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1、倒置A2/O工艺对生活污水生物脱氮运行条件及效果研究引言水是人们生活中不可缺少的东西，它直接关系到人们的日常生活，还是农业、工业、水产和各种生产的重要资源。随着工农业生产和城市建设的发展，人口的增长，人民生活水平的提高，用水量和污水排放量都大幅度增加，由于大量的工业废水和生活污水排入河流水体，使水环境质量严重恶化、地表水和地下水受到不同程度的污染，加之节约用水和水源保护还存在着一定的问题，致使水资源形成数量不丰，水质恶化的严重局面，制约着国民经济持续稳定发展和社会的安定。由于水体富营养化问题加剧，60年代以来，生物脱氮除磷工艺受到重视，先后开发了SBR和ICEAS序批法、AB法、氧化沟、厌氧-
2、好氧（A1/O）和缺氧一好氧（A2/O）组合工艺。因此选择合适的污水处理方法缓解用水危机以成为目前亟待解决的问题。通过短时厌氧环境的生化特性、厌氧/缺氧环境倒置效应和小型系统平行对比试验，较系统地研究了倒置A2/O工艺的原理和工艺特点，在本次的毕业设计中采用实验的方式测算出其条件和效果。本文就生活污水为研究对象，在传统A2/O工艺的基础上进行改良，将缺氧段和厌氧段互换位置成为倒置A2/O，并且控制运行条件来实现短程硝化-反硝化，并且探讨各种因素对此工艺的影响，对工艺参数进行研究分析其规律1。在倒置A2/O工艺参数沿程变化研究中发现，当好氧区溶解氧浓度存在梯度变化时，其中发生了好氧反硝化反应，其
3、对出水硝态氮的浓度有着明显的影响。在本文的最后通过倒置A2/O工艺与常规A2/O工艺的对比实验，从技术和经济两方面说明了倒置A2/O工艺的优越性；并对倒置A2/O和传统A2/O两种工艺中相关工艺参数沿程变化的差异进行了比较分析研究。1绪论1.1 水体中氮主要来源、危害及其控制水是我们人类所共有的、有限的资源。大气中的水分变成雨水降到地表，其中一部分蒸发或者渗入地下，而大部分泄入江河，流到大海，再通过江、海、河、湖返回大气中，形成完整的大自然水循环体系。在这一循环过程中，人类所利用的水被污染，而被污染的水只有经过处理得到净化，才能重新回到大自然的水循环体系中。因此，污水处理的作用是极为重要的，是
4、保护人类水环境，提供舒适的生活空间及作为资源有效利用所必须的和必不可少的重要环节。然而随着工业的发展和人民生活水平的提高，过多的含氮化合物排入水体，特别是流动较缓慢的湖泊、海湾，容易引起水中藻类及其他微生物大量繁殖，形成富营养化污染，尤为严重的事件如：2007年5月29日，无锡太湖蓝藻全面暴发，6月11日，安徽巢湖蓝藻暴发，6月24日，云南滇池蓝藻暴发。这给工业的发展和人们的生活带来了很大的困扰，除此还会使自来水处理厂运行困难，造成饮用水的异味外，严重时会使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致湖泊的干涸死亡。另外还会给水消毒和工业循环水杀菌处理过程中增大用氯量，对某些金属，特别是对铜具有腐
5、蚀性。当污水回用时，再生水中的氨氮可以促进输出管道和用水设备中微生物的繁殖，形成生物污垢，堵塞管道和用水设备并影响换热效率。相应的我国的污水处理事业也得到了快速的发展。国外污水处理新技术、新工艺、新设备被引进到我国，在活性污泥工艺应用的同时，AB法、A/O法、A2/O法、CASS法、SBR法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等也在污水处理厂的建设中得到应用。进入九十年代，水体中各种污染物尤其是氮磷的标准更为严格，新建城市污水厂必须考虑对氮磷污染物的控制，老水厂进行了脱氮除磷技术改造。近年来，倒置式A2/O工艺由于其投资和运行费用低、处理性能高超,尤其是在其脱氮除磷方面效果显著。我国新颁布实施的污
6、水综合排放标准（GB8978-1996）也明确规定了适用于所有排放单位的较严格的氨氮排放标准。这就意味着今后大多数城市污水和工业废水处理要考虑氨氮的硝化处理或脱氮处理1。因此，研究开发经济、有效的脱氮污水处理技术已成为水污染控制工程领域的重点与热点。1.2 生物脱氮及技术现状近年来的环境质量公报看，水体中主要的污染物为氨氮和有机物。这些污染物进一步加剧了水资源短缺的矛盾。对可持续发展战略的实施带来了严重的负面影响。目前含氨氮污水的处理技术可分为物理法、化学法、物理化学法和生物脱氮法，其中物理法主要指吹脱法，由于该法应用受限制，一般只用作高浓度氨氮废水的预处理，故不能被广泛使用；而化学法与物理化
7、学法（如离子交换法、加氯氧化法、吸附法、合成消化法等）由于运行成本高，对环境易造成二次污染，故实际运用中也受到一定的限制。污水生物脱氮技术是70 年代在美国和南非等国的水处理专家们在化学、催化和生物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术，该技术由于处理过程可靠，处理成本低，操作管理方便等优点而被广泛使用。微生物脱氮技术按微生物在系统中的不同状态，可分为活性污泥法和生物膜法，通过设立好氧区、厌氧区来实现硝化、反硝化以达到脱氮目的。1.2.1 Bardenpho工艺Bardenpho脱氮工艺最早是在传统活性污泥基础上开创的三级活性污泥脱氮流程，三级分别实现氨化、硝化、反硝化功能，其优点是有机
8、物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在各自的反应器各自适应的环境中增殖，有利于优势菌群的培养，但是，该工艺流程长、设备多、造价高，管理不便；且脱氮需加碳源，投加量不易控制；另外为保证沉淀池效果，还需添加后曝气反应器。该工艺后经过改进变为二级流程，除碳和硝化在一个反应器内进行，即所谓的后置反硝化工艺。Bardenpoho脱氮工艺是一种由硝化手段和反硝化手段相互交替组成的工艺。该工艺中的硝化和反硝化可以分别在各个反应器中进行，也可以将它们组合在一个传统推流式曝气池中不同区域内。其中第二种情况则是实际工程中较多采用的运行方式。此工艺对于城市污水一般脱氮率可达70%80%，但有时由于进水中BOD不足等原因，
9、脱氮效率可能仅有50%60%。1.2.2 A/O工艺系列（1） Wuhrmann 工艺最早的脱氮工艺是30 年代开发的 Wuhrmann 工艺，流程遵循硝化、反硝化的顺序设置。主反应区按功能分成两段：好氧区和缺氧区，好氧反应器主要进行含碳有机物的氧化，氨氮的硝化；缺氧反应器的作用是反硝化脱氮由于反硝化脱氮过程需要碳源，而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢质作为碳源，所以反硝化速率低；如原废水的含氮量较高，则导致缺氧池容积大，而且污水进入系统的第一级就进行好氧反应，能耗太高，因此该工艺在工程上实用，但它为以后脱氮除磷工艺的发展奠定了基础。（2）Ludzack-Ettinger 脱氮工艺60年
10、代，Ludzack 和Ettinger 等首次提出了前置反硝化工艺，将缺氧段置于工艺的第一级，直接利用污水中的有机物作为反硝化的碳源，解决了碳源不足的问题，但好氧池的硝酸氮也会被携带至沉淀池，影响沉淀池水质。它可以认为是A/O 工艺的前身。（3）A/O 工艺70 年代，Barnard 又提出改良型 Ludzack-Ettinger 脱氮工艺，即广泛应用的A/O 工艺，A/O 工艺中，好氧池的混合液和沉淀后的污泥同时回流到缺氧池，这样，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池后，可以从原污水得到充足的有机物，使反硝化脱氮得以充分进行。A/O 法不能同时脱氮除磷。目前，它多用于废水脱氮领域，只要控制一定的
11、回流比和泥龄，系统便可达到较好的脱氮效果。A/O 法的特点之一是高负荷运行、泥龄短、水力停留时间短、污泥量多2。（4） A2/O工艺A2/O法是目前普遍采用的脱氮除磷的工艺，它是在传统活性污泥法（A/O）的基础上增加一缺氧段和一个厌氧段。可用于仅要求硝化的情况，也可用于要求硝化/反硝化的情况。该工艺工艺流程较为简单，基建费用和运行费用均较低，且具有同步脱氮除磷的功效，使其成为目前研究和应用较多的一种工艺2。（5）倒置A2/O工艺倒置A2/O工艺是在传统A2/O工艺基础上的一种改良工艺。不少学者对A2/O工艺进行了环境倒置效应实验研究。认为缺氧/厌氧/好氧的布置形式脱氮除磷效果更好，其原因在于：
12、聚磷菌厌氧释磷后直接进入效率较高的好氧环境，在厌氧条件下形成的吸磷动力可充分利用；所有参与回流的污泥都经历了完整的释磷、吸磷过程，故在除磷方面具有群体效应优势；缺氧池位于厌氧池前，允许反硝化菌优先获得碳源，因而加强了系统的脱氮能力3。（6） UCT工艺该工艺中，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，其中携带的硝酸盐在缺氧区中经反硝化而去除。为了补偿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。在废水TKN/COD 适当的情况下，缺氧区中反硝化作用完全，可以使接受缺氧区出水中的硝酸盐浓度接近于零，从而使接受缺氧区混合液回流的厌氧区硝酸盐亦接近于零，保持较为严格的厌氧环境。
13、由于增加了缺氧区至厌氧区的混合液回流，运行费用略有增加。（7）VIP工艺VIP工艺与UCT 工艺非常类似，两者的差别在于池型的构造和运行参数方面。VIP 工艺采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式反应格串连在一起，混合液中活性微生物所占的比例较高，且泥龄较短，因而运行速率高，脱氮除磷效果均较好。1.2.3 生物膜脱氮工艺系列常见的生物膜脱氮工艺包括生物转盘脱氮工艺、移动床生物膜脱氮工艺、复合式膜生物反应器等。同悬浮系统一样，承担反硝化的缺氧滤池可以在好氧滤池前面，也可以在后面。在前反硝化系统中，经好氧滤池后的出水需回流至缺氧滤池，当回流比为400%时，脱氮率可达90%；在后反硝化系统中，原
14、水部分旁路进入反硝化滤池，对运行管理较高，否则脱氮效果不好。目前所研究的膜法反硝化几乎都是利用将硝化与反硝化分隔开来的系统，亦即反硝化段的滤池始终保持缺氧，以进行反硝化脱氮。1.2.4 生物脱氮新技术近年来，一些研究者在研究中陆续观察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象。比如将好氧硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，然后在缺氧条件下直接反硝化的亚硝酸型生物氮；在一定的条件下,硝化和反硝化可以在同一个反应器内同时完成；异养硝化以及厌氧氨氧化等。这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论主要从物理学角度研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质(如DO、有机物、NO3N 和NO2N等)传递的变化、
15、各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致的微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。在宏观环境中微好氧状态时，由于氧扩散的限制，微生物絮体内产生了溶解氧梯度，也就形成了不同的微环境。生物学角度的解释不同于传统理论，微生物学家发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌，它们甚至可在完全厌氧的条件下发生硝化作用。有些好氧反硝化菌同时也是异养型硝化菌，它们能够在好氧条件下直接将氨转化为最终的气态产物。以上这些现象的发现为研究者研究新的生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向，使他们不断开发出了许多新型脱氮工艺。如：SND(同时硝化反硝化工艺)、SHARON (Single reactor high act
16、ivity ammonia removal over nitrite，亚硝化反应器)工艺、OLAND (Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification，氧限制自氧硝化反硝化)工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺等。1985年，Rittmann等在工业规模的氧化沟中成功地实现了同时硝化和反硝化，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区连续进行。通过控制DO浓度可实现在同一反应器内的SND，后来的Daigger、Rit-tmann以及国内的高廷耀、吕锡武等都对SND进行了大量的研究工作。近年来国内外有不少实验和报道都证明了SND现象，尤其是在有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物
