论文部分内容阅读
脱氮除磷是近年来污水生物处理领域的一个研究重点，循环式活性污泥法(CAST)以其可实现同步脱氮除磷而极具发展潜力，然而其在国内的应用却表明，该工艺的脱氮除磷效率并不理想。为了对该工艺的运行机理和脱氮除磷的强化进行深入研究，采用容积为115升的CAST工艺试验模型，以生活污水为原水，对该工艺脱氮除磷的机理及其强化进行了研究，同时详细研究了该工艺反应过程中溶解氧(DO)、氧化还原电位（ORP）和pH值的变化规律，据此建立了一套实时控制策略并将其应用于工艺的运行过程控制之中，取得了较为稳定的处理效果，工艺运行得以优化。该研究为CAST工艺的运行和控制提供了有益的参考，并在生物脱氮除磷方面发现了一些新现象。
首先研究了碳氮比、充水比、进水时长对传统CAST工艺去除污染物效率的影响。结果表明，较高原水碳氮比有利于系统总氮(TN)和磷的去除。当原水平均碳氮比为3.6和4.3时，TN平均去除率分别为65.17％和74.08％，而当原水平均碳氮比为2.8时，TN平均去除率仅为58.92％；提高原水碳氮比，除磷率也由12.9％分别升至29.63％和69.48％。不同充水比的试验发现，降低充水比对除磷影响不大，而能改善对低碳氮比生活污水TN的去除，充水比由33％降至25％和16％时，TN去除率由58.92％分别升为70.51％和81.38％。然而，提高碳氮比或降低充水比均会使系统发生污泥膨胀。将进水时间由2h延至4h，系统反硝化作用得到加强，TN去除率提高，平均值可达67.82％，除磷率为17.87％。
限制CAST工艺脱氮除磷效率的主要因素之一是系统内硝酸盐或亚硝酸盐的积累。因此，为了强化系统的反硝化性能，在工艺运行过程中增加缺氧搅拌阶段，并将混合液回流时间延长至整个反应时段(4h)。改进运行模式后，固定充水比为25％，连续进水交替运行模式下的TN平均去除率为75.05％，而采用分段进水可将系统的TN去除率提高至81.45％，并且污泥沉降性能良好。此外，保证NH4+-N完全硝化，分段进水方式所需的曝气量仅为连续进水方式下的43％;保持处理水量不变并等量分段进水，脱氮效率随进水次数的增加逐步提高。
尽管增加缺氧段可以提高CAST系统的TN去除效率，但这种固定时长缺氧/好氧的运行方式却没有处于一种优化的状态。交替缺氧/好氧运行模式下，主反应区内ORP和pH值变化曲线上的特征点可以准确指示硝化、反硝化反应的结束。因此，根据系统ORP、pH值的变化规律，建立了一种实时控制策略来对好氧、缺氧时段进行调节。结果表明，应用该策略后工艺运行得以优化，稳定性得以加强，在反应末端投加适量碳源后，系统最终出水COD低于40mg/L，NH4+-N低于0.5mg/L，TN低于2.0mg/L,PO43--P在0.5mg/L左右。对温度影响反硝化的研究发现，在30～10℃的温度范围内，短程反硝化的比还原速率为全程的1.312倍，2种电子受体的比反硝化速率随温度逐减，且20～10℃的温度转变较30～20℃影响显著，以NO2--N的还原受低温影响较大，在相等起始电子受体浓度与pH值的条件下，温度越低，反硝化过程中2种系统pH值增量越大；温度相同，短程反硝化结束时pH值变化曲线上峰点的值高于全程反硝化。
处理低碳氮比生活污水时，由于反硝化菌对碳源的竞争，传统4h运行方式下，系统内聚磷菌无法取得优势生长，难以建立理想的厌氧条件，因此，除磷能力十分低下；提高原水碳氮比后系统的反硝化能力得以加强，并具备一定的除磷能力，但由于进水阶段主反应区一直曝气，原水中有机碳源未被充分利用，因此除磷效率并不高，而且原水中易降解有机物的增多易使系统发生粘性膨胀，出水水质较差。增加缺氧搅拌段后，系统的反硝化性能提高，分段进水交替运行模式有利于聚磷菌的生长，系统交替出现好氧、缺氧、厌氧条件，这在很大程度上利用了原水中碳源，改善系统脱氮性能的同时也强化了磷的去除。试验还发现，系统内不仅存在着传统的好氧聚磷菌，还存在反硝化聚磷菌。
原水碳氮比和碳磷比决定分段进水CAST工艺对营养物的去除性能，碳磷比和碳氮比分别为61.9和5.2是系统脱氮除磷的最优进水条件，氮、磷的平均去除率分别高达89.3％和95.8％；工艺的除磷性能还取决于对总氮的去除，在原水中碳源有限的条件下，系统内脱氮反应总是优先进行，其次才是除磷反应；低温不影响CAST工艺的除磷性能，但出水TN却因NH4+-N的不完全硝化保持较高浓度。
为了实现节能和减少后续反硝化过程中有机碳源的需要量，对CAST工艺的短程硝化进行了研究。结果表明，利用温度变化使AOB在分段进水CAST系统内富集并将NOB淘洗出去，能成功实现CAST反应器内亚硝酸盐的积累，NO2-累计率可长期稳定在90％以上，采用实时控制策略可同步除磷并达到进一步节约能耗的目的。
本课题还对游离亚硝酸(FNA)对反硝化过程的抑制作用进行了深入研究。结果表明，FNA而非NO2-才可能是抑制反硝化过程的真正因素。FNA为0.01mg/L～0.025mg/L的浓度范围内硝酸盐还原能力受抑制程度为60％，当FNA浓度大于0.2mg/L时，硝酸盐还原反应被完全抑制。交叉抑制试验研究发现，亚硝酸盐还原能力受NO3-的抑制影响较小，不同浓度NO3-抑制后亚硝酸盐还原速率恢复达90％以上。然而，硝酸盐还原能力的恢复取决于FNA投加量，不同浓度抑制剂条件下其速率恢复3.04％～72.54％，恢复程度受抑制时间和抑制剂的投加方式影响较小。