（环境工程专业论文）unifed+sbr工艺脱氮除磷特性及其自动控制研究.pdf

摘要 摘要 水体 富营养化 是当今世界面临的最主要的水污染问题之一 污水处理技 术已逐渐从以单一去除有机物为目的的阶段进入既要去除有机物又要脱氮除磷 的深度处理阶段 以控制富营养化为目的的脱氮除磷己成为当今污水处理领域的 研究热点之一 u n i f e ds b r 工艺是近年来澳大利亚开发出的一种新型脱氮除磷 工艺 与复杂的连续流生物脱氮除磷工艺相比 该工艺采用单池运行 不需物理 分区和污泥回流 即可达到较高的除磷脱氮效率 还可减少基建投资 u n i f e ds b r 工艺在进水方式和运行方式上不同于传统s b r 工艺 一个运行 周期包括进水 排水 曝气和沉淀3 个阶段 u n i f e ds b r 工艺的进水是从反应池 底部污泥层中缓慢 均匀引入 采用进水顶出水的排水方式 在s b r 池顶部设 置溢流堰或滗水器排水 在底部进水的同时 上层澄清出水被排出系统 u 1 1 i f e d s b r 反应池底部进水布水器的设计非常关键 该布水器需实现均匀布水 即当 废水通过该布水器进入反应池时 泥和水不产生大的机械混合 保证上层澄清出 水不受底部进水的干扰 实现底部进水和上层出水的良好分离 这是实现u n i f e d s b r 工艺成功运行的基础 进水崩 水阶段结束后 依次进入曝气 沉淀阶段 在进水 排水阶段 在池底污泥层中先后发生了反硝化作用和厌氧释磷 在后续 曝气阶段 发生了硝化作用和好氧吸磷 因此 通过一个u n i f e ds b r 周期的运 行 可实现同步脱氮除磷 为促进u n i f e ds b r 新工艺的研究发展和未来在实际工程中的应用 本课题 在国外对u n i f e ds b r 工艺基本理论研究基础之上 建立了u i l i f e ds b r 工艺实 验室小试模型 并采用空气堰排水方式 摸索出实现工艺正常运行的关键技术 开发了带空气堰排水的u n i f e ds b r 工艺的计算机自动控制系统 实现了工艺运 行的自动化 采用有效容积为4 0 l 的u n i f e ds b r 反应器 并以实际生活污水为 处理对象 考察了u n i f e ds b r 工艺对污水的脱氮和除磷特性 分析了进水c n 比 c p 比和充水比等参数对工艺氮 磷和有机物去除的影响及其影响机理 考 察了曝气阶段d o p h 和o r p 的变化规律 并对d o p h 和o r p 能否作为该 阶段的实时控制参数进行了探讨 本研究对u n i f e ds b r 工艺采用了一种新颖的排水方式 即采用空气堰代替 滗水器排水 避免了采用普通溢流堰排水曝气时混合液溢流至出水堰而影响出水 水质 采用空气堰排水后 使工艺的运行操作变得更为复杂 仅通过手动操作基 本无法实现工艺的正常运行 必须设自动控制系统 以v i s u a lc 语言作为开发工具 以计算机 i o 卡 输 输出接口卡 等 作为主要硬件设备 成功地研制开发出一套用于控制小试规模的 带空气堰排水 的u n i f e ds b r 工艺计算机自动控制系统 实现了对该工艺各设备的时序控制 i 北京工业大学工学博士学位论文 在u n i f e ds b r 工艺中t n 的去除主要发生在两个阶段 即进水 排水阶段和 曝气阶段 曝气阶段t n 的损失主要是由于在反应器内发生了同步硝化反硝化 u n f e ds b r 工艺的除磷机理为强化生物除磷机理 u n f e ds b r 工艺处理生活污水 对有机物和氨氮有非常好的去除 出水中 检测不到氨氮 有机物浓度也在3 0 m g l 以下 基本为难生物降解c o d 对总氮 和磷的去除效果主要取决于进水c n 比 控制充水比为2 5 当c n 比低于5 7 时 t n 去除率随c n 比的升高而快速大幅度提高 从2 7 5 时的4 3 6 升至5 7 时的8 0 8 4 当c n 比达到5 7 时 进水 排水阶段的脱氮率已达到最大值 之 后继续提高c n 比 只能提高曝气阶段由于同步硝化反硝化产生的脱氮率 所 以t n 去除率的提高变得缓慢 随着进水c n 比的增加 聚磷菌可从进水中获得 更多的有机碳源 进行p h b 的合成和p 0 4 孓的释放 同时避免了n 0 2 对释磷产生 的抑制作用 因而磷的去除率随c n 比的增加而提高 且c n 比越高 p a o s 的 释磷量和吸磷量越多 好氧吸磷速率越快 除磷效果越好 进水c n 比的变化 对c o d 的去除没有显著影响 平均去除率为9 3 1 5 当c n 比大于6 9 7 有机 负荷高于o 3 8k g k g d 时 污泥容积指数随c n 比的增加而大幅度提高 产生 由于低溶解氧和高负荷带来的非丝状菌污泥膨胀 进水c p 比是影响u n i f e d s b r 工艺磷去除的重要因子 控制充水比为3 3 进水c n 比为6 当c p 3 3 时 可以实现磷的1 0 0 去除 当c p 空气堰充气一 曝气 一 沉淀 如果研究能同时达到很高的脱氮和除磷效率 确定最少的外碳源投加量 则可采用工艺流程 如进水 出水 已加碳源 一 空气堰充气一 搅拌一 曝气一 沉 淀 如果研究投加碳源的时间和方式不同对脱氮除磷效率的影响 还可采用工艺 流程 进水 出水一 空气堰充气一 加碳源一 搅拌一 曝气一 沉淀 上述三种工艺流 程 曝气始终在搅拌之后 所以不可能达到t n 的完全去除 如果希望t n l 0 0 去 除 还可以研究工艺流程 进水 出水一 空气堰充气一 曝气一 加碳源一 搅拌一 沉 淀等等 总之可以灵活地根据试验需要 通过参数设置模块对工艺流程进行任意 设置 还可设置定时启动的时间和系统运行的周期数 一3 3 j 虿 兰奎茎三耋 箸兰兰 图3 5 自控系统控制面板 f i g3 5 c o n t r o l p a n e l o f a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 时序 定时 设置模块的功能 能够对工艺流程的各运行阶段任意设定运行 时间 范围o 1 0 0 小时 并且设定该时间段的起始和结束时各个工艺设备的开 关状态 控制面板模块的功能 能显示反应器的运行示意图 实时显示各个受控设备 的状态 工作还是停i l 实时显示工艺流程各个阶段的时间进展 实时监控水 位报督 溢出还是正常 发生危险时可及时停止一切工作并发出报警声 33 3 4 控制系统的流程 图3 6 是系统软件对各工艺设备进行时序控制的基本流程 假设u n i f e ds b r 工艺的一个周期包括m 个阶段 每个阶段的开始和结束由一个定时器来控制 每 个阶段分为起点和终点 根据工艺的要求 在起点时设置控制开关的状态 到终 点刚再更新控制开关的状态 启动或停止相应的设备 控制流程如下 由阶段l 开始 当阶段l 结束 则阶段2 开始 阶段2 结束 则阶段3 开始 依此 顺序直到阶段m 阶段m 结束后意味着一个周期的结束 之后再循环回阶段1 开 始下一个周期 运行n 个周期即大循环n 次后 整个系统的运行全部结束 第3 章u n i f e ds b r 工艺自动控制的研发与启动 循环n 次结束 图3 6 系统软件时序控制流程图 1 1 1 o 1 m f i g 3 6f l o wc h a r to fs e q u e n t i a lc o n t r o lb ys o f t w a r e 本系统可根据工艺的要求灵活地配置定时器组合 以u n i f e ds b r 工艺按 进 水 排水一 空气堰充气一 曝气一 沉淀 的运行方式为例 设置各受控设备在各阶 段起始和终点时的开关状态如表3 1 所示 表3 1 各设备在各阶段起点和终点时的开关状态 t a b l e3 1o n o f f s t a t eo f f a c i l i t i e sa tb e g i n p o i n ta n de n d p o i n to f e a c hp h a s e 空空 受控进 排 排 压压 气 心备 水水 机 机 阶段状八 泵阀阀 12 起点开开关关 开 进水 排水 终点关关关关关 起点关关关开关 空气堰充气 终点关关关关 起点关关开关 曝气 终点关关关关关 起点关关关关开 沉淀 终点关关关关 开 表中空压机2 在空气堰充气起点时的开启和在曝气终点时的关闭是受p c 机 设定的时间程序进行控制 而在这两点之间的时间段 空压机2 的启闭则是受空 气堰液位传感器的控制 p c 机通过时钟中断程序实时读取水位传感器数据 判 断发生危险时可及时关闭所有设备 并发出报警声 对于可能需要进行模糊控制 一3 5 北京工业大学1 二学博七学位论文 的阶段如曝气阶段 p c 机可通过时钟中断程序 实时读取p h 传感器提供的数据 判断当d p h d t o 时来控制曝气的结束 其控制流程在图4 的基础上稍作变动即 可 这里不再给出 3 3 3 5 控制效果分析 将开发出的上述微机自控系统用于实验室两个并行的u n i f e ds b r 反应器的 控制 已经过了两年的运行考验 一切运行良好 达到了安全 可靠和稳定的运 行要求 并实现了互不冲突干扰和协调一致 该自控系统的i o 卡含1 6 路开关 而一个u n i f e ds b r 反应器只利用了其中的6 路 因此 该自控系统造价较低 另外 该系统操作简单 界面直观友好 维护管理方便 可随时改变流程设置和 各阶段运行时间 而不影响反应器的运行 不需要操作人员有太专业的自控知识 由于稳定可靠的自控系统 使得u n i f e ds b r 反应器的运行也高效稳定 与 不设自控系统相比 大大缩短了污泥达到稳态所需时间 污泥活性很好 水处理 效果也非常稳定 在进水 出水2 小时 空气堰充气1 分钟 曝气2 小时 沉淀 2 0 分钟 充水比为4 2 污泥浓度3 5 4 o g l 温度为2 6 2 7 条件下 将曝 气期间d o 控制在0 5 l m g l 在不投加外碳源的条件下 处理c n 为3 1 8 以 下的实际生活污水 n h 4 一n 去除率可达1 0 0 t n 平均去除率为4 3 9 当投加乙 酸钠作为外碳源 并将进水c o d t n 提高至8 可实现氮和磷的同时去除 同样 在上述运行条件下 n h 4 n 和p o p 去除率可达1 0 0 t n 平均去除率也升至 9 2 4 通过大量的试验证实 利用u n i f e ds b r 工艺处理c o d t n 为8 以上的实 际生活污水 能实现良好的氮和磷的同步去除 c o d t n 和t p 的去除率均能达 到9 0 以上 u n i f e ds b r 工艺是一种新工艺 可研究的内容非常之多 该自控系统的成功 开发为灵活地变换工艺流程和工艺条件提供了极为便利的条件 大大减轻了研究 人员的劳动强度 同时能帮助快速实现新的运行工况的稳定 得到真实可信的研 究数据 此外 对u n i f e ds b r 新工艺及其计算机自动控制系统的研究开发在国 内尚属首次 该自控系统稳定 可靠的运行为进一步深入研究该工艺的除磷脱氮 机理奠定了良好的基础 该自控系统的突出优点是采用通用性设计 灵活性强 可将其作为一个通用的s b r 控制仪 对可进行多种工序组合的间歇式运行的生物 除磷脱氮工艺研究具有普遍的适用性 更为重要的是它为u n i f e ds b r 工艺未来 在国内实际工程中的推广 应用提供了一种自动控制方法和思路 3 4 本章小结 1 u n i f e ds b r 工艺的主要特点是 进水是从反应器底部缓慢 均匀进入沉淀 污泥层 上层澄清出水被底部进水顶至排水装置 通过排水装置将其排出反应器 进水和排水两个过程可在同一时间段同时进行 为了保证上层澄清出水不受底部 一3 6 第3 章u n i f e ds b r 工艺自动控制的研发与启动 进水扰动的影响 实现底部进水和上层出水的良好分离 底部进水布水器的设计 是至关重要的 该布水器需实现均匀布水 即当废水通过该布水器进入反应器后 泥和水不产生大的机械混合 不会出现短流或扰动现象 这是实现u n i f e ds b r 工艺成功运行的基础和保证 2 本研究对u n i f e ds b r 工艺开创了一种新的排水方式 即采用空气堰代替滗 水器排水 避免了采用普通溢流堰排水时 曝气阶段混合液溢流至出水堰而影响 出水水质 3 曝气期间采用延时曝气方式 即硝化反应结束后再延长一段曝气时间 用 以吹脱混合液中的气泡 可避免后一周期进水时底部污泥上浮 4 采用空气堰排水后 使工艺的运行操作变得更为复杂 仅通过手动操作基 本无法实现工艺的正常运行 反应器的连续和正常运行是对u n i f e ds b r 工艺进 行深入研究的基础 自控系统本身也应是仍属于间歇式活性污泥法的u n i f e d s b r 工艺的重要组成部分 因此 本u n i f e ds b r 工艺研究必须设自动控制系统 5 本研究以v i s u a lc 语言作为开发工具 以计算机 i o 卡 输入 输出接 口卡 等作为主要硬件设备 成功地研制开发出一套用于控制小试规模的 带空 气堰排水的u n i f e ds b r 工艺计算机自动控制系统 实现了对该工艺各设备的时 序控制 该自控系统不仅适用于u n i f e ds b r 工艺小试 中试研究 而且对生产 规模的u n i f e ds b r 工艺污水处理厂自控系统的开发 也提供了一种新的自动控 制方法和思路 具有很强的实践意义和应用价值 一3 7 北京t 业大学工学博士学位论文 第4 章u n i f e ds b r 工艺生物脱氮除磷基本性能 4 1 引言 u n i f e ds b r 工艺的特色之处在于通过新颖的进水方式和革新的运行方式 能够在简单的单一s b r 池中实现同步的脱氮和除磷 取得高质量的出水 出水 水质好于连续流和i d e a 工艺 1 1 4 该工艺不设循环流 不用隔板分区 无需 加化学试剂 运行成本经济 因此被认为是很有研究和应用前景的一种新工艺 文献 1 1 6 1 1 7 报道 u n i f e ds b r 工艺之所以能够实现同步脱氮除磷 主要是因为在 进水 排水阶段 在反应池底部先后形成了缺氧和厌氧环境 既能有效地进行反 硝化脱氮 又能有效地进行厌氧释磷 在后续的曝气阶段 可完成硝化作用和好 氧吸磷过程 目前国内还没有采用u 血f e ds b r 工艺的工程实例 也未见关于该工艺的研 究报道 国外虽有报道 但还缺乏深入系统的研究数据 该工艺是否确实如国外 文献中所报道的 有极佳的除磷和脱氮效果以及良好的污泥沉淀性能等 还需要 通过大量的试验做进一步的研究和验证 本章旨在国外对u n i f e ds b r 工艺基本 理论研究基础上 初步考察利用该工艺对实际生活污水处理时的脱氮和除磷效 果 并进一步验证该工艺的除磷脱氮机理 为u n i f e ds b r 工艺未来在国内的推 广应用提供理论依据 4 2 最佳充水比及进水流量的确定 u n i f e ds b r 工艺只有排除了进水对出水扰动的影响 在合适的充水比下运 行 才能保证良好的出水水质 充水比定义为每周期的进水 排水量与反应器总 有效容积的比值 若充水比过低 在进水 排水时间固定的情况下 进水流速较 小 较易实现进水与出水的良好分离 但处理水量小 处理效率低 若充水比过 高 虽处理效率得到提高 但进水流速较大 出水水质易受到进水扰动的影响 因此 首先应该确定能实现进水与出水很好分离的合适的进水流量和充水比 将进水时间固定为2 h 并设定四个充水比分别为2 5 3 3 4 2 和5 0 通 过改变进水蠕动泵的进水流量来改变充水比 各充水比对应的进水流量见表4 1 通过考察系统分别在4 个充水比下出水的n h n 和t n 等指标 判断出水受进水 扰动的情况 本章试验研究期间的原污水水质如表4 2 所示 其水质特点为氮高 碳低 其c o d 浓度在1 5 2 2 7 3 9 m g l 之间波动 平均值为1 9 8 m g l t n 浓度在 6 2 8 3 9 3 4 6 m g l 之间波动 即c o d t n 处于2 4 1 2 9 3 之间 平均为2 6 7 出水完全不受进水的干扰 而系统在充水比为5 0 运行的十天当中 t n 去除 率下降为3 4 0 8 3 8 2 9 n i h 一n 去除率下降为8 0 3 2 9 2 5 9 出水中检测 到n h 一n 平均浓度为5 2 7 m g l 由于系统在设定的所有充水比下均为延时曝气 可以保证硝化完全 即曝气时间已足以使n h n 完全转化为n 0 x n 所以出水中 一3 8 第4 章u n i f e ds b rt 艺生物脱氮除磷基本性能 检测到的n l h n 是由于在进水 排水过程中进水中的n i l n 混入至出水所致 为 此在5 0 这个充水比下 在进水 排水2 h 过程中 每隔1 0 m i n 对出水水样进行跟 踪检测 通过测定其n h 4 一n 浓度的变化情况考察进水对出水的扰动情况 其结果 如图4 1 所示 图中显示在前7 0 m i n 时出水n h 4 一n 浓度保持为o 但到出水8 0 m i n 时 已检测到出水n h 4 n 浓度为4 0 1 m g l 到1 l o m i n 时出水n h n 浓度为 1 7 2 8 m g l 出水1 2 0 m i n 时出水n h 4 一n 浓度达到3 0 2 5 m g l 表明进水 出水8 0 m i n 后 出水已受到进水扰动的影响 表4 啊l 各充水比及对应的进水流量 t a b l e4 1v o l u m e t r i ce x c h a n g er a t i o sa n dc o r r e s p o n d i n gf l o wr a t e s 充水比 2 5 3 3 4 2 5 0 进水流量 l h 56 6 78 3 31 0 表4 2 原生活污水水质 m g l t a b l e4 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r m g l 项目 p h c o d n i h h i t n p 0 4 3 p 碱度 范围 7 2 7 61 5 2 2 7 3 94 9 6 4 一7 3 2 96 2 8 3 9 3 4 63 1 4 9 3 14 2 05 0 0 平均值 7 42 1 36 1 57 8 16 24 6 0 由此可以得出结论 当将进水 排水时间固定为2 h 时 5 0 这个充水比过大 已不能保证出水不受进水扰动的影响 而在2 5 3 3 和4 2 这三个较低充水比下 一 进水和出水可以实现完全分离 出水不受进水扰动的影响 由于在4 2 这个充水 比下对应的每周期处理水量最大约1 6 7 l 处理能力最高 因此确定最佳充水比 为4 2 对应的进水流量为8 3 3 l h 3 5 3 0 篓一2 5 案巷2 0 长一1 5 羽 1 0 卜5 0 1 03 05 07 09 01 1 0 进水 出水时间 m i n 图4 1 充水比为5 0 时在进水用 水阶段出水氨氮浓度随时间的变化图 f i g 4 1v a r i a t i o no f a m m o n i u mc o n c e n l r a t i o no f e f f l u e n t 谢t l lt i m ed u r i n gf e e d d e c a n tp e r i o da t t h ev o l u m e t r i ce x c h a n g er a t i oo f5 0 一3 9 北京t 业大学1 学博上学位论文 4 3u n i f e ds b r 工艺对实际生活污水的脱氮除磷性能 4 3 1u n i f e ds b r 工艺对未投加外碳源的生活污水的脱氮除磷性能 在确定了u n i f e ds b r 工艺试验装置合适的充水比范围后 先将反应器在充 水比2 5 下运行 首先考察u n i f e ds b r 工艺对未投 j n t 碳源的实际生活污水的 氮 磷去除效果 一个u n i f e ds b r 周期按迸水 排水2 h 曝气2 h 沉淀2 0 m i n 的方式运行 控制曝气阶段d o 为0 5 l m g l 对实际生活污水经u n i f e ds b r 工艺运行多个周期 当系统的脱氮除磷效果基本稳定且反应器内的污泥浓度达到 4 0 0 0 m g l 时 对原水 曝气初始 曝气l o m i n 2 0 m i n 3 0 m i n 4 0 m i n l h l h 2 0 m i n l h 4 0 m i n 2 h 混合液及出水的c o d t n n h 4 n n o n p 0 4 3 一 p 浓度作了检测 图4 2 和图4 3 分别为c o d 和t n n 盯一n n 0 一 s p o p 浓度在某一c n 比为 2 5 7 的u n i f e d 周期中的变化曲线 污水生物处理工艺对于有机物的去除能力是表征工艺效能的主要指标之一 而c o d 是污水处理中用于反映污水中有机物含量的指标 反硝化和磷的释放都需 要有机物作为碳源 因此 脱氮 除磷和去除c o d 是同时完成的 从图4 2 中可 以看出 原水的c o d 为1 8 3 6 m g l 由于进水的稀释作用和部分易生物降解c o d 在进水过程中被反硝化 曝气初始的c o d 浓度降至4 8 1 5 m g l 在后续的曝气过 程中 c o d 进一步被异养菌利用 浓度逐渐降低 至曝气结束时 混合液c o d 浓 度2 4 0 7 m g l 基本为难生物降解有机物 达到国家 污水排放标准 g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级排放标准 此时c o d 的去除率为8 6 0 7 出水中的c o d 浓度即曝气2 h 时混合液中的c o d 浓度 进水 排水阶段曝气阶段 4 0 2 0 o 进水l o3 06 01 0 0 时间 m i n 图4 2c o d 浓度在一个u n i f e d 周期中变化规律 c n 2 5 7 f i g 4 2c o n c e n t r a t i o np r o f i l e so fc o dd u r i n gau n i f e dc y c l e 4 0 o 0 0 o o o o o 掩埔m 挖m 8 6 第4 章u n i f e ds b r 工艺生物脱氮除磷基本性能 一氨氮 亚硝态氮 硝态氮 总氮 卜正磷酸盐 进水 排水阶段 曝气阶段 8 0 7 0 6 0 5 0 一 箸4 0 嵫3 0 2 0 1 0 o 进水曝0 1 02 03 04 06 08 01 0 0 1 2 0 时间 m i n 图4 3t n n i h n n o x n 和p 0 4 孓 p 浓度在一个u n i f e d 周期中变化规律 c n 2 5 7 f i g 4 3c o n c e n t r a t i o np r o f i l e so f t n n h 4 n n o i n p 0 4 j 一pd u r i n gau n i f e dc y c l e c n 三2 5 7 从图4 3 可以看出 原水n h 4 n 浓度5 3 7 3 m g l 曝气初始n 对一n 1 3 4 3 m g l 恰是原水n h 4 一n 浓度与充水比的乘积 说明原水的n h 4 l n 在进水 排水阶段只是 得到稀释 并未发生任何生化反应 而在后续好氧曝气过程中 其浓度逐渐降低 说明n 盯一n 逐渐被自养硝化菌硝化 至曝气8 0 m i n 时 n h 4 l n 全部降解完成 去 除率达1 0 0 显示了良好的硝化效果 n 0 2 n 浓度在曝气过程中先是略有上升 但始终在3 m g l 以下 这是由于n h 4 n 在氧化过程中 首先要生成n 0 一 n 然后 其浓度又不断下降 至曝气8 0 m i n 时降为0 表明n 0 2 n 全部转化为n 0 一一n 系 统以全程硝化为主 n 0 n 浓度在曝气过程中稳步上升 至曝气8 0 m i n 时达到最 高3 2 9 8 m g l 继续曝气其浓度仍保持不变 原水的t n 为7 1 5 7 m g l 曝气初始的t n 4 5 9 m g l 之后t n 浓度随着曝气的 进行不断徐徐下降 至曝气8 0 r a i n 时降到3 8 3 3 m g l 之后不再变化 整个曝气 过程中t n 共降低7 5 7 m g l 这种在好氧状态下 t n 浓度明显减少的情况 可以 认为发生了同步硝化反硝化 s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d t n 在一个u n i f e d 周期的去除率为4 6 3 7 原水p 0 4 3 p 浓度为4 7 1 m g l 曝气初始p o 1 3 p 为4 0 8 m g l 在整个曝气过 程中其浓度波动不大 说明没有发生明显的释磷和吸磷反应 出水 p 0 4 t p 3 5 3 m g l p 0 4 l p 去除率仅2 5 0 5 表明在较低的c n 比 c n 2 5 7 下 u n i f e ds b r 工艺对磷基本没有去除 一4 1 一 一1 凹5捌甾餐目 地 加 8 6 4 2 0 北京工业大学工学博士学位论文 上述结果说明 对于未投 n i l j b 碳源的低c n 比 c n 2 5 7 实际生活污水 在经u n i f e ds b r 工艺处理之后 其c o d 和氨氮都能得到良好的去除 而t n 和 p o 3 一 p 的去除效果较差 原因在于原水中碳源缺乏 反硝化过程没有足够的电子 供体 导致反硝化反应不完全 同时聚磷菌也不能得到足够碳源进行释磷和合成 p h b 最终导致除磷的失败 4 3 2u n i f e ds b r 工艺对投加外碳源的生活污水的脱氮除磷性能 由于原实际生活污水c n 比过低 原水中缺乏碳源 导致总氮和磷的去除效 果都较差 为此在原水中投加乙酸钠作为外碳源 提高原水的c n 比值 考察在 较高的进水c n 比时 u n i f e ds b r 工艺对污水的脱氮除磷效果 向原水中投加乙酸钠 并控制进水c o d 在4 4 0 m g l 左右 曝气期间d 0 在0 2 0 5 m g l 之间 一个u n i f e ds b r 周期仍按进水 排水2 h 曝气2 h 沉淀2 0 m i n 的方式运行 充水比仍为2 5 反应器系统经多个周期运行达到稳定的氮 磷去 除效果后 对原水和出水水质进行了分析检测 图4 4 为当原水t n 为6 8 5 6 m g l p 0 4 3 一为5 2 7 m g l 碱度为4 6 3 2 3 m g l 时的一个完整周期的t n n 吖一n n 0 2 n n 0 3 一一n p 0 4 卜一p 浓度变化曲线 从图4 4 中可以看到在进水 排水阶段结束曝气初始泥水混合液的t n 为 1 9 5 8 m g l v 0 l p 为7 1 8 m g l 碱度为3 4 3 4 3 m g l 同时测得该周期的前一个 周期的出水t n 为1 2 9 5 m g l p 0 3 一为o 碱度为2 6 8 8 9 m g l 根据物料平衡计算 可知 除了由于进水的稀释作用 在进水 排水阶段t n 浓度仍有 6 8 5 6 2 5 1 2 9 5 7 5 19 5 8 7 2 7 m g l 的减少 同时产生了3 4 3 4 3 4 6 3 2 3 2 5 2 6 8 8 9 7 5 2 5 9 5 m g l 的碱度 根据公式n 0 3 5 h 电子供体 有机物 一l 2 n 2 h 2 0 o h 在反硝化过程中 每还原i m g l 的硝态氮能产生 3 5 7 m g l 的碱度 通过理论计算 在进水 排水阶段会有2 5 9 5 3 5 7 7 2 7 m g l 的 硝态氮被还原 这与实际测量值 i n 有7 2 7 m g l 的减少在数量上非常吻合 注 系统为延时曝气 氮在曝气结束时主要以n 0 3 形式存在 同时计算出p 0 4 3 p 浓度增加了7 1 8 5 2 7 2 5 0 术7 5 5 8 6 m g l 分析在进水 排水阶段 i n 浓度的降低 是由于不曝气在反应器底部形成缺氧 环境 污泥层中的反硝化菌利用进水当中的有机碳源 将前一周期残留在污泥层 中的n o x 还原成为n 2 所致 随着n o x 浓度降低到较低的水平 氧化还原电位也 在降低 反应器底部逐渐形成了厌氧环境 开始释放磷酸盐 污泥层中的聚磷菌 吸收进水中的有机底物以p h b 的形式储存在细胞内 同时释放出大量的p 0 4 3 这就是在进水 排水阶段结束后曝气初始混合液中的p 0 4 3 p 浓度明显增大的原 因 通过以上考察在进水 排水阶段t n 碱度 p 0 4 3 p 浓度的变化 充分证实 了在进水 排水阶段反应器底部确实发生了反硝化脱氮作用和厌氧释磷反应 一4 2 第4 章u n i f e ds b r 工艺生物脱氮除磷基本性能 8 0 7 0 6 0 5 0 一 誉4 0 警3 0 2 0 1 0 o 总氮十氨氮 4 1 亚硝态氮 x 硝态氮 正磷酸盐 进水 出水阶段曝气阶段 进水 1 2 1 0 8 o 宣 6 矧 程 誉 4 目 2 o 1 03 06 0l o o 时间 r a i n 一 图4 4t n n h 4 n n 0 2 n 和p 0 4 3 p 浓度在一个u n i f e d 周期中变化规律 c n 6 4 2 f i g 4 4c o n c e n t r a t i o np r o f i l e so ft n n h 4 n n o x n p 0 4 3 pd u r i n gau n i f e dc y c l e c n 6 4 2 从图4 4 中还可以看到 在曝气的2 h 过程中 t n 浓度由曝气初始时的 1 9 5 8 m g l 逐渐降低到曝气结束时的1 2 0 8 m g l 整个曝气期间t n 减少了 7 5 m g l 分析曝气阶段t n 的减少一是通过微生物的生长利用即同化作用 二就 是由于曝气初始反应器中仍然存在一部分可被反硝化菌利用的碳源 而在整个曝 气阶段一直控制较低的溶解氧浓度 在反应器中能够形成发生同步硝化反硝化的 微环境 反硝化菌利用了混合液中的可生物降解c o d 将部分n 0 一还原 这可以通 过曝气初始泥水混合液的c o d 为7 6 3 8 m g l 其中不可生物降解的c o d 大约有 3 0 m g l 左右 n 0 浓度为6 0 9 m g l 到曝气1 0 m i n 时n 0 一浓度降至4 4 1 m g l 得 到证明 之后n o 一浓度逐渐升高 到曝气结束时升至1 1 4 1 m g l n i h n 在曝气 的前1 0 m i n 其浓度略有上升 原因是曝气初期 异养菌将原水中带入的有机氮降 解为n h 4 n 所致 之后在硝化细菌的作用下 n h 4 一n 浓度逐渐降低 到曝气8 0 m i n 时 已全部降解完成 需要说明的是 尽管曝气期间溶解氧较低 在0 2 0 5 m g l 但并不影响硝化反应的顺利完成 同时污泥始终保持良好的沉降性能 s v i 始终 在7 5 9 0 m l g 之间 并没有出现在低溶解氧下经常可能出现的丝状菌污泥膨胀 现象 p o t 3 一 p 浓度则由曝气初始时的7 1 8 m g l 增加至曝气1 0 分钟时的1 0 6 6 m g l 之后浓度逐渐降低 至曝气1 0 0 m i n 时 已降为0 说明在曝气的前1 0 m i n 由于 泥水充分混合 混合液中仍有部分有机物可供聚磷菌利用 继续合成p h b 储存在 一4 3 北京工业大学工学博士学位论文 其体内同时释磷 释磷充分后 在后续的曝气过程中 聚磷菌利用之前储存的 p h b 将混合液中的磷酸盐吸收到细胞体内并转化为聚磷储存起来 从而完成过 量吸磷反应 分析原水中的c o d 在一个运行周期中的降低一是由于在进水 排水过程中 被稀释 同时被反硝化菌和聚磷菌利用 用于反硝化和释磷 二是在曝气初期仍 有一部分易生物降解c o d 能被反硝化菌和聚磷菌继续利用 其余则是被好氧异 养菌降解掉 至曝气结束时混合液的c o d 基本为难生物降解c o d 上述周期中 曝气结束时c o d 降至2 8 5 9 m g l 在上述周期中 c o d 去除率为9 3 5 0 n 时一n 的去除率为1 0 0 t n 的去除 率为8 2 3 8 p 0 4 3 p 的去除率为1 0 0 可见 当将进水c n 比提高至6 4 2 时 u n i f e ds b r 工艺对氮和磷的去除效率都大大提高 尤其是对磷实现了1 0 0 完全 去除 在上述试验基础上 为了进一步提高t n 去除率 在原水中投入更多的碳源 控制原水c o d 为6 0 0 m g l c o d t n 为7 8 9 考察在该c o d t n 比下采用u n i f e ds b r 工艺处理实际生活污水的脱氮和除磷效果 试验结果如图4 5 所示 总氮 氨氮 亚硝态氮 硝态氮 h 正磷酸盐 进水 出水阶段曝气阶段 8 0 7 0 6 0 5 0 警4 0 酶3 0 2 0 1 0 0 进水1 03 06 01 0 0 时间 m i n o 凹 5 捌 甾 篷 目 图4 啊5 一个u n i f e d 周期t n n i h n n o n p 0 2 p 浓度变化规律 c n 7 8 9 f i g 4 5c o n c e n t r a t i o np r o f i l e so f t n f 1 4 n n o n p 0 4 3 pd u r i n gau n i f e d c y c l e c n 7 8 9 图4 5 中原水t n 为7 6 0 2 m g l n h j n5 8 6 8 m g l c o d 为6 0 0 m g l p 0 4 3 p 为5 0 5 m g l 曝气结束时的t n 为6 6 6 m g l n h n 为0 c o d 为2 5 5 8 m g l 一4 4 一 c u 4 o 厶n v l 1 1 l 8 6 4 2 o 第4 章u n i f e ds b rt 艺生物脱氮除磷基本性能 p 0 4 3 p 为0 对c o d n h 4 n t n 和p 0 4 3 p 的去除率分别达到9 5 7 4 1 0 0 9 1 2 4 和1 0 0 其中 在进水 排水阶段 t n 浓度减少了 7 6 0 2 2 5 6 6 6 7 5 1 6 8 2 7 1 8 m l p 0 4 3 p 浓度增加了7 4 5 0 5 2 5 o 宰7 5 6 1 4 m g l 说 明在进水 排水阶段 反应器底部污泥层中确实发生了反硝化作用和释磷反应 在后续的曝气阶段 t n 由1 6 8 2 m g l 逐渐降低到曝气结束时的6 6 6 m g l 曝气 期间t n 共减少了1 0 1 6 m g l 由于曝气初始仍有充足的碳源供p a o s 利用而继 续放磷 p 0 4 3 p 浓度在曝气前期继续增加 由曝气初始时的7 4 m g l 增加到曝 气2 0 m i n 时的1 4 6 9 m g l 之后浓度逐渐降低 至曝气1 0 0 r a i n 时 吸磷结束 之后混合液的p 0 4 3 p 浓度始终保持为o 曝气结束后随着沉淀的进行 上清液是前一周期的处理澄清水 其n h 4 n p 0 4 3 p 浓度都为零 但含有一定浓度的n o n 随着后一周期进水崩 水阶段的 开始 池底随着进水会带入较高浓度的n h 4 n 和p 0 4 3 p 但由于是缓慢 均匀 进水 进水和出水实现分离 所以并不会影响池上层撇出高质量的出水 出水中 完全不含n i i m 和p 0 4 孓 p 而只有6 7 m g l 的n o n 和3 0 m g l 以下的难生 物降解c o d 其水质完全达到2 0 0 2 年国家新制定的 污水排放标准 g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级排放标准 上清液中虽然含有不利于除磷的n o n 但 由于不与污泥接触 所以并不会影响池底形成的厌氧环境 所以一方面在池上层 撇出质量很好的出水 同时在池的底部污泥层中相继发生了反硝化作用和厌氧释 磷 因此采用u n i f e ds b r 工艺处理实际生活污水 只要进水的c n 比足够高 能够满足进水 排水阶段实现彻底充分的反硝化和厌氧释磷所需碳源 同时控制 合适的充水比 出水中可以实现氮 磷的基本去除 4 4u n i f e ds b r 工艺除磷脱氮机理分析 4 4 1u n i f e ds b r 工艺脱氮机理分析 4 4 1 1 进水 排水阶段总氮损失理论分析 综合上述试验结果 对u n i f e ds b r 工艺的脱氮机理分析总结如下 在u n i f e ds b r 工艺中t n 的去除主要发生在两个阶段 即进水 排水阶段和 曝气阶段 其中 在进水 排水阶段总氮的损失主要发生在池底污泥层中 随着 进水易生物降解c o d 的流入 发生了反硝化作用 异养反硝化菌将前一周期残 留在污泥层中的n o x 还原成为氮氧化物或氮气 从废水中脱除 反应方程式为 4 1 5 c 有机碳 2 h o 4 n o 一 j 堑堑些l 2 n 4 0 h 一 5 c o 4 1 进水 排水阶段t n 的去除量与进水中所含的易生物降解c o d 的数量有关 进水中所含的易生物降解有机物数量越多 该阶段污泥层中反硝化程度越高 去 一4 5 北京工业大学工学博 仁学位论文 除的t n 数量越多 通过原水的t n 浓度 前一周期出水的t n 浓度 曝气初始的t n 浓度和充 水比 可根据物料平衡式 4 2 计算出进水 排水阶段t n 的损失值 进水 排水阶段t n 损失值 原水的t n 浓度 充水比 d 们 前一周期出水的t n 浓度 1 一充水比 卜曝气初始的t n 浓度 r 叫 4 4 1 2 曝气阶段总氮损失理论分析 通过第4 章第3 节所述试验结果可以看到 无论进水c n 比如何变化 在 好氧曝气阶段 总氮浓度都有不同程度地降低 这可归因于反应器中发生了同步 硝化反硝化 s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d 现象 所谓同 步硝化反硝化 s n d 现象是指硝化反应和反硝化反应在同一反应器中 相同操 作条件下同时发生 这一现象与传统脱氮理论明显有所违背 根据传统理论 首 先含氮有机物被异养微生物分解转化为氨 然后通过自养型硝化细菌将其氧化为 硝酸盐 最后再由反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气 完成脱氮过程 由于硝化菌 和反硝化菌各自适宜的生长环境不同 故传统理论对硝化过程和反硝化过程有着 严格区分 前者是好氧条件 后者是缺氧条件 9 1 目前对同步硝化反硝化的理论机制研究主要集中在微生物学 生物化学和物 理学等方面 下面结合国内外在该方向的研究现状 从以上几方面对发生同步硝 化反硝化的机理进行初步探讨 1 微环境理论 1 2 0 微环境理论是从物理学角度对同步硝化反硝化机理进行解释 该理论考虑活 性污泥和生物膜的微环境中各种物质 如d o 有机物等 的传递与变化 各类 微生物的代谢活动及其相互作用 以及微环境的物理 化学和生物条件或状态的 改变等 微环境理论认为 由于氧扩散的限制 使得在微生物絮体内产生d o 浓 度梯度 即从外向内 溶解氧浓度逐渐下降 如图4 6 在微生物絮体的外表面 溶解氧浓度较高 等于反应器内混合液溶解氧浓度 外表面主要以好氧硝化菌为 主 在此发生硝化反应 进入絮体内部 氧传递受阻 并且由于絮体外部氧的大 量消耗 使得在微生物絮体内部产生缺氧区 此区内反硝化菌占优势 并进行反 硝化反应 因此 微生物絮体内的缺氧环境是形成同步硝化反硝化的主要原因 而缺氧环境的形成又依赖于水中溶解氧浓度的大小及微生物絮体的结构 因此 控制反应器内溶解氧浓度及微生物的絮体结构对能否进行同步硝化反硝化及其 发生的程度至关重要 本试验观察到在硝化阶段 c o d 有继续降低的现象 说明硝化的同时存在 反硝化过程 同时从目前国内外研究报道来看 用物理学角度解释同步硝化反硝 化的微环境理论已成为目前普遍接受的观点 一4 6 第4 章u n i f e ds b r 工艺生物脱氮除磷基本性能 主 体 区 b o d n i h d o n 0 3 图4 6 生物絮体内d o 和基质浓度分布示意图 f i g 4 6d i s t r i b u t i o no fd oa n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ni ns l u d g e 2 好氧反硝化菌作用机理 1 2 1 2 0 世纪8 0 年代后期以来 在生物脱氮生物学研究方面有了很大进展 人们 曾多次观察到在没有明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氮现象 并发现了好氧反 硝化菌 p s e u d o m o n a ss p p a l c a l i g e n e s f a e c a l i s t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 这些好 氧反硝化菌同时也是异养硝化菌 而传统硝化菌是化能自养菌 因此 这类细菌 能够直接在好氧条件下把氨转化为气态产物 好氧反硝化的初始基质究竟是亚硝酸盐还是硝酸盐可以通过比较电子转移 平衡来确定 氨氧化为亚硝酸盐产生2 个电子 亚硝酸盐氧化为硝酸盐也产生2 个电子 完全的亚硝酸盐还原需要3 个电子 而完全的硝酸盐还原需要5 个电子 因此 当亚硝酸盐被完全还原时 氧化氨产生的最大可能因数为0 6 7 n m o l n 2 n m o l n h 3 而对于硝酸盐 这一因数为o 4 所以亚硝酸盐为好氧反硝化的 初始基质 3 中间产物理论 1 2 2 好氧反硝化所呈现出的最大特征是好氧阶段总氮的损失 一方面 这一现象 可由存在的好氧反硝化茵的微生物学理论予以解释 另一方面 从生物化学途径 中产生的中间产物 也能够解释一部分总氮损失的原因 关于硝化作用的生物化学机制的研究 目前已初步搞清楚是按以下途径 4 3 进行 n h 3 一日2 n 哼n h 2 专n h 2 一明 2