活性污泥和生物膜復(fù)合工藝的特性及運行效能研究.pdf

1、隨著人們對水體富營養(yǎng)化認識的深化及對環(huán)境質(zhì)量水平要求的不斷提高，越來越多的已建和新建污水處理廠將面臨不斷提高處理能力及對氮、磷去除效果的問題。本課題針對這種需求，在對現(xiàn)有污水生物脫氮除磷理論及工藝進行詳細分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合活性污泥和生物膜工藝各自的特性，提出了二者的復(fù)合工藝。通過理論分析和模型試驗對活性污泥—生物膜復(fù)合工藝的污染物去除特性進行了較詳細的研究，以期能為現(xiàn)有超負荷污水處理廠的擴容（技術(shù)）改造及污水生物脫氮除磷系統(tǒng)效率的提高提

2、供部分理論和技術(shù)支持。
　　以活性污泥和淹沒式生物膜工藝為對照，進行了用復(fù)合式工藝提高二者處理效率的研究，從三種工藝污染物去除性能的對比分析了復(fù)合式工藝中兩相微生物的相互作用及其對系統(tǒng)性能的影響。在復(fù)合式工藝中，由于底物在附著相微生物（附著態(tài)生物膜）內(nèi)的傳質(zhì)阻力大于在懸浮相微生物（懸浮態(tài)污泥）中的傳質(zhì)阻力，只有當(dāng)需要去除的底物負荷超出某一特定范圍，對應(yīng)的反應(yīng)器液相中的底物濃度超過某一特定臨界值，使附著態(tài)生物膜內(nèi)外的底物濃度梯度大于

3、其傳質(zhì)阻力時，底物才能進入附著態(tài)生物膜并被去除。在本研究中，此液相臨界底物濃度約為：COD=100mg/L、NH3-N=4mg/L。液相中的底物濃度越大，附著態(tài)生物膜參與底物去除的程度也越深。因此，在復(fù)合式工藝中，載體宜放置在推流式曝氣池的前2/3～3/4處，以最大程度發(fā)揮載體上生物膜對污染物的去除能力。懸浮態(tài)污泥能首先緩沖負荷變化，使在附著態(tài)生物膜上生長的敏感微生物（如硝化細菌）能夠在系統(tǒng)中得以截留和發(fā)揮效能。由于兩種不同生長形態(tài)的微

4、生物共存，復(fù)合式工藝中微生物的種群結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)微環(huán)境遠比兩對照工藝復(fù)雜，使其更有利于協(xié)同好氧硝化和缺氧反硝化過程，當(dāng)進水TN容積負荷位于0.09～0.41kg N/m3/d之間時，活性污泥和淹沒式生物膜工藝的TN平均去除率分別提高了約16％和21%。在COD容積負荷大于1.33kg COD/m3/d、NH3-N容積負荷大于0.18kg N/m3/d的工況下，溶解氧（DO）的變化對復(fù)合式工藝中附著態(tài)生物膜的活性影響明顯，需維持DO大于3mg

5、/L，以保證工藝對耗氧性污染物的去除效果。
　　從現(xiàn)有活性污泥和生物膜的理論及動力學(xué)出發(fā)，對復(fù)合式工藝的動力學(xué)特性進行了分析。在復(fù)合式工藝中，兩相微生物對限制性底物的利用存在競爭，二者之間存在物質(zhì)的交換，因此存在一些特有的概念，如底物被兩相微生物利用的比例（R）、懸浮態(tài)污泥的污泥齡（θc）、懸浮態(tài)污泥的真正污泥齡（θc"）、附著態(tài)生物膜的真正污泥齡（θca）、復(fù)合式工藝的平均污泥齡（θcM）。一般來說，θc＜θc"≤θcM，θc是

6、復(fù)合式工藝設(shè)計和運行的關(guān)鍵控制參數(shù)?；?ASM1模型的復(fù)合式工藝的經(jīng)驗數(shù)學(xué)模式能夠同時描述碳氧化和硝化過程，避開了對附著態(tài)生物膜的復(fù)雜描述，提高了模型在設(shè)計和運行控制中實用性。
　　以上述的理論分析為基礎(chǔ)，通過模型試驗考察了懸浮態(tài)污泥的污泥齡（θc）對厭氧/缺氧/復(fù)合好氧（復(fù)合式A2/O）工藝性能的影響。在復(fù)合式A2/O工藝中，由于附著態(tài)生物膜的污泥齡相對獨立，θc調(diào)整對生物膜硝化性能的影響較小，考慮到氮和磷的同時最佳去除效果，

7、θc易控制在10～15d之間，這可在一定程度上解決或緩解傳統(tǒng)A2/O工藝中硝化和除磷過程對污泥齡要求的矛盾。由于微生物優(yōu)先附著生長，在進水負荷一定的條件下，反應(yīng)器內(nèi)的載體越多，懸浮態(tài)污泥濃度越低，這會影響到厭氧區(qū)磷的釋放及缺氧區(qū)的反硝化過程。因此，懸浮態(tài)污泥齡（θc）的選擇和好氧區(qū)內(nèi)載體數(shù)量的確定不但要考慮硝化的增強程度，還要考慮懸浮態(tài)污泥濃度降低對反硝化脫氮和除磷的負面影響。采用雙Monod方程形式給出了兩相微生物的COD去除和NH3

8、-N硝化的經(jīng)驗動力學(xué)模式。該經(jīng)驗動力學(xué)模式中的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)之一，即和特定載體相關(guān)的附著態(tài)生物膜最大硝化速率（q*m,nitr,sp，mgN/塊載體/h）受液相中溶解性COD（SCOD）和NH3-N濃度影響和控制，可以用以下兩式來表示：q*m,nitr,sp=0.01[NH3-N]，(當(dāng)液相SCOD＜35mg/L時)；q*m,nitr,sp=0.163[16.42/16.42+(SCOD-35)]，(當(dāng)液相SCOD≥35mg/L時)。另

9、一關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)，即和特定載體相關(guān)的附著態(tài)生物膜最大COD去除速率(q*m,nitr,sp，mgN/塊載體/h)受液相中溶解性COD (SCOD)濃度控制，可用下式來表示(式中SCODn表示液相中不可生物降解的SCOD)：q*m,COD,sp=5.37(SCOD-SCODn)/31.33+(SCOD-SCODn)。
　　在復(fù)合式工藝中，由于附著態(tài)生物膜的存在，使附著型原生動物和后生動物在反應(yīng)器中富集，提高了系統(tǒng)的營養(yǎng)級水平;另一方

10、面，和懸浮態(tài)污泥相比，附著態(tài)生物膜的衰減程度較大，提高了系統(tǒng)的整體衰減程度。這二者是復(fù)合式工藝實現(xiàn)污泥減量的機理。在恒定的運行工況下時，系統(tǒng)中附著態(tài)生物膜的量越大，污泥減量程度越大。盡管附著態(tài)生物膜的非活性部分對底物去除沒有貢獻，但其可能會加大系統(tǒng)的衰減程度，實現(xiàn)污泥減量。對于復(fù)合式工藝，從減小污泥產(chǎn)率角度考慮，宜將懸浮態(tài)污泥齡（θc）控制在較高值，使液相COD濃度不大于保持穩(wěn)態(tài)生物膜所需的最小底物濃度(Smin)，這樣可以最大程度利用