。s b r 法无需污泥回流设备，节省设备费用和常规运行费用。此外，s b r 法 反应效率高，达到同样出水水质所需曝气时间较短。反应初期d o 浓度低，氧转 移效率高，节省曝气费用。 ( 2 ) 生化反应推动力大、速率快、效率高 s b r 法反应器中底物浓度在时间上是理想推流过程，底物浓度梯度大，生 化反应推动力大，克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低，反应推动力小 和推流式曝气池中水流反混严重，实际上接近完全混合流态的特点。i r v i n e 等人 的研究还表明：s b r 法中微生物的核糖核酸( r n a ) 含量是传统活性污泥法中3 4 倍【2 引。而r n a 含量是评价微生物活性的最重要指标，所以这也是s b r 法有机物 降解效率高的一个重要原因。 ( 3 ) 有效防止污泥膨胀 s b r 法底物浓度梯度大【2 4 1 ，反应初期底物浓度较高，有利于絮体细菌增殖 并占优势，可抑制专性好氧丝状菌的过分增殖。此外，s b r 法中好氧、缺氧状 态交替出现，也可抑制丝状菌生长。 ( 4 ) 操作灵活多样 s b r 法不仅工艺流程简单，而且可以根据水质、水量的变化，通过各种控 制手段，以各种方式灵活运行，如改变进水方式、调整运行顺序、改变曝气强度 以及周期内各阶段分配比等来实现不同的功能2 5 1 。例如在反应阶段采用好氧、缺 氧交替状态来脱氮、除磷，而不必像连续流系统建造专门的a o 、a a o 工艺。 ( 5 ) 耐冲击负荷能力强 s b r 法虽然对于时间来说是理想推流过程，但就反应器中的混合状态来说， 仍属于典型的完全混合式，也具备完全混合曝气所具有的优点【2 6 1 ，一个s b r 反 应池在充水时相当于一个均化池，在不降低出水水质的情况下，可以承受高峰流 第一章绪论 量和有机物浓度上的冲击负荷。此外，由于无需考虑污泥回流费用，可在反应器 内保持较高的污泥浓度，这也在一定程度上提高了它的耐冲击负荷能力。 ( 6 ) 沉淀效果好 沉淀过程中没有进出水水流的干扰，可避免短流和异重流的出现，是理想的 静止沉淀，固液分离效果好【2 7 】，具有污泥浓度高、沉淀时间短、出水悬浮物浓度 低等优点。 1 3 2 厌氧好氧交替式s b r 同步脱氮除磷工艺 在污水的生物处理中，为简化活性污泥法污水处理流程，通常在一个反应器 内维持厌氧、好氧、缺氧环境，完成硝化反硝化、释磷吸磷，达到脱氮除磷的目的， 目前围绕这方面已进行大量研究，但多是集中在连续流系统中【2 8 3 0 1 ，而应用于序 批式活性污泥法( s b r i 艺) 的较少。s b r 工艺由于其较高的处理效率，兼具脱氮 除磷功能和较少的基建投资而在污水处理中得到广泛应用 3 1 - 3 3 j 。 序批式( s b r ) 脱氮除磷工艺，其脱氮除磷的原理是采用限时曝气或半限时曝 气运行方式，以实现时间序列上的缺氧好氧或厌氧好氧的组合并控制每一部分 合适的时间分配，以取得较好的脱氮除磷效果。s b r 工艺去除污染物的机理与连 续流工艺完全一致，只是运行方式不同。连续流工艺采用连续运行方式，污水连 续进入处理系统并连续排出，系统内每一单元的功能不变，污水依次流过各单元， 从而完成处理过程。s b r 工艺采用间歇运行方式，污水间歇进入处理系统并间歇 排出。系统内只设一个处理单元，该单元在不同的时间具有不同的功能，污水进 入该单元后按时间顺序进行不同的处理。 一般来说，s b r 工艺脱氮除磷的典型运行方式分为6 个阶段： 阶段1 为进水期，污水在该时段内连续进入处理池内，直至达到最高运行液 位。在进水期既不混合也不曝气，称为静止进水，当要求s b r 工艺进行脱氮除磷 时采用这种进水方式。为了使微生物与底物有充分的接触，进水期也可以只搅拌 混合而不曝气，保证混合液处于厌氧状态。 阶段2 为曝气期，该阶段内既不进水也不排水，只进行曝气，使污染物进行 生物降解。该阶段在反应池内进行碳氧化、硝化和磷的吸收，好氧反应期的长短 一般由要求处理的程度决定。 阶段3 为缺氧反应期，在此阶段反应池内停止曝气，保持搅拌混合。主要是 在缺氧条件下进行反硝化，达到脱氮的目的，缺氧期不宜过长，以防止聚磷菌过 量吸收的磷发生释放。 阶段4 为沉淀期，在此阶段反应器内混合液进行固液分离，该阶段处于静止 沉淀的情况，所以沉淀效率高于一般沉淀池的沉淀效率。 天津大学硕士学位论文 阶段5 为排水期，反应器排放处理后出水。排水期的长短由一个周期的处理 水量和排水设备来决定。 阶段6 为闲置期，当处理系统为多池运行时，反应器会有一个闲置期，在此 阶段从反应器排出废弃的富磷活性污泥。 对于s b r 工艺，一次性进水后可以只进行厌氧、好氧、缺氧的一次循环，达 到脱氮除磷目的，也可以交替进行厌氧、好氧、缺氧几次循环，完成脱氮除磷过程。 对于s b r 研究起源较早，近些年来又相继开发了s b r 法的变型新工艺，如 一i c e a s ( 司歇式循环延时曝气活性污泥法) 、c a s s ( 循环活性污泥系统) 瞰】、i d e a ( 间 歇澄清延时曝气工艺) 雨f l m s b r _ q 2 z 3 5 ) 等等。与连续流工艺相比，s b r 工艺具有运 行管理灵活、耐冲击负荷强、占地面积小等优势，但其最大的缺点就是操作复杂， 难以管理。首先大部分s b r 工艺采用间歇进水、排水，为实现连续进出水需在几 个s b r 反应器之间频繁切换；其次s b r 循环出现厌氧、好氧、缺氧环境，环境边 界变化范围大，特定环境下优势菌属的生化反应是渐变和滞后的过程；此外，脱 氮和除磷在同一反应器中进行，相互之间的影响在所难免。 1 3 3s b r 脱氮除磷研究新进展 1 3 3 1s b r 同时硝化反硝化工艺 同步硝化反硝化是指在同一反应器中，相同的操作条件下，硝化反应、反硝 化反应同时进行1 3 6 | 。 由于s b r 工艺试验装置简单，运行管理方便，且可以有效抑制低溶解氧条 件下引发的污泥膨胀问题，因此同时硝化反硝化s b r 工艺研究的较多。 e l s a b e t hv m u n c h t 3 7 】等研究了s b r 发中的同时硝化反硝化现象，并根据试验 结果确定了硝化、反硝化反应的数学模型，最后从公式的角度推导出硝化速率和 反硝化速率相同时d o 浓度为0 5 m g l 。 东南大学吕锡武【3 8 】等对序批式反应器试验装置处理含氨氮废水时出现的同 时硝化反硝化现象进行研究。试验结果验证了好氧反硝化的存在，碳源影响好氧 反硝化效率，碳源越充足，总氮去除率越高。当d o 浓度为0 5 m g l 时，总氮去 除率为6 6 0 。 李峰【3 9 1 等也报道了s b r 工艺对合成氨氮废水的处理效果。研究表明，在三 种进水条件下( c o d 不同浓度) ，均观察到好氧阶段总氮减少的现象，且碳源越充 足，总氮去除率越高。当c o d 为3 4 6 6 m g l ，c n 为5 7 8 时总氮去除率达6 8 6 1 。 1 3 3 2s b r 反硝化除磷工艺 ( 1 ) 反硝化脱氮除磷原理 第一章绪论 近年的试验研究发现：s b r 在厌氧好氧交替运行条件下，易富集一类兼有 反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物可利用氧气或硝酸盐作为电 子受体，且其基于胞内p h a s 和糖原的生物代谢作用与传统a o 法中的p a o s 相似 【4 0 】 o 研究者们提出了两种假说加以解释反硝化除磷现象：两类菌属学说【4 ，即 生物除磷系统中的p a o s 可分为两类菌属，其中一类p a o s 只能以仇为电子受体， 而另一类因既能以氧气又能以硝酸盐为电子受体而具有反硝化除磷作用，被称为 反硝化聚磷菌( d p a o s ) ：一类菌属学说【4 2 1 ，即在生物除磷系统中只存在一类 p a o s ，该类微生物在一定程度上都具有反硝化能力，其能否发挥反硝化作用在 于厌氧缺氧这种交替环境是否得到了强化。换而言之，即只有给p a o s g - j 造特定 的厌氧缺氧交替环境诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使p a o s 具有反硝 化能力。经大量的试验研究表明，两类菌属学说己得到了广泛认同。 d p a o s 可以硝酸盐为电子受体，且不需在反硝化阶段提供外加碳源，因此磷 的去除就可在缺氧反硝化脱氮的同时得以实现；d p a o s 以硝酸盐为电子受体时的 污泥产量较小，因此若将d p a o s 应用于实际e b p r 系统中就可实现“一碳两用”， 减少曝气时能量的消耗，以及污泥产量的减小。 ( 2 ) 反硝化脱氮除磷机理 反硝化聚磷菌厌氧释磷机理与好氧聚磷菌相同，即吸收挥发性脂肪酸贮存为 胞内p h a s ，同时胞内聚磷水解释磷以及糖原浓度降低；其缺氧吸磷机理与好氧 聚磷菌类似：通过降解胞i 勾p h a s 吸收胞外正磷同时恢复聚磷和糖原浓度，唯一 不同之处在于产生能量的电子传递链的最终电子受体不同，见下两式【4 3 】： 好氧：n a d h 2 + 0 5 q t s a t p + h 2 0 缺氧：n a d h 2 + 0 4 v - n 0 3 _ 6 a t p + o 2 n 2 + 1 2 h 2 0 ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) 上两式中：6 和6 n 今分别为好氧和缺氧产能效率( m o l a t p m o i n a d h 2 ) 。 k b u a 等基于前人好氧吸磷的研究建立了反硝化除磷模型】，模型中动力学 方程与s m o l d e r s 厌氧好氧模型1 4 5 , 4 6 相同，主要区别在于两者的产能效率不同。经 试验测定，缺氧条件下6 n 约为1 0 m o l a t p m o l n a d h 2 ，而s m o l a d e r s l 3 0 】得出的好氧 产能效率为1 8 5m o l a t p m o l n a d h 2 。因此以n o ；为电子受体转移电子时所产生 的a t p 以氧气为电子受体时约低4 0 ，这也使得缺氧条件下d p a o s 产率系数与 p a o s 相比减d x 2 0 - 3 0 4 7 ，4 引。 ( 3 ) 影响反硝化除磷效率的因素 c o d 浓度对反稍化除磷的影响 天津大学硕士学位论文 在传统的厌氧好氧除磷工艺中厌氧段c o d 的质量浓度越高则释磷的速度越 快，从而影响除磷的效果。有试验结果表明：释磷速度在较高易生物降解的c o d 的质量浓度下为9 0 6 1 6 1 4 m g p ( g v s s - h ) ；在较低易生物降解的c o d 的质量浓 度时降低为2 4 9 m g p ( g v s s - h ) 【4 9 1 。在缺氧环境中常规的反硝化细菌利用这一 部分c o d 作为电子供体来还原废水中的硝酸盐，而反硝化聚磷菌也利用废水中的 硝酸盐作为电子受体来氧化其在厌氧阶段储存在细胞体内的p h b 并摄取废水中 的磷。当进水c o d 浓度控制在1 8 0 m g l 以下时，进水c o d 的浓度越高，厌氧结束 后体系中释放的磷的浓度就越高，同时缺氧结束时体系的磷的浓度就越低，磷的 去除效率也就越高，达到9 4 ；由于反硝化聚磷菌在与常规的反硝化细菌对硝酸 盐的竞争中处于劣势，当常规的反硝化细菌过多时反硝化聚磷菌的生长会受到抑 制。当进水c o d 浓度超过1 8 0 m g l 时，厌氧结束时的磷的去除率下降了；当进水 c o d 浓度在2 5 0 m g l 时，磷的去除率仅为2 3 1 5 0 】。所以过量的c o d 将导致有剩余 的c o d 进入缺氧段，从而降低反硝化除磷的效率。 硝酸盐浓度对反硝化除磷的影响 反硝化聚磷菌是在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体进行吸磷的，因此硝 酸盐浓度的高低直接影响反硝化聚磷菌聚磷的效率。一般情况下较高浓度的硝酸 盐可以给反硝化聚磷菌提供更多的电子受体，则它就可以较好得到利用电子受体 将体内储存的p h b 氧化分解，从而获得更多能量进行超量吸磷作用；但由于聚磷 菌体内的p h b 是有限的，当硝酸盐的浓度提高到一定程度时聚磷菌体内的p h b 就 成为了控制因烈5 1 】；另外过量的硝酸盐会影响到厌氧段的释磷过程，因此在缺氧 段投加的硝酸盐浓度