（环境科学专业论文）前置反硝化baf工艺处理生活污水脱氮特性研究.pdf

些塑坠里 a b s t r a c t n ”u s u a lt y p eo fm t m i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sa c t i v es l u d g et r e a t m e n ta n di t sm o d i f i e d t e c h n o l o g y b u ti t so u t p l a y so fc o n s u u c t i o na n dm i l i f l ga r eh u g e , a n dt h er e s u l to fnr e m o v a l i s t m s a 。d s f a c t o r y t h et r e a t m e n tb yp r e f i x - d e m t r i f i c a t i o nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri nm u n i c i p a lw a s t c w a t e ri s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r w i t has m a l ls c a l et e s t , a n a l y z i n gt h ew a t c tq u a l i t yi n d e x e si nt h ei n f l u e ma n d e f f l u e n lt h et h e o r ya n dm a i na f f e c t i n gf a c t o r so f p o l l u t a n t sr e m o v a la 1 ed i s c u s s e d t h ed y n a m i cm o d e lo f t h eb i o l c l g i c a l a e r a t e df i l t e ri nr e m o v i n gt h eo r g a n i s mi so b t a i n e d 1 1 ”m j nr e s u l t sa r es u m n t a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ev o h t m er a t i oo fa t t o x i ap i l i a rt oa e r o b i cp i l l a ri sp r o p o s e dt ob ei ：1 ：i nt h i sr a g e t h e a v e r a g ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d n h ，- na n dt na t er e s p e c t i v e l yi s * 6 m g l 、2 ，7 m e la n d 1 3 8 m g ，l 1 恤r e m o v a lr a 瞬o fc o d 、n i - h + - na n dt na mr e s p e c t i v e l yi nt h er a g eo ；7 9 e r 8 6 、 8 9 0 9 2 a n d6 1 - 6 9 2 1 1 p r o p o s e dh y d r a u l i cl o a d i n go ft h ep 托6 x 抛l i 埘丘c a d o nb i o l o g i c a la e r a t e df i ! t a ri nt r e a t i n g m u n i c i p a lw a s t g w a t o ri s2 8 0 m 3 ( m 2 h ) ，u n d e r t h i sh y d r a u l i ci o a d i n g t h er e m o v a lr a mo f c o d n i - h + - n a n dt na r cr e s p e c t i v e l ya b o v e9 0 n 、8 5 a n d7 0 t h ee f f l u e n tc o n c e n w 啦i o n u l dt er c 删v e l y c o n t r o l l e db e l o w3 0 m g l 、5 m g la n dt s m g l 3 t h cr e c y c l i n gr a t i oh a sag o o de f f e c to i lt h er e m o v a lo f l l 呵t h ep r o p o s e dr e c y c l i n gr 觚oi s2 0 0 o r 3 0 0 i n t h i sr a g e 。t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n o f c o d 、n 地n a n d i n c o u l d b e r e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e d b e l o w3 0 m r j l 、l m 玑a n dl o m g 几。mr e m o v a lr a mo f c o d 、n h 4 + - na n dt n 矾r e s p e c t i v e l y9 0 、 9 7 a n d7 5 4 n r e m o v a lo f c o da n dn h 4 十- ni nt h ea e r o b i cp i l l a ri a r cv a r y 魄a l o n gt h ef i l l i n gh e i o l lw h e n t h e t o t a l h e i g t o f t h ea e r o b i c p i l l a r i s1 , 3 m ，t h er e m o v a l o f c o d i s m a i n l y h a p p e n e d i n t h e h e i g h t o f 0 o 5 m a l o n g t h e a e r o b i c p i l l a r , a n d t h er e m o v a l o f n i - h + - n i s m a i n l y i n t h e u p p e r f i l l i n g l a y e r i n t h e h e i g h to f 0 5 5 m 5 t h es y s t e mt r e a t i n ge f f e c tc 蹰b er e c o v e r e di nt w oo rt h r e eh o u r sa f t e rt h eb a c k w a s h 6 仇d 脚- n i cm o d e lo fr e m o v i n gc o di n 雠t e s ti ss t = s o e x p ( - k 勺, a n dt h ev a l u eo fk g i s3 1 9 ( 圹1 ) 脚w o r d s ：d o m e s t i cw a s t e w a t f f fb i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e r n i t r a t i o n p r e f i x - d e n i t r i f i c a t i o n d y n a m i cm o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个入在导魉指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：眸日期：驴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文鲍全部或部分内容，论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究蝴j 卿姊签名雄日期： i 7 第一章绪论 l - 1 引言 第一章绪论 水被誉为。生命之源”，是人类赖以生存的基础性资源。也是社会存在和发展不可或缺的战略性 资源。和谐的水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的前提。在2 0 0 2 年南非约翰内斯堡举行 的可持续发展世界首脑会议上，水被列为水、能源、健康、农业和生物多样化等五大可持续发展的 世界性课题之首“。，从中可以折射出水环境在整个社会可持续发展中的基础性地位和关键性作用。 然而，随着世界范围内整个现代工业的飞速发展和城市建设的不断加快，水环境污染和水资源 短缺却日益严重，已经给全球淡水资源领域带来了危机，并成为影响整个社会快速、健康发展的制 约性因素。 就我国而言，水资源短缺和水环境污染问题同样不容乐观。目前，我国被联合国列为世界人均 水资源极少的1 3 个贫水国家之一，人均水资源占有量仅为世界人均值的i 4 ，加上水资源时空分布 不均，缺水问题十分突出“0 1 。2 0 0 4 年中国国民经济和社会发展统计公报中，2 0 0 4 年我国人均水资 源仅2 0 0 0 立方米，较2 0 0 3 年下降4 。目前全国6 0 9 座城市中，4 0 0 多座城市供水不足，i i 0 座城 市严重缺水。由于供水不足，城市工业每年经济损失2 0 0 0 亿元以上，影响城市人口4 0 0 0 万人。 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，生活用水和工业用水量会继续增加，许多城 市和地区的缺水问题会更加严重。而另一方面，全国的污水排放总量在逐年增加，造成水环境质量 进一步恶化。从国家环保总局公布的( 2 0 0 4 年中国环境状况公报中我们看到，2 0 0 4 年全国工业 和城镇生活废水排放总量为4 8 2 4 亿吨，比上年增加4 8 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，比上 年增加4 ；城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨，比上年增加5 5 5 。表l 列出了自1 9 9 9 年至2 0 0 4 年全 国废水及主要污染物的排放情况。 表i 全国废水及主要污染物排放统计 自1 9 9 9 年城市污水负荷首次超过工业废水负荷以来，我国水污染的重点已经从工业源为主的控 制逐渐转变成以城市污水污染为主的控制。但至2 0 0 2 年，我国城市污水集中处理率仅为4 0 3 ，有 近6 0 n , 6 的污水未经处理直接排入江河湖海近海海域，使这些水域遭受了前所未有的大面积污染。根 据国家环保总局( 2 0 0 4 年中国环境状况公报，2 0 0 4 年全国七大水系均受到不同程度的污染。七 大水系的4 1 2 个水质监铡断面中，i v v 类和劣v 类承质的断面比例分别为3 0 ，雏和2 7 9 9 6 。2 0 0 4 年 监测的2 7 个重点湖库中，v 类水质湖库6 个，占2 2 2 ：劣v 类水质湖库1 0 个，占3 7 0 。 严重的水资源短缺和水环境污染问题已经引起了我国政府、科技工作者以及广大人民的高度重 视。我国政府在中国2 l 世纪议程一人口、环境与发展白皮书中特别强调了水环境保护和水资源 合理利用的重要性，为水环境保护工作提供了政策指南。许多大中城市开始兴建污水处理厂，在一 东南大学硕士论文 定程度上遏制了水环境质量继续恶化。但目前我国的城市污水处理厂大多采用传统活性污泥法，其 流程复杂、基建费用高、运行和维护费用高，再加上管理不善和缺乏专业技术人员，很多已建成的 大型集中式污水处理厂或是分散点源式污水处理厂未能充分发挥作用，水污染处理效率有限。因此， 要彻底治理水环境污染，改变水环境状况，必须大力研究和开发新型的高效率低能耗污水处理技术， 特别是能有效地应用于小型分散点源污染源治理的简易、高效、低耗污水处理技术，提高污水的处 理效率，从源头上控制污染物的排放总量。 1 2 国内外城市污水处理技术概况 自最早的废水生物反应器啊o r i s 池问世以来，污水处理距今已有百年的历史。第二次世界大 战以后，城市污水处理技术在国外一些较发达的国家率先得到了发展。2 0 世纪5 0 年代，欧洲工业 的快速发展造成了水环境污染的日益严重，以城市污水处理为主要内容的水处理技术受到重视并取 得了一定的研究成果和成功经验。至7 0 年代末，美国已投资数万元建设了1 8 0 0 0 座污水处理厂，是 目前全世界拥有污水处理厂最多的国家，英国、法国、德国也各兴建了7 0 0 0 - 8 0 0 0 座城市污水处理 厂。此时的污水处理工艺以传统活性污泥法为主，重点放在对废水中有机污染物的去除上。8 0 年代 以后，这些国家的污水处理水平进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功能的污水处理设施，并研 究开发出了一批能够代替传统活性污泥法的处理流程和技术，如吸附生物降解( a b ) 工艺、序批式 间歇反应器( s b r ) 、氧化沟、膜生物反应器等工艺，污水处理技术得到了进一步的发展。 我国城市污水处理技术的起步与发展相对较晚。建国初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污 水污染程度低，且提倡利用污水进行农业灌溉，所以当时全国范围内大约仅有十座污水处理厂，污 水处理也仅为一级处理，且处理量小。至7 0 年代，随着工农业的不断发展，城市污水排放量不断增 加，污染程度也日益加深，许多城市这才开始认识到城市污水处理的重要性并采取了一定的措施， 但重点放在对工业污染源的分散治理上。进入8 0 年代后，我国的污水处理技术发展较快，相继在天 津和北京兴建了两个大型的城市污水厂。即天津纪庄子污水处理厂和北京高碑店污水处理厂，我国 水处理进入了水污染的综合防治阶段。从我国城市污水处理技术的发展方向上看。“七五”国家科技 攻关项目在氧化塘，土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多；“八五”对高负荷活 性污泥法、高负荷生物膜法及一体化氧化沟技术进行了深入研究，引进、开发了a b 、a o 、s b r 等 处理工艺，研究成果已被应用于大批污水处理厂；“九五”期间工艺技术研究重点为中小城镇简易、 高效污水处理实用的成套技术，解决人工处理能耗高、自然处理占地大等问题“1 就工艺技术的广 度而言，我国与国际上的差距已经缩小。我国城市污水处理仍以活性污泥法的应用最为广泛，但是 由于其流程复杂、基建费用高、运行能耗大、管理费用高等原因，近年来对传统活性污泥法流程和 技术的革新以及研究开发可以代替活性污泥法的处理流程和技术，成为城市污水处理技术的新的发 展方向。从2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，氧化沟和s b r 工艺发展迅速，近年来成为我国新建城市污水处理厂 占主导性的工艺。而曝气生物滤池则是国际上2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初新开发的、具有发展潜 力的高效城市污水处理工艺，具有处理效率高、占地面积小、基建投资省、运行费用低、管理方便 和抗冲击负荷强等特点，可以用于s s 、有机物和氨氮的去除、反硝化脱氮和除磷等污水的二、三级 处理，在污水处理及资源化回用中具有良好的发展和应用潜力。 1 3 课题的目的和意义 近十几年来，通过借鉴国外先进经验，吸收国外先进的技术和理念，我国城市污水处理新工艺 2 第一章绪论 层出不穷。其中，最经济有效的方法还是生物处理法。目前我国已建成的城市污水处理厂均以生物 处理方法为主，所采用的工艺包括传统活性污泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、s b r 工艺等。虽然 这几种工艺可以达到较好的处理效果，但普遍存在占地面积大、基建费用高等问题。曝气生物滤池 工艺与上述几种工艺相比，不仅能在一定程度上克服传统污水处理工艺占地面积大、基建投资高、 处理系统复杂、运行管理难度大、处理效能低等不足，还具有出水水质好、应用范围广、处理工艺 系统化和自动化集成潜力大的优点。因此，曝气生物滤池是能够有效解决中小型点源污染控制面 临的资金短缺、技术与管理水平落后、污水资源回用水平差等现实问题的污水生物处理技术之一。 鉴于曝气生物滤池目前尚处于发展完善过程之中，其理论研究和实践应用中还存在一些问题和不足， 并且国内无论在理论研究还是在工程应用方面都处于起步阶段，因此，对曝气生物滤池研究和应用 发展现状进行总结，并进行深入的理论探讨和工艺研究，使之快速国产化对于提高我国水处理事业 的污水处理、排放和资源化回用水平，促进我国水环境污染和水资源紧张状况的根本好转都有着重 要的现实意义 本课题的提出是在前期研究的基础上，针对目前曝气生物滤池存在的若干问题，在分析曝气生 物滤池自身运行特性的基础上，着重研究前置反硝化曝气生物滤池工艺在有机物降解和脱氮方面的 规律和特性，并通过理论推导建立曝气生物滤池去除有机物的动力学模型。课题的研究旨在进一步 丰富曝气生物滤池的处理理论和技术体系。课题的研究实施将对曝气生物滤池的理论研究和应用推 广起到一定的促进作用。 3 东南大学硕士论文 第二章生物脱氮的基本原理及工艺发展现状 2 1 生物脱氮基本原理 2 ll 传统硝化反硝化脱氮原理 废水中氮的存在形式以有机氮化合物( 如蛋白质、氨基酸、尿素、硝基化合物等) 和氨氮为主。 生物脱氮就是污水中的含氮有机物在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解转化为氨氮，然后由 自养型硝化细菌将其转化为硝酸盐氮，再通过反硝化细菌将硝酸盐氮还原转化为气态氮从水中逸出， 从而达到脱氮的目的。生物脱氮过程如图2 - 1 所示 好氧或厌氧好氧 缺氧 厂 广 广 l 碱度增大 li 碱度减小 l l 碱度增大 i 异养型细菌 亚硝酸菌硝酸菌反硝化菌 0 学n n h 4 * - n n 0 2 - n n 0 3 - n n 2 、n 0 2 氮化作用亚硝酸化作用硝酸化作用 反硝化作用 图2 - 1 生物脱氮过程示意圈 2 1 1 1 氮化过程 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。污水中的有机氮主 要以蛋白质和氨基酸的形式存在，它们主要来自于动、植物和微生物残体，以及其排泄物和代谢物 所含的有机氮化合物。污水中的蛋白质和氨基酸在生物稳定化处理过程中通过氮化反应转化为氨氮， 以氨基酸为例，其反应式为： r c h n h2 c o o h + 0 2j ! 些- r c o o h + c o ，+ n h ， ( 2 1 ) 生活污水中的氨氮主要来源于尿素的水解。人和动物所排泄的尿中含有尿素，尿素在尿素酶的 作用下迅速水解生成碳酸铵，其水解反应方程式为“”； h 2 n c o n h 2 + 2 h 2 0 墨茎1 2 n h + + c o ( 2 - 2 ) 氨化过程是一种普遍存在的生化过程，几乎所有的异养型细菌都具有氨化功能。无论在好氧还 是厌氧条件下，中性、碱性还是酸性环境中氨化反应都能进行，所以在脱氮工艺中氨化阶段的生化 效率很高，一般不作为控制步骤考虑。 2 1 1 2 硝化过程 氨氮在有分子态氧存在的条件下首先被亚硝酸菌氧化为亚硝酸盐，继而亚硝酸盐进一步被硝酸 菌氧化为硝酸盐的过程，称为硝化反应。亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 统称 为硝化菌，属于自养型好氧微生物，它们利用无机化合物如c o , 2 一、h c o , 一和o 如作为碳源，从n h 。+ 或 n o z 一的氧化反应中获得能量。硝化过程可用下式表示： 4 第二章生物脱氮的基本原理及工艺发展现状 n h ：+ 三0 ，星茎生啼n o ；+ h2 0 + 2 h + 一2 7 8 4 2 k j ( 2 3 ) 2 。 一 1 n 0 ：+ 三0 ，曼塞苎_ n o ；一7 2 2 7 k j ( 2 - 4 ) 2 硝化过程中除硝化反应外，还有附加的细胞合成反应如果硝化菌细胞的化学组成用c d b n 0 2 表 示，则硝化反应可用如下方程式表示： 5 5 n i - t - - i - 7 6 0 2 + 1 0 姒c 伤一c ，h 7 n o f l - - 5 4 n o ；, - i - - 5 7 h 2 0 + 1 0 噩1 2 c 0 3 ( 2 - 5 ) 4 0 0 n o ；- - i - n h ：+ 4 h 2 c 0 3 + h c o ；+ 1 9 5 0 2 一c 5 h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o ；+ 3 h 2 0 ( 2 - 6 ) 硝化反应总方程式为： 卜嚣+ 1 8 6 0 2 + 1 9 跚c 1 3 i 一o 0 2 q h 7 n o f l - 0 9 9 n o i + 1 0 4 屿0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 ( 2 7 ) 比较反应方程式( 2 - 3 ) 、式( 2 4 ) 可以看出，n i l , + 氧化为n 0 2 一需消耗能量为2 7 8 4 2 k j t o o l ，而 n 0 2 一氧化为n o , 一消耗的能量为7 2 2 7 k j m 0 1 。如果提供相同的能量，亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的反 应速率相当于氨氮转化为亚硝酸盐氮的反应速率的4 倍左右。所以在稳态条件下，一般不会产生亚 硝酸盐的积累，氨氮转化成亚硝酸盐的过程是完全硝化的限速步骤。 此外，从反应式中我们还可以看出，硝化过程的需氧量是很大的。在不考虐硝化细菌的细胞合 成反应时联合式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 可以推算出1 9 氮氮氧化成硝酸盐氮需要4 5 7 9 氧气。如果在 污水处理中不加强对氨氮的去除，则其出水中氮需氧重( h i t r o g e n o u so x y g e nd e m a n d 。n o d ) 占总需 氧量( t o t a lo x y g e nd e m a n d ，r o d ) 的比例可高达7 1 ，3 。这样的处理水排入水体后，一旦受纳水 体没有足够的稀释能力，氨氮的硝化反应将耗尽水体中的溶解氧，使水质恶化。 2 i 1 3 反硝化过程 硝酸盐可以被微生物利用作为最终电子受体，通过生物异化还原转化成气态氮( n d ，或通过生 物同化还原转化为有机氮化合物，成为菌体的组成部分。前者被称为异化反硝化( 分解) ，后者被称 为同化反硝化( 合成) 。硝酸盐的这两种还原过程统称为反硝化作用，其示意图如下： 3 , - - 5 时，碳源充足， 无需外加碳源；低于此值时应另加有机碳源 2 1 3 4 温度 硝化反应受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。硝化反应 的适宜温度为2 0 3 0 ，在此温度范围内，随着温度的升高，硝化反应速率也随之增加但温度超 过3 5 时，硝化菌由于蛋白质的变性而降低活性，硝化反应速率下降，。当温度在1 5 以下时，硝 化速度下降；当温度低于5 c 时硝化菌生命活动几乎停止，硝化反应几乎不发生。低温对硝酸菌的 抑制作用十分强烈，在低温条件下( 1 2 1 4 ) 常常会出现亚硝酸盐的积累。 反硝化反应可在1 5 3 5 c 的温度范围内进行，当温度低于1 5 c 时，反硝化菌的增殖速率降低， 反硝化速率也明显降低。有研究结果表明，温度对反硝化速度的影响大小与反应器设备的类型( 微 生物悬浮生长型与附着生长型) 及硝酸盐负荷的高低有直接的关系。有试验结果表明填料床反硝化 速率受温度的影响要比悬浮活性污泥法小 2 1 3 5 生物固体平均停留时间( 污泥龄) 生物脱氮工艺中的生物固体平均停留时间( 污泥龄) 是废水硝化管理的一个重要控制指标。为 了使硝化菌菌群能在连续流反应器系统中生存下来，微生物在反应器内的停留时间必须大于t l 养型 硝化菌的最小世代时间，否则硝化菌的流失率大于其繁殖率，会使它从该系统中淘汰 暑 第二章生物脱氮的基本原理及工艺发展现状 2 1 3 6 有毒物质 生物硝化过程受许多物质的抑制。一些有机物对硝化细菌有抑制作用。因为催化硝化反应的酶 内含有c u ( i ) c u ( i i ) 电子对，凡是与酶中蛋白质竞争c u 或直接嵌入酶结构的有机物，都会对 硝化细菌产生抑制作用。某些重金属、络合阳离子对硝化细菌有毒害作用。另外，高浓度的眦十- n 和高浓度的n 盯_ n 对硝化细菌也会有影响。 反硝化菌对有毒物质的敏感程度较硝化细菌要低得多，与一般异养菌相近。据研究，镍浓度大 于0 5 m g l 、盐度高于0 6 3 或n 如- - n 浓度超过3 0 m g l 时都会抑制反硝化反应的进行。此外，硫酸 盐浓度过高时也会抑制反硝化反应的进行。 2 2 城市污水脱氮工艺的现状及发展 近些年，由于我国水体富营养化问题日渐突出，国家对水体中氮、磷指标的控制不断严格。使 得废水脱氮除磷成为水污染控制中广泛关注的热点。现在新建的污水厂在设计时大多都考虑脱氮、 除磷的要求，有的地区还需对原有的污水厂进行改造，使之达到脱氮除磷的效果。 根据原理，废水中氮的去除方法可分为物理化学法和生物法两种，但前者存在着成本高、对环 境有影响以及再生方法尚未完善等问题，所以目前废水脱氮主要还是以生物脱氮法为主，它被公认 为是一种经济有效和最有发展前途的脱氮方法。废水生物脱氮技术经过几十年的发晨，无论在理论 认识上还是在工程实践方面，都取得了很大的进步。 2 2 1 典型的活性污泥法脱氮工艺埘 2 2 1 1 传统活性污泥法脱氮工艺 活性污泥法脱氮的传统工艺是由巴茨( b e r t h ) 开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、 硝化和反硝化3 项反应过程为基础建立的。该工艺充分利用了生物脱氮的原理，将有机物降解菌、 硝化菌、反硝化菌分别在各自的反应器中生长繁殖。其中第一级曝气池为一般的二级处理曝气池， 其功能主要是去除有机污染物并使有机氮转化成氨氮；第二级硝化曝气池内主要发生硝化反应，将 氨氦转化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮：第三级反硝化池内为缺氧环境，其主要功能是将硝酸盐氮还原 成氦气从水中逸出。活性污泥法脱氮传统工艺可以有效地实现脱氮、碳的目的，但主要缺点是流程 长、构筑物多、造价高，且需要外加碳源，管理和运行费用高。 2 2 1 2 缺氧一好氧活性污泥法脱氮工艺( a o 工艺) 缺氧一好氧活性污泥法脱氦工艺，即a o 生物脱氮工艺，其主要特点是将缺氧反硝化池放置于系 统之首，故又称前置反硝化生物脱氮工艺。该工艺分设缺氧池和好氧池，使反硝化，硝化和有机物 去除分别在两座不同的反应器中进行。其主要特征是设置内循环系统，将好氧池中已充分反应的硝 化液部分回流至反硝化反应器，反硝化反应器中的反硝化菌以原水中的有机物为碳源，以回流液中 硝酸盐的氧为电子受体，进行呼吸和生命活动，将硝酸盐氮还原成氮气从水中逸出。与传统生物脱 氮工艺相比，a o 脱氮工艺流程简单，构筑物少，勿需外加碳源，基建费用和运行费用均较低。其 主要不足之处在于该流程的处理水来自于硝化反应器，因此出水中含有一定浓度的硝酸盐，使系统 脱氮率降低。 9 东南大学硕士论文 2 2 1 3 氧化沟脱氮工艺 氧化沟，又名氧化渠，是由荷兰的p a s s v e e r 在5 0 年代开发出来的，属于活性污泥法的一种变 型。其特点是污水在封闭式的曝气沟渠内连续循环流动，污泥负荷低。这种封闭式循环的运行方式 为脱氮提供了一定的条件，氧化沟内生物平均停留时间长达1 5 3 0 d ，是传统活性污泥法的3 倍， 有利于世代时词较长的硝化细菌和亚硝化细菌的生长，同时通过控制曝气方式和曝气量可以在氧化 沟内形成好氧段和缺氧段，使硝化和反硝化反应顺利发生从而达到脱氮的目的。该工艺构造简单， 运行成本低，易于维护管理，出水水质好 2 。2 2 生物膜法脱氮工艺 生物膜法是使微生物附着生长在载体表面，污水在流经载体表面过程中，通过营养物质的吸附、 氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化作用，对污染物进行分解。与微生物悬浮生长 的活性污泥法相比，生物膜法脱氮具有许多明显的特点，主要表现在： ( 1 ) 生物膜固着在滤料或填料上，其生物固体平均停留时间较长，使得世代时间长、比增殖速 度慢的硝化细菌能够得以繁衍、增殖； ( 2 ) 在生物膜上形成的食物链要长于活性污泥的食物链，因此产生的剩余污泥较少； ( 3 ) 生物膜法大多分段运行，在正常的运行条件下，每段都繁衍与进入本段污水水质相适应的 微生物，并形成优占种属，这有利于微生物新陈代谢功能的充分发挥和污染物的降解； ( 4 ) 对流入污水水质、水量的变化具有较强的适应性，处理效果稳定； ( 5 ) 生物污泥沉降性能良好，宜于固液分离； ( 6 ) 易于维护管理，动力费用较低。 2 2 2 1 生物滤池 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触 池而发展起来的人工生物处理技术。生物滤池中，污水长时间以滴状喷洒在块状滤料层的表面上， 在污水流经的表面上就会形成生物膜，待生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经污水 中的有机物作为营养，从而使污水得到净化。1 9 7 6 年德国的一家食品公司，首次将生物滤池用于处 理食品废水。获得了较好的脱氮效果“”。 2 2 2 2 生物转盘 生物转盘是于6 0 年代在原联邦德国所开创的一种污水生物处理技术。我国从7 0 年代初开始引 进生物转盘技术，对其开展了广泛的科学研究工作，不仅在生活污水和城市污水处理方面得到应用， 而且在化纤、石化、印染、制革、煤气站等行业的工业废水处理领域也得到了应用，并取得了良好 的效果。除有效去除有机物外，如运行得当，生物转盘系统能够具有脱氮除磷的功能 2 2 2 3 生物流化床 自7 0 年代初美国首次将生物流化床应用于废水生物处理以来，该技术得到了水处理界的普遍关 注。生物流化床是使废水通过流态化并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质在床内同均匀分 1 0 第二章生物脱氮的基本原理及工艺发展现状 散的生物膜相接触而获得降解去除。生物流化床具有比表面积大、生物量高、生物膜活性高等优点。 但要求回流比大，动力消耗也大。h e n r y m e l c e r “”等人采用缺氧一好氧两级生物流化床处理焦化废水 和鼓风炉废水的混合废水，进水n 1 1 一n 为5 0 - q 5 0 j g l ，回流比为4 0 0 的情况下，出水。二- n 小于 l i n g l 2 2 3 生物脱氮工艺的新发展 s h a r o n 工艺( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) ，即简捷 硝化一反硝化工艺，是由荷兰d e l f 技术大学开发的脱氮新工艺”1 。其原理是将氨氮氧化控制在亚硝 化阶段，然后进行反硝化，也就是进行所谓的短程( 简捷) 硝化反硝化过程。该工艺充分利用了高 温条件下硝酸盐菌的增长速率明显低于亚硝酸盐菌的增长速率这一特点，使微生物保持在一定容积 的单一反应器内，且无需污泥停留，从而使增殖速率相对较慢的硝酸盐菌被淘汰出系统。使亚硝酸 盐菌保留下来。与传统的硝化反硝化脱氮工艺相比，s h a r o n 工艺可以简化工艺流程，缩短水力停留 时间，减小反应器体积和占地面积，还可以减少2 5 的供气量和4 0 的外加碳源，节省了运行费用“” 2 2 3 20 1 a n i ) 工艺 咖工艺( 0 x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i cn 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 ) ，即氧限制自养 硝化反硝化工艺，是由比利时g e n t 微生物生态实验室开发出来的一种建立在厌氧氨氧化反应基础上 的新型脱氮工艺“”。该工艺的关键是控制溶解氧。使硝化反应仅进行到n i i + 氧化成n 0 2 一阶段，由于缺 乏电子受体，由n 1 1 + 氧化产生的n 嘎一氧化未反应的n 眦形成n 2 。与传统的硝化反硝化工艺相比，o l a n d 工艺主要优点表现在：( 1 ) 无需外加碳源，既节省了运行费用，又防止了二次污染：( 2 ) 曝气需求 量减少，耗氧能耗大为降低；( 3 ) 氨厌氧氧化的生物产酸量大为降低，产碱量为零，可以节省可观 的中和试剂。其缺点在于，厌氧氨氧细菌的生长世代期很长( 2 周代) i s 3 , 系统内生物量生长非常 缓慢，系统所需启动时间很长( l o o d ) ，因此有必要对该反应系统中的微生物学机理做进一步的研 究，以实现o l a n d 反应系统快速启动和稳定运行。 1 9 9 0 年，荷兰d e l f 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室在厌氧氨氧化的理论基础上开发出 a n a m m o x 工艺( a n a e r o b i ca 删o n i u m 似i d a t i o n ) “”。该工艺主要采用的是流化床反应器“”。 a n a 埘o x 工艺由于是在厌氧条件下直接利用n i i + 作为电子供体，以n o s 一或n 如为电子受体，将氨转化 为n 2 ，无需供氧、无需外加有机碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和荆，因而降低了能耗，节 约了运行费用。同时还避免了因投加中和试剂可能造成的二次污染问题。所以a n a i q , d x 工艺值得深 入研究和开发 以上所介绍的s h a r o n 等几种生物脱氮的新工艺，它们在一定程度上解决了传统硝化一反硝化工 艺存在的不足，但由于还处于实验室研究阶段，需要进一步的研究使之能够成功的运用于实际工程。 东南大学硕士论文 3 1 试验设计 3 1 1 试验研究路线 第三章试验设计和研究内容 本试验以前置反硝化曝气生物滤池工艺处理生活污水为主要研究目标，试验工艺流程图如图3 - 1 所示 图3 - 1 试验工艺流程图 如图3 1 所示，前置b i fd n 为缺氧曝气生物滤池，主要完成反硝化反应；第二级b a fc n 为好 氧曝气生物滤池，主要完成碳化和硝化。试验用水取自安徽工业大学学生区宾馆的化粪池。为了避 免有过多的杂质进入曝气生物滤池造成运行周期缩短，故在取水管上设置滤网，原水从化粪池用泵 提升至试验室的集水井。集水井的水由泵提升，经流量计后与经过硝化反应后的硝化液在b a f d n 底 部气水混合室以一定回流比混合后向上流经b a fd n ，经过b a fd n 处理后的水自流进入b a fc n 底 部，与空气混合均匀混合向上流经填料层，最后由b a fc n 上部出水至清水池。清水池的水以一定 的回流比回流进b a fd n 底部的回流口，其余作为出水排放。空压机将空气经流量计后鼓入b a fc n 填料底部，经扩散器后与水流同向沿b a fc n 向上扩散。运行一段时间后，由于填料层内截留的s s 不断增多以及生物膜逐渐增厚，过滤水头损失逐渐加大，在一定的进水压力下，设计流量将得不到 保证，此时需要对滤池进行反冲洗。反冲洗采用气一水交替反冲洗，所用反冲洗水为清水池中的处理 达标排放水，水从滤池底部反冲洗口进入，气冲对打开空压机将反冲空气经过流量计从滤池底部的 反冲洗气管鼓入，反冲洗周期一般为2 4 4 8 h 第三章试验设计和研究内容 3 1 2 试验装置设计 两级b a f 柱体材料均采用高强化抗老化透明有机玻璃加工而成。柱体内径为1 5 0 r a m 。滤池底部 为进水缓冲区，高度4 0 0 r a m ，其上为2 0 0 r a m 高的鹅卵石承托层，承托层上部堆积粒状填料，填料层 高度1 3 0 0 m 。承托层以上每隔2 5 0 m m 设置一取样口，每个柱体共4 个取样口。取样口相反侧设置可 拆卸窗口，以便取出填料观察生物相为克服第一级b a f 中的水头损失，便于水的自流。第一级b a f 出水口位置比第二级出水口位置高5 0 0 m m 。b a fd n 总高2 9 0 0 m 。填料选用粒径为4 “6 m m 的大陶粒； b a fc n 总高为2 4 0 0 m m ，填料选用粒径为p _ 一3 m 的小陶粒。b a fc n 在底部曝气，即采用气水顺流 而上，这样有利于气、水较快的混合，避免了气水逆向流时水流速度和气流速度相对抵消而造成的 能量消耗，降低了堵塞的几率。同时滤料截留的悬浮物在水流、气流的共同作用下向上迁移，提高 了滤池的纳污能力，在底部曝气，不仅供氧充足，还对生物膜起到搅动作用，从而加快生物膜的更 新，提高了生物膜的活性。试验装置如图3 - 2 所示 訾i 羞 气 i 鹃 訾2a 宣 蠹 m 严 羲 争 骞 蘑 胖 蠹 争 羹囊 雾 攀争 禽 蜀 曼 羁 葺 奇手 禽囊 乎 蠹m癌 盖土 ej 囊 寮 耆 宴 ! 卫支 卞 曼 璺 。：嗣 謦i 墨 吕 j 揖 i - 圉3 - 2 试验装置图 曝气生物滤池中所用填料为马鞍山钢铁设计研究院自行研制的球型轻质多孔陶粒。陶粒的主要 成分为：s i 如5 2 2 9 、a 1 2 0 3 1 6 4 4 、f e 2 i ) a 3 2 、c a 0 2 8 6 、m 9 0 0 4 6 。这种陶粒外表粗糙，比表面 积大，是常规滤料的4 娟倍，易于挂膜：形状规则，运行中对气泡的剪切效果好；比重小，强度高， 耐冲洗。表3 1 列出了陶粒的主要性能指标( 其性能参数来自于建设部水处理滤料检测中心的质量 检测报告) 1 3 塞妻查兰堡主兰兰 塞i ：! 茎型堑堕兰翌堕塾圭塞丝丝塑堡 疆丽顽百一一一 单位 检测结果 表观密度g c f 1 4 - 1 8 破碎率 0 0 5 磨碎率 3 盐酸可溶率 2 烧灼减量 0 1 比表面积c n t g 1 4 x 1 0 粒内孔隙率 3 0 堆积孔隙率 4 2 试验主要设备见表3 表3 2 试验主要设备一览表 序号名称规格与型号数量 备注 i空压机q = o 0 2 5m ，m i n ，n = o 3 2 k v 1 转速7 0 0 r l i n 2自吸清水泵 0 = 2 5 i h 。n = 3 7 0 w j = 2 7 d ，h ，n = 6 5 0 v l 转速2 8 0 0 r i i n l 3管道泵 o = 1 8 m = h ，n = 1 2 0 vl 转速2 8 0 0 r 正i n 4 玻璃转子流量计 流量范围2 5 2 5 0l h 2 水流量计 5玻璃转子流量计流量范围6 0 6 0 0l h2气流量计 6 d o 仅 手提溶氧嚣试仪o x i 3 3 0 i l进口 3 1 3 试验水质 试验用水取自安徽工业大学校园内的生活污水，试验水质见表3 3 。 表3 3 试验水质 c o d ( m g l ) b o d , ( 略几) b 0 晚c o d n f h - n ( m g 几) t n ( r a g l ) 2 0 0 0 - - 5 0 0 1 6 3 1 吨8 5 1 0 枷5 7 1 8 3 6 5 3 2 7 2 彳1 9 3 5 0 1 1 7 4 1 0 4 0 4 1 8 4 9 6 6 p h 7 7 川78 0 3 1 4 分折监铡项目和方法 表3 4 分析监测项目与方法 序号分析项目测试方法 2b o d ；稀释与接种法( g b 7 4 8 8 8 7 ) 3 n l i o n 纳氏试剂比色法( g b 7 4 7 9 8 7 ) 4 t n 碱性过硫酸钾清解紫外分光光度法( g b 7 4 7 9 - 8 7 ) 5 n o ： - n紫外分光光度法 6 n o z - - n n - ( 卜萘基) 一乙二胺光度法( g b 7 4 9 3 - 8 7 ) 7p h p h 计 8 d o 便携式d 0 仪 9温度 水银温度计直接测量 1 4 第三章试验设计和研究内容 3 2 试验研究目标和内容 3 2 1 研究目标 本课题研究以前置反硝化曝气生物滤池处理生活污水的连续运行试验为主要研究载体，针对目 前曝气生物滤池的若干运行特性迸行试验研究和理论探讨，研究探讨前置反硝化曝气生物滤池处理 生活污水的运行特性和各种影响因子的作用规律，在保证出水达到国家城镇污水处理厂污染物捧 放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级排放标准的前提下，对前置反硝化曝气生物滤池工艺的设计参数、 运行参数提出合理的建议，以丰富曝气生物滤池的处理理论并促进其在中小型污水处理厂中的应用 发展。 3 。2 。2 研究内容 l 、缺氧段和好氧段填料体积比对前置反硝化曝气生物滤池工艺处理水质的影响： 2 、不同的水力负荷、有机负荷、氨氮负荷、回流比以及填料高度对前置反硝化曝气生物滤池工 艺处理水质的影响； 3 、曝气生物滤池去除有机物的动力学模型研究。 东南大学硕士论文 第四章前置反硝化曝气生物滤池工艺性能研究 4 1 曝气生物滤池工艺 4 1 1 曝气生物滤池的原理 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 最早出现于2 0 世纪初期，其发展可以追溯 到早期的淹没石片滤池以及后来在德国出现的e m s c h e r 滤池。现代意义上的曝气生物滤池在二十世 纪7 0 年代末8 0 年代初出现于欧洲大陆。它充分借鉴了污水处理中的接触氧化法和给水中的快滤池 的设计原理，在生物反应器内装填比表亟积高的颗粒填料作为微生物附着生长的载体，当污水流经 填料层时，在附着于填料表面