（环境工程专业论文）螺旋升流式反应器在低温、长泥龄时处理城市污水的试验研究.pdf

中文摘要 摘要 螺旋升流反应器( s p i r a lu p f l o wr e a c t o r , s u f r ) 是一种具有机械导流系 统的新型污水处理立式反应技术，该反应器的螺旋升流方式能提高基质的浓度梯 度，延长基质在反应器中的停留时间，使反应器表现出明显的活塞流特征。作者 在全面评述脱氮除磷理论和技术的基础上，结合螺旋升流式反应器( s d i r a lu p - f l o w r e a c t o r ，s u f r ) 技术的特点，分析了s u f r 系统在低温( 8 2 0 。c ) 运行时的处 理效果；并通过不同泥龄的对比试验探索了常温时s u f r 系统在较长泥龄条件下 的工艺运行特点。 试验主要在以下几个方面展开： ( 1 ) 、研究低温对具有螺旋升流式反应器脱氮除磷的影响； ( 2 ) 建立温度影响的数学模型： ( 3 ) 研究低温对螺旋升流式反应器污泥特性的影响； ( 4 ) 研究较长泥龄时螺旋升流式反应器脱氮除磷的变化； ( 5 ) 对较长泥龄时螺旋升流式反应器系统的污泥特性进行分析。 通过以上试验内容研究发现，低温运行期间c o d 、 i n 的处理效果虽然有所 下降但是出水c o d 和t n 仍分别小于4 0 m g l ，1 0 m g l ；而总磷的去除效果基本 不受影响；低温对污泥的特性的负作用引起了污泥膨胀，但是依靠反应器技术自 身的特点可以在较短的时间内自行得到恢复。s u f r 系统在较长泥龄时( 主要在 3 2 天左右) 出水处理出水指标达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 的一级标准。 试验表明s u f r 系统( 0c = 3 2 d ) t n 的处理效果明显高于s u f r 系统( 0c = 2 0 d ) i s u f r 系统( 0c = 3 2 d ) 总磷的去除效果虽然低于s u f r 系统( 0c = 2 0 d ) ，但是出 水t p 一直稳定在0 5m g l 内；s u f r 系统( 0c = 3 2 d ) 的s v i 值稳定在1 3 0 以内， 其s o u r 值为1 0 - 1 8m g d o ( g v s s h ) 之间，低于s u f r 系统( 0c = 2 0 d ) s u f r 系统( 0c = 3 2 d ) 中的微生物生态丰富，食物链更加完善。 本研究是国家“十五”科技攻关项目2 0 0 1 b a 6 0 4 a 0 1 子专题“简易高效活性污泥 复合系统除磷脱氮技术研究与示范”的部分内容。本论文的研究内容可以为螺旋升 流式反应器的工程应用提供依据。 关键词：螺旋升流式反应器，脱氮除磷，低温影响，较长泥龄，活塞流 英文摘要 a b s t r a c t t h es p i r a lu p f l o wr e a c t o r ( s u f r ) i san e ws t a n dp a t t e r nr e a c t i o nt e c h n i q u eo f w a s t ew a t e rt r e a t m e n tw h i c hh a sam e c h a n i c a ll e a d i n gf l o ws y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c o fs p i r a l u p f l o ww a sf a v o r a b l et oe n h a n c eg r a d i e n td i s t r i b u t i n go ft h es u b s t r a t e ， p r o l o n gt h er e t e n t i o nt i m eo ft h es u b s t r a t ei nt h er e a c t o r , a n dm a d et h es u f rb es i m i l a r t op l u g - f l o wr e a c t o ra n dc o u l di n c r e a s et h ec a p a c i t yu t i l i z a t i o no ft h er e a c t o r a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs u f rs y s t e m ，t h eo p e r a t i n gr e s u l to ft e m p e r a t u r eb e t w e e n8 c a n d2 0 o nb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lw a sa n a l y s e do nt h eb a s eo fr e v i e w i n gt h e t h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nn a n dpr e m o v a l a n dt h ep e c u l i a r i t i e so ft h es u f r s y s t e mw i t h t h el o n g e rs l u d g ea g ew e r ea n a l y s e dt h r o u g ht e s tc o m p a r i s o n t h ef o l l o w i n g sw e r es t u d i e d ：1 ) s t u d y i n go nt h ee f f e c to fl o wt e m p e r a t u r eo n n i t r i g e na n dp h o r s p h o u r sr e m o v a l ；2 ) k i n e t i cm o d e lo ft h eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l a n db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sc o u p l e dw i t ht h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ；3 ) s t u d y i n go nt h ee f f e c to fl o wt e m p e r a t u r eo nt h ec h a r a c t e ro fa c t i v es l u d g ei nt h es u f r s y s t e m ；4 ) s t u d y i n go i lt h ee f f e c to fl o n g e rs l u d g ea g eo nn i t r i g e na n dp h o r s p h o u r s r e m o v a l ；5 ) s t u d y i n go nt h ee f f e c to fl o n g e rs l u d g ea g eo nt h ec h a r a c t e ro fa c t i v es l u d g e i nt h es u f rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea b o v es t u d yr e s u l t ，t h eo p e r a t i n gr e s u l to ft e m p e r a t u r eb e t w e e n8 a n d2 0 co nb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a li ns u f r s y s t e mi n d i c a t e dt h a tt h ee f f l u e n t c o dw a sl e s st h a n4 0m g la n dt h ee f f l u e n tt nw a sl e s st h a n1 0m 叽a l t h o u 曲t h e d e c r e a s eo fr e m o v a lo fc o da n dt nc o u p l e dw i t hl o wt e m p e r a t u r ew a so b s e r v e d t h e d r o pi nt e m p e r a t u r eh a dn os i g n i f i c a n ti m p a c to np h o s p h o r sr e m o v a l l o wt e m p e r a t u r e d i dh a r mt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u d g ea n dc a u s e ds l u d g et ob u l k t h es l u d g e r e l y i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs p i r a lu p f l o wr e a c t o rs y s t e m ，h o w e v e r ，w a sa c t i v a t e d a n dr e s u m e dr a p i d l y t h ee f f l u e n tq u a l i t yo fs u f rs y s t e mw i t ht h el o n g e rs l u d g ea g e w a su pt ow i t ht h ef i r s tc l a s so f d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t s f o r m 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 t ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) t h eh i 曲e re f f i c i e n c yo ft nr e m o v a li nt h e s u f rs y s t e m ( 0c = 3 2 d ) w a so b s e r v e d t h er e m o v a lo ft pi nt h es u f rs y s t e m ( 0 c = 3 2 d ) w a sl e s st h a n0 5m g l ，a l t h o u 曲t h ed e c r e a s eo fr e m o v a lo ft pc o u p l e dw i t h l o n g e rs l u d g ea g ew a s o b s e r v e d t h es v io ft h es u f r s y s t e m ( 0c = 3 2 d ) w a s l e s st h a n 1 3 5 a n ds o u r o f t h es l u d g e i n t h ea e r o b i cz o n e o f s u f rs y s t e m ( 0c = 3 2 d ) w a s i n t h e r a n g eo f1 0 - 1 8m g d o ( g v s s h ) ，w h i c hw a sl o w e rt h a nt h a ti nt h es u f rs y s t e m ( 0 玎l 重庆大学硕士学位论文 c = 2 0 d ) t h em i c r o b ee c o l o g yo ft h es u f rs y s t e m ( 0c = 3 2 d ) w a sa b u n d a n c e t h e f o o d c h a i ni nt h es u f rs y s t e m ( 0c = 3 2 d ) w a sm o r ef u l l t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o nb e l o n g st ot h es c i e n t i f i cr e s e a r c h ( 2 0 0 1 b a 6 0 4 a 0 1 ) o ft e n t h f i v e y e a rp l a ni nc h i n a t h i sr e s e a r c ha c q u i r e dt h ev a l u e so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a t c o u l db eu s e di na c t u a ld e s i g na n dc o n t r o l ，p r o v i d e ds u p p o r tf o rt h ee n g i n e e r i n g u t i l i z a t i o no ft h es u f ri nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e y w o r d s ：s p i r a lu p - f l o wr e a c t o r , b i o l o g i c a lm t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ， l o w t e m p e r a t u r ee f f e c t ，l o n g e rs l u d g ea g e ，p l u gf l o w 1 前言 1 1 我国水资源环境面临的挑战【1 】1 2 】1 3 】1 4 1 5 】【6 】 在过去的2 0 多年中，中国经济以8 左右速度增长，经济总量翻了两番。由 于较短的时间完成了发达国家上百年的经济发展，致使我国的生态环境遭受了较 大的破坏，导致生态环境问题面临严峻挑战，表现在我国水资源环境上主要有三 大难题：一是水资源缺乏；二是水污染现象严重；三是用水的极大浪费。 1 1 1 水资源缺口越来越大 我国是一个水资源贫乏的国家，多年平均水资源总量为2 8 1 0 ”m 3 ，居世界 第六位，但人均水资源量为2 3 0 4 m 3 a ，仅为世界平均水平的1 4 1 ”。中国多年平均 降水总量为6 2 万亿立方米，可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资 源总量为2 8 万亿立方米，居世界第6 位，然而我国人口众多，人均占有水资源相 当于世界人均数的1 4 ，为世界第1 0 9 位，预计到2 0 3 0 年中国人口增至1 6 亿时， 人均水资源量将降至1 7 6 0 立方米己接近国际公认的水资源紧张标准。我国有1 4 地区属于严重缺水地区，1 1 0 地区人均水量低于基本生存线，现已被列为世界1 3 个贫水国家之一【”。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严 重的城市1 3 0 多个。缺水给城市工业产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上，且呈增长 之势。据有关资料报道1 9 】，目前我国缺水总量为3 6 0 亿m 3 ，其中农业缺水3 0 0 亿 m 3 ，城市和工业缺水6 0 亿m 3 。4 0 0 0 万人口用水困难，每年因缺水影响工业产值 2 3 0 0 多亿元。据专家预测，中国到2 0 1 0 年供水缺口将达1 1 4 0 亿m 3 ，2 0 3 0 年缺口 达2 3 0 0 亿m 3 ，2 0 5 0 年缺口达3 7 1 0 亿m 3 【1 0 】。 1 1 2 水污染现象日益严重 水污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水 体的环境容量，从而导致水体水的物理性质、化学性质和生物学性质发生变化， 使水体固有的生态系统和水体功能受到破坏。我国本来就是一个缺水国家，而水 污染日益严重使得我国水资源环境更是雪上加霜。多年来，尽管我国在水污染防 治方面做了很多工作，但水污染的发展趋势不仅未得到有效控制反而有愈演愈烈 之势，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。2 0 0 1 年度七大水系监测的7 5 2 个重点断面中，i i i i 类水质占2 9 5 ，1 v 类水质占1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占 5 2 8 。其中，七大水系干流1 5 4 个国控断面中，i i i i 类水质断面占5 0 6 ，i v 类占2 6 ，0 ，v 类和劣v 类占2 3 4 ，各水系干流水质好于支流。七大水系污染由 重到轻的顺序依次是：海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江和珠江。与上年 相比，污染轻重顺序未变，污染程度相近。各大流域片的主要污染河段均集中在 重庆大学硕士学位论文 城市河段。地表水污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重：主要湖泊富 营养化问题依然突出，2 0 0 1 年太湖和滇池外海均属中度富营养状态，巢湖属轻度 富营养状态：地下水受到点状或面状污染，水位下降，n , n t 水资源的供需矛盾； 生态破坏加剧的趋势尚未得到有效控制。当前我国的水环境污染已从地表水延伸 到地下水，从一般污染物扩展到有毒有害污染物，形成点源与面源污染共存、生 活污染和工业排放叠加的状态。在区域和流域范围( 特别是长江、珠江三角洲以 及环渤海地区) 已出现大气、水体、土壤污染相互作用的局面。水体污染物排放 量大大超过水体承载力，已进入富营养化阶段。 而另一方面，近年来我国城市化进程推进迅速，城市规模急剧扩张，城市现 有的污水处理设麓目渐力不从心。据环保总局透露，目前我国6 6 0 个城市中，尚 有6 1 5 的城市根本没有污水处理厂。大量生活污水直接排放，造成了越来越严 重的水污染形势。据介绍，1 9 9 9 年以来全国城市污水处理设施建设资金投入不断 加大，在实行城市污水处理收费制度的3 2 5 个城市中，投入的建设资金达到3 8 6 亿元。截至2 0 0 3 年，全国已建成运行污水处理厂5 1 6 座，污水处理能力为3 2 8 4 万吨日。然而这一数字与全国6 6 0 个设市城市、3 5 亿城市人口相比，无疑是杯水 车薪。 1 1 3 用水浪费依然“涛声依旧” 用水浪费现象依然严重。生活用水的跑、冒、滴、漏十分普遍( 约占2 5 ) ， 供水管网的漏失也很严重( 占1 2 1 ) ；工业用水率与n p i 先进水平相比仍有较大 差距，例如工业万元产值用水量为1 5 6m 3 ，是发达国家的5 。1 0 倍，工业用水复用 率为6 3 ，与发达国家9 0 以上相比有很大差距。但由于各方面技术的限制，全 匡3 农业灌溉水利用系数平均仅约为o 4 5 ，而发达国家为0 7 o 8 。 1 _ 2 水体中氮磷污染物的来源及其危害 1 1 _ 1 5 】 水体中的氮以有机氮、氨氮、硝态氮等形态存在，其中有机氮和氨氮是其主 要存在形式，一般情况下硝态氮仅1 - 5 m g l ；磷主要以正磷酸盐、聚磷酸盐、有 机磷和颗粒状态磷的形式存在。 水体中的氮、磷营养物的来源是多方面的，包括自然过程和人类活动。虽然 自然过程，特别是水体内部自身底泥等沉积物释放的氮、磷物质对水体污染并导 致富营养化的作用巨大，但是真正引起水体内氮、磷过量而导致水体富营养化的 原因主要还是人类活动。大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点 源进入水体。常见的面污染源主要有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载 污染物污染、水土流失、水产养殖的残饵及排泄物等。点污染源主要来自于生活 污水及工业废水的直接排放或经处理后尾水排放等两方面造成的污染。各主要污 染源成因及强度分析如下： ( 1 ) 农业面源污染 农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，其中最主要的因素是大量施用 化学肥料造成的。我国是一个农业大国，化肥施用量已达1 亿吨，施用化肥水平 比世界化肥旌用水平高出2 6 倍，而施肥利用率仅有3 0 5 0 的水平，大量氮磷成 分通过各种途径进入水体。 ( 2 ) 城市雨水径流污染 城市雨水径流污染包括合流制排水系统中因暴雨期间污水溢流造成的污染， 以及分流制排水系统中初雨径流造成的污染。雨水径流中污染物含量、形态除受 大气环境状况影响外，还与当地人口密度、地区社会生产活动等因素有关。 ( 3 ) 气载污染物污染 气载污染物主要来源于工业废气、烟尘排放后通过降雨或降尘途径进入水体。 农业系统中因施肥造成的氨氮溢出也是气载污染物的一个重要来源。 ( 4 ) 水土流失及水产养殖原因造成的污染 水土流失使大量氮磷等营养物质进入水体，在污染水体的同时造成水体淤积， 加快水体恶化。湖泊水库养鱼过程中的残饵及鱼类排泄物是氮磷污染的另一来源， 水产养殖业的氮磷污染主要受养殖鱼种、养殖密度、饵料种类投量不同而有所区 别。 ( 5 ) 点源污染 各种污水直接排放或经二级处理后的尾水排放是主要的氮磷点污染源。常规 的污水二级处理对氮磷等溶解性盐的去除率仅分别为2 0 5 0 和4 0 ，研究表 明，湖泊、水库中氮的8 0 来自于污水排放，而磷的主要污染源是家庭洗涤剂的 使用，其磷的污染强度约占总的磷污染负荷的5 0 左右。 ( 6 ) 底泥中氮磷的溶出 底泥及沉积物含有一定量的氮磷物质，可以通过溶解进入水体，形成氮磷的 二次污染。底泥氮磷溶出在机理上不同，氮以氧化分解程度决定溶出速度，而磷 以沉淀形式影响溶出速度。同时溶出速度还与底泥溶解氧含量及搅动情况有关。 一般氮与磷的溶出速度分别在l 3 0 0 m g ( m 2 d ) 和o 2 1 0 0m g ( m 2 d ) 范围内。 大量的氮磷化合物进入水体中将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健 康，其主要危害为： ( 1 ) 氨氮要消耗水体中的溶解氧 氨氮随污水排入水体后，可在硝化菌作用下被氧化为硝酸盐，氧化每毫克的 n h 4 + - n 为n 0 3 n ，要消耗水体中的d o4 6 毫克。这对水体质量的改善以及鱼类 的生存都是十分不利的。 3 重庆大学硕七学位论文 ( 2 ) 氨氮的存在会影响氯消毒的效果 氨氮会与氯作用生成氯胺，而氯胺的消毒作用比自由氯小，这样就影响了氯 的消毒效果。同时，氯胺还会继续被氧化生成氮气，进一步降低了消毒效果。此 外，氯胺的气味难闻，而且还是一种致癌物质，对人类的健康存在着潜在的危害。 ( 3 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用 硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而亚硝胺是一种致癌、致变和致畸 物质，严重威胁人体健康。 氨氮会影响鱼鳃中氧的传递，浓度较高时甚至使鱼类死亡。对大部分鱼类而 言，水体中游离氨的致死浓度为1m g l 。 ( 4 ) 氮磷营养物质会加速水体的“富营养化”进程 藻类生长的限制因素是氮和磷，其含量通常决定着藻类的生长量。因此，氮 磷的排入，尤其是磷的排入水体，会加速藻类的生长。研究表明，每向水体中排 放1 克磷会导致9 5 0 克藻类( 干重) 的生长。 1 3 水体富营养化及其危害【1 1 , 1 6 - 1 8 】 水体富营养化现象是指过量的植物性营养元素氮、磷进入水体后，在光照和 其他环境条件适宜的情况下，使水中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之 而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶 化和水生生态系统结构的破坏。水体的富营养化常表现为“水华”、“赤潮”等现 象，它大大加速了湖泊等水体的退化。 我国近几年来湖泊、水库以及海湾等半封闭水体富营养化现象日趋严重。在 1 9 3 3 年到1 9 7 9 年的4 6 年中仅发生过1 2 次赤潮，而1 9 9 0 年到1 9 9 4 年的5 年中就 发生了1 3 9 次赤潮，藻类污染灾害十分严重。 富营养化的危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类 健康。富营养化水体在很多用途方面，都被认为是劣质水体。其危害主要有以下 几个方面： ( 1 ) 影响水体的感观性状 处于富营养化的水体中，蓝、绿藻大量增殖，水体色度增加，水质浑浊，透 明度降低，并散发出腥臭味，污染居住环境，丧失水体美学价值。 ( 2 ) 影响湖泊水体的生态环境 处于富营养化污染的水体，正常的生态平衡被破坏，导致水生生物的稳定性 和多样性降低。大型水生植物群落会随著富营养程度的加剧逐渐灭绝。同时，异 常增殖的藻类所分泌的毒物，以及缺氧条件下n 0 3 - 一n 被还原为n 0 2 _ 一n ，成为 致癌物，不仅威胁水生生物的生存，而且会直接或间接影响人类健康，造成可利 4 1 前言 用水资源进一步减少。 ( 3 - ) 影响供水水质，增加制水成本 处于富营养污染的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列 问题，如增加水处理费用，降低处理效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染 的水体在一定条件下由于厌氧作用而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体， 在给水处理过程中会增加相当的技术难度。 ( 4 ) 影响渔业的发展，降低水体经济价值 虽然一定程度的富营养化可能导致鱼类产量增加，但严重富营养化的水体会 由于藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质 量，从而导致经济效益大大降低。 1 4 污水脱氮除磷的必要性 水体富营养化引起的危害如此之多，而水体富营养化现象在世界各地均日趋 严重，已成为人类所面临的严重的水环境问题之一。水体富营养化的主要控制指 标是总氮( t n ) 和总磷( t p ) 。但是从藻类对氮、磷需要的关系看，藻类对磷的 需要往往更为重要，其生产量受磷的限制也更为明显。这是因为水中氮的缺乏可 以由许多能固氮的微生物( 如某些固氮细菌和蓝藻) 来补充，而水中的磷却不能通过 这一方式得到补充。因此，磷是限制藻类生长的最关键的因素。根据l i e b i g 最小 因子定律，降低污水患朐磷含量是防止水体富营养化的主要任务。由此可见，最 大限度地控制排放进入水环境中的氮和磷，尤其是磷，是防止水体富营养化的关 键。另外，由于地面水体和地下水中含氮污染物的增加会引起生态及人体健康等 方面的有害影响，因而氮的去除也是很重要的。 1 5 解决水资源危机的对策 当今世界，水资源危机已成为各国在政策、经济和技术上所面l 临的复杂问题。 解决水资源危机已经迫在眉睫。 1 5 1 提高废水资源化程度【m l 从可持续的观点出发，废水经适当处理后不仅可作为资源加以利用，而且还 可以节约新鲜水源，减少污水排放量，从而实现水资源的良性循环。实现水资源 的良性循环与循环经济的理念是一样的。循环经济的概念是实现可持续发展的一 个新概念，所谓循环经济是对应于过去的传统的线性经济而言。线性经济是从自 然界不断采取资源，经过加工生产后提供消费。然后将废料和废品排放，这样的 结果是资源不断耗竭，污染不断增加。2 1 世纪提倡的循环经济就是在生产的过程 中不断循环，在消费的系统中不断循环，目的是尽量减少资源消耗，废物的排放 1 前言 用水资源进一步减少。 ( 影响供水水质，增加制水成本 处于富营养污染的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列 问题，如增加水处理费用，降低处理效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染 的水体在一定条件下由于厌氧作用而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体， 在给水处理过程中会增加相当的技术难度。 ( 4 ) 影响渔业的发展，降低水体经济价值 虽然一定程度的富营养化可能导致鱼类产量增加，但严重富营养化的水体会 由于藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质 量，从而导致经济效益大大降低。 1 4 污水脱氨除磷的必要性 水体富营养化引起的危害如此之多，而水体富营养化现象在世界各地均日趋 严重已成为人类所面临的严重的水环境问题之一。水体富营养化的主要控制指 标是总氮( t n ) 和总磷( t p ) 。但是从藻类对氨、磷需要的关系看，藻类对磷的 需要往往更为重要，其生产量受磷的限制也更为明显。这是因为水中氮的缺乏可 以由许多能固氮的微生物( 如某些固氨细菌和蓝藻1 来补充，而水中的磷却不能通过 这一方式得到补充。因此磷是限制藻类生长的最关键的因素。根据l i e b i g 最小 因子定律，降低污水患的磷含量是防止水体富营养化的主要任务。由此可见，最 大限度地控制排放进入水环境中的氦和磷，尤其是磷，是防止水体富营养化的关 键。另夕 ，由于地面水体和地下水中含氮污染物的增加会引起生态及人体健康等 方面的有害影响，因而氮的去除也是很重要的。 1 5 解决水资源危机的对策 当今世界，水资源危机已成为各国在政策、经济和技术上所面幅的复杂问题。 解决水资源危机已经迫在属睫。 1 5 1 提高废水资源化程度【”】 从可持续的观点出发，废水经适当处理后不仅可作为资源加以利用，而且还 可以节约新鲜水源，减少污水排放量，从而实现水资源的良性循环。实现水资源 的良性循环与循环经济的理念是一样的。循环经济的概念是实现可持续发展的一 个新概念，所谓循环经济是对应于过去的传统的线性经济而言。线性经济是从自 然界不断采取资源，经过加工生产后提供消费，然后将废料和废品排放，这样的 结果是资源不断耗竭，污染不断增加。2 1 世纪提倡的循环经济就是在生产的过程 中0 i 断循环，在消费的系统中不断循环 中不断循环，在消费的系统中不断循环 5 目的是尽量减少资源消耗，废物的排放 目的是尽量减少资源消耗，废物的排放 1 前言 用水资源进一步减少。 ( 3 - ) 影响供水水质，增加制水成本 处于富营养污染的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列 问题，如增加水处理费用，降低处理效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染 的水体在一定条件下由于厌氧作用而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体， 在给水处理过程中会增加相当的技术难度。 ( 4 ) 影响渔业的发展，降低水体经济价值 虽然一定程度的富营养化可能导致鱼类产量增加，但严重富营养化的水体会 由于藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质 量，从而导致经济效益大大降低。 1 4 污水脱氮除磷的必要性 水体富营养化引起的危害如此之多，而水体富营养化现象在世界各地均日趋 严重，已成为人类所面临的严重的水环境问题之一。水体富营养化的主要控制指 标是总氮( t n ) 和总磷( t p ) 。但是从藻类对氮、磷需要的关系看，藻类对磷的 需要往往更为重要，其生产量受磷的限制也更为明显。这是因为水中氮的缺乏可 以由许多能固氮的微生物( 如某些固氮细菌和蓝藻) 来补充，而水中的磷却不能通过 这一方式得到补充。因此，磷是限制藻类生长的最关键的因素。根据l i e b i g 最小 因子定律，降低污水患朐磷含量是防止水体富营养化的主要任务。由此可见，最 大限度地控制排放进入水环境中的氮和磷，尤其是磷，是防止水体富营养化的关 键。另外，由于地面水体和地下水中含氮污染物的增加会引起生态及人体健康等 方面的有害影响，因而氮的去除也是很重要的。 1 5 解决水资源危机的对策 当今世界，水资源危机已成为各国在政策、经济和技术上所面l 临的复杂问题。 解决水资源危机已经迫在眉睫。 1 5 1 提高废水资源化程度【m l 从可持续的观点出发，废水经适当处理后不仅可作为资源加以利用，而且还 可以节约新鲜水源，减少污水排放量，从而实现水资源的良性循环。实现水资源 的良性循环与循环经济的理念是一样的。循环经济的概念是实现可持续发展的一 个新概念，所谓循环经济是对应于过去的传统的线性经济而言。线性经济是从自 然界不断采取资源，经过加工生产后提供消费。然后将废料和废品排放，这样的 结果是资源不断耗竭，污染不断增加。2 1 世纪提倡的循环经济就是在生产的过程 中不断循环，在消费的系统中不断循环，目的是尽量减少资源消耗，废物的排放 重庆大学硕士学位论文 量也将越来越少，这才是可持续发展的模式。循环经济的原则是“减量化、再利 用，再循环( r e d u c e ，r e u s e ，r e c y c l e ) ”。自然界的水本来就在良性循环之中，由于 人为活动的干扰，才使得水量枯竭阻断，水质恶化破坏，严重影响了水资源的可 持续利用，因此一定要努力实现水的良性循环，城市废水资源化是实现水资源可 持续利用的重要战略措施，而水资源的可持续利用是实现我们国家经济可持续发 展的重要保障。由中华人民共和国建设部、世界银行和联合国工业发展组织主办、 于2 0 0 1 年1 1 月2 7 日1 1 月2 9 日在北京召开的“2 1 世纪国际城市污水处理及资源 化发展战略研讨会与展览会祷我国在水处理专业领域进行“废水资源化”提上了议 事日程。 废水资源化的方向主要有以下几种：工业上回用的冷却水、锅炉供水、生产 工艺用水等：农灌用水和水产养殖；城市生活中娱乐用水、风景区用水或城市公 共设施用水和回灌地下水等。我国2 0 世纪5 0 年代就开始用污水灌溉，到2 0 世纪 8 0 年代，废水资源化迅速发展。为缓解所面临的淡水危机，青岛市1 9 8 2 年就将中 水回用作为市政及其它杂用水。北京市1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范。1 9 9 5 年北京市已有中水设旋1 1 5 个，回用废水量达1 2 万m 3 d ，中水建设己初具规模； 此外，天津、深圳、上海和大连等缺水城市的中水建设也初见成效。但废水资源 化是一项复杂的系统工程，在我国由于多方面的原因尚未得到普遍的应用。应该 从技术、法制、政策和宣传等方面寻找出路，促使废水资源化发挥其应有的经济 效益、环境效益和社会效益，为我国的可持续发展提供充足的淡水资源。 1 5 2 加大污水治理力度 加大污水治理力度，强调“治污为本”是保护供水水质、改善水环境的必然要求， 也是实现城市水资源与水环境协调发展的根本出路。水资源本来是可以再生的， 但水质污染使水资源不能进入再生的良性循环。我国长期以来在增加城市供水能 力的同时，未能注意防治水污染，至今全国城市废水处理率仅为1 3 6 5 ，许多城 市至今还没有污水处理厂。工业废水处理率据报告为8 7 ，实际情况远远低于此 数，许多处理设施没有正常运行，甚至基本不运行，达标排放很多流于形式1 1u j 。 大量废水、污水的排放造成了城市水体的严熏污染，直接影响人民健康和工农业 生产。经预测，如果要在2 0 1 0 年以前基本遏制城市水污染的发展趋势，保护城市 供水水源，并在2 0 3 0 年以前使水环境有明显改善，2 0 1 0 年和2 0 3 0 年城市污水的 有效处理率必须达到5 0 和8 0 以上。否则，我国的水污染不仅不能得到控制， 甚至还要继续发展。这是一个十分严重的问题，也是一项非常艰巨的任务，需要 加以认真解决。必须加大污染防治力度，增加经费投入，提高规划的城市污水处 理率，并采取有效措施修复已经受到污染的城市水环境。 由于人口的快速增加、社会经济的不断发展，不仅对用水的需求量大大增加， 1 前言 而且污水的排放量亦与日俱增，从而使人类面临着更加紧迫的水量型和水质型水 资源不足问题。废水生物处理作为水污染防抬和走水资源可持续利用道路中的重 要工程技术手段之一，对保护水环境和缓解水质型水资源短缺问题具有重要的作 用。 活性污泥法是世界各国普遍采用的传统废水生物处理工艺，其在防治水体污 染中已经并正在继续发挥其良好的作用。但由于废水排放量的急剧增加以及对废 水处理要求的日益严格，传统工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性 方面已难以满足不断提高的要求。开发、研究和应用新型废水生物处理工艺和技 术，已成为世界各国水污染控制工程领域研究的重要课题。 8 0 年代以来，废水生物处理新工艺新技术的研究、开发和应用，已在全世界 范围内得到了长足的进展，并出现了许多新型的废水生物处理技术。它们的共同 特点是高效、稳定、节能，并具有对污染物去除的多功能性，大多具有脱氮除磷 等深度处理的良好效能，并正朝自动化控制的方向发展l 矧。 污水处理不仅是城市建设的基础性工作，而且是水资源综合利用和节水的重 要措施。近年来，在各级政府有力推动下，我国城市污水处理厂的建设正以前所 未有的速度发展。据统计，到2 0 0 0 年底，我国已建成城市污水处理厂4 2 7 座，其 中二级生化污水处理厂2 8 2 座，污水生化处理总规模已达到1 4 7 5 万立方米日；目 前在建的污水处理厂还有3 0 0 余座。根据国民经济和社会发展第十个五年计划 纲要要求，”十五”期间，所有设市城市都必须建设污水处理设施，到2 0 0 5 年， 城市污水集中处理率要达到4 5 。今后数年内，污水处理厂建设将进入高峰期。 预计到2 0 0 5 年，全国污水处理规模将超过3 0 0 0 万立方米日。 1 5 3 提高国民节约用水的环保意识 很多人认为水是最廉价的资源，取之不尽，用之不竭，还没有认识到水资源 已短缺到如此严重的程度，节约意识淡薄。因此应加强舆论宣传力度，转变公众 的思想观念，强化公众的资源、环境和生态意识，让公众意识到水危机的严重性， 增强节水意识。同时改革水价政策也十分重要，对水资源，自来水，污水排放和 再生水都要定价。人们长期以来在观念上认为便宜而方便的自来水是一种社会福 利，未能树立“喝水需付费，排水也需付费”的观念。应改革现行的给水及排水收费 政策，实行“污染者付费”的环境政策，用经济手段保护水资源，从而达到节约用水 的目的。 了 2 污水脱氮除磷技术原理及其新发展 2 污水脱氮除磷技术原理及其新发展 2 1 污水脱氮除磷物化技术 2 1 1 物理化学方法脱氮【卜4 】 物理化学方法脱氮工艺主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法 及反渗透法等。 近2 0 年来，在城市污水脱氮处理中采用物理化学方法的并不多，或者说基 本上不作为城市污水脱氮的主要工艺，只有当气候条件不适合生物脱氮或者当污 水中氨氮浓度非常高时才采用物理化学方法脱氮。当生物脱氮还不能满足严格的 出水水质要求时，可以把物理化学脱氮作为最终处理工艺。对于物理化学法脱氮， 目前缺乏成功的工艺设计经验和实例，而且运行操作复杂，处理费用昂贵。因此， 目前城市污水脱氮处理的主要内容是生物脱氮。 2 1 2 化学法除磷【5 ，6 】 在化学沉淀除磷的过程中正磷酸盐和颗粒态磷是可以通过沉淀和絮凝作用 被定量地去除，而只有一部分聚合磷以及有机磷被吸附去除。将溶解磷转化成为 颗粒状态包括下面三种不同的机理：通过化学沉淀生成磷金属羟基络合物，溶 解磷在新生成沉淀表面的选择性吸附以及对细小分散胶体颗粒的絮凝和共沉淀。 最后一种机理与水中磷的种类无关，而主要取决于含磷胶体的尺寸大小和表面的 化学性质。去除磷的三种机理并不是单独作用的，而是当沉淀剂加入到水中的时 候同时发生的，它们共同作用以取得高效的化学除磷性能。 在污水处理中，化学沉淀剂可在处理流程中不同部位投加，有前置化学沉淀 ( 在初沉池前投加) 、同步化学沉淀( 投加于曝气池中) 、后置化学沉淀( 在二沉 池后) 和接触过滤。 虽然污水化学除磷具有操作简单、去除率高、运行稳定等优点，但是对于城 市污水除磷而言，该过程的处理对象是含磷浓度极低的污水，欲使低浓度的磷酸 盐以化学沉淀的形式从水溶液中分离，投加过量的化学药剂是保障出水水质的基 本条件。但该法投药量大，处理费用高，产生的化学污泥量大，在污水处理的实 施过程中，存在的问题较多。 2 2 生物脱氮原理 2 2 1 传统生物脱氮原理m 】【9 】 2 2 1 1 基本原理 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形态存在。 重庆大学硕士学位论文 生活污水中氮的主要存在形态是有机氮和氨氮。其中有机氮占生活污水含氮量的 4 0 6 0 ，氨氮占5 0 6 0 。污水生物处理过程中氮的转化包括同化、氨 化、硝化和反硝化作用。 同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同化 成微生物细胞的组成成分。虽然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中 的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残 留物中的氮可以在二次沉淀池中以剩余污泥的形式得以从污水中去除。同化作用 的氨氮去除率一般为8 2 0 。 氨化作用：污水中的有机氮主要以蛋白质、氨基酸和尿素的形式存在，这些 有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解、转化为氨氮的过程称为氨化反应。 硝化作用：氨氮在有氧存在的情况下被微生物氧化为亚硝酸盐并进一步被氧 化为硝酸盐的过程称为生物硝化过程。 反硝化作用：硝酸盐作为微生物的最终电子受体，通过生物异化还原转化成 气态氮从水中逸出，或通过生物同化还原转化为氨氮进入生物合成过程。硝酸盐 的这种还原过程称为反硝化过程。 废水生物脱氮的基本原理就是在传统二级生物处理中，将有机氮转化为氨氮 的基础上，通过硝化和反硝化菌的作用，将氨氮通过硝化和反硝化作用，梅氨氮 转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，达到从废水 中脱氮的目的。因而废水的生物脱氮通常包括氨氮的硝化和亚硝酸盐氮和硝酸盐 氮的反硝化两个阶段。 硝化过程由一类自养型好氧微生物完成，它包括两个步骤。第一步由亚硝酸 菌将氨氮转化为亚硝酸盐氮( n 0 2 - ) ，第二步则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为 硝酸盐( n 0 3 - ) 。这两类菌统称为硝化菌，它们利用无机碳化物如c 0 3 2 - 、h c 0 3 一 和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 的氧化反应中获取能量。硝化过程可用 式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 表示如下。 亚硝化反应：n i l 4 + + 0 2 + h c 0 3 + d 2 一+ h 2 0 + h 2 c 0 3 + 亚硝酸菌 ( 2 1 ) 硝化反应：n 0 2 一+ 埘4 + + 日2 c 0 3 + h c 0 3 一0 3 一+ 日2 0 + 硝酸菌 ( 2 2 ) 总反应：n h 4 + + 0 2 + 上配d 3 一+ d 3 一+ h 2 0 + h 2 c 0 3 + 微生物细胞 ( 2 3 ) 通过对式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 反应过程的物料衡算可