CAST工艺短程硝化反硝化研究

CAST工艺短程硝化反硝化研究 Nitritation-denitritation Study in Wastewater Treatment CAST ProcessA Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of Engineering By Fu Weishen Supervised by Prof.Chun Yang by Prof. Zhi Zhang Major:Municipal EngineeringFaculty of Urban Constuction and Evironment Engineering of Chongqing University, Chongqing, China April 2011 中文摘要 摘 要 随着人们生活水平的提高,生活污水 C/N 低的现象日趋普遍,造成污水生物 脱氮过程中碳源不足,脱氮效率降低等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。短程硝化反硝化工艺作为一种 新型 的生物脱氮工艺,和常规的生物脱氮工艺相比,不仅可以节省能耗约 25%(以 氧 计),节约碳源 40%(以甲醇计),而且具有缩短反应时间,降低污泥产率等优点, 因而近年来成为国内外的研究热点。本课题采用 CAST 小试试验装置,分别以实 际生活污水和模拟生活污水作为处理对象,系统的研究了短程硝化反硝化的实现 条件,各种因素对短程硝化的影响情况以及短程硝化的实时控制策略。 采用 CAST 小试试验装置处理实际生活污水,在常温(18-20?), pH值 7.18~ 8.63 条件下,通过控制 DO 快速启动短程硝化反硝化污泥。结果表明:采用运行 工况:进水/曝气(3h)?沉淀(0.5h)?排水/闲置(0.5h);泥龄:11d;DO:0.4~ 0.9mg/L,通过 28d的连续培养快速启动了短程硝化反硝化污泥。 以模拟生活污水为处理对象,考察了 DO、温度、C/N以及碱度对短程硝化反 硝化的影响。将 DO 分为 DO1.0mg/L、0.5mg/LDO1.0mg/L 以及 DO0.5mg/L 三种情况,研究表明:短程硝化反硝化的最佳 DO为 0.5~1.0mg/L。在常温条件下 (16.0~28.9?),DO 为 0.5~1.0mg/L,温度变化对亚硝酸盐积累率的影响较小。 在冬季低温期(11.1~12.4?),DO 为 2.0mg/L 左右,亚硝酸盐积累率在 61.67~ 65.41%之间,在常温情况下驯化成功的短程硝化污泥,在冬季低温期溶解氧较高 的情况下仍能维持稳定的亚硝酸盐积累率。将 C/N分为 5.69、3.63、2.70、1.97 四 种情况,研究表明:不同 C/N条件下亚硝酸盐积累率有所不同,随着 C/N的降低, 亚硝酸盐积累率逐渐升高。将碱度分成碱度充足、碱度过量以及碱度不足三种情 况,研究表明:碱度越高越有益于亚硝酸盐的积累;在碱度过量和碱度不足的情 况下,出水氨氮浓度较碱度充足的情况下低。 通过分析 CAST 工艺的脱氮途径,在忽略氮吹脱作用的情况下, CAST 工艺 中氮的去除主要通过同步硝化反硝化的途径。考察了不同 DO、C/N以及温度对同 步硝化反硝化的影响情况,得出当 DO控制在 0.5~1.0mg/L时,TN去除率最高; 当 C/N在 2.7左右时,脱氮效果最佳,在高 C/N时,由于碳源充足, 硝化反应成为 脱氮的限制步骤;在低 C/N 时,碳源不足,反硝化反应成为脱氮的限制步骤。在 常温期(16.0~28.9?),DO为 0.5~1.0mg/L,出水 TN 和氨氮浓度随着常温期温 度的降低而降低。在冬季低温期(11.1~12.4?),将 DO提高到 2.0mg/L 左右,与 常温期的出水 TN与氨氮相比差距仍较大,低温对系统的硝化反硝化影响较严重。 对 CAST工艺污水处理厂进行现场监测,研究了 CAST工艺中主反应区的 ORP I 重庆大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 和 DO 值的全周期动态变化规律,以及 ORP 和 DO 值的相关关系。研究结果:主 反应区在曝气阶段 ORP 与 DO 的对数值呈线性关系,即 y77.606Lnx-1.9334、 2 R 0.85906。主反应区 ORP值主要受 DO 影响,在曝气过程中 ORP 作为硝化反应 的实时控制参数不及 DO。 在 CAST工艺的一个完整的反应周期内,在线控制参数 pH、DO以及 ORP在 曝气过程中具有一定的规律性,而且这种规律性与反应中氨氮浓度的变化呈现良 好的相关性。当氨氮降解接近完毕时,DO 上升速率加快,pH 值也会由下降转为 上升,pH 曲线上出现指示硝化结束的特征点“氨谷”。在碱度过量的情况下, DO和 pH值的变化规律与碱度充足的情况相似,只是整个反应周期由原来的 310 分钟变 为 410 分钟,延长了反应周期。在碱度不足的情况下,在氨氮浓度较高的时 候, pH值出现转折点,pH值不能作为短程硝化反硝化的实时控制参数。 关键词: CAST,短程硝化反硝化,同步硝化反硝化,实时控制 II 英文摘要 ABSTRACT With the development of the living standard of the people, C/N of wastewater had become low, case sewage biological denitrification lacked carbon source, reduced nitrification efficiency etc. Shortcut nitrification-denitrification process, a new-type of microbial nitrogen removal process, not only decrease energy consumption measured as O and carbon sources measured as methanol by about 25% and 40% respectively, 2 but also can cut down reaction time as well as sludge production substantially, thus this technology is considered as a research focus at home and overseas. A pilot-scale experimental set-up of Cyclic Activated Sludge Technology CAST was constructed to investigate implementation of this technology systematically and to explore various factors as well as control means for it through actual domestic wastewater and artificial domestic wastewater treatment respectivelyVia controlling DO concentration, the shortcut nitrification-denitrification sludge in the CAST pilot-scale plant treating actual domestic wastewater was started up rapidly at normal temperature18-20? and pH values 7.18~8.63. Results showed that the rapid start-up operation of the shortcut nitrification-denitrification sludge was performed following a 28-day’s continuous cultivation under operating conditions: Influent/Aeration3h-Settle0.5h-Decant/Idle0.5h; SRT: 11d; DO concentration: 0.4-0.9mg/LWith simulation of muncipal wastewater for treatment object, the effects of DO、 temperature、C/N and alkalinity on nitrification denitrification were investigated. The DO was divided into three cases DO1.0mg/L 、 0.5mg/LDO1.0mg/L and DO0.5mg/L, the results show that, the best DO for nitrification denitrification was between 0.5~1.0mg/L. Under normal temperature condition(16.0~28.9?), DO was 0.5~1.0mg/L, less influence of the temperature changes on nitrite accumulation rateDuring the winter time11.1~12.4?, DO was about 2.0mg/L, nitrite accumulation rate between61.67~65.41%, visible successful domestication nitrification denitrification sludge under normal temperature, during the winter time, the case of high DO maintained a stable rate of nitrite accumulation. C/N was divided into four cases 5.69、 3.63、2.70、1.97, the results show that, rate of nitrite accumulation was different under different C/N, with the C/N decrease, the nitrite accumulation rate increased graduallyAlkalinity was divided into three cases sufficient alkalinity、excessive alkalinity and III 重庆大学硕士学位论文 absence of sufficient alkalinity, the results show that, the higher the alkalinity the more beneficial the accumulation of nitrite; in the case of excessive alkalinity and the absence of sufficient alkalinity, the effluent ammonia concentration was lower than the case of sufficient alkalinity By analyzing the denitrification way in CAST process, in the case of ignore the role of nitrogen desorption, in CAST technology nitrogen removal mainly through the 、 , SND way. Effects of different DO C/N and temperature on SND were investigated ~ when DO was controlled at 0.5 1.0mg/L, highest removal rate of TN, when C/N was 2.70, the best nitrogen removal efficiency. In the high C/N, due to abundant carbon source, nitrification become limiting step; in the low C/N, insufficient carbon source, denitrification as the limited step of nitrogen. under normal temperature ~ ? ~ condition16.0 28.9 , DO between 0.5 1.0mg/L, effluent TN and ammonia-nitrogen concentration decreased with decreasing temperature. During the ( ~ ?) winter time 11.1 12.4 , DO increased to 2.0mg/L or so, but compared with the effluent TN and ammonia-nitrogen concentration of normal temperature was still large, showed low temperature on nitrification and denitrification of the system more serious On-site monitoring CAST process wastewater treatment plant, this study examined 、 full-cycle variation of DO ORP in CAST process, and the correlation between ORP and DO. The results show that the strong linear relation between ORP and the log of DO in - 、 during aeration in the main reactor, y77.606Lnx 1.9334 R20.8708. The ORP is mainly affected by DO in the main reactor, DO for nitrification control parameter is better than ORP in the aeration process、 A complete reaction cycle in CAST process, on-line control parameters pH DO and ORP with a certain regularity in the aeration process, and this regularity and ammonia concentration in the reaction showed a good correlation. When degradation of ammonia nitrogen close to finish, DO accelerated rate of rise, pH was also from decrease turn to increase, the end of the feature points of nitrification “ammonia valley”appeared on the pH curve. Variable law of DO and pH is similar in the case of excessive alkalinity and sufficient alkalinity, only the reaction cycle from 410 minutes into 310 minutes, extension of the reaction cycle. In the absence of sufficient alkalinity, in moments of high ammonia concentration, pH appeared the turning points, pH can not serve as real-time control parameters for nitrification and denitrification Keywords: CAST, Shortcut nitrification-denitrification, SND, real-time control IV 目 录 目 录 中文摘要. I 英文摘要. III 1 绪 论 1 1.1 课题的研究目的、意义与内容 1 1.1.1 课题的来源. 1 1.1.2 课题的研究目的与意义1 1.1.3 主要研究内容 1 1.2 生物脱氮技术的研究现状2 1.2.1 传统生物脱氮技术. 2 1.2.2 生物脱氮新技术3 1.3 CAST 工艺原理及应用现状 6 1.3.1 CAST 工艺概述. 6 1.3.2 CAST 工艺的原理 7 1.3.3 CAST 工艺的研究现状. 7 2 实验方法 9 2.1 实验安排 9 2.2 实验检测指标与方法. 9 2.3 实验装置及主要仪器设备 10 2.3.1 实验装置 10 2.3.2 主要仪器设备. 11 2.4 原水水质及接种污泥11 3 短程硝化反硝化污泥的快速启动13 3.1 短程硝化反硝化污泥的培养与驯化13 3.1.1 短程硝化污泥的启动方法确定 13 3.1.2 短程硝化污泥的驯化. 14 3.2 短程硝化污泥的微生物相 17 3.3 本章小结. 19 4 短程硝化反硝化的影响因素. 21 4.1 DO 对短程硝化反硝化的影响 22 4.2 温度对短程硝化反硝化的影响. 25 4.3 C/N对短程硝化反硝化的影响29 V 重庆大学硕士学位论文 4.4 碱度对短程硝化反硝化的影响. 32 4.4.1 碱度对亚硝酸盐积累率的影响 33 4.4.2 不同碱度下氮沿程周期变化规律34 4.5 本章小结. 36 5 短程硝化脱氮的影响因素 39 5.1 CAST 工艺脱氮途径分析. 39 5.2 短程同步硝化反硝化的影响因素 40 5.2.1 DO 对短程同步硝化反硝化的影响 41 5.2.2 C/N 对短程同步硝化反硝化的影响43 5.2.3 温度对短程同步硝化反硝化的影响. 46 5.3 本章小结. 47 6.短程硝化反硝化的实时控制49 6.1 实时控制参数选取的理论依据. 49 6.1.1 pH 作为实时控制参数的理论依据. 49 6.1.2 ORP 作为实时控制参数的理论依据. 50 6.1.3 DO 作为实时控制参数的理论依据 50 6.2 实时控制参数的可行性. 51 6.2.1 主反应区中 ORP与 DO的相关性. 52 6.2.2 实时控制参数在全周期内的变化规律 55 6.2.3 碱度对实时控制参数的影响. 57 6.3 本章小结. 59 7 结论与建议61 7.1 结论 61 7.2 建议 63 致 谢 65 参考文献 67 附 录 73 A 作者在攻读学位期间发表的论文目录. 73 B 作者在攻读学位期间参加的科研项目. 73VI 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题 的研究目的、意义与内容 1.1.1 课 题 的来源 本课题来源于国家“水体污染控制与治理科技重大专项”中“三峡库区城市污水 处理厂功能提升与污泥处理处置技术研究与综合示范”的子项目“三峡库区城市污 水处理厂典型工艺功能提升调控技术研究与示范”的专题三:城市污水厂 CASS 工 艺功能提升调控技术研究(课题编号:2009ZX07315-002-01)。 1.1.2 课 题 的研究目 的与意义 水是人类生存和发展不可替代的资源,是经济和社会可持续发展的基础。而 我国面临着水环境污染、水资源短缺、水体富营养化等日益严重的问题。目前, 随着水环境问题的日益突出,水质指标系统不断严格化的趋势使污水脱氮除磷问 题成为水污染控制中广泛关注的热点。近年来,虽然我国污水处理率不断提高, 但是由氮磷污染引起的水体富营养化不仅没有解决,而且有日益严重的趋势。 随着我国人民生活水平的提高,饮食结构的调整,城市生活污水的水质成分 出现了很大的变化,如含氮量增加,处于低 C/N 的情况。但对于传统的生物脱氮 工艺而言,反硝化阶段需要足够的碳源才能实现完全脱氮。对于低 C/N 的生活污 水,如何在不投加碳源的情况下,达到较好的脱氮效果是目前污水生物处理工艺 中遇到的难题之一。 短程硝化反硝化与传统的全程硝化反硝化相比,脱氮的途径缩短,反硝化效 率提高,硝化过程中节省 25%的需氧量,在反硝化过程中理论上节约 40%的碳源, 特别适合于低 C/N 污水的生物脱氮。现阶段,短程硝化反硝化已成为国内外研究 的热点。该工艺实现的关键在于抑制硝酸菌的生长,阻止亚硝酸氮向硝酸氮的转 化,从而实现亚硝酸氮的稳定积累。现阶段,国内对短程硝化的研究处于初步探 索阶段,为此全面系统的掌握短程脱氮技术,具有极大的理论和应用价值。虽然 早在 1975 年,Voets 就提出短程硝化反硝化生物脱氮的概念,但是如何在常低温 条件下稳定的维持较高的亚硝酸氮积累率仍是采用生活污水实现短程硝化反硝化 的难点。因此在常温条件下实现并稳定短程硝化反硝化脱氮工艺,这对于实际工 程具有重要的指导意义。 1.1.3 主 要 研究内容 本课题主要在 CAST工艺中,进行低 C/N生活污水的短程硝化反硝化的研究, 考察了 DO、温度、C/N以及碱度变化对短程硝化的影响情况。并将以 pH、DO 和 ORP为控制参数的实时控制应用到污水处理工艺中,验证实时控制参数的可行性。 1 重庆大学硕士学位论文 主要研究内容如下: ? 在常温条件下,探索该工艺处理实际生活污水快速启动短程硝化反硝化污 泥的方法。研究通过控制溶解氧浓度实现短程硝化反硝化的方法、长期稳定维持 常温条件下短程硝化反硝化的可行性,并且探讨全周期内 ORP、DO以及 pH 值的 变化规律。 ? 在稳定实现短程硝化反硝化的条件下,以模拟生活污水为原水,考察溶解 氧(DO)、温度、C/N 以及碱度对短程硝化亚硝酸盐积累率的影响情况,并确定各 因素的最佳控制范围。 ? 对 CAST 工艺的脱氮途径进行深入分析,考察该工艺的主要脱氮途径,考 察 DO、C/N和温度对短程同步硝化反硝化脱氮的影响情况。 ? 通过对污水处理厂现场监控,研究 CAST 工艺中主反应区的 ORP 值的全 周期动态变化规律,及其与 DO、氨氮、COD 和硝态氮等各项水质污染指标的相 Cr 关关系。在实验室模型中考察在线控制参数 pH、DO和 ORP在 CAST 工艺全周期 的变化规律,并依此建立了在线控制策略。并且考察碱度不足、碱度充足以及碱 度过量情况对在线控制参数 pH、DO的影响情况。 1.2 生物 脱氮技术的研究现状 1.2.1 传 统 生物脱氮 技术 传统生物脱氮理论认为,污水生物脱氮即是首先在氨化菌的作用下发生氨化 反应,将污水中的有机氮转化为氨氮,然后通过亚硝酸菌和硝酸菌将氨氮转化为 硝态氮,再通过反硝菌的作用将硝态氮还原成气态形式的氮(N 或 N O、NO), 2 2 从而达到污水脱氮的目的。污水生物处理过程中氮的转化除了氨化、硝化和反硝 化作用外还包括生物的同化作用。 ? 氨化作用 氨化作用是指在氨化细菌的作用下将有机氮分解为氨氮,发生氨化反应。氨 化菌为异氧菌,一般氨化过程与微生物去除有机物同时进行,有机物去除结束时, 已经完成氨化过程。氨化作用不论是在好氧还是厌氧条件下,中性、碱性还是酸 性环境中都能进行,只是作用的微生物种类不同,作用强弱不同。 ? 硝化作用 硝化作用是指氨氮在好氧硝化菌的作用下转化成硝酸盐的过程。硝化过程分 两步进行,第一步是由氨氧化细菌又称亚硝酸菌(nitrosomonas)将氨氮转化为亚 硝酸盐,亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属等;第二步是由亚硝 酸盐氧化菌又称硝酸菌(nitrobacteria)将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。硝酸菌 包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。 2 1 绪 论 ? 反硝化作用 反硝化作用是由一群异养微生物完成的生物化学过程,主要是在缺氧即不存 在分子态游离氧的情况下,将硝酸盐或亚硝酸盐还原成氮气或氮氧化物。参加反 应的是反硝化细菌,包括假单胞菌属、变形杆菌、螺旋菌属、小球菌和无色杆菌 等。它们多是兼性的,在溶解氧极低的环境下可以利用硝酸盐中的氧作为电 子受 体,有机物作为电子供体提供能量并得到稳定化。 ? 同化作用 同化作用是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物 质,并且储存能量的变化过程。在污水生物处理过程中,生化反应系统中活性污 泥的微生物将污水中的氮(主要是有机氮和 NH -H)通过新陈代谢转化成自身组 3 成成分。即使溶菌作用和微生物自身的内源呼吸会使活性污泥中的氮元素再次以 有机氮和 NH -H 的形式释放到污水中,仍然有大量氮可以以排除剩余活性污泥的 3 方式排出污水处理系统。 1.2.2 生 物 脱氮新 技术 传统生物脱氮理论认为,废水生物脱氮必须由硝化、反硝化两个步骤完成, 也就是必须经过全程硝化反硝化才能达到良好的脱氮效果。近年来,随着科研工 作者对生物脱氮工艺的进一步研究,发现了一些非传统的脱氮现象。比如硝化过 程不仅由自养菌完成,异养菌也可以参与硝化作用;反硝化作用在好氧条件 下也 可以进行;特别是发现了氨氮与亚硝态氮或硝态氮在缺氧条件下可同时被转化成 氮气。这些新现象的发现为探索新的生物脱氮工艺提供了新理论和新思路。近些 年出现了许多新的生物脱氮工艺,如短程硝化反硝化工艺、同时硝化反硝化工艺、 厌氧氨氧化工艺。 ? 短程硝化反硝化生物脱氮工艺(Nitritation-denitritation) 在生物脱氮过程中,当硝化反应的产物为硝酸盐时,再经过硝酸盐转化成亚 硝酸的反应过程,之后进行反硝化,这样的生物脱氮过程称为全程硝化反硝化。 有学者认为当硝化反应停留在亚硝酸盐阶段,不经历亚硝酸盐转化为硝酸盐,直 接在亚硝酸盐阶段进行反硝化的反应过程,这种脱氮过程称为短程硝化反硝化。 短程硝化反硝化生物脱氮又称为不完全或简捷硝化-反硝化生物脱氮。该工艺将硝 - 化过程控制在 NO 阶段,然后利用碳源进行反硝化,和传统的全程硝化反硝化工 2 - - - - 艺相比,该工艺省去由 NO 氧化为 NO 和反硝化时由 NO 还原为 NO 的两个多 2 3 3 2 余过程。因此,短程硝化反硝化的基本原理就是通过环境和运行工况调节抑制硝 酸菌的活性,将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段,反硝化反应直接利用硝化反应的 亚硝酸盐进行脱氮,从而节省碳源和能耗。 [1] 早在 1975年, Voets等 在研究处理高浓度氨氮废水的过程中就发现在硝化过 3 重庆大学硕士学位论文 程中亚硝酸盐的积累现象,并首先提出了短程硝化反硝化的概念。之后 Turk 和 [2] Mavinie 等人通过研究推流式前置反硝化活性污泥脱氮系统能够在不经过硝酸 盐,直接由亚硝酸盐途径进行生物脱氮,并在以后的实验中取得了成功,证明了 短程硝化反硝化在污水处理中的可行。 短程硝化反硝化工艺与传统的生物脱氮工艺相比具有以下四方面的特点:a. 可以节省 25%左右的供氧量,实现节能降耗的目的;b.所需碳源较少,在 C/N 一 定的情况下可以提高 TN 的去除率;c.减少污泥产生量可达 50%;d.减少碱耗,提 高反应速率,缩短反应时间,减少反应池容积。短程硝化的标志是稳定且高效的 亚硝酸盐积累,即亚硝化速率较高。其中亚硝态氮积累率 - - - - - [NO -N/NO -N]NO -NNO -N+NO -N,只要该比值大于 50%,就算亚硝酸 2 X X 2 3 盐实现了积累,实现了短程硝化反硝化。表 1.1所示为亚硝化菌和硝化菌的特性 表 1.1 亚硝化菌和硝化菌的特性 Table 1.1 Characteristics of AOB and NOB 项目 亚硝酸菌 硝酸菌 细胞形状 椭球或棒状 椭球或棒状 细胞尺寸(um) 1.0~1.5 0.5~1.0 革兰氏染色 阴性 阴性 世代期(h) 8~36 12~59 自养性 专性 兼性 需氧性 严格好氧 严格好氧 -1 最大比增殖速率 um(h ) 0.04~0.08 0.02~0.06 产率系数 Y(mg 细胞/mg 基 0.04~0.13 0.02~0.07 质) 氧饱和常数 K(mg/L) 0.2~0.4 1.2~1.5 短程硝化反硝化与全程硝化反硝化工艺相比较难控制和实现,短程硝化反硝 化的关键是如何将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段。因此,寻找各种方法使硝化反 - 应维持在 NO 阶段成为实现短程硝化的首要难点。 2 荷兰 Delft技术大学于 1997年开发的 SHARON工艺(Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite)就是通过控制温度和污泥停留时间来实现 [3-6] 短程硝化反硝化脱氮工艺的 。该工艺采用的是 CSTR 反应器(Complete Stirred Tank Reactor),适合于处理高浓度含氮废水(?0.5gN/L),利用在较高温度下 (30-40?),硝化菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的生长速率。并且反应器内不进 4 1 绪 论 行污泥回流,使系统水力停留时间(HRT)等同于污泥停留时间(SRT),通过控 制 HRT大于亚硝酸细菌的世代时间,小于硝酸菌的世代时间。它的基本原理是将 在高温下生长速率较慢的硝化菌从反应器中洗脱出去,使反应器中的亚硝酸菌占 绝对优势,从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段。 OLAND工艺(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification, 氧限制 自养硝化反硝化)是由比利时 Gent 微生物生态实验室开发的。该工艺的技术关键 是通过控制溶解氧浓度,使硝化过程停止在亚硝酸盐阶段。低溶解氧下亚硝酸大 量积累时由于亚硝酸菌对溶解氧的亲和力较硝酸菌强,亚硝酸菌氧饱和常数一般 为 0.2~0.4mg/L,硝酸菌的为 1.2~1.5mg/L。 OLAND 工艺就是利用硝酸菌和亚硝化 菌动力学特性的差异,实现了硝酸菌被淘汰,使亚硝酸盐大量积累。 ? 同步硝化反硝化生物脱氮工艺(Simultaneous nitrification and denitrification, SND) 根据传统的生物脱氮理论,硝化反应需要在好氧条件下进行,而反硝化反应 在缺氧条件下进行。因此,硝化和反硝化反应不可能同时进行。但是研究人 员在 一些活性污泥法处理系统中,多次观察到在曝气的过程中 N 的非同化损失现象, 即硝化反应和反硝化反应在同一操作条件下和同一反应器内进行,这种现象称作 同时硝化反硝化硝化。近年来大量试验研究表明在生物转盘、氧化沟、 SBR、CAST 等工艺中确实存在同步硝化反硝化反应。 到目前为止,人们对于同时硝化反硝化技术的反应机理的认识和了解还处于 初级阶段,存在着不同的观点。目前,同步硝化反硝化机理被人们所接受的主要 [7,8] 是缺氧微环境理论和微生物理论 。 微生物理论:在 20 世纪 80 年代,异养反硝化和好氧反硝化菌的发现,打破 了传统理论认为的硝化反应只能由自养菌完成,反硝化只能在厌氧条件下进行的 [9~11] 观点,使得好氧条件下反硝化脱氮的解释有了生物学上的可靠依据 。许多好氧 反硝化菌如 Thiosphaera pantotropha、Pseudomonas Spp、Alcaligenes faecalis等同时 [12] 也是异氧硝化菌,并能够直接的把氨氮转化为最终气态产物而逸出 。好氧反硝 化菌与厌氧反硝化菌相比最重要的特点是能较好地适应类似 SBR工艺中厌氧/缺氧 [13] /好氧周期变化 ,但由于受到一些条件的限制,反硝化速率稍慢一些。 [14] 缺氧微环境理论 :该理论主要从物理学角度解释同时硝化反硝化现象,被 认为是同时硝化反硝化发生的主要原因之一。缺氧微环境理论从物理学角度研究 了生物膜和活性污泥絮体微环境中各种物质传递的情况。该理论认为:在微生物 絮体或者生物膜内由于限制了氧传递过程,会形成溶解氧 DO 的梯度,即在宏观 环境为好氧状态,但在活性污泥絮体内部由于 DO传递的不同出现的 DO浓度梯度。 在活性污泥絮体外表面没有其他因素的影响,DO浓度较高,优势菌种为好氧硝化 5 重庆大学硕士学位论文 菌,发生好氧硝化反应;深入活性污泥絮体内部,由于受到表层絮体耗氧和阻挡 物质传递的影响,氧传递受阻和 DO 被外部絮体大量消耗,使内部絮体形成 缺氧 或厌氧环境,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境,使厌氧菌的存在成 为可能,反硝化菌大量生长,达到脱氮的目的。 同步硝化反硝化有很多吸引人的地方,与传统的生物脱氮技术相比,其经济 效益不容忽视,可以减少反应设备的数量或体积,减少 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 造价;降低曝气量的 供给,节省能耗等。CAST工艺的一个重要的特点是在不设缺氧搅拌阶段的情况下 [15] [16] 实现高效的同步硝化反硝化 。有研究表明 ,在 CAST 工艺中实现 SND具有以 下优点:1减少反应过程中碱度的消耗,能有效保持反应器中 pH 值的稳定;2节 省曝气量的供给,降低能耗。 ? 厌氧氨氧化生物脱氮工艺(Anaerobic ammoniumoxidation,ANAMMOX) 厌氧氨氧化生物脱氮工艺是指在厌氧条件下,微生物直接以氨氮为电子供体, 以亚硝态氮或硝态氮为电子受体,将氨氮、亚硝态氮或硝态氮转变为氮气。该技 术与传统的生物脱氮技术相比具有节省供氧量,运行费用低和节省碳源等优点。 早在 1977 年,Broda 根据计算自由能已经预测到自然界应该存在反硝化氨氧 [17] 化菌denitrifying ammonia oxidizers 。1995年,Mulder 用流化床研究生物反硝 [18] 化时,发现了氨氮的厌氧生物氧化现象,证实了 Broda 的预言 。1990年,荷兰 Delft 技术大学开发了 ANAMMOX 工艺,在厌氧条件下直接利用氮氮作为电子供 体,无需供氧、无需外加碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂,降低能 [19] 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 。据 研究,自然界中至少存在两种厌氧氨氧化途径:好氧氨氧化菌在厌氧条件下的氨 氧化过程以及最近发现的 Anammox 菌作用下的氨氧化过程。 1.3 CAST 工艺原理及应用现状 1.3.1 CAST 工 艺 概述 CASTCyctic Activated Sludge Technology工艺是传统 SBR工艺的一种变型, 其全称为循环式活性污泥法,是近年来在国内外被引起广泛重视的一种水处理工 艺。该工艺是由美国 Goronszy 教授研发出来的,Goronszy 教授利用活性污泥基质 积累?再生理论以及生化反应器中呼吸速率与污泥之间的关系,在 SBR 前增加生 物选择器,成功开发出了循环式活性污泥法,并于 1984 年和 1989 年分别在美国 [20] 和加拿大取得了专利 。该工艺是将变容积活性污泥法和生物选择器原理有机结 合起来,设有一个分建或合建式生物选择器。在此工艺中,运行模式主要分曝气 和不曝气两阶段,二者交替运行,整个泥水分离过程和活性污泥生物反应过程同 在 CAST池完成。 6 1 绪 论 CAST工艺为间歇式活性污泥法,典型的循环周期由进水/曝气、曝气、沉淀、 滗水、闲置四个阶段组成,分别完成生物降解(包括有机物降解、硝化反硝化等) 和沉淀排水功能。传统的 CAST 工艺有生物选择区、厌氧区和好氧反应区三个反 应区,污泥回流系统和剩余污泥排出系统都设置在主反应区,在好氧曝气过程中 将主反应区内的活性污泥回流到前端的生物选择区,同时在生物选择区、厌氧区 设置搅拌设备。 1.3.2 CAST 工 艺 的原 理 CAST 工艺既继承了 SBR 工艺的特点,又具有其独有的优势。与一般的 SBR 工艺相比,在反应器前端设置生物选择区是它的一大特点,生物选择区是按照活 性污泥种群组成动力学的规律而设置的,创造出合适的微生物生长条件并选择出 絮凝性细菌,对微生物种群结构具有选择作用,从而起到控制污泥膨胀和反硝化 脱氮的效果。该工艺既具有活性污泥法推流式的具有底物浓度梯度和初始较高的 污泥负荷的特点,又具有完全混合式活性污泥法具有较强的耐冲击负荷的特点, [21] 因此,CAST工艺对城市生活污水还是工业废水,都是比较理想的处理方法 。从 我国部分城市污水处理厂的运行结果来看, CAST工艺是一种比传统活性污泥法更 为高效的污水处理方法。 在该工艺运行中,外界污水由在前端生物选择区内与好氧区回流的活性污泥 混合,废水中的有机物被迅速吸附,有机底物被转化为微生物细胞内物质,如糖 [22] 原质、PHB 等 。一般情况下,可以根据运行的需要控制生物选择区在不同的条 件,例如厌氧/缺氧或好氧运行模式。当处理工艺以脱氮除磷为主要目的时应控制 生物选择区在缺氧/厌氧环境下;当以去除碳源有机污染物为主要目的时,应将生 物选择区控制在好氧环境下。 CAST工艺由于生化反应和沉淀排水均在主反应区中进行,没有传统的初沉池 和二沉池,占地面积小,因此基建费用低,由于采用底曝,氧利用率高,运行费 用低;由于设置生物选择器,抑制丝状菌生长,不易发生污泥膨胀。脱氮除磷效 果好、操作管理方便等诸多优点,近年来已得到水处理科研人员和环保部门的高 度关注。 1.3.3 CAST 工 艺 的研 究现状 目前在我国 CAST 工艺的应用尚处于探索阶段,运行经验不多,相关研究和 报道还很少,国内报道主要涉及到 DO 的控制、曝气方式的选择等基本控制参数 选择方面,例如对该工艺的短程硝化反硝化的控制方面的研究则较少。近年来, 典型 CAST 工艺处理城市生活污水的研究和实验简述如下: [23] [24] [25] 胡坚 、王文光 和房安富 等各自对镇江征润州污水处理厂、大连老虎滩 污水处理厂进行试验研究,发现 DO 水平与脱氮有较大的关系,而低温启动、变 7 重庆大学硕士学位论文 周期运行、配水方式等对脱氮也有较大的影响,并介绍了在设计和运行中应注意 的问题和相应措施等。 [26] 张智等 对重庆李家沱污水处理厂进行试验研究,发现采用阶段限制曝气法, 在污泥龄为 15d左右,相应的 MLSS为 3000~3500mg/L,回流比为 20~25%,主 曝阶段控制 DO为 2~4mg/L,曝气 2h,微曝阶段 DO 为 0.5mg/L,可实现 COD、氨 氮、TN等污染物的稳定去除,确保稳定的脱氮效果。 [27] 汪慧贞等 对 CAST工艺的 DO控制法进行了检验,并对氧化还原电位ORP 控制作了探讨性试验。在 3 个时间段内使 ORP 分别在-49mV、9mV、30mV 上下 波动,其 SS、COD 、NH -N、TN、TP的去除率均能达到设计要求,并与 DO控 Cr 3 制条件下的去除率基本相当。 [28] 王少坡等 研究了 CAST反应器在不同溶解氧浓度下,处理低碳氮比生活污 水时,去除氨氮过程中亚硝酸盐积累的情况。研究表明:当 DO在 0.5mg/L 时,系 统内亚硝化率可达 80%以上,氨氮去除率90%,SVI 在 109mg/g 左右;当 DO0.5mg/L 时,氨氮去除率下降;当 DO1.0mg/L 时,硝化反应较彻底,但硝化 过程向全程硝化反硝化转化。 从以上研究现状可以看出,国内对 CAST 工艺的研究主要集中在生产性试验 的探索和污水处理厂运行经验的积累和调试运行,工艺设计和自动控制系统的开 发等方面,而对 CAST 工艺的短程硝化反硝化,以及实时控制方面的研究较少。 8 2 实验方法 2 实验 方法 2.1 实验 安排 根据本课题的研究内容,制定如下实验方法和安排: ? 在短程硝化反硝化污泥快速启动的实验中,原污水取自重庆大学学生宿舍 的生活污水,接种污泥取自重庆市巴南区李家沱污水处理厂的储泥池。在训化良 好的全程硝化反硝化污泥的基础上,采用适当排泥和逐渐降低溶解氧的方法,培 养短程硝化反硝化污泥。每天白天定时取进出水水样进行检测,并且在短程污泥 稳定运行阶段,在运行周期内在反应器主反应区中部每隔 10 分钟测试 ORP、DO 以及 pH值。 ? 在 DO、温度、C/N 以及碱度对短程硝化的影响情况的实验中,采用模拟 生活污水作为原水。采用 3个溶解氧水平(DO浓度指反应器主反应区内曝气阶段 混合液的溶解氧浓度),即:DO0.5mg/L、0.5mg/LDO1.0mg/L、DO1.0mg/L 三种情况,每个溶解氧水平都待系统运行稳定一段时间后取样测试。在温度对短 程硝化污泥的影响实验中,不刻意控制温度,随着环境温度的变化取水样测试。 在 C/N 对短程硝化的影响实验中,在不改变进水 TN 的情况下,通过改变投加碳 源的量改变 C/N。在碱度对短程硝化的影响和实时控制参数的影响实验中, 通过改 变投加无水碳酸钠的量来改变进水碱度,将碱度分为碱度充足、碱度过量和碱度 不足 3种情况。 ? 在考察 CAST 工艺的脱氮途径实验中,将该工艺中 TN 的损失分为 4 种途 径:氨吹脱,同化作用,在生物选择区和缺氧区进行的反硝化和在好氧区进行的 SND。通过测试前后两个周期的 MLSS 值,得出一个周期 MLSS 的生成量,从而 得出同化作用去除的氮的量。通过运行周期内不开启回流泵,得出生物选择区和 缺氧区对脱氮的贡献程度。 ? 主反应区 ORP与 DO的相关性的实验在李家沱污水处理厂完成,实时控制 参数的可行性实验在实验室完成。实验中以进水/曝