（环境工程专业论文）MAlt2gtO工艺脱氮除磷的试验研究.pdf

摘要 厌氧一缺氧一好氧法通常简称a a o 工艺，亦称a 2 o 工艺。它不同于常规的活 性污泥法，是在厌氧一好氧法脱氮工艺的基础上开发的具有同步脱氮除磷的污水生物处 理系统。a 2 o 是一种简易、高效且低耗的污水处理工艺，它的应用与推广十分迅速。 本论文总结了各种a 2 o 工艺的操作过程和性能特点，在综合倒置a 2 o 工艺和桥本 工艺的优缺点的基础上，提出了一种改良型的同步脱氮除磷工艺m a 2 o ，m a 2 o 工艺 分为5 个部分，预缺氧、厌氧、好氧i 、缺氧、好氧i i 。其中预缺氧主要以去除回流污 泥中n o x - - n 为目的：厌氧、好氧i 和缺氧为常规的脱氮除磷过程；好氧i i 主要起到氮 气的吹脱、强化处理效果的目的。论文设计针对处理生活污水，进行了多个m a 2 o 工 艺运行参数的试验研究。 试验研究表明，处理实验室模拟生活污水时，在系统水力停留时间为8 o h ，进水超 越比为3 0 ，预缺氧池水力停留时间为o 5 h 左右，进水c o d 浓度为1 7 3 3 3 0 m g l ，t n 浓度1 1 5 - 3 3 7m g l ，t p 浓度2 4 3 - 4 1 1m g l ，污泥浓度2 2 - 2 7 9 l ，污泥负荷 o 3 9 - 0 6 1 k g c o d ( k g m l s s d ) 时，出水c o d 为1 5 6 - 3 7 8 m g l ，平均去除率为8 9 7 ， t n 为1 2 1 2 m g l ，平均去除率为7 2 7 ，t p 为o 1 乱o 5 5 m g l ，平均去除率为8 8 2 。 可达到污水排放a 级标准。 m a 2 o 反应器处理实验室模拟生活污水的生物降解动力学模型为： 1 钌 v s 2 7 9 s xd tk s + s 2 1 3 1 2 + s 一三坚：y 玉也一k 。：0 4 1 6 5 二旦生一0 0 7 7 9 爿也 k ，+ s ” 2 1 3 1 2 + 5 1 或：= y u ，- k d = 0 4 1 6 5 u ，- 0 0 7 7 9 关键词：a 2 o ，改良，生活污水，脱氮除磷，m a 2 o a b s t r a c t a n a e r o b i c - a n o x i c o x i cp r o c e s si s g e n e r a l l yc a l l e da a - o ，o ra 2 o d i f f e r e n tf r o m c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，i tw a s d e v e l o p e df r o mt h ea n a e r o b i c o x i cw h i c hi st h e p r o c e s sf o rb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l a n dt h ea 2 op r o c e s sc a l lr e m o v et h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u si nas a m ef l o w a 2 op r o c e s si sas u i t a b l et e c h n o l o g yw i t he a s yo p e r a t i o n ，h i g h e f f i c i e n c ya n dl o wc o n s u m p t i o n t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p e r a t i o na n dp e r f o r m a n c ef r o ma l l k i n d so fa 2 op r o c e s s a n dt r i e st op r o p o s ean e wp r o c e s s ，w h i c hw a sn a m e df o rm a 2 o ( m o d i f i e da n a e r o b i c a n o x i c - o x i cp r o c e s s ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi n v e r t e da op r o c e s s a n dq i a o b e np r o c e s s ，t h em a 2 op r o c e s si sc o m p o s e do f5p a r t s ：p r i o r - a n o x i ca n a e r o b i c ， o x i ci ，a n o x i c ，o x i ci i t h ep r i o r a n o x i cp a r ti sd e s i g n e dt or e m o v et h en o x 一nf r o mt h e r e t u r n e ds l u d g e ，w h i c hc o m e sf r o mt h es e d i m e n t a t i o nt a n k t h ep a r to fa n a e r o b i c ，o x i cia n d a n o x i ci st h er e g u l a rp r o c e s st or e m o v et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h eo x i ci ii sd e s i g n e d t ob l o wo u tn i t r o g e na n dt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h ep a p e rc o n c l u d e ss e v e r a l r u n n i n gp a r a m e t e ro ft h em op r o c e s s w h i c ha r es u i t a b l e f o rd o m e s t i cw a s t e w a t e r d i s p o s a l t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yr e v e a l e dt h a t ，w h e nt h es y s t e mh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew a s8 o h ， t h ei n f l o ws u r p a s sr a t i ow a s3 0 ，t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo fp r i o r - a n o x i ct a n kw a s a r o u n do 5 h ，t h ec o do fi n f l o ww a s1 7 3 3 3 0 m g l ，t nw a s11 5 - 3 3 7 m g l ，t pw a s 2 4 3 - 4 1l m g l ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a s2 2 2 7 9 l ，a n dt h e s l u d g el o a d i n g w a s 0 3 9 - 0 61k g c o d ( k g m l s s 。d ) ，t h er e m o v a le f f i c i e n c ya n de c o n o m i cw a st h eb e t t e r , t h ec o d o fo u t f l o ww a s15 6 - 3 7 8 m g l ，a v e r a g er e m o v a lr a t ew a s8 9 。7 ，t nw a s1 2 - 12 m g l ， r e m o v a lr a t ew a s7 2 7 ，t pw a s0 16 - 0 5 5 m g l ，r e m o v a lr a t ew a s8 8 2 t h em i c r o b i a lk i n e t i c se q u a t i o no fm a 2 or e a c t o ri sa sf o l l o w ： 1d s v s 2 7 9 s 一= = 一 xd tk s + s 2 1 3 1 2 + s 一土坚：l ，玉墨一k 。：o 4 1 6 5 一坐一0 0 7 7 9 xd tk + s n 2 1 3 1 2 + s 或：瓦1 = y u ，一心= 0 4 1 6 5 u ，一。0 7 7 9 k e y w o r d s ：a 2 0 ，m o d i f y , d o m e s t i cw a s t e w a t e r , t h ed i s p o s a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：1 i ! 移讹7 年右月多p 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 彬勿：衫航 w 7 年r 月知日 导师签名： 吴2 为，沙7 年f 月季日 2 钨 长安大学硕i j 学位论文 第一章绪论 水是人类赖以生存和从事生产不可缺少的资源。随着人口增长、经济发展及人类生 活水平的提高，人类对水的需求日益增长。水资源又是一种有限的，而且是不可替代的 宝贵资源。迄今为止，有不少国家和地区的水资源问题已成为国民经济发展的制约因素。 因此，对水资源的合理开发利用，受到普遍关注和重视。 我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家，如果按水资源总量考虑，水资源总 量居世界第六位，但是我国人口众多，若按人均水资源量计算，人均占有量只有2 5 0 0 立方米，约为世界人均水量的1 4 ，在世界排第1 1 0 位( 按1 4 9 个国家统计，统一采用 联合国1 9 9 0 年人口统计结果) ，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之一。并且我国水资 源的污染状况也十分严重，七大水系以污染程度大小进行排序为：辽河、海河、淮河、 黄河、松花江、长江，其中，辽河、海河、淮河污染最重。综合考虑我国地表水资源质 量现状，符合地面水环境质量标准的i 、i i 类标准只占3 2 2 ( 河段统计) ，符合 i 类标准的占2 8 9 ，属于、v 类标准的占3 8 9 ，如果将i i i 类标准也作为污染统计， 则我国河流长度有6 7 8 被污染，约占监测河流长度的2 3 ，可见我国地表水资源污染 非常严重。 在一些发展中国家，由于资金短缺，没有完善的给水和排水设施。而已建成的给水 和排水设施，又因为缺少必要的管理和运行费用，缺乏训练有素的专业管理人员，而长 期闲置，特别是一些采用了先进技术和设备的污水处理设施更是如此。资料表明，在 发展中国家，约有1 0 亿人没有给水设施，约2 0 亿人没有排水和污水处理设施。只有很 少一部分城市污水得到了处理，大部分都未经过任何处理直接排入附近的水体，严重污 染了水体，破坏了水环境。 随着我国经济的不断发展，工业化和城市化步伐的加快，人民生活水平的提高，含 氮、磷的化肥农药洗涤剂使用量的不断上升，加之处理工艺的不完善，造成大量氮磷污 染物进入水体，引起水体的富营养化。水体富营养化严重降低了水资源的利用价值，对 城市经济、自然环境构成严重的威胁。2 0 0 4 年中国水资源公报显示，在对4 9 个湖泊的 营养状态进行评价中，1 7 个湖泊处于中营养状态，3 2 个湖泊处于富营养状态。国家重 点治理的“三湖”情况是：太湖1 6 5 的面积为i i i 类水，7 5 3 的面积为类水，8 2 的 面积为劣v 类水：中营养水平的面积占2 3 ，富营养占7 7 。滇池水质以v 类为主，占 评价面积的6 9 ，劣于v 类水质占评价面积的3 1 ，全湖处于富营养状态。巢湖的东半 湖巢湖市第一水厂湖区水质为类，中庙湖区水质为v 类，西半湖水质为劣v 类，湖水 第一章绪论 处于富营养状态。对2 3 8 座水库的营养状态进行评价，三分之二的水库处于中营养状态， 三分之一的水库处于富营养状态。主要超标项目为总磷、总氮和高锰酸盐指数。2 0 0 6 年6 月的全国主要流域重点断面水质自动监测周报显示：全国主要水系8 2 个重点断面 中，i - i i i 类水质的断面为5 4 个，占6 7 5 ；i v 类水质的断面为1 0 个，占1 2 5 ；v 类水质的断面为5 个，占6 2 ；劣v 类水质的断面为1 1 个，占1 3 8 。主要超标项目 为氨氮、溶解氧和高锰酸盐指数。 氮和磷是引起水体富营养化的主要因素，当水体总磷浓度高于0 0 2 m g l 或总氮浓 度超过0 2 m g l 时即可视为富营养化水体。水体富营养化是继需氧型污染后又一严重的 水环境污染问题。水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区 制定严格的氨、氮排放标准。例如【2 】英国不仅对污水处理中c o d 、b o d 5 和s s 的排放 指标做了严格的定量规定，同时还对氮、磷的排放标准作了严格的规定，对于人口当量 在1 00 0 0 - 1 0 00 0 0 的污水处理厂，其出水的总磷不得超过2 m g l ，总氮不得超过1 5 m g l ： 对于人口当量大于1 0 00 0 0 的污水处理厂，其出水中的总磷不得超过l m # l 、总氮不得 超过l o m g l 。德国要求到1 9 9 5 年有8 5 的污水处理厂达到三级处理标准外，还要求到 1 9 9 9 年污水厂出水每2 h 取样的混合水样中至少有8 0 满足总无机氮小于等于5 m g l 的 要求。北欧国家为保护北海，要求污水处理厂达到7 9 的脱氮效率和出水总磷低于l m g l 的除磷效果。近年来，我国沿海地区多次出现赤潮现象，所有这些都为我们敲响了控制 氮磷污染的警钟。面对严峻的形势，我国颁布的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对氮、磷都做了严格的规定，其中对磷：o 5 m g l ( 一级标准) 、1 0 m g l ( 二级标准) ； 对氮：1 5 m g l ( 一级标准) 、2 5 m l ( 二级标准) 。传统活性污泥法对b o d 及s s 的去除 比较理想，而对氮磷的去除率只有1 0 - - 2 0 。典型城市污水中一般t k n = 5 0 - - 6 0 m g l ， t p = 4 2 0 m g l 。可见，单纯采用活性污泥法处理城市污水，很难使出水达到氮磷的二级 排放标准。由此，采用高效、节能的氮磷去除工艺必将是我国城市污水处理工艺的一个 发展方向。 作者在总结多种脱氮除磷工艺优缺点的基础上，提出了一种m a 2 0 工艺，以力求 达到更平衡的脱氮除磷效果，并针对生活污水进行了定的试验研究，以期能更好地运 用m a 2 o 工艺为我国污水处理事业作贡献。 2 长安人学硕 ：学位论文 第二章氮磷的去除机理及工艺特点 2 1 氮、磷的去除机理 2 1 1 氮的去除 废水中的氮常以含氮有机物、氨、硝酸盐及亚硝酸盐等形式存在。生物处理把大多 数有机氮转化为氨氮，即氨化作用。然后在好氧条件下将氨氮可进一步转化为硝态氮， 最后在缺氧条件下将硝态氮转化为氮气等气体形式排放到大气中。达到脱氮的目的，生 物脱氮过程如图2 1 所示1 3 j 。 硝 化 作 用 有机物( 碳源) 图2 1 生物脱氮过程中氮的转化 目前采用的除氮工艺有生物硝化与反硝化、沸石选择性交换吸附、空气吹脱及折点 氯化等四种【4 1 。 2 1 1 1 生物脱氮法 污水生物脱氮已经被证明是一种经济、可靠的处理方法。传统的硝化一反硝化生物 脱氮的基本原理是通过生物化学的作用把在污水中的有机氮分解和水解转化成氨氮，再 通过好氧条件下的硝化反应先将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝 态氮、亚硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到脱氮的目的。 a 硝化过程 硝化反应是由自养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤，第一步是由亚硝酸盐菌 将氨氮转化为亚硝态氮；第二步则由硝酸菌将亚硝态氮进一步氧化为硝态氮。这两类细 菌统称为硝化细菌，它们利用无机碳化合物如c 0 3 2 - 、h c 0 3 一、和c 0 2 作碳源，从n i t 3 、 第- 二章氮磷的去除机理及丁艺特点 n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化反应中获得能量。生物硝化的反应过程为： n h 4 + 1 5 0 2j 型吗d ；+ h 2 d + 2 h + 能量 n o ；+ 0 5 0 2 塑鸟d _ 硝化过程p h 值最佳为8 o 8 4 范围时，反应速度是最佳硝化反应速度的9 0 ；亚 硝酸盐菌最适宜的水温为3 5 ( 2 ，1 5 。c 以下其活性急剧降低，故水温以不低于1 5 为宜； 由于氧是生物硝化作用中的电子受体，其浓度太低将不利于硝化的进行。一般，在曝气 池中进行硝化，溶解氧应保持在2 3 m g l 以上。 b 反硝化过程 反硝化是由异养型反硝化菌完成，在溶解氧浓度极低的环境中，它4 1 u n 用硝酸盐中 的氧作电子受体，将硝酸盐氮还原成为n ：或n ：o ，有机物则作为碳源及电子供体提供能 量并得到氧化稳定。其反应式为： 6 n o ；+ 2 c h 3 0 hj6 n o ；+ 2 c 0 2 + 4 h 2 d 6 n o ；+ 2 c h 3 0 h 一3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6 0 h 一 温度对反硝化的影响相对其他生物处理过程要大些。一般温度应维持在2 0 4 0 之 间；p h 值控制在7 0 8 0 范围内；氧对反硝化脱氮有抑制作用，溶解氧一般控制在 o 5 m g l 以下。 传统的硝化反硝化生物脱氮工艺由于流程长故耗能多，反硝化时还需要有足够的有 机碳源还原硝酸盐氮到氮气。在处理高浓度氨氮废水时这点表现的更为突出，因此国 内外学者一直在寻找低耗的生物脱氮工艺。有代表性的成果如下： c 短程硝化一反硝化 短程硝化一反硝化f 5 - 8 】是将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止，随后进行反硝化， 在反硝化的过程将d j 作为最终受氢体。其反应式为： n h 4 + 1 5 0 2 一n o ；+ 2 h + + h 2 0 n o ；+ 3 h i + m + 一o 5 2 卞+ 2 h 2 0 控制硝化反应停止在亚硝化阶段是实现短程硝化一反硝化生物脱氮技术的关键，在 一定程度上取决于对两种硝化细菌的控制，其主要影响因素有温度、污泥龄、溶解氧、 p h 值和游离氨等。短程硝化一反硝化生物脱氮可减少约2 5 的供氧量，节省反硝化所 需碳源4 0 ，减少污泥生成量5 0 ，以及减少碱消耗量和缩短反应时间。 d 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是上世纪9 0 年代荷兰d e l t i 大学提出的5 1 ，其原理是在厌氧条件下，以 4 长安人学硕l ：学位论文 氨作为电子供体，将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气释出，反应中不需要有机物维持反硝 化。参与厌氧氨氧化的细菌是种自养菌，在此过程中不需要有机碳源。厌氧氨氧化反 应式为： m j + n o ；_ n 2 个+ 2 h 2 0a g = - 3 5 8 k j m o l n h 4 5 佃j + 3 n o ；争4 2 个+ 9 h 2 0 + 2 日+g = - 2 9 7 k j m o l n h j 根据热力学理论，上述反应的a g n a + b a 2 + c a 2 + m 9 2 + 利用斜发沸石对n h 4 + 的强选择性，可采用交换吸附工艺去除水中氨氮。交换吸附 饱和的沸石经再生可重复利用。此方法具有投资省、工艺简单、操作较为方便等优点。 2 1 1 3 空气吹脱 在碱性条件下( p h 1 0 5 ) ，废水中的氨氮主要以n i l 3 的形式存在。让废水与空气充 分接触，则水中挥发性的n h 3 将由液相向气相转移，从而脱除水中的氨氮。吹脱塔内部 填装木质或塑料板条填料，空气流由塔的下部进入，而废水则由塔顶落至塔底集水池。 空气吹脱法除氮，去除率可达6 0 0 旷9 5 ，流程简单，处理效果稳定，基建费和运 行费较低，可处理高浓度含氮废水。但气温低时吹脱效率低，填料结垢往往严重干扰运 第二章氮磷的去除机理及t 艺特点 行，且吹脱出的氨对环境产生二次污染。 2 1 1 4 折点氯化 折点氯化法是投加过量的氯或次氯酸钠，使废水中的氨完全氧化成为n 2 的方法。 其反应可表示为： n h ；+ 1 5 h o c i o 5 n 2 + 2 5 h + + 1 5 h 2 0 + 1 5 c l 一 氯气通入废水中达到一定程度时，此时水中游离的氯量为最低，并且水中氨的浓度 降为零。如果氯气量超过这个量时，水中的游离氯就会增多，故称之为折点。实际所需 要的氯气量取决于温度、p h 值和氨氮浓度。折点氯化法处理过的出水一般都需用活性 炭进行反氯化，以去除水中残余的氯。在反氯化时产生的氢离子而引起的p h 值下降一 般可以忽略，因为去除l m g 残余氯只消耗2 m g 左右的碱( 以c a c 0 3 计) 。 折点氯化法对氨氮的去除率可达9 0 1 0 0 ，处理效率稳定，不受水温影响，基建 费用也不高。但其运行费用高；残余氯及氯代物还需后处理。 在以上常用的四种脱氮工艺中，物理化学法由于存在运行成本高、对环境造成二次 污染等问题，实际应用受到一定的限制。而生物脱氮法能较为有效和彻底地去除氮，且 比较经济，故得到广泛的应用。 2 1 2 磷的去除 废水中的磷有三种存在形态，即正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。在二级生化处理中， 有机磷和聚磷酸盐可转化为正磷酸盐。去除磷的方法主要有化学沉淀法和生物除磷法两 类。 2 1 2 1 生物除磷法 目前，普遍认可的生物除磷原理【9 1 是聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微生物( 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 ，p a o ) 的摄磷释磷原理。p a o 为异养型微生物， 包括不动杆 菌属、假单胞菌属、肠杆菌属、气单胞菌和棒杆菌属等。在厌氧条件下， 聚磷菌把细 胞中的聚磷( p o l y p ) 水解为正磷酸盐( p 0 4 3 - - p ) 释放到细胞外，并从中获取能量，摄 取环境中的有机碳源( 挥发性脂肪酸v f a 或短链脂肪酸s c f a ) ，并使之在细胞内合成 贮能物质p h b ( 聚一b 羟基丁酸盐) 。p h b 在细胞内的贮存是p a o 过量摄磷的关键。在 厌氧环境下完成释磷贮碳作用，当在好氧环境中后，p a o 以氧为电子受体好氧分解细胞 内的p h b ，并利用该反应产生的能量，过量摄取水体中的磷酸盐，合成高能物质a t p ， 其中一部分转化为聚磷，作为能量储存在细胞内。p a o 以循环方式经过厌氧好氧环境 长安大学硕i ：学位论文 后，水体中的磷在好氧环境下以聚磷的形式贮藏在细胞内，从而使磷以细胞( 活性污泥 法中表现为剩余污泥) 的形式被去除。图2 2 为p a o 在厌氧好氧环境下释摄磷及有机 物代谢的全过程【1 0 】。 0 2 ( n q ) p q 厌氧环境：释磷、贮碳 c 0 2 m 一维持 馥篓 好氧环境：摄磷、耗碳 0 2 图2 2p a o ( d p b ) 释撮磷原理图 在生物除磷过程中，v f a 是释磷的关键，提高v f a 浓度，是提高系统除磷能力的 关键。一般认为当污水中b o d 5 t p 2 0 时，能提供足够的v f a 使生物释磷比较安全， 会产生大量的p h b 。 随着近些年的深入研究，发现有一种兼性厌氧反硝化除磷菌( d 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 i n gb a c t e r i a ，d p b ) 与p a o 有极为相似的除磷原理【1 1 - 1 9 1 ，可以在缺氧 条件下利用硝酸盐作为电子受体，氧化细胞内贮存的p h b ，并从环境中摄磷实现同时硝 化和过量摄磷。d p b 的这种特性就可使摄磷和反硝化借助同一种细菌在同一环境下完 成，这样可以缩小曝气池的体积，系统产生的剩余污泥量有望降低。研究资料表吲2 0 1 ， 充分利用d p b 除磷可使c o d 需求量减少5 0 ，耗氧量减少3 0 ，剩余污泥量减少5 0 。 针对这种现象开发的d e p h a n o x 工艺，有效解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题。但 由于进水中的氮和磷的比例常常变化较大，很难恰好满足缺氧摄磷要求的氮磷比，所以 这一技术运用于实践时，将给系统控制带来较大困难。 2 1 2 2 化学沉淀法 化学沉淀法是通过向废水中投加化学沉淀剂与废水中的磷酸盐生成难溶沉淀物来 达到去除磷的目的，同时形成的絮体对磷也有吸附去除作用。常用的沉淀剂有石灰、明 矾、氯化铁、石灰与氯化铁的混合物等。其反应可表示为： 3 c a 2 + + 2 p a 3 一专c a 3 ( 尸0 4 ) 2 山 5 c a 2 + + 4 0 h 一+ 3 月p o ；一c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 上+ 3 胃2 0 第一二章氮磷的去除机理及t 艺特点 彳，3 + + p o j 一一a i p o 。、l f e l “+ p o ：专f e p 0 4 0 根据不同的投药部位，化学沉淀法除磷可分为三种不同的工艺： a 在初沉池内沉淀除磷； b 在曝气池内沉淀除磷； c 化学沉淀剂加在二级出水( 进行后处理) 。 2 2 生物法脱氮除磷工艺 2 2 1 生物脱氮工艺 根据废水生物硝化一反硝化的脱氮原理，已经研究出了几种典型的脱氮流程，分为 悬浮状态的活性污泥处理系统和固着状态的活性污泥处理系统两大类。 2 2 1 1 活性污泥脱氮系统 利用活性污泥降解废水中的有机碳和转化氨氮为硝酸盐氮，再将硝酸盐氮还原为分 子态氮。根据去碳、硝化和脱氮的组合方式不同，可以把活性污泥系统分为单级活性污 泥系统( a ) 和多级活性污泥系统( b ) f 4 】o 如图2 3 所示： 生物脱氮法可以去除多种含氮化合物，总氮去除率可达7 0 - - - 9 5 ，处理效果稳定， 不产生二次污染且比较经济。缺点是占地面积大，低温时效率低，易受有毒物质的影响， 且运行管理较麻烦。 混合液删流哟 回流污泥r q t 剩余污泥 ( a ) 单级活性污泥系统 第一段第二段 k一一一1-。_一 碱 进水 一 ( b ) 多级活性污泥系统 t 剩余污泥 一 第三嬖 一 1 有机碳源 t 剩余污泥t 剩余污泥 图2 3 生物脱氮流程 k 安人学硕十学位论文 在实际应用中常见以下几种工艺技术： a 缺氧好氧( a o ) 工艺 在a o ( a n o x i c o x i c ) 系统中，反硝化段位于去碳与硝化阶段的前面，硝化段中的 混合液以一定比例回流到反硝化段，反硝化段中的反硝化脱氮菌在无氧或低氧条件下， 利用进水中的有机物作为碳源，以来自硝化池的回流液中的n 0 3 - - n 作为电子受体，将 n 0 3 - - n 还原为n 2 。图2 4 所示为a o 系统中有机物、n h 4 + - n 、n 0 3 一n 浓度的变化情 况。该种微生物脱氮法是一种较为完善的工艺技术，也是目前在生物脱氮中广泛采用的 工艺。a o 脱氮工艺流程如图2 3 ( a ) 所示【2 l 】。 时i 刚 图2 4a o 生物脱氮工艺特性曲线 b 氧化沟工艺 利用氧化沟进行脱氮，关键是在氧化沟中创造好氧和厌氧交替的环境，为微生物进 行硝化反应和反硝化反应提供必要的条件。一般是在环状氧化沟中的某一点或多点设置 曝气机，泥水混合液沿氧化沟循环流动。在曝气机的下游区段形成好氧段，进行去碳和 硝化反应，远离曝气机的区段为缺氧段，完成反硝化反应。氧化沟工艺流程如图2 5 所 示。 进水 图2 5 氧化沟生物脱氮工艺流程图 9 出水 剩余污泥 第二章氮磷的去除机理及丁艺特点 c 桥本工艺 桥本工艺中，反硝化的缺氧反应池位于好氧反应池之后，废水进入前面的好氧池进 行去碳和硝化，后面的缺氧池利用旁路流入的一部分废水中的碳源以及各自前面的好氧 池的硝酸盐进行反硝化脱氮。旁路引入缺氧池的废水流量很难控制，若流量不足会影响 反硝化脱氮，流量过大则会因碳源过剩而影响出水水质。桥本工艺流程如图2 6 所示。 污泥 图2 6 桥本脱氮工艺流程图 d 四段b a r d e n p h o 工艺 四段b a r d e n p h o 工艺流程如图2 3 ( b ) 所示类似，前面两段类似于a o 工艺。为了 提高氮的去除率，可将第一个好氧池( 硝化池) 流出的硝酸盐导入第二个缺氧池( 反硝 化池) ，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的二次性基质作为碳源进行反硝化，以彻底 去除系统中的硝酸盐。污水最后进入第二个好氧池( 后去碳池) ，以吹脱氮气并去除残 留的有机物，提高污泥沉降性能。 2 2 1 2 生物膜脱氮系统 生物膜法脱氮工艺是利用在介质上生长的生物膜来完成对污水的处理。生物膜法脱 氮系统通常使硝化过程和反硝化过程分别在两个区域内进行，并使反硝化区内处于厌氧 状态。可采用的生物膜法主要有生物转盘、生物滤池和生物流化床等。有观点认为，在 生物转盘中，氧气很难进入到膜的最深处。因此认为生物膜的深层的厌氧部分存在反硝 化。所以，单级的生物转盘也可完成b o d 氧化、硝化和反硝化脱氮工艺。 2 2 2 生物除磷工艺 根据生物除磷的原理，废水生物处理包括厌氧释磷和好氧摄磷两个过程，所以废水 生物除磷的工艺流程一般有厌氧工艺段和好氧工艺段组成。在厌氧池中，b o d 降解的 同时，回流活性污泥中的聚磷酸盐即以正磷酸盐的形式释放到混合液中；好氧池中，好 氧微生物进行b o d 氧化、硝化的同时，又将混合液中的j 下磷酸盐大量吸收到活性污泥 中以多聚正磷酸盐的形式贮藏起来，使废水中含磷量降到尽可能低的值。经二沉池固液 分离后，将含磷的剩余污泥排出，达到除磷和去除b o d 的目的。 l o 长安火学硕i ：学位论文 2 2 2 1 厌氧好氧( 0 ) 工艺 a o ( a n a e r o b i c o x i c ) 生物除磷工艺是使微生物顺次厌氧和好氧交替循环流动的方 法【2 。反应池分为厌氧区和好氧区，回流污泥进入厌氧池可吸收易降解有机物，并释放 出大量磷，接着进入好氧池并对废水中有机物进行好氧降解，同时污泥将大量摄取废水 中的磷，部分富磷污泥以剩余污泥的形式排出，以实现磷的去除。a o 生物除磷工艺流 程如图2 7 ，工艺特性曲线如图2 8 所示： 进水 原污 含磷污泥 用作肥料 图2 7 厌氧好氧( a o ) 除磷流程示意图 l b o d b o d 一 一 a 一 一鲡 时间 一 池 图2 8 厌氧好氧( a o ) 除磷系统的工艺特性曲线 a o 生物除磷工艺的特点是速率高、水力停留时间短，厌氧区一般为o 5 1 o h ，好 氧区为1 - 3 h ，系统泥龄短，故达不到硝化，回流污泥中不会携带n 0 3 - - n 到厌氧区。 其流程简单，不需另加化学药剂，基建和运行费用低。将厌氧池布置在好氧池之前，不 仅利于抑制丝状菌的生长，防止污泥膨胀，而且厌氧状态有利于聚磷菌的选择性增殖， 污泥的含磷量可达到干质量的6 。 由于a o 生物除磷工艺只能依靠排除剩余污泥来去除系统中的磷，受运行条件和环 境条件的影响较大，故此工艺除磷效率低，出水含磷约1 m l ，很难进一步提高。 第一二章氮磷的去除机理及丁艺特点 2 2 2 2 p h o s t r i p 工艺 p h o s t r i p 工艺是一种生物作用与化学作用相结合的除磷工艺【2 2 1 ，在常规活性污泥法 的回流污泥分流管线上增设一个脱磷池和化学沉淀池，其工艺流程如图2 9 。废水在曝 气池中去除大部分b o d 5 和c o d ，同时摄磷菌在好氧状态下大量摄磷。在二沉池，含磷 污泥泥水分离后，上清液从系统中排出，污泥一部分回流到曝气池，一部分到厌氧放磷 池。在厌氧放磷池中，回流污泥中过量摄取的磷得到充分释放，释磷后的污泥再重新回 流到曝气池与原污水混合，继续循环。由厌氧放磷池流出的上清液由于含有大量的磷， 进入到化学沉淀池，投加石灰形成不溶物质而去除。 p h o s t r i p 工艺与a o 生物除磷工艺比较有以下优点： a 出水总磷浓度低，小于1 m l ； b 回流污泥中的磷含量较低，对进水水质波动的适应性较强； c 大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除，较高磷剩余污泥处置简单： d 比较适宜对现有工艺的改造，只需在污泥回流管线上加入处理单元即可。 放磷后污泥 图2 9p h o s t r i p 生物除磷工艺流程示意图 2 2 3 生物脱氦除磷组合工艺 为了达到同时脱氮除磷的目的，人们将厌氧、缺氧和好氧三种状态及回流方式、位 置进行组合和优化，应运而出了多种同步脱氮除磷工艺。 2 2 3 1厌氧缺氧好氧( a 2 o ) 工艺 a 2 0 ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 工艺是在2 0 世纪7 0 年代，由美国的一些专家在厌 氧一好氧法脱氮工艺的基础上开发的污水处理工艺f 2 。它是在厌氧一好氧除磷工艺的基 础上加入缺氧池，并将好氧池流出的一部分混合液回流至缺氧池，同时达到反硝化脱氮 1 2 长安人学硕七学位论文 的目的。 厌氧池内主要进行磷的释放。从沉淀池回流的含磷污泥及在厌氧条件下聚磷菌对磷 的释放，使污水中磷的浓度升高；同时，部分n h 4 + - n 因细胞的合成得以去除，污水中 的n h 4 + - n 浓度下降、b o d 浓度下降。缺氧池的首要功能是脱氮。在此反应器中，反硝 化菌利用污水中的有机物作碳源，将内循环混合液中带入的大量n 0 3 一n 和n 0 2 - - n 还 原为n 2 并释放到空气中，b o d 浓度继续下降，n 0 3 - - n 浓度也大幅度下降，而磷的变 化很小。好氧池内，聚磷菌过量摄取水中的磷，使磷的浓度大幅下降；残留的有机物被 微生物氧化，b o d 浓度继续下降；有机氨被氨化继而被硝化，n h 4 + - n 浓度显著下降， 随着硝化过程n 0 3 - - n 浓度反而增加。a 2 o 工艺特性曲线见图2 1 0 ，工艺流程如图2 1 1 所示。 原污水 bod 、! 、b o b jl 浓度 n h j n 、 、 高 。f 蹇迨： 7p 低i 、奉 、 一趟o _ 二过 一一一一 一 a 一 一 n 一 二沉池斗 时间 回流污泥 图2 1 0a 2 o 工艺特性曲线 混合液回流 一一一一一一一圆避于喔一一一一一一一j 含磷剩余污泥 一一一一一一一一一 一一一一一一一一-工 a 俑罐黹习= 7 w h 图2 1 1a 2 o 工艺流程图 、 2 2 3 2 b a r d e n p h o 工艺( 带双循环回流的脱氮除磷工艺) 该工艺流程由4 个完全混合活性污泥反应区串联而成，其中第1 和第3 区为缺氧状 态，设混合器缓慢搅拌以防污泥沉淀；第2 和第4 区好氧曝气；第2 区水力停留时间长， 已达到完全硝化，混合液并不回流至第1 区，而是进入第3 区，混合液中的n 0 3 - 被反 第一二章氮磷的去除机理及t 艺特点 硝化细菌通过内源反硝化而还原成氮气；随后进入第4 区，使d o 足够高以驱走氮气泡， 避免形成浮渣，同时避免污泥在沉淀池中厌氧释磷。此工艺之所以可以使氮、磷去除率 达到9 5 以上，人们认为可能是第1 缺氧区部分地出现了厌氧状态。所谓缺氧是指水中 存在氧化态氮，而无溶解氧；厌氧则既不存在氧化态氮，也无溶解氧。b a r d e n p h o 工艺 流程如图2 1 2 所示。 污泥 图2 1 2b a r d e n p h o 工艺流程图 2 2 3 3p h o r e d o x 工艺 p h o r e d o x 工艺是从b a r d e n p h o 工艺发展出来的，在b a r d e n p h o 工艺的4 个反应区前 面加上1 个厌氧的发酵区，从二沉池回流来的污泥在厌氧区中与进水相混，好氧区中的 污泥混合液回流仅进入缺氧区；只要后面4 段硝化、反硝化控制得当，氮去除率高，同 时可以控n - 沉池污泥至厌氧区的回流污泥比，进而控制通过回流污泥携带到厌氧区的 硝酸盐的量。p h o r e d o x 工艺的改进就可以保证系统有严格的厌氧区，能有效得除磷。 p h o r e d o x 工艺流程如图2 1 3 所示。 4 q 图2 1 3p h o r e d o x 工艺流程图 污泥 2 2 3 4 利用“二次回流”开发的工艺一u c t 工艺及改良u c t 工艺( 带双循环回路的脱 氮除磷工艺) 从对p h o r e d o x 工艺的研究中发现：如果不考虑过量磷吸收的其他影响因素，最重 要的一个影响因素就是回流污泥中携带的硝酸盐。如果回流污泥中的硝酸盐含量可以控 制在低浓度，那么就可以得到较好的除磷效果；如果出水n 0 3 - 浓度变低，使回流污泥 中n 0 3 - 浓度低或回流比低，那么可以期望得到较好的除磷效果。由此改进出了 1 4 长安大学硕i j 学位论文 ( u n i v e r s i t yo f c a pt o w n ，u c t ) 工艺。在u c t 工艺中，沉淀池的回流污泥和好氧区的 污泥混合液分别回流至缺氧区，所携带的n 0 3 - 在缺氧区中经反硝化去除。为补充厌氧 区中污泥的流失，增设了缺氧区至厌氧区的混合液回流。同p h o r e d o x 工艺相比，u c t 工艺最大限度地排除了回流液中的硝酸盐对厌氧区释磷的不利影响。u c t 工艺流程如图 2 1 4 所示。 混含液回流 泥 在u c t 工艺中，从好氧区至缺氧区的回流中所携带的n 0 3 一，总是有一部分被缺氧 区至厌氧区的回流液带入厌氧区。为了解决这个问题，将缺氧区分为2 个，第1 个缺氧 区只接受二沉池的回流污泥，并有混合液回流至厌氧区；缺氧池2 接受来自好氧区的混 合液回流，其内进行反硝化。改良后的u c t 工艺可避免将过剩的n 0 3 - 带进厌氧区，从 而提高了系统的除磷效率。改良u c t 工艺流程如图2 1 5 所示。 图2 1 5 改良u c t 工艺流程图 泥 2 2 3 5v i p 工艺 v i p 工艺与u c t 工艺类似，它的反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全 混合式反应格串联在一起，形成了有机物的梯度分布，充分发挥了聚磷菌的作用，提高 了厌氧池磷的释放和好氧区池磷的吸收速度，因此比单个大体积的完全混合式反应池具 有更高的除磷效果。缺氧反应池的分格使大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺 氧池的完全反硝化，这样在缺氧池最后几格n 0 3 - 的量就极少了，基本上没有n 0 3 - 通过 缺氧池的回流液进入厌氧池，保证了厌氧池严格厌氧的环境。v i p 工艺流程如图2 1 6 所 不。 第二章氮磷的去除机理及t 艺特点 l 坝i 卜2 q 2 - i 厌氧缺氧 好氧 l _ 一酗堑堕q j 砷j 余污泥 图2 1 6r i p 工艺流程图 2 2 3 6 氧化沟工艺 脱氮除磷的氧化沟是将氧化沟和其它的脱氮除磷工艺结合起来，用氧化沟来实现本 应由多个反应器来承担的任务，使脱氮除磷工艺更加紧凑，氧化沟的功能更加强大。如 c a r r o u s e ld e n i t i r a 2 c c a r r o u s e l2 0 0 0 工艺，就是一种将a 2 o 工艺与氧化沟结合在一起 的脱氮除磷的新工艺。工艺流程如图2 1 7 所示。 厌氧区 缺氧区 好氧区 泥 图2 1 7c a r r o u s e ld e n i t l r a 2 c 工艺流程图 该工艺的最大特点是利用氧化沟原有的渠道流速，实现硝化液的高回流比，以达到 较高程度的脱氮效率，同时无需任何回流提升动力。前置厌氧池，又达到了同时脱氮除 磷的目的。 2 2 3 7 序批式活性污泥法( s b r ) s b r 工艺也是在同一反应器完成脱氮除磷的工艺。它是通过对进水、曝气时间、反 应器溶解氧浓度等运行参数的合理控制，在时间序列上实现厌氧缺氧好氧的组合，在 控制良好情况下，n 、p ：的去除率可以达到9 0 以上，与其他工艺相比，s b r 工艺的处 理构筑物少，处理过程大