基于ab法污水处理工艺功能升级试验研究 79页

'工学硕士学位论文AB法污水处理工艺功能升级试验研究STDUYONFUNCTIONALMODIFICATIONTESTOFA-BWASTEWATERTREATMENTPROCESS郭频哈尔滨工业大学2010年6月 国内图书分类号：TU992.3学校代码：10213国际图书分类号：628.3密级：公开工学硕士学位论文AB法污水处理工艺功能升级试验研究硕士研究生:郭频导师:陈志强副教授申请学位:工学硕士学科、专业:市政工程所在单位:市政环境工程学院答辩日期:2010年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex：TU992.3U.D.C.：628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTDUYONFUNCTIONALMODIFICATIONTESTOFA-BWASTEWATERTREATMENTPROCESSCandidate:GuoPinSupervisor:Asso.Prof.ChenZhiqiangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MunicipalEngineeringAffiliation:SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineeringDateofDefence:June,2010Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着经济和城市化的快速发展，人类面临着越来越多的环境问题，其中水污染程度的日益严重，尤其是由氮磷引起的水体富营养化程度问题引起了大家的重视。国家环保总局在2002年12月27日颁布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），新标准主要是对氮磷等典型污染物的排放进行了严格的要求。这对于不具有脱氮除磷功能的城市污水厂来说，就需要对其原始工艺进行功能的升级改造，使其达到脱氮除磷的目的，以便满足稳定达标排放要求。课题针对AB污水处理工艺本身脱氮除磷效果差的特点，出水不能满足新标准的问题，结合齐齐哈尔高寒地域情况，利用现有工艺设施，通过工艺优化、工艺改造与配套工艺等强化措施，提高污水厂的氮磷去除率和抗冲击负荷能力，以期为全国AB工艺类型污水处理厂的升级改造提供基础支持。本课题是实验室研究和现场研究的结合。实验室研究提出了多种技术改造方案，进行功能升级技术可行性研究，进而确定操作性强的现场改造方案；现场研究以实际水质为研究对象，同时结合现场试验条件，研究已确定的工艺改造路线的可操作性，为工程改造提供相关的参数。通过实验室研究发现，将AB工艺改造为A/O工艺，能达到倒置A~2/O的效果，但是在冲击负荷的条件下，系统具有不稳定性；利用AB工艺A段高负荷、抗冲击能力强的特点，局部改造B段具有可行性。而在齐齐哈尔南郊污水厂现场试验研究发现，将B段局部改造为A/O工艺效果优于O/A/O工艺，但是在低温条件下，不具有很好的处理效果。而通过在A/O工艺中的好氧段添加生物填料，结合BAF深度处理工艺，辅助化学除磷，能保证低温条件下水质的达标排放。因此，建议以AB法处理工艺为主的污水厂改造升级应采用将B段局部改造为A/O工艺。本课题的研究为AB法污水处理工艺的改造提供了工程对策，研究成果将有助于提高我国城市污水处理厂的处理能力和效率。关键词：AB工艺；功能升级；强化脱氮除磷；低温；生物强化；化学除磷-I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththeeconomyandtheurbanizationrapiddevelopment,mankindisfacedwithmoreandmoreenvironmentalproblems,increasingthedegreeofwaterpollution,especiallytheproblemofthedegreeofeutrophicationcausedbynitrogenandphosphoruscausedeveryone"sattention.StateEnvironmentalProtectionAdministrationonDecember27,2002promulgatedthe"MunicipalWastewaterTreatmentPlantPollutantEmissionStandards"（GB18918-2002）,thenewcriteriahaveastrictrequirementabouttheemissionofpollutantssuchasnitrogenandphosphorusandothertypicalcontaminants.Thisisforthosemunicipalwastewatertreatmentplantwhodonothavethefunctionofnitrogenandphosphorusremoval,youneedtoenhancedandupgradeditsoriginalfunctiontomadetheprocessreachtheobjectiveofnitrogenandphosphorusremovalinordertomeetthestabilitystandarddischargerequirements.ThissubjectaboutABwastewatertreatmentprocessthelessremovaleffectiveaboutnitrogenandphosphorus,theeffluentcannotmeetthenewstandards,combinedwiththeQiqiharcoldtemplate,makethefulluseofexistingtechnologyinfrastructure,throughprocessoptimization、processtransformationandthematchingprocessandotherstrengthenproject,toimprovethewastewatertreatmentplantnitrogenandphosphorusremovalandtheabilityofshockload,toprovidabasissupportfornationaltypeofA-Bprocessupgradingwastewatertreatmentplants.Thissubjectiscombinedwithlaboratorystudiesandfieldstudies.Laboratorystudiesproviedvarietyoftechnologicaltransformationprogramtostudythefeasibilityofenhancedfunction,thendeterminetheoperablereformprogram;Fieldstudiedwiththeactualwaterquality,combinedwiththeconditionoffieldtest,studiesthefeasibilityoftheidentifiedreformroute,providedparametersaboutengineeringtransform.Throughthestudiesoflaboratory,transformABprocesstoA/Oprocess,canreachtheeffectofinvertedA~2/O,butintheconditionofshockload,thesystemisunstable;useoftheA-stepcharacteristicsofhighloadandimpactresistanceaboutABprocess,localtransformationofB-stepisfeasible.ButstudiedofQiqihar-II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文wastewatertreatmentplantfieldtest,localtransformB-steptoA/OprocessisbetterthanO/A/Oprocess,butintheconditionofcoldtemperature,doesnothavegoodtreatmenteffect.AddedthebiologicalfiltermediatotheaerobicstepofA/Oprocess,combinedwithBAFadvancedtreatmenttechnology,auxiliarywithchemicalphosphorusremoval,toensurethatwatermadethedemandsinthecoldtemperature.Therefore,proposedlocaltransformB-stepintoA/OprocessbasedontheupgradeofABwastewatertreatmentprocess.ThestudyofthissubjectprovidedaengineeringtransformationmeasureforABWastewaterTreatmentProcess,theresultsofthisresearchwillhelpimprovetheremovalcapacityandefficiencyofurbanwastewatertreatmentplant.Keywords:A-B（Adsorption-Biodegration）process;functionalmodification;enhancednitrogenandphosphorusremoval;coldtemperature;;bioaugmentation;chemicalphosphorusremoval-III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要.....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II第1章绪论.........................................................................................................11.1课题研究背景和意义...................................................................................11.2国内污水厂功能升级改造...........................................................................21.2.1生物脱氮除磷技术及其发展................................................................21.2.2国内污水厂改造实例............................................................................41.3AB工艺简介.................................................................................................71.3.1AB工艺流程和原理..............................................................................71.3.2AB工艺特点..........................................................................................81.3.3AB工艺的应用......................................................................................91.4齐齐哈尔南郊污水处理厂存在问题............................................................91.4.1现阶段出现问题.................................................................................101.4.2问题分析.............................................................................................111.5本课题研究目的和内容.............................................................................121.5.1课题研究目的.....................................................................................131.5.2课题研究内容.....................................................................................13第2章试验装置和方法.....................................................................................142.1试验装置与运行工况.................................................................................142.1.1试验装置.............................................................................................142.1.2试验用水及污泥.................................................................................172.1.3试验运行工况.....................................................................................172.2试验测试方法............................................................................................182.2.1一般测试项目及方法..........................................................................182.2.2其它指标及测定方法..........................................................................18第3章实验室试验研究.....................................................................................203.1改造方案的探讨........................................................................................203.1.1ADMONT工艺....................................................................................213.1.2改造后的A/O工艺.............................................................................21-IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.1.3两段A/O工艺....................................................................................233.1.4充分利用A段特性，局部改造B段.................................................243.1.5深度处理（常规工艺后接气浮+BAF）组合工艺..............................283.2反应器的启动............................................................................................283.3优化运行AB工艺.....................................................................................293.3.1COD的去除效果.................................................................................303.3.2N的去除效果......................................................................................313.3.3TP的去除效果.....................................................................................323.4不同运行状态下去除效果分析.................................................................333.4.1COD的去除效果.................................................................................343.4.2N的去除效果......................................................................................353.4.3TP的去除效果.....................................................................................363.4.4不同工艺污泥活性分析......................................................................373.5冲击负荷对改造后工艺的影响.................................................................403.5.1冲击负荷对改造后的A/O工艺影响..................................................403.5.2冲击负荷对B段改造为A/O工艺的影响..........................................433.6本章小结....................................................................................................45第4章现场试验研究.........................................................................................474.1对比运行B段局部改造后的A/O和O/A/O工艺....................................474.1.1COD的去除效果.................................................................................484.1.2N的去除效果......................................................................................504.1.3TP的去除效果.....................................................................................514.2低温条件下B段改造为A/O工艺影响....................................................534.2.1低温条件对COD去除效果的影响....................................................544.2.2低温条件下对N的去除效果的影响..................................................554.2.3低温条件下对TP的去除效果的影响................................................554.3低温强化B段改造A/O工艺....................................................................564.3.1强化低温条件下COD去除效果........................................................584.3.2强化低温条件下N的去除效果..........................................................584.3.3强化低温条件下TP去除效果............................................................594.4本章小结....................................................................................................60结论....................................................................................................................61参考文献..............................................................................................................63攻读学位期间发表的学术论文及其他成果.........................................................68-V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.........................................................69哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.........................................................69致谢..................................................................................................................70-VI- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究背景和意义随着社会经济快速发展，城市化和工业化水平的快速提高，人类面临着越来越多的环境问题，水环境污染日益严重，由氮磷引起的水体富营养化的问题[1][2]尤其突出。水体富营养化不仅影响了水体环境，还严重破坏了生态平衡，危害人类健康，成为社会可持续发展的重要制约因素。因此严格控制污水厂出[3~4]水中氮磷的排放是当前非常紧迫的任务。表1.1城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)基本控制项目最高允许排放浓度(日均值)单位(mg/L)一级标准序号基本控制项目二级标准三级标准A标准B标准1化学需氧量(COD)5060100120①2生化需氧量(BOD5)10203060②3悬浮物(SS)102030504动植物油135205石油类135156阴离子表面活性剂0.51257总氮(TN)1520————8氨氮5(8)8(15)25(30)——2005年12月31日前11.535总磷建设的9(TP)2006年1月1日起建0.5135设的10色度（稀释倍数）3030405011pH6-912粪大肠菌群数(个/L)10001000010000——注：①下列情况下按去除率指标执行：当进水COD大于350mg/l时，去除率应大于60%；BOD5大于160mg/L时，去除率应大于50%。②括号外数值为水温>12℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12℃时的控制指标。鉴于氮磷污染的日趋严重的现象，为保护水环境，鉴于氮磷污染的日趋严重的现象，为保护水环境，国家环保总局在2002年12月27号颁布了《城镇1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，如表1.1所示，对污水厂氮磷的排放标准提出了更高的要求，并于2003年7月1日正式实施。我国很多地方污水厂都是以传统污水处理工艺为核心，以污水综合排放标准二级排放标准为排放目标，均不能满足新标准的排放要求。与以前颁布的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)相比较，新标准主要在氮磷等典型污染物的排放上进行了严格的要求，这些不具备氮磷稳定去除的污水厂需要结合自身工艺特点进行功[5]能升级改造，以满足新标准要求。不同类型的城市污水处理厂需要结合其自身工艺特点进行技术改造。就[6]AB工艺而言，由于其具有抗冲击能力强等特点，在我国广泛应用，青岛、淄博、泰安、上海、深圳、乌鲁木齐等地污水厂都采用了AB污水处理工艺。建造初期，这类污水厂仅需满足二级标准排放，自身对氮磷的去除具有缺陷[7~8]性，不具备深度处理条件，不能满足新标准排放要求。因此，本课题以AB工艺为研究对象，通过对齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺进行功能升级改造，强化对氮磷等典型污染物的去除，使其满足国家环保部对城镇污水处理厂的新排放标准，研究成果将为全国AB工艺类型污水处理厂的升级改造和水环境质量的提高提供基础支持。1.2国内污水厂功能升级改造污水厂功能升级改造的关键是氮磷的稳定去除，而氮磷主要是依靠生物作用去除，当生物作用无法满足要求同时可结合物理和化学作用完成对污染物的进一步去除，因此污水厂在改造过程中必须结合脱氮除磷工艺来完成功能的升级。1.2.1生物脱氮除磷技术及其发展污水生物脱氮的过程实际是将氮在自然界中循环的基本原理应用到污水生物处理过程中，同时借助不同微生物间的相互协调作用以及合理的条件控制将[9]污水中含氮的有机物由微生物分解，经过氨化、硝化和反硝化过程，最终转化成N2从液相中释放。在生物脱氮过程中，自养硝化菌在大量有机物条件下，对氧气与营养物的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；反硝化菌以有机物作为电子供体，而有机物的存在影响硝化反应的速度；硝化反应与[10]反硝化反应对DO浓度的需求差别不大。所以硝化菌和反硝化菌的不同要[11~12]求导致了硝化和反硝化两个过程在时间和空间上难以统一。[13]-生物脱氮作用的正常进行，必须具备以下几个条件：①存在NO3或2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-NO2；②缺氧环境；③存在兼性细菌菌群；④适宜和适量的电子受体（碳源）。3—污水中的磷主要以磷酸盐(PO4P)和有机磷等形式存在。随着污水进入生化反应系统以后，磷只有两种出路：一是被微生物吸收入细胞内随着剩余污泥[14]排放；另一个是以磷酸盐形式随水排出。所以高效除磷的前提是提高剩余污泥中的含磷量，从而减少出水中磷的浓度。研究表明，在厌氧和好氧交替运行的条件下，某些微生物能够比普通的活性污泥高3~7倍的水平摄取积累或[19]释放出磷，这类微生物被称为聚磷菌(PAO)。活性污泥中的PAO在好氧和厌氧交替条件下运行时，在好氧条件下将PHB降解以提供从污水中过量的摄取磷的能量，完成聚磷的过程；而在厌氧条件下，PAO将其细胞内的有机磷转化为无机磷释放，同时利用在此过程中产生的能量将水中的溶解性有机基质[2][15][16][17][18]合成PHB。DO、碳源、污泥龄、pH和温度又是制约生物除磷的[20]主要因素。在传统脱氮除磷工艺的基础上也形成了一些新的脱氮除磷新理论和工艺[21]，这些新理论分别从不同点出发解决了对氮磷的去除。如脱氮的短程硝化[22~23][24]反硝化(shortcutnitrification-denitrification)中的SHARON工艺、[25~27]OLAND工艺；同时硝化反硝化(simultaneousnitrification-denitrification-[28~29]SND)技术；厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation)中的SHARON-[30][31]ANAMMOX工艺、CANON工艺。而反硝化除磷工艺中的Dephanox工[32][33]艺、A2N-SBR工艺、BCFS工艺和生物膜反硝化除磷脱氮工艺都能够反硝化的同时去除磷。当生物除磷不能满足出水磷的排放要求时，只有通过投加化学药剂辅助生物除磷，以满足出水磷的排放要求。化学除磷是指向污水中投加药剂,分散的颗粒在液相中相互作用，药剂与水中溶解性的磷酸盐通过化学作用生成不溶性[34]磷酸盐沉淀物,然后通过剩余污泥的排放将富磷的沉淀物从污水中去除。根据化学药剂投加点的不同，可分为：前置沉淀、协同沉淀和后置沉淀三种类型。[35]化学除磷的特点是1)操作简单，除磷稳定，耐冲击负荷（即使当进水浓度较大或生物除磷有一定波动时），仍有较好的除磷效果。2)不受温度的影响，当低温情况下，生物除磷效果变差的时候，化学除磷仍然能保证磷的去除。3)不会出现生物除磷可能二次释磷情况。4)投加药剂浓度较大，运行成本大于生物除磷。3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5)产生的剩余污泥由于含水率大，以至于后期脱水困难，污泥难以处理，容易造成二次污染。因此在污水厂升级改造过程中应该结合自身条件和脱氮除磷技术的发展协同完成。1.2.2国内污水厂改造实例[37]污水厂的升级改造目标是增加处理规模、提高处理标准和处理效率、[38]降低日常运行成本。在改造的过程中还应该遵循以下原则：1.改造后的工艺能够满足新标准处理水质的要求；2.工艺运行可靠，且具有灵活性；3.尽量利用现有的构筑物，使改造投资小；4.布置紧凑，合理利用空间；5.在改造过程中尽量不对现有工艺的运行产生影响。应充分挖掘自身处理效能，通过适当的改建以达到改造工艺的目标，其次才考虑污水厂的扩建。我国对城镇污水处理厂的升级改造主要是针对以传统污水处理为核心的二级生物处理工艺，达到新标准的排放要求，尤其是对氮磷的去除。改造的技术策略主要是在原有二级生物处理的基础上强化脱氮除磷，结合经典脱氮除磷工艺，改变运行状态和配套强化措施。一般是采用将原工艺改造为A/O、A~2/O、UCT、氧化沟、生物膜等工艺为主体，当碳源不足时配合初沉池污泥水解和回流污泥内源反硝化等措施强化生物脱氮除磷。或在原工艺沉淀出水后通过混凝过滤、曝气生物滤池(BAF)、臭氧超滤等深度处理工艺强化氮磷污染物的去除。也可通过微生物强化技术完成对氮磷的去除，当短泥龄的反应器中[36]硝化菌不能正常生长，影响脱氮效能的时候，Peter.Kos提出了通过向曝气池中投加富集的硝化菌的方法，使硝化细菌在污泥中富集，使以短泥龄运行的曝气池在能够发生硝化反应，强化对氮的去除。在生物作用的条件下不能达到去除效果的时候，需要辅助物理和化学方法，使改造后的工艺出水满足新排放标准。旧水厂氮磷的排放都不能满足新标准，因此污水厂功能升级改造已经是必须解决的问题，以下是国内部分污水厂改造实例。1.2.2.1复合工艺在改造中的应用复合工艺是指在同一主反应区内，结合不同工艺的特点，协同完成对污染物的去除。如在生化反应区中局部投加生物填料，使部分微生物附着在载体上，生化区中的生物量由附着态和悬浮态组成，形成了一个更复杂的复合式生态系统。这样就提高原生化池中生物量，降低污泥负荷，使系统具有更强的硝化能力，不会对氮磷的去除过程中所需碳源造成负面影响，能够充分利用原污4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文水中的碳源，载体表面的生物膜与液相中的悬浮污泥各自发挥其降解优势，这种双泥系统比活性污泥法系统具有更强的抗冲击负荷能力，不易发生污泥膨胀，所以在改造过程中被广泛应用。天津纪庄子污水处理厂建于1984年，是我国最早的大型污水处理厂，采用传统活性污泥处理工艺，建造设计要求二级排放标准，为了使出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准B标准的要求，所以需要在原工艺上进行升级改造。改造后的工艺是将原活性污泥处理工艺改为A/O生物脱氮工艺，且在好氧段投加生物填料，辅助化学除磷。将原二级生化处理系统改造为A/O+同步硝化反硝化+化学除磷工艺。当碳源不足的时候，通过分段进水的方式补充碳源，完成对氮磷的去除，使出水满足排放要求。[39]纯锦污水处理站位于东营市纯梁社区，原处理工艺为普通活性污泥工艺，由于污水排放标准的提高，故对其进行功能升级改造。由于投料生物氧化法系统比活性污泥法系统具有更强的抗冲击负荷能力，不易发生污泥膨胀，所以在原生化处理构筑物中添加生物填料提高容积负荷，另外新建缺氧段，形成A/O脱氮工艺，同时考虑生化单元在生物除磷上的局限性，辅助化学除磷，保证改造后的出水达标排放。[40]营口市污水处理厂原处理工艺采用传统活性污泥工艺，通过将原曝气池划分为厌氧段、缺氧段以及好氧段，以A~2/O形式运行，在好氧段中投加具有生物活性改性悬浮填料，增加好氧池中的生物量，使该池成为同时具备活性污泥法和生物膜法的双重作用复合生物处理工艺，即厌氧-缺氧-移动床生物膜反应器(A/A/MBBR)工艺，使其在去除有机污染物的同时具备脱氮除磷的能力，使出水满足作为中水水源的要求。[41]43无锡芦村污水处理厂日处理20*10m/d，采用A~2/O活性污泥工艺，由于经济的快速发展，环境保护要求逐渐提高，使得污水处理厂的排放标准进一步提高，原工艺满足一级B排放标准，现要求改造后的工艺满足一级A排放标准，故需要进行功能升级改造。通过向好氧段中投加悬浮填料，形成复杂[42]的复合式生态系统，强化了硝化作用。在不同水温条件下改变运行方式，在夏季运行中，由于碳源的不足，将A~2/O工艺改变为倒置A~2/O工艺运行；冬季运行中，在厌氧池前增加缺氧池，将A~2/O工艺改变为改良型[43]A~2/O工艺。为了弥补生物除磷的不足，降低出水磷的含量，辅助化学除+磷，使改造后的工艺出水TN、COD、NH4-N、TP和SS浓度均满足《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(江苏省地方标准DB321072-2007)标准。5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.2.2联合工艺在改造中的应用联合工艺是指在不同的反应区各自完成对污染物的去除。在原工艺改造的基础上仍然不能稳定去除污染物，如A~2/O工艺不能解决污泥龄矛盾，不能稳定的去除氮磷污染物，可考虑联合利用具有各自优势且不相互影响的工艺去除污染物，完成工艺的升级改造。[44]上海曲阳污水处理厂原采用传统活性污泥工艺，由于污水排放标准的要求提高，污水厂必须通过功能的升级改造的手段满足污水排放标准。上海曲阳污水处理厂将原传统活性污泥工艺改为A~2/O短泥龄活性污泥处理和BIOSMEDI曝气生物滤池相结合的新型脱氮除磷工艺，简称“双污泥脱氮除磷工艺”(PASF)双污泥处理系统。由于脱氮和处理对污泥龄和DO的要求不同，如果仅靠A~2/O工艺完成氮磷的去除，必须选择合适的污泥负荷和污泥龄，但是合适的污泥负荷和污泥龄并一定能满足高效的去除效果。该工艺的核心是该工艺的核心是在两个污泥系统中，分别提供适合聚磷菌和硝化菌的最佳生长环境，解决聚磷菌和硝化菌的泥龄矛盾，解决回流污泥中硝态氮对释磷的影响。前一阶段利用短泥龄特点，完成对磷的去除和部分反硝化。后一阶段采用生物膜处理工艺，由于前段的活性污泥泥龄短，以至于硝化效果不充分，后一阶段采用生物膜，培养自养硝化细菌，以确保出水氨氮达到排放要求。在改造过程中，在原有的活性污泥法的情况下，没有增加产地，同时还减少了一座初沉池，增加了用地面积，再辅助一些设备改造、除臭等措施。改造后A~2/O和BAF联合工艺使出水满足一级B排放标准，符合改造要求。43江苏省宜兴市清源污水厂，采用A~2/O工艺，设计流量为5*10m/d，出[45]水达到一级B排放标准，2007年根据太湖流域环境治理要求，污水处理厂的出水必须满足一级A标准，所以对污水厂进行功能升级改造处理，强化脱氮除磷，增加深度处理内容。升级改造方案将通过添加深度处理工艺使出水满足达标要求。将原A~2/O工艺二沉池出水后的消毒接触池改造为平流式微絮凝反应池，新建三套转盘式微过滤器和消毒设施，通过改造后的生产运行，可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A标准，满足中水回用或出水引入稀释能力较小的河湖作为城镇景观用水的要求。部分污水处理厂则是利用保留原始工艺的基础上，通过联合其它工艺作用使出水达到排放要求。如唐山西郊污水处理厂利用添加曝气生物滤池去除氮，通过化学除磷去除磷，然后通过纤维滤池过滤达到SS的去除。使出水满足改造要求排放。6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.2.3其它工艺的改造A~2/O工艺是最经典的脱氮除磷工艺，一般的生物脱氮除磷工艺的发展都是起源于A~2/O工艺，其明显的优势是故意流程短，脱氮除磷效率比较高。[46]萧山区污水处理厂原工艺采用HCR（高效生化反应塔）工艺，通过将原初沉池和HCR反应塔改造为缺氧池，在原初沉池前新建厌氧池，在HCR反应塔后新建容积适宜的好氧池，添加回流装置，将原工艺改造为A~2/O工艺，使出水达标排放。当生物作用不能达到改造要求的时候，需要辅助物理化学作用，如当氮的去除效果能满足要求，而磷的去除不能达到改造要求的时候，需通过辅助化学除磷的方法满足磷的排放；或者当高浓度的工业废水由于厌氧和好氧联用工艺处理后的出水生化性较差，可通过高级氧化等技术进行强化去除。1.3AB工艺简介AB工艺是吸附-生物降解(Adsorption-Biodegradation)工艺的简称。这项污水生物处理技术是德国亚琛(Aachen)工业大学卫生工程学院的BothoBohnke教授为解决传统二级生物处理系统，即预处理→初沉池→曝气池→二沉池，在解决去除难降解有机物和脱氮除磷效率低及投资运行费用高等问题，和在两段活性污泥法(Z-A法)和高负荷活性污泥法进行大量研究的基础上，于20世纪70年代中期开发、80年代初开始应用于工程实践的一项新型污水生物处理工[5-7]艺。1.3.1AB工艺流程和原理AB工艺属于两段活性污泥法，将整个工艺分为两段，即A段和B段。A段为吸附段，B段为生化降解段。其工艺流程如图1.1。进水出水A曝气池中沉池B曝气池二沉池A段污泥回流B段污泥回流剩余污泥剩余污泥A段B段图1.1AB工艺流程7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AB工艺的工作原理是充分利用其微生物种群的特性，在A段和B段负荷相差太大和设置单独的回流系统的条件下，根据微生物生长和繁殖规律，分别为其适应的菌群创造适宜的环境，使不同的种群得到良好的增殖，以提高处理[5]污水的效能，从而保证了AB工艺中各段生物相的稳定性。AB工艺对污染物的去除主要是以物理化学作用为主导的吸附功能，A段曝气池通常在高负荷2kgBOD5/(kgMLSS·d)~6kgBOD5/(kgMLSS·d)、兼氧条件下运行，而水力停留时间(HRT)通常只有30~40min，污泥龄为0.3~0.5d，同时由于AB工艺没有初沉池，而城市污水中含有大量的微生物，直接进入A段以后，由A段中原有的菌胶团的诱导作用下絮凝在一起，从而使A段中的污泥具有极强的吸附能力和很好的沉降性。由于A段污泥龄较短，所以A段产泥量大，大约占整个AB工艺污泥总量的80%左右。同时实践表明，AB工艺的A段对于水质(T、pH和有毒物质)及水量的冲击负荷有很大的适应和缓冲[47~48]作用。AB工艺A段通过吸附作用去除大量有机物为B段的运行创造了良好的水利条件，B段的运行的污泥负荷低于常规活性污泥法，通常为0.15kgBOD5/(kgMLSS·d)~0.3kgBOD5/(kgMLSS·d)，好氧条件下运行，水力停留时间(HRT)为2~4h，污泥龄较长(一般为15~20d)。B段曝气池和活性污泥法运行方式相似，接受A段的处理水，水质和水量都比较稳定，冲击负荷对B段没有影响，使B段的功能充分发挥，B段主要功能是去除有机污染物。B[8]段的产泥量较于A段少很多，大约占整个AB工艺污泥总量的20%左右。B段各项功能的发挥都是以A段正常运行作为首要条件的。1.3.2AB工艺特点AB法的特点是针对活性污泥中细菌和原生动物等组成的复合生物群对水质变化和冲击负荷的承受能力较弱，且易发生污泥膨胀等问题，人们提出了Z-A两段活性污泥法，其主要特点是设有初沉池，使得第一段细菌占优势，污泥负荷小于2kgBOD5/(kgMLSS·d)；第二段中原生动物占优势，污泥负荷小[6]于0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)，实现菌种相对独立。因此AB工艺具有稳定的污染物去除效果，同时具有抗击冲击负荷作用。AB工艺的优点是A段污泥负荷高，抗冲击负荷能力强，特别适合于高浓度，水质波动大的废水，且去除效果强于常规活性污泥法。其主要缺点是A段产泥量大，且含水率高，不易脱水，而且不具有深度脱氮除磷功能，出水水质不能满足排放新标准。8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AB工艺与常规活性污泥法处理工艺相比显著的不同点是：1.不设初沉池；2.A段和B段分别设有独自的污泥回流系统，互不干扰；3.A段和B段分别在不同的高低负荷条件下运行。1.3.3AB工艺的应用AB工艺起源于德国，由于AB工艺具有稳定的去除有机污染物效果、抗冲击负荷作用以及低成本运行等优点，并很快在欧洲得到了广大的推广，1995年，我国第一座AB工艺在青岛海泊河污水处理厂正式投产运行，随后淄博、泰安、深圳、乌鲁木齐等地也根据各自的实际情况分别选择引进了AB污水处理系统工艺。表1.2和表1.3所列为欧洲部分国家和国内已运行的AB工艺污[5]水处理厂的数量和处理规模情况。表1.2国外部分AB工艺污水处理厂情况国家污水处理厂数量（座）处理人口当量德国345000~1570000荷兰360000~470000奥地利2350000~470000丹麦137000希腊1100000捷克1120000南斯拉夫11600000表1.3国内部分AB工艺污水处理厂情况3污水处理厂处理规模(m/d)备注青岛海泊河污水处理厂80000一期，工业废水占60%淄博污水处理厂140000一期，工业废水占85%泰安市污水处理厂50000——上海市嘉定污水处理厂200000扩建，工业废水占85%上海市松江污水处理厂68000改造扩建，工业废水占70%乌鲁木齐市河东污水处理厂200000工业废水占40%滕州市污水处理厂80000利用德国政府捐赠建设1.4齐齐哈尔南郊污水处理厂存在问题齐齐哈尔南郊污水处理厂位于黑龙江省齐齐哈尔市齐富公路南侧，于9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2000年建立，除主厂区外，前面半包围状有大型氧化塘。污水处理厂主体采43用吸附-生物降解(AB)工艺，设计处理水量为10m/d，该工艺将曝气池分为高低负荷两段，A段和B段拥有各自独立的沉淀和污泥回流系统，因此有各自独特的微生物种群，有利于系统功能的稳定。高负荷段(A段)停留时间约20~40min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50%以上，中沉池水力停留时间为2h。B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长，B段停留时间为5.1h，二沉[3]池为2.5h。AB法A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB法具有很好适用性的，并有较高的节能效益。AB法工艺中的主要处理构筑物有：A段曝气池、中间沉淀池、B段曝气池和二次沉淀等，通常不设初次沉淀池，以A段为一级处理系统。A段和B段拥有各自独的污泥回流系统，因此有各自独特的微生物[4]种群，有利于系统功能的稳定。1.4.1现阶段出现问题（1）进水温度过低齐齐哈尔市地处北方寒冷地带，冬季漫长严寒，冰冻期平均为195天，极端最低气温-42.2℃。城市污水的最低进水温度达到4℃，而且持续时间长达一个月之久。因此，在低温状态下保持污水生物处理的正常运行和处理出水的稳定达标排放，是非常重要的技术难题。而且，冬季为嫩江冰封期，江水断面流量极小，水体自净能力很低，这更需要严格保证污水处理的正常运行和处理出水的稳定达标排放。（2）进水水质波动过大齐齐哈尔南郊污水处理厂设计进水水质为BOD5≤200mg/L，CODcr≤400mg/L，SS≤180mg/L，氨氮≤40mg/L，TP≤3.5mg/L。通过近几年的实际监测数据表明，实际进水情况基本符合设计进水水质要求，但是实际进水的水质波动非常大，如图1.2为某日齐齐哈尔南郊污水处理厂细格栅处COD变化情况，每月均有部分时间的进水水质远远大于设计值，甚至达到2～3倍，对污水厂的冲击影响较大，严重影响了污水厂的稳定运行。所以需要污水厂增强运行的安全保障措施，能够有效应对冲击负荷，保证污水处理的稳定运行和处理出水的达标排放。10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文800700600500400300COD(mg/L)20010000:001:002:003:005:006:007:008:009:0018:0019:0020:0021:0022:0023:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00时间（h）图1.2齐齐哈尔南郊污水处理厂某日内细格栅COD变化情况（3）除磷脱氮功能较低污水厂的原设计工艺为AB工艺，排放标准为国家二级排放标准，通过对污水厂总出口长期监测表明，污水厂出水氮、磷长期不达标，磷超标高达2倍以上，总氮超标1.5倍以上。（4）日处理量不达标根据设计要求，齐齐哈尔南郊污水处理厂日处理量设计值为4310×10m/d，但是现阶段污水处理水量达不到设计要求，当进水量超过438×10m时，污水处理效果大幅度下降，污泥性状转差，出水不达标率升高，在满足出水要求的情况下，不能满足设计水量要求。（3）冬季运行跑泥现象严重43每年11月到第二年3月，日处理6~8×10m/d时，发生污泥膨胀现象，表现出来的主要特征有：污泥结构松散，质量变轻，沉淀压缩性能差；SV值增大，有时达到95%以上，SVI达到500以上；大量污泥流失，出水浑浊；二次沉淀难以固液分离，回流污泥浓度低，有时还伴随大量的泡沫的产生，无法维持生化处理的正常工作。污泥膨胀是生化处理系统较为严重的异常现象之一，它直接影响出水水质，并危害整个生化系统的运作。在污泥膨胀期间，出水超标现象严重。1.4.2问题分析1．进出水设计水质与实际水质有一定差距通过对进入污水厂的污水长期调查测量分析，发现污水厂进水水质与设计11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文水质有一定差距，主要表现在：1.进水SS、BOD5、COD偏高；2.原设计中对氨氮、磷没有要求，而现阶段进水氮磷指标比一般城市污水厂偏高。另一方面，随着环保要求的不断提高，现阶段污水厂排放执行城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中二级标准，出水水质要求比当时设计出水要求有所提高。具体比较见下表1.4。由于进水水质的恶化和出水要求的不断提高，现有污水厂无法满足设计负荷要求。表1.4设计水质和实际水质比较(mg/L)项目设计进水要求实际进水平均值设计出水要求现出水要求SS2203053030COD400420120100BOD52002503030+NH4-N——55——25(30)TP——————32．原有鼓风机风量不足3污水厂现有三大一小四台风机，其中三台大风机风量为：130m/min，小3风机风量为65m/min；现阶段运行方式为小风机向A段供气，两台大风机向B段供气。通过现场监测，A段溶解氧量为0.05mg/L，B段溶解氧为0.15mg/L，与设计值(A段0.5mg/L，B段2.0mg/L)相差甚大。溶解氧不足导致处理效果低下，容易使污泥解体，造成出水水质混浊，各项指标超标。风机风量不足限制了污水处理量，危及出水水质。3．污泥脱水现有污水厂污泥脱水装置由于带式脱水机脱水能力不足、PAM种类及投加量等原因不能满足污水厂剩余污泥脱水要求，致使污泥回流比较大，系统内污泥浓度升高。污泥浓度过高，耗氧速率随之上升，容易产生溶解氧不足和缺氧现象。沉淀池负荷也超过设计参数，容易造成污泥流失，导致出水水质恶化，运行失败。同时由于污泥脱出水中含有大量剩余污泥及药剂，此类污水回到系统中，造成污水进水负荷提高，处理效果降低。1.5本课题研究目的和内容本课题以齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺的运行优化与设施改造为基础，拟为全国AB工艺类型污水处理厂的升级改造提供基础支持。12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.5.1课题研究目的本课题结合齐齐哈尔高寒地域情况和现有污水处理工艺存在的问题，最大限度的利用污水厂现有工艺设施，通过工艺优化、改造与配套强化措施，开发出冰封期变负荷废水处理集成技术系统，提高废水厂氮磷去除率和抗冲击负荷能力，完成传统活性污泥工艺废水厂的功能提升。1.5.2课题研究内容通过实验室提出方案进行方案探讨，分析可行性方案，结合污水厂二期(BAF)工艺和实际水质条件，解决低温条件下齐齐哈尔南郊污水厂处理效果，使出水达标排放，完成污水厂功能提升。本课题是实验室研究和现场试验研究的结合，主要内容包括：1)实验室研究阶段：提出多种技术改造方案，通过实验室研究进行可行性，进而确定操作性强的现场改造方案。2)现场试验研究阶段：以实际水质为研究对象，通过现场试验，探讨已确定的优化工艺改造路线的可操作性，结合水厂二期工程，建立冰封期变负荷废水处理强化脱氮除磷技术工程示范，为工程改造提供相关参数支持。通过现场试验研究，确定满足齐齐哈尔南郊污水厂实际条件的最优的工艺改造路线，同时满足冰封期水质排放要求。13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章试验装置和方法2.1试验装置与运行工况2.1.1试验装置本试验所用反应器为小试规模，由聚氯乙烯塑料制作，水力条件完全模仿齐齐哈尔南郊污水厂的实际运行条件。由于A池体积较小，故设计成圆柱状，D=10cm，H有效=40cm；中沉池D=20cm，H有效=50cm；B池为曝气池，体积为15*60*36cm，分为6个廊道；二沉池D=25cm，H有效=45cm。设计进水流量在120L/d，水利停留时间(HRT)分别控制为A池为0.81h，中沉池2.0h，B池5.1h，二沉池为2.5h。进水、排水、回流污泥采用蠕动泵控制，人工手动排泥，曝气采用增氧泵，通过气体流量计控制曝气量。AB工艺试验装置见下图2.1。6出水4235711089图2.1AB工艺试验装置示意图1.进水水箱2.A曝气池3.中沉池4.B曝气池5.二沉池6.进水泵7、10.气泵8、9.污泥回流泵图2.2为实验室研究阶段的在原始AB工艺基础上改进后的A/O工艺试验装置，即关闭A段曝气装置，在A池和中沉池内设置机械搅拌装置，同时关闭A段污泥回流，将B段二沉池污泥和好氧池尾端污泥回流至缺氧池A1，调整后对应的体积不发生改变。14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文64出水2537918图2.2改进后的A/O工艺1.进水水箱2.缺氧池A13.缺氧池A24.B段曝气池5.二沉池6.进水泵7、8.污泥回流泵9.气泵图2.3为实验室研究阶段的在AB工艺基础上局部改造B段后的A+A/O工艺试验装置，该工艺是在传统AB工艺保留A段短污泥龄、高效去除有机物特点的基础上，局部改造B段为A/O工艺，关闭B段的前2个廊道曝气装置，增加机械搅拌改为缺氧环境，同时增加一组回流系统，将好氧池末段污泥回流至缺氧池前端，调整后对应的体积不发生改变。1386出水2374591111012图2.3改进后的A+A/O工艺1.进水水箱2.A曝气池3.中沉池4.缺氧池A15.缺氧池A26.B曝气池7.二沉池8.进水泵9、11.气泵10、12、13.污泥回流泵图2.4为现场试验阶段的局部改造B段为A/O工艺+BAF深度处理工艺的试验装置。BAF小试装置设计流量为24L/d，BAF水力停留时间为1.5h。即停止运行A段，运行改造后的B段，同时在二沉池出水后连接BAF进行深度处理。15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文974出水523681101112图2.4B段改进后A/O+BAF组合工艺试验装置图1.进水水箱（中沉池出水）2.缺氧池A13.缺氧池A24.好氧池5.二沉池6.BAF7、11.进水泵8、12.气泵9、10.污泥回流泵图2.5为现场试验阶段的局部改造B段为O/A/O工艺+BAF深度处理工艺试验装置。停止运行A段，将第二廊道曝气装置关闭，增加机械搅拌装置使其为缺氧环境，同时增加一组回流系统，将好氧段末段污泥回流至缺氧段前端，同时在第一廊道内增加容积比为30%的生物填料，强化生物处理，二沉池后连接BAF进行深度处理。9724出水53681101112图2.5B段改进后O/A/O+BAF组合工艺试验装置图1.进水水箱（中沉池出水）2.好氧池13.缺氧池4.好氧池25.二沉池6.BAF7、11.进水泵8、12.气泵9、10.污泥回流泵图2.6为现场试验阶段的在局部改造B段为A/O工艺+BAF深度处理工艺B段好氧段局部投加生物载体的试验装置。通过在B段改造为A/O工艺的好氧段添加体积的30%的生物载体，构成活性污泥和生物膜复合式工艺，使部分微生物附着在载体上。16 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文974出水523681111012图2.6B段生物强化后的A/O+BAF组合工艺试验装置图1.进水水箱（中沉池出水）2.缺氧池A13.缺氧池A24.好氧池5.二沉池6.BAF7、11.进水泵8、12.气泵9、10.污泥回流泵2.1.2试验用水及污泥实验室阶段试验用水取自由哈尔滨工业大学二校区教工生活区的实际生活污水和人工配水混合而成，人工配水的碳源由工业蔗糖提供，氮源由NH4Cl提供，磷源由KH2PO4提供，加入适量的NaHCO3、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O调节水质。最后混合后的污水中主要水质指标为：CODcr+200~400mg/L，NH4-N40~60mg/L，TP2~5mg/L。接种污泥取自哈尔滨太平污水处理厂沉淀池回流污泥。后期现场试验阶段，污水取自齐齐哈尔南郊污水处理厂实际污水，接种污泥取自B段回流污泥。2.1.3试验运行工况为了更好的满足齐齐哈尔AB工艺升级改造要求，本部分实验内容分为四部分：1.实验室初步试验阶段为通过优化运行AB小试反应装置，模拟齐齐哈尔南郊污水处理厂运行工况。2.提出可行性的改造方案思路，通过将AB工艺改造为A/O工艺以及B段局部改造为A/O工艺，通过试验研究分析改造后的方案处理效果，同时考虑冲击负荷条件下对改造后的工艺的影响，得到符合齐齐哈尔南郊污水厂现场改造的初步改造思路。1)在实验室初步试验分析的基础上，局部改造B段，将B段改造为A/O和O/A/O工艺，通过结合现场试验条件运行反应器，对初步改造思路17 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文进行论证。2)探讨在低温条件下，改造后的工艺处理效能，增强低温条件处理效果，得出最终稳定的改造方案。2.2试验测试方法2.2.1一般测试项目及方法[49]本试验水质测试为一般项目的测试方法，根据国家环保局编写的《水和废水监测分析方法》（第四版）中规定的标准方法进行分析检测，部分采用进口的分析仪器测定。具体的分析项目和方法见表2.1。表2.1常规水质指标、分析方法及设备分析项目分析方法设备CODCr重铬酸钾法COD消解仪MLSS、SS烘干称重法烘箱、电子分析天平MLVSS烘干称重法马弗炉SV%30min静沉数量筒pH玻璃电极法WTWpH3210便携式pH计DO、T膜电极法WTW330i手提溶氧测试仪+NH4-N钠氏试剂分光光度法722可见分光光度计-NO2-NN-（1-萘基）-乙二胺光度法722可见分光光度计-NO3-N麝香草酚法722可见分光光度计TN过硫酸钾氧化-紫外分光光度法T6新世纪紫外可见分光光度计TP过硫酸钾消解－钼锑抗分光光度法722可见分光光度计2.2.2其它指标及测定方法污泥活性、硝化菌活性及亚硝化菌活性测定：JonnaSurmacz-Gorska等在1996年提出通过测定耗氧速率来计算活性污泥分解有机物的活性及硝化活性。该方法首先测定活性污泥的总耗氧速率，计算得到活性污泥的总活性。然后通过添加硝化反应的抑制剂，使污泥的硝化过程受到抑制，此时测定的活性污泥的耗氧速率即为活性污泥氧化有机物的活性，而两者之差即为活性污泥的硝化活性。试验采用的抑制剂是NaClO3和ATU（丙烯酸硫脲）。NaClO3会迅速对硝化细菌产生抑制作用，ATU则会迅速抑制亚硝酸细菌的活性。测定装置：污泥活性测定的关键是测定活性污泥混合液在分解基质的过程中溶解氧的变化。活性测定的试验装置由四个部分组成，如图2.7所示。18 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文其中，反应瓶的体积是事先经过校正的，反应瓶的瓶口与溶解氧仪之间须保证良好的密闭特性。磁力搅拌器用于保证污泥混合液与基质良好的混合与反应。3241图2.7污泥活性测定装置示意图1—磁力搅拌器；2—反应瓶；3—溶解氧仪探头；4—记录仪测定步骤：1.首先，取一定量的污泥样品置于事先经过标定的锥形瓶中。静置沉淀2小时后，弃去上清液。2.按最终需要达到的浓度在反应瓶内加入相应的基质溶液到规定的体积。基质组成考虑尽量与进水水质相接近，100mg/L葡萄糖+20mg/LNH4Cl+20mg/LNaNO2。3.将锥形瓶放在磁力搅拌器上开始搅拌一分钟，使锥形瓶中的溶解氧达到饱和。然后将溶解氧探头置入锥形瓶内，并使锥形瓶口密封好，开始计时，并同时记录溶解氧随时间的变化。此时得到的耗氧速率即污泥的总耗氧活性。4.当溶解氧浓度降到3mg/L左右时，加入20Mm(2.11g/L)的NaClO3以抑制硝酸细菌的活性。然后，再次测量溶解氧随时间的变化。污泥总耗氧活性与该耗氧速率之差即为污泥的硝酸细菌的耗氧活性。5.最后，当溶解氧浓度降到2mg/L左右时，加入5mg/LATU以抑制亚硝酸细菌的活性，并测定溶解氧随时间的变化。4中得到的耗氧速率与该耗氧速率之差即为亚硝酸细菌的氧化活性。综合4、5中的结果，可以计算出污泥的总硝化活性。19 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章实验室试验研究随着经济和城市化的快速发展，水污染程度的日益严重，由氮磷引起的水体富营养化程度问题日益受到重视。同时国家颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对出水的氮磷等指标的浓度做出了严格的限制。这就要求污水厂在满足有机物的去除的同时必须具备脱氮除磷的功能，即不具备脱氮除磷功能的城市污水处理厂通过对原始工艺进行功能升级改造，以达到脱氮除磷的目的。实验室试验研究是通过调查基础资料，提出多种技术改造方案思路，通过实验室试验分析改造方案思路的可行性，进而确定操作性强的现场改造方案。模拟齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺，设计试验装置二套，通过试验研究掌握现有工艺除污染能力及在现有工艺的基础上改变运行方式强化污染物，使出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准，同时考虑冲击负荷对改造后的工艺影响，为废水厂优化工艺改造提供技术参数。3.1改造方案的探讨由于齐齐哈尔AB工艺不具备脱氮除磷条件，而污水厂排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B排放标准，原工艺不具有这种条件，故需通过功能升级改造以达到其排放要求。结合齐齐哈尔高寒地域情况和现有污水处理工艺存在问题，最大限度利用污水厂现有工艺设施，通过工艺优化、改造与配套强化措施，开发出冰封期变负荷废水处理集成技术系统，提高废水厂氮磷去除率，提高抗冲击负荷能力，完成传统活性污泥工艺废水厂功能提升。水厂改造的关键是氮磷的去除。根据生物脱氮除磷的机理，要强化污水处理工艺的脱氮除磷效果必须具备下列条件。第一，要提供脱氮除磷过程所必需的足够的碳源；第二，要提供脱氮除磷反应所必需的反应容积；第三，要提供脱氮除磷过程所必需的缺氧、厌氧、好氧环境。现结合脱氮除磷工艺和齐齐哈尔AB工艺运行条件，提出几种改造方式并分析其可行性，同时在改造过程中需要满足以下要求：1)改造后的工艺对所需去除的污染物(N、P)有较高的稳定处理效率；2)投资及运行成本应较低（极大限度的利用现有资源，减少改造所需的工程量）；20 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3)具有很强的抗冲击负荷能力；4)操作和维修简单。结合国内外改造思路，对AB工艺的改造提出以下改造方案。3.1.1ADMONT工艺污水处理工艺实现脱氮除磷必须具备两个条件：1.具有缺氧、厌氧、好氧的交替环境；2.具有满足反硝化和释磷阶段所需的碳源。而AB工艺不具备脱氮除磷的这两种条件，所以国内外学者对AB工艺的两段进行了功能改造。其中奥地利学者利用AB工艺改造为ADMONT工艺（如图3.1），即在原始AB工艺的基础上增加2套污泥回流系统，将中沉池污泥引至B段曝气池，同时将二沉池污泥引至A段曝气池，使A、B两段的部分污泥交替处于好氧和厌[4]氧状态。循环2循环1进水出水A曝气池中沉池B曝气池二沉池A段污泥回流B段污泥回流剩余污泥图3.1ADMONT工艺流程深圳罗芳污水厂AB工艺在处理低浓度城市污水时，通过采用A段优化为“中沉发酵，定期超越”的运行方式，B段采用UCT形式运行情况下，提[50]高低浓度城市污水的脱氮除磷水平。而济宁污水厂也是通过将少量A段混合液不经沉淀直接引入B曝气池，同时将B段剩余污泥接种到A段曝气池，系统剩余污泥完全由A段排出，但是由于碳源的不足，对氮和磷的去除效果[51]都不是很好。其它一些AB工艺污水厂改造为ADMONT工艺后发现其不具有很好的氮磷去除效果。借鉴此经验，同时结合齐齐哈尔特殊地理条件，认为改造后的ADMONT工艺的方案无法保证低温条件下具有稳定的去除效果。本方案具有不可取性，应该选择更优良的改造方案。3.1.2改造后的A/O工艺A/O工艺是缺氧/好氧(Anoxic/Oxic)的简称，是在传统活性污泥法基础上21 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发展起来的污水生物处理工艺，其要特点是污水先通过缺氧段进行反硝化，再进入好氧段进行硝化作用，故又称“前置反硝化生物脱氮系统”，工艺流程见图3.2。这是目前研究和工程实际应用较多的简单实用的生物脱氮工艺。图3.2A/O工艺流程A/O工艺中，好氧段的混合液和二沉池污泥同时回流到缺氧段，回流混合液中的大量硝酸盐到缺氧段后利用原污水中充足的有机物进行反硝化脱氮过程。A/O工艺是比较简单的脱氮除磷工艺，缺氧段位于工艺的前段，可以充分发挥厌氧菌能够承受高浓度、高有机负荷的能力，同时合理利用了厌氧菌群和好氧菌群各自的优势，具有处理效果好、运行稳定等优点。A/O工艺在我国的应用较为广泛，已积累有一定的设计和运行经验。北京高碑店污水处理厂、天津纪庄子污水厂、青岛市李村河污水处理厂等均采用了该工艺。A/O工艺流程简单、运行管理方便，易于在其基础上开发新的脱氮除磷工艺。如图3.3所示，通过在A池和中沉池添加水力搅拌设施，增加2组回流系统，这样就将A曝气池及中沉池为缺氧池(A曝气池为A1、中沉池为A2)，后续不变，这样就将AB工艺转化为A/O工艺，对应的停留时间都不改变。A1池停留时间为0.81h，A2池停留时间为2h，B曝气池停留时间为5.1h，二沉池停留时间为2.5h。22 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文硝化液回流进水出水缺氧池A1缺氧池A2B曝气池二沉池污泥回流剩余污泥排放图3.3改造的A/O工艺生物脱氮必须满足碳源和缺氧的环境，而缺氧池A1的0.81h能满足在进水碳源充足的条件下进行反硝化，同时B段曝气池也能在溶解氧满足的条件下进行硝化作用，所以满足对氮的去除。而磷的去除也必须具有厌氧环境和碳源的问题，硝化液回流至A1池后，在缺氧池A1内完成反硝化，因此在第二[52]个缺氧池A2由于只有少量的硝态氮，可以理解为达到厌氧状态，丛广治通过原理分析和现场测试，发现污水在厌氧段停留时间2h左右就可以使磷的释放达到一定程度，此后磷的释放很缓慢，而好氧段在3.0~4.0h后出水磷基本上能达到0.5mg/L一下，所以改造后的工艺中厌氧池2h的停留时间能充分满足聚磷菌释磷作用，同时在B段曝气池5.1h的时间完成对磷的过度吸收，完成对P的去除。这样改造后的A/O工艺就可以产生倒置A~2/O的效果，充分[52~54]利用生物作用，使出水满足一级B排放标准。将AB工艺改造为A/O工艺在理论是可行的，但是同时存在弊端：1.由于添加回流系统对于改造的工程量较大，造价太高；2.同时由于AB工艺前端没有初沉池，而齐齐哈尔南郊污水厂实际进水SS过高，可能会影响工艺的稳定运行，在A段前面增加一组初沉池，但是成本又相对提高。所以，AB工艺整体改为A/O工艺具有一定的局限性。3.1.3两段A/O工艺由于硝化菌属于自养菌，增殖速率比较慢，世代周期较长，在脱氮工艺中必须保持曝气池的长泥龄以利于其生长。而聚磷菌为世代周期短的微生物，可以在较短的泥龄下正常生长，磷的去除主要是利用排放剩余污泥来实现，所以要想达到好的除磷效果，需要系统多排富磷污泥，也就是要求工艺泥龄较短。所以在同一反应器中满足脱氮除磷的要求很难达到。为了充分利用A段短污泥龄、高负荷的运行特点，可将AB工艺改造成两段A/O工艺，如图3.4，在A池前设置一个厌氧池，水力停留时间在1h左23 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文右，同改变A段回流系统，利用A段短污泥龄的特点改为A/O除磷工艺，同时利用B段特点把B段改造为A/O脱氮工艺，这样同时达到在不同反应器中完成对氮磷的去除。因此第一段A/O除磷工艺进行生物和吸附絮凝除磷，第二段A/O脱氮工艺进行生物脱氮，相互独立，将聚磷菌和硝化菌分开，解决了传统脱氮除磷工艺中关于碳源的竞争和污泥龄之间的矛盾，达到脱氮除磷的[55~56]要求。进水厌氧池硝化液回流出水A曝气池中沉池缺好二沉池B段回流污泥剩余污泥排放图3.4两段A/O工艺两段A/O工艺改造相对简单，两段各自具有自身独特的污泥龄优势，解决污泥龄矛盾，更好的去除氮磷污染物。但是由于需要添加厌氧池，提高了改造后的造价。同时由于前端没有初沉池，不能很好的去除SS等污染物，在冲击负荷条件下会影响系统的稳定性。所以两段A/O工艺在改造中也具有一定的局限性。3.1.4充分利用A段特性，局部改造B段由于AB工艺工艺没有初沉池，污水在管网系统中经历了厌氧或者缺氧过程进入A段，大量的微生物进入A曝气池，A段也可在兼性条件下运行，充分利用其短污泥龄和抗击高负荷的能力的特点去除悬浮物，将部分难降解的有机物可转化成小分子易降解的有机物，进而提高了污水的可生化性能。所以建议保留A段，通过局部改造B段运行方式，提升B段对氮磷的去除效果，使出水达到排放要求。3.1.4.1改B段为A/O脱氮工艺由于污水厂B池具有3个廊道，每个廊道停留时间为1.7h，可将第一个廊道改造为缺氧池，后两个为好氧池，添加一套回流装置，将好氧池末段的污泥回流至缺氧池全端，局部改造为A/O工艺。工艺流程如图3.5，由于设置了24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文缺氧和好氧条件，同时满足硝化和反硝化条件，可以实现氮的去除。由于脱氮工艺的污泥龄比较长，而磷的去除通过污泥排放，且除磷工艺的污泥龄比较短，所以不能同时兼顾氮磷的去除，只能通过辅助投加化学药剂的方法进行化学除磷。硝化液回流进水出水A曝气池中沉池缺好二沉池A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥排放图3.5改造后的A+A/O工艺充分利用A段高效的特性，同时利用A/O工艺在高效生物脱氮和化学除磷相结合的方式下完成对氮磷的排放要求是一套完善的理论和处理模式。同时为了满足A/O脱氮工艺所需的停留时间，局部改造B段，B段A/O工艺中完成脱氮。改造也比较简单，只需关闭前端的曝气装置，增加水力搅拌设施，同时增加一组回流系统，在磷的去除方面投加化学药剂，均满足改造的要求。所以这种改造思路在理论和实践上都是可行的。3.1.4.2改B段为A/A/O脱氮除磷工艺硝化液回流进水出水A曝气池中沉池A1A2好氧池二沉池A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥排放图3.6改造后的A+A/A/O工艺由于污水厂B池具有3个廊道，每个廊道停留时间为1.7h，故将第一个25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文廊道分别改造为厌氧池(A1)和缺氧池(A2)，后两个为好氧池，同时添加一套硝化液回流装置，将好氧池末段的污泥回流至缺氧池全端，局部改造为A/A/O工艺，工艺流程如图3.6。改造完的A/A/O工艺，厌氧池、缺氧池、好氧池水力停留时间分别为0.85h、0.85h、3.4h。研究表明，厌氧段的HRT主要取决于进水的碳源，当碳源足够的时候，释磷作用将很快完成，此时HRT就应该较短，反之应该较[52]大。丛广治等人分析发现污水在厌氧段的HRT在2h可以使释磷达到一定程度，此后变化较慢，而好氧段水力停留时间控制在2.5~3h后TP能降到[57]1mg/L以下，3~4h后能达到0.5mg/L以下。而M.Ros等人发现在厌氧区水力停留时间即使小于1h，也可将复杂有机物转化为用于反硝化的低分子有机[58]物由于厌氧段和缺氧段水力停留时间都为0.85h，都不能满足释磷和反硝化所需时间，释磷和反硝化过程都不能完全进行，所以将B段改造为A/A/O工艺不符合实际去除情况，但是如果在B池之前建造一座厌氧池，那么也能满足出水要求，但是造价相应的提高，在实际改造中具有不可行性。3.1.4.3改B段为O/A/O工艺B段曝气池的停留时间为5.1h，分为3个廊道，每个廊道为1.7h，可将第一个廊道改为2格，各占0.85h，同时在一格投加生物载体，第二格添加水力搅拌改为缺氧环境，同时增加一组回流系统，组成O/A/O工艺，如图3.7所示。为了满足硝化作用顺利进行，可通过在第一格投加生物载体进行的生物强化作用，强化硝化作用的进行，同时利用第二格的缺氧状态下进行反硝化，达到脱氮的目的，同时辅助化学除磷。这套方案在实践中也是具有可行性的。投加载体硝化液回流进水出水A曝气池中沉池OAO二沉池A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥图3.7改造后的A+O/A/O工艺26 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.1.4.4SND技术在泥-膜系统中的应用同时硝化反硝化(simultaneousnitrification-denitrification-SND)是指在系统中，硝化和反硝化反应发生在同样的处理条件以及同一空间。国内外研究表明[2]现在可以从微环境和生物学角度对SND加以解释。通过投加在B段局部投加生物载体强化B段的生化性能，同时利用对溶解氧的控制实现同步硝化反硝化(SND)。由于投加生物载体，局部形成泥—膜系统，通过控制溶解氧，由于氧扩散原因，生物膜内部不同区域产生氧梯度，形成了缺氧和好氧的环境，各自为硝化菌和反硝化菌提供了优势环境，所以导致在同一区域同时发生同步硝化/反硝化过程。保持AB工艺A段短污泥龄高负荷的运行特点，对B段进行局部改造，如图3.8，通过在B段投加生物载体，提高活性生物量，构建复合生物处理系[58]统，强化对污染物的去除能力。同时通过对溶解氧和温度等条件的控制，使絮体内存在DO梯度，生物膜外部DO浓度较高，属于好氧状态，而生物膜内部由于氧传递受阻或者是氧的消耗，形成了一种厌氧或者缺氧状态，满足脱氮除磷工艺必须具备在厌氧-缺氧-好氧的环境下完成对氮磷的去除。同时温沁[59]雪等人研究表明，利用喷射环流反应器进行SND中，发现C/N比达到20时，硝化作用并没有降低反而提高，证实SND工艺中由于异氧硝化作用的存在，在与异氧菌竞争中占优，使硝化作用得到保证。SND利用短程硝化反硝化的特点，实现在同一反应器中的同步硝化反硝化作用，可以节省有机碳源，使氮磷有效的去除。同时研究表明，DO对氮的去除影响很大，DO的减少对氨氮去除的影响不大，但是对TN的去除影响很大，所以在SND中控制在[60~61]0.5~1mg/L左右最佳。磷可以通过辅助化学除磷的方式去除。投加载体进水出水A曝气池中沉池B曝气池二沉池A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥图3.8B段生物强化处理工艺此改造方案比较简单，只需投加填料即可，同时保留了AB工艺原始的抗冲击负荷作用，且管理简单，但是对溶解氧的控制很严格，所以通过在B段27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文投加填料的方式基本上是可行的。3.1.4.5改B段为间歇曝气方式运行青岛海泊河污水处理厂是我国最早采用AB法工艺的城市污水处理厂，由于排放要求的提高，对工艺进行升级改造，他们通过改变B段连续曝气的运[62~64]行方式为间歇曝气。保持A段功能不变，而B段形成缺氧/厌氧/好氧交[65]替的生物脱氮除磷环境，同时在碳源不足的时候添加外碳源以满足在低碳[66]源氮磷的去除。这种方案具有可行性，但是对B段的水力停留时间要求很高，对此，齐齐哈尔南郊污水厂B段停留时间为5.1h的条件不能达到很好的效果。所以此方案对齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺的改造时不可取的。3.1.5深度处理（常规工艺后接气浮+BAF）组合工艺考虑到齐齐哈尔污水厂水质变化较大，进水负荷较高，原有单元设计时没有充分考虑氮磷去除所需要的水力停留时间，这样在前期强化的同时也难以保障出水稳定达到一级B水平，需要强化后处理单元。气浮池能够去除大部分磷和部分悬浮物，而BAF可以进一步强化对沉淀出水氮磷等污染物的去除，使出水达到一级B排放标准。气浮池对磷的去除可以利用投加化学药剂的办法达到，而生物脱氮必须满足碳源和缺氧环境这两种重要的条件。BAF利用生物膜内外部的DO梯度能形成缺氧条件，也可以通过运行方式的改变形成缺氧环境，但是由于二沉池出水的碳源不一定能满足生物脱氮所需的条件，只有在水厂运行条件不稳定的时候，通过气浮+BAF组合工艺可以提高水厂出水水质。气浮+BAF组合深度处理工艺对水厂的长期发展具有重要的作用。3.2反应器的启动试验用水为哈尔滨某小区生活用水与实验室配水的混合液，实验室配水由葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、NaHCO3、MgSO4等组成，使最后进水COD在300~400mg/L，TN在40~60mg/L，TP在3~5mg/L，同时用NaHCO3调节PH值在7~8左右。本试验是通过取哈尔滨太平污水厂二沉池回流污泥进行反应器启动的泥样进行污泥驯化，加入适量的污泥后，加入生活污水进行闷曝，然后改为连续进水，水量逐渐增大为设计进水量，培养一段时间后通过镜鉴发现有后生动物出现，说明污泥驯化完成，见图3.9。当COD和氨氮等污染物去除率达到稳28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文定，开始试验的正式运行。图3.9反应器启动阶段系统生物相3.3优化运行AB工艺表3.1为齐齐哈尔污水厂中实际运行参数，实验室通过优化运行AB工艺模拟齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺运行情况。表3.1齐齐哈尔污水厂运行参数A段中沉池B段二沉池污泥负荷2.2——0.15——(kgBOD5/kgMLVSS/d)混合液污泥浓度2200——3000——MLSS(mg/L)污泥指数SVI(mL/g)80——120——HRT(h)0.8125.112.5污泥龄(d)0.54——16——污泥回流比20%~50%——30%~100%——AB工艺分别在以下四种工艺下对比运行：A回流100%，B回流100%（工艺1）；A回流100%，B回流80%（工艺2）；A回流100%，B回流150%（工艺3）；A回流80%，B回流100%（工艺4）。在各条件下运行20d，分析在不同回流比条件下对污染物的去除效果，得出符合齐齐哈尔南郊污水厂的最优条件，优化AB工艺试验运行参数如表3.2。29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3.2为实验室优化AB工艺试验运行参数控制参数范围污泥浓度A段2000~2200mg/L，B段2200~2500mg/LSRTA段0.54d，B段16d溶解氧A段0.2~0.5mg/L，B段2~3mg/LpH7~8T20~26℃在四种不同回流条件下的AB工艺运行情况见下表3.3：表3.3不同回流条件下AB工艺的运行情况项目工艺1工艺2工艺3工艺4进水292.67253.89235.5271.41CODCr出水51.3746.3740.5849.69(mg/L)去除率82.45%79.77%81.38%81.69%+NH4-N进水40.1339.0939.5636.46(mg/L)出水6.039.026.537.98去除率84.97%76.92%83.48%78.12%-NO2-N进水————————(mg/L)出水1.022.210.671.32-NO3-N进水————————(mg/L)出水18.3115.2418.3419.61TN进水45.5648.0843.8644.2(mg/L)出水30.1129.5829.1130.66去除率33.90%38.48%33.63%30.64%TP进水3.412.82.73.72(mg/L)出水2.481.861.72.59去除率27.25%33.54%34.07%30.42%3.3.1COD的去除效果由表3.3和图3.10可以看出，各工况进水COD值控制在200~400mg/L，平均进水COD分别为292.67、252.89、235.5、271.41mg/L，二沉池平均出水COD分别为51.37、46.37、40.58、49.69mg/L，A段平均去除率为82.45%、79.77%、81.38%、81.69%，去除率都保持在80%左右。表明AB工艺在污泥浓度、污泥龄控制条件一致的条件下，进水COD保持在200~400mg/L，通过改变污泥回流比，对污染物的去除情况影响不大，AB工艺具有对污染物很好的去除效果，出水水质能够达到排放标准。30 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文450100进水COD出水CODCOD去除率40090803507030060(%)25050200去除率40COD(mg/L)工艺1工艺2工艺3工艺41503010020501000048121620242832364044时间(d)图3.10不同回流条件下AB工艺CODcr去除情况3.3.2N的去除效果+从图3.11和表3.3可以看出，对于NH4-N的去除情况，进水水温在+25.6℃左右，进水平均NH4-N浓度分别为40.13、39.09、39.56、36.46mg/L，出水分别为6.03、9.02、6.53、7.98mg/L，平均去除率分别为84.97%、76.92%、83.34%、78.12%，出水氨氮保持在8mg/L左右，而去除率保持在+80%左右。A段对NH4-N的去除主要是通过生物的吸附作用，而B段通过硝+-—化细菌的硝化作用，将NH4-N转化为硝态氮(NO2-N、NO3N)，温度和溶解+氧是保持NH4-N去除效果很好的关键。所以在溶解氧控制相同的条件下，改+变污泥回流比，对NH4-N的去除效果影响也不是很大，都能达到污水排放标准排放。31 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文工艺1工艺2工艺3工艺470100进水总氮出水总氮总氮去除率6080(%)504060(mg/L)30去除率4020浓度20100070进水氨氮出水氨氮出水硝氮氨氮去除率1006080504060(%)3040(mg/L)20去除率浓度201000048121620242832364044时间(d)图3.11不同回流条件下AB工艺对氮的去除效果-TN的去除主要是通过亚硝化细菌和反硝化细菌的作用，将硝态氮(NO2-—N、NO3N)转化为N2，TN的去除需要缺氧和碳源这两种关键的控制因素才-能达到很好的去除效果。由表3.3看出，四种工艺平均出水NO2-N分别为-1.02、2.21、0.67、1.32mg/L，平均出水NO3-N分别为18.31、15.24、18.34、-19.61mg/L，出水NO3-N浓度比较大，说明反硝化效果不是很好，这引起了TN不能很好的去除。同时从表4.2可以看出，平均进水TN分别为45.56、48.08、43.86、44.2mg/L，平均出水TN分别为30.11、29.58、29.11、30.66mg/L，平均去除率分别为33.90%、38.48%、33.63%、30.64%，保持30~40%的去除率，TN的去除主要依靠A段的吸附作用去除，B段则去除效率不高，均不能满足TN的排放要求，也可以看出，回流比的不同对TN的去除效果影响不大。由于AB工艺本身不存在缺氧条件，无法适应反硝化细菌的生存，所以对TN的去除情况不能很好的达到要求，即使改变回流比也不能很好的去除，都不能满足污水排放标准。3.3.3TP的去除效果磷的去除主要是依靠对富磷的剩余污泥的排放，而剩余污泥富磷主要是通32 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文过聚磷菌的吸磷和释磷作用来完成，AB工艺不具备聚磷菌的生存环境（没有厌氧条件），所以改变回流比不能改善磷的去除效果。而AB工艺磷的去除主要是依靠AB工艺中A段的吸附作用和A段污泥龄段的特点，所以合理控制A段运行条件，能改善AB工艺的去磷效果。从表3.12看出，四种工况平均进水TP为3.41、2.8、2.7、3.72mg/L，平均出水为2.48、1.86、1.7、2.59mg/L，平均去除率分别为27.25%、33.54%、34.07%、30.42%，不能满足TP的排放要求，AB工艺磷的去除主要也是靠AB工艺A段吸附作用，再通过剩余污泥排放去除。同时可以看出，改变回流比对于AB工艺中TP的去除效果影响不是很大。1055进水总磷%出水总磷总磷去除率950845740356(%)(mg/L)305254去除率203总磷浓度152101工艺1工艺2工艺3工艺4500048121620242832364044时间(d)3.12不同回流条件下AB工艺TP的去除效果3.4不同运行状态下去除效果分析在实验室初步改造运行AB工艺，按照AB工艺（工艺1）、改造后的A/O工艺（工艺2）、B段局部改造为A/O工艺（工艺3）三种条件下运行，各工艺的运行参数及结果见表3.4。33 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3.4各工艺的运行参数及结果工艺1工艺2工艺3项目传统AB工艺改造后的A/O工艺局部改造的A+A/O工艺进水流量(L/d)120120120A段B段————污泥龄(SRT)(d)0.54161212污泥内回流污泥内回流回流比(%)100100100200100200MLSS(mg/L)200022003000~35002800-3000进水292.70365.27301.46CODCr出水51.3751.7651.55(mg/L)去除率82.45%85.85%82.90%+进水40.1343.7746.77NH4-N出水6.030.962.62(mg/L)去除率84.97%97.81%93.85%-进水——————NO3-N(mg/L)出水18.296.8616.46进水44.1447.9051.33TN出水29.1812.3418.37(mg/L)去除率33.89%74.0662.41%进水3.413.194.85TP出水2.481.582.49(mg/L)去除率27.25%50.51%48.67%3.4.1COD的去除效果从表3.4和图3.13可以看出，3种工况的平均进水COD浓度分别为292.70、365.27、301.46mg/L，二沉池平均出水COD分别为51.37、51.76、51.55mg/L，总去除率分别为82.45%、85.85%、82.90%，去除率都保持在80%~85%左右。改造后的2种工艺相对于原始工艺去除效果没有很大的提高，这三种工艺出水都满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B排放标准。34 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100450进水COD出水CODCOD去除率90400803507030060(%)25050(mg/L)20040去除率浓度工艺1工艺2工艺3150301002050100002468101214161820222426283032时间(d)图3.13不同工艺条件下的CODcr的去除情况3.4.2N的去除效果生物脱氮过程包括硝化和反硝化两个部分，TN的去除主要是通过亚硝化-—细菌和反硝化细菌的作用，将硝态氮(NO2-N、NO3N)转化为N2，TN的去除需要缺氧和碳源这两种关键的控制因素才能达到很好的去除效果。由于AB工艺本身不存在缺氧条件，无法适应反硝化细菌的生存，所以对TN的去除情况不能很好的达到要求，即使改变回流比也不能很好的去除，都不能满足污水排放标准。由图3.14和表3.4可以看出，3种工艺进水氨氮分别为40.13、43.77、46.77mg/L，出水氨氮分别为6.03、0.96、2.62mg/L，去除率分别为84.97%、97.81%、93.85%，后两种工艺在氨氮的去除上较传统AB工艺有所提高，均能满足污水排放标准。3种工艺出水TN分别为29.18、12.34、18.37mg/L，去除率分别为33.89%、74.06%、62.41%，总氮的去除效果大大的提高。工艺1由于没有缺氧环境，无法进行反硝化，仅依靠生物吸附作用去除部分TN，而改造后的工艺具有缺氧条件，通过反硝化过程完成氮的去除。35 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8010070进水总氮出水总氮总氮去除率908060705060(%)(mg/L)40503040浓度3020去除率20101000进水氨氮出水氨氮出水硝氮氨氮去除率60100905080407060(%)30工艺1工艺2工艺350(mg/L)402030浓度20去除率1010000246810121416182022242628303234时间(d)图3.14不同工艺条件下的氮的去除情况生物脱氮必须同时具备碳源充足和缺氧环境的条件下才能进行反硝化，传统的AB工艺不具有缺氧段，仅仅依靠A段的吸附作用和生物的同化作用去除部分总氮，这是不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对TN的排放标准的。而改造的A/O工艺由于具有缺氧环境，同时在满足进水碳源充足和反硝化时间保证的条件下进行前置反硝化，完成对TN的去除，达到一级B排放标准。3.4.3TP的去除效果生物除磷是利用污水中的聚磷菌在厌氧条件下，受到压抑而释放出体内的磷酸盐，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为PHB（聚β羟丁酸）储存起来。当这些聚磷菌进入好氧条件时就降解体内储存的PHB产生能量，用于细胞的合成和吸收磷，形成含磷量高的污泥随剩余污泥一起排出系统，从而达到除磷的目的。从表3.4和图3.15中看出，工艺1、2、3在各自的运行条件下出水TP分别为2.48mg/L、1.58mg/L、2.49mg/L，去除率分别为27.25%、50.51%、48.67%，传统AB工艺不具有厌氧/好氧交替的环境，无法实现生物除磷。而改进的A/O工艺中具有缺氧/好氧的交替环境，当A1池能够很好的进行反硝-化作用的时候，只有少量的NO3-N进入A2池，在推流式工艺中，缺氧段环36 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文境在A2池中能产生厌氧的环境，因此在A2池的厌氧环境里进行厌氧释磷，好氧池吸收部分磷，这样改造后的A/O工艺就达到了倒置A~2/O工艺的效果。158014进水总磷出水总磷总磷去除率1370工艺212工艺1工艺31160105098(%)(mg/L)407630浓度5去除率420321010002468101214161820222426283032时间(d)图3.15不同工艺条件下的TP的去除情况因此只要碳源充足，可以在聚磷菌的作用下进行厌氧释磷，好氧池可以完成吸磷和硝化作用的同时进行，通过对剩余污泥的排放完成对磷的去除。A/O工艺只需短的污泥龄即可满足磷的达标排放，但是由于硝化菌属于自养菌，增殖速率比较慢，世代周期较长，在脱氮A/O工艺中必须保持曝气池的长泥龄以利于其生长。这种矛盾作用，造成改造后的A/O工艺在满足氮的去除的同时很难满足磷的达标排放。同时碳源也是脱氮除磷效率的关键，只要在碳源充足的条件下，在A1池完成反硝化，A2池完成释磷和PHB的合成，这样才能满足好氧段吸磷和硝化作用。3.4.4不同工艺污泥活性分析一般用污泥好氧速率(OUR)、硝化速率(AUR)、反硝化速率(NUR)作为污泥活性指标来表征污泥异养菌、硝化菌、反硝化菌活性，通过比较AB工艺、A/O工艺、B段局部改造后的A/O工艺的污泥活性，分析各种工艺的去除效能。分别取AB工艺B段污泥、改造后的A/O工艺O段污泥、B段局部改造37 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文后的A/O工艺中的O段污泥，原污泥浓度为2000~3000mg/L，各自静沉2h后去除上清液，加入原污水稀释5倍，测定方法见2.2.2，测定各自的污泥活性并进行比较分析。图3.16、3.17、3.18分别为AB工艺、改进后的A/O工艺、B段局部改造后的A/O工艺这3种不同工艺运行稳定阶段污泥活性分析。图3.16AB工艺污泥活性1）AB工艺污泥活性计算：稀释5倍后的混合液污泥浓度为0.5375g/L-1污泥总耗氧速率=0.281/0.5375×60=31.37mg-O2/g-MLSSh-1污泥有机物分解活性=0.203/0.5375×60=22.66mg-O2/g-MLSSh-1污泥硝化活性=31.37－22.66=8.71mg-O2/g-MLSSh-1污泥亚硝化活性=（0.281-0.215）/0.5375×60=7.59mg-O2/g-MLSSh4.54y= ‐0.394x+4.1363.53y= ‐0.196x+3.6012.52y= ‐0.137x+3.1531.5加入NaClO3混合液溶解氧(mg/L)1加入ATU0.50051015时间(min)38 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3.17改进后的A/O工艺污泥活性2）改进后的A/O工艺污泥活性计算：稀释5倍后的混合液污泥浓度为0.492g/L-1污泥总耗氧速率=0.394/0.492×60=48.05mg-O2/g-MLSSh-1污泥有机物分解活性=0.137/0.492×60=16.71mg-O2/g-MLSSh-1污泥硝化活性=48.05－16.71=31.34mg-O2/g-MLSSh-1污泥亚硝化活性=（0.394-0.196）/0.492×60=24.15mg-O2/g-MLSSh54.5y=-0.384x+4.2824）3.5加入ATU(mg/L32.5y=-0.276x+4.3422加入NaClO3y=-0.234x+3.8531.5混合液溶解氧10.50024681012时间（min）图3.18B段局部改造为A/O工艺污泥活性3）B段局部改造为A/O工艺的污泥活性计算：稀释5倍后的混合液污泥浓度为0.574g/L-1污泥总耗氧速率=0.384/0.574×60=40.14mg-O2/g-MLSSh-1污泥有机物分解活性=0.276/0.574×60=28.85mg-O2/g-MLSSh-1污泥硝化活性=40.14－28.85=11.29mg-O2/g-MLSSh-1污泥亚硝化活性=（0.384-0.234）/0.574×60=15.68mg-O2/g-MLSSh通过对3种工艺好氧段的污泥活性进行比较可以得出，A/O工艺污泥活性＞B段局部改造后的A/O工艺＞AB工艺，符合前面对AB工艺、改进后的A/O工艺、B段局部改造为A/O工艺的去除情况分析。说明这3种工艺中，改进后的A/O工艺去除效果最好，最差的为AB工艺，但是考虑到污水厂实际进水的水质变化很大，所以需要进一步讨论冲击负荷对改造后的工艺的影响。39 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.5冲击负荷对改造后工艺的影响齐齐哈尔南郊污水厂进水水质不稳定（可能原因有：1.城市工业废水的偷排；2.自身污水厂污泥脱水间剩余污水的回流处理），所以在改进运行方式的同时应该考虑某一时段冲击负荷对反应器的承受能力。在实验室优化运行改进后的A/O工艺（最优运行条件是污泥回流为100%，硝化液回流为200%）和B段局部改造为A/O工艺（污泥回流都为[25]100%，硝化液回流为200%）的基础上，讨论冲击负荷对改造后的两种工艺的影响。FQSa•Ns==MXV•Ns：单位时间内(1d)能够接受且能将其降解到预定程度的有机污染物量(COD)，kgCOD/(kgMLSS·d)3Q：污水流量，m/dSa：原污水中有机污染物(COD)浓度，mg/L3V：曝气池容积，mX：混合液悬浮固体(MLSS)浓度，mg/L选择进水COD在400~600、600~800、800~1000mg/L的条件下连续进水3个小时，3个小时后取样检测水质，再正常进水(COD为300~400mg/L)，分析冲击负荷对于水质的变化情况。3.5.1冲击负荷对改造后的A/O工艺影响3.5.1.1改进的A/O工艺在不同负荷下对COD的去除情况图3.19为改进后的A/O工艺在不同污泥负荷条件下对COD的去除情况，从图上可以看出，随着污泥负荷的增加，COD去除率逐渐增大，但是当污泥负荷达到0.92kgCOD/(kgMLSS·d)左右时，COD去除率达到最大，随着污泥负荷的增大，COD的去除率逐渐减小，说明污泥负荷影响了生物的正常作用，改进后的A/O工艺对于高污泥负荷不具有稳定的运行效果。40 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1000100进水COD出水COD去除率900908008070070600(%)(mg/L)6050050400COD去除率COD浓度4030030200100200100.40.60.81.01.21.4污泥负荷kgCOD/(kgMLSS.d)图3.19在不同污泥负荷条件下COD去除情况（改进后的A/O工艺）3.5.1.2改进的A/O工艺在不同负荷下对氮的去除情况同时随着负荷的增大，污泥生长迅速，硝化速率降低，所以应该适当调大溶解氧，控制硝化作用的正常进行。图3.20为改进后的A/O工艺在不同污泥负荷条件下对TN的去除情况。生物脱氮需要满足两个条件：1.缺氧环境；2.充足的碳源。图3.20很好的说明了碳源在脱氮中作用，随着污泥负荷的增大，TN去除率逐渐升高，但是当污泥负荷超过一定的范围时，随着污泥负荷的增大，脱氮能力逐渐降低，出水水质恶化。41 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文90100进水TN出水TN去除率809070806070(%)5060(mg/L)4050TN浓度TN去除率3040203010200100.40.60.81.01.21.4污泥负荷kgCOD/(kgMLSS.d)图3.20在不同污泥负荷条件下TN去除情况（改进后的A/O工艺）3.5.1.3改进的A/O工艺在不同负荷下对磷的去除情况图3.21为改进后的A/O工艺在不同污泥负荷条件下对TP的去除情况。前面已经提到，改造后的A/O工艺具有倒置A~2/O的效果，当A1池反硝化充分的时候，A2池进行释磷作用。释磷作用需要碳源，而当污泥负荷提高，碳源满足释磷过程微生物合成PHB的条件时，好氧段就能够充分的吸磷，以完成磷的去除。图3.21也能说明这个问题，当污泥负荷达到一定范围时，出水TP能达到1.0mg/L以下，实现达标排放。而当系统超出一定的承受范围时，反应器内微生物性状出现紊乱，导致除磷效果变差，出水水质不能达标排放。42 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10100进水TP出水TP去除率9908807706(%)60(mg/L)550TP浓度4TP去除率4033021200100.40.60.81.01.21.4污泥负荷kgCOD/(kgMLSS.d)图3.21在不同污泥负荷条件下TP去除情况（改进后的A/O工艺）3.5.2冲击负荷对B段改造为A/O工艺的影响3.5.2.1B段局部改造的A/O工艺在不同负荷下对COD的去除情况AB工艺A段具有抗击冲击负荷作用，所以保留A段特性，通过局部改造B段强化氮磷等污染物的去除效果。从图3.22可以看出，B段局部改造后的A+A/O工艺具有很强的抗冲击负荷能力，随着污泥负荷的增加，A段在兼性条件下运行，通过调节作用，去除了部分有机物，而使B段负荷降低，使B段稳定进行，使有机物去除率保持在90%左右。保留A段、局部改造B段对COD的去除具有稳定性。43 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1000100进水A段出水B段出水90090800A段去除率总去除率80700600(%)70(mg/L)50060400COD去除率COD浓度30050200401000300.40.60.81.01.21.41.6污泥负荷kgCOD/(kgMLSS.d)图3.22在不同污泥负荷条件下COD去除情况（B段局部改造为A/O工艺）3.5.2.2B段局部改造的A/O工艺在不同负荷下对氮的去除情况保留A段、局部改造B段为A/O工艺，当污泥负荷的增加，引起了污泥浓度的增大，溶解氧的降低，所以应该增大曝气量，满足硝化作用的顺利进行。污泥负荷的增加，使改造后的A/O工艺碳源更加充足。从图3.23中可以看出，随着污泥负荷的增加，A段TN去除率保持在20%~30%之间，而总去除率保持在70%~80%之间稳定去除。出水TN在10~20mg/L之间，达到污水厂氮的排放标准。试验结果表明，污泥负荷的提高对此工艺影响不大。44 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7010065进水A段出水B段出水9060A段去除率总去除率5580507045(%)(mg/L)6040355030TN去除率TN浓度40252030152010105000.40.60.81.01.21.41.6污泥负荷kgCOD/(kgMLSS.d)图3.23在不同污泥负荷条件下TN去除情况（B段局部改造为A/O工艺）3.5.2.3B段局部改造的A/O工艺在不同负荷下对磷的去除情况由于B段改造后的A/O工艺不具有除磷功能，当随着负荷的增大，使污泥浓度增加，磷的去除主要依靠剩余污泥的排放，B段局部改造的A/O工艺对磷的去除没有很明显的现象。a)由于改造后的A/O工艺不具有初沉池，随着污泥负荷的增大，系统对污染物的去除能力有限，不能很好的保证水质的稳定运行。b)保留A段特性，局部改造B段，随着污泥负荷的增大，也能很好的去除污染物，局部改造的A/O工艺具有很好的稳定性。3.6本章小结1.结合齐齐哈尔南郊污水厂实际条件，将AB工艺改造为A/O工艺和B段局部改造都符合改造要求，需进一步通过实验室进行论证。2.通过实验室模拟齐齐哈尔南郊污水厂运行状况，优化运行AB工艺发现：在污泥浓度、污泥龄、水力停留时间都确定的情况下，改变回流比对AB工艺的处理效果没有明显的提高。45 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.整体改造后的A/O工艺和局部改造B段为A/O工艺较传统AB工艺在COD、TN、TP上具有很大的提高，均能满足COD、SS、TN的达标排放要求，且A/O工艺去除效能明显强于局部改造B段为A/O工艺。整体改造后的A/O工艺在运行的过程中能达到倒置A~2/O的效果。4.从TN的去除效果看，改造后的2种工艺都能满足排放要求，但磷的去除仍然不能达标，需要辅助化学除磷。比较AB工艺、A/O工艺、B段局部改造后的A/O工艺的污泥活性，污泥活性的高低与前期运行试验数据论证结果一致。5.在冲击负荷的影响下，由于B段局部改造的工艺保留了A段功能，故B段局部改造为A/O工艺的抗冲击负荷能力强于整体改造的A/O工艺。因此，改造方案初步定为保留A段，局部改造B段，辅助化学除磷强化脱氮除磷效能。46 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章现场试验研究充分利用原始AB工艺A段生化吸附高效性特点，在不扩建新的构筑物条件下，将B段进行局部改造后的工艺污染物的去除效果强于将AB工艺改造为A/O工艺。故现场试验研究阶段，结合现场水质特点，将B段局部改造为A/O和O/A/O工艺，并结合水厂的中水回用工程（气浮+BAF深度处理）条件，对比运行得出最优工艺，强化氮磷等典型污染物的去除，以实现出水指标达标排放。曝气生物滤池(BAF)是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，具有出水水质好、占地面积小、投资省、运行灵活方便、易于管理等优点。BAF既可单独作为污水的二级处理工艺，也可作为后续的[69]深度处理工艺，因此具有良好的应用前景。4.1对比运行B段局部改造后的A/O和O/A/O工艺保留传统AB工艺A段短污泥龄、高效去除有机物等特点的基础上，局部改造B段为A/O工艺。关闭B段的前2个廊道曝气装置，增加机械搅拌改为缺氧环境，同时增加一组回流系统，将好氧池末段污泥回流至缺氧池前端。二沉池出水后接BAF进行深度处理。局部改造B段为O/A/O工艺，将第二廊道曝气装置关闭，增加机械搅拌装置使其为缺氧环境，同时增加一组回流系统，将好氧段末段污泥回流至缺氧段前端，同时在第一廊道内增加容积比为30%的生物填料，强化硝化作用，二沉池出水后接BAF进行深度处理。现场试验阶段，仅运行B段，实验用水取自中沉池出水，取污水厂二沉池污泥至小试反应器进行驯化培养，O/A/O工艺大约30d左右强化生物挂膜成功，A/O工艺和O/A/O工艺逐步稳定运行，开始正式实验。水厂实际平均水温为18.7℃，2套试验反应器通过调节气体流量计来控制好氧区DO浓度，缺氧段通过调节搅拌机转速控制缺氧段DO浓度，保持缺氧段DO为0.2~0.5mg/L，好氧池控制DO为3.0~4.0mg/L，污泥浓度为2000~3000mg/L，污泥龄为15d。表4.1和4.2分别为B段局部改造为A/O工艺和B段局部改造为O/A/O工艺后的污染物去除情况。47 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4.1B段局部改造为A/O工艺的去除情况(mg/L)TP（加TP（加+-CODNH4-NNO3-NTNTP20mg/L30mg/LPAC）PAC）进水231.5343.64——50.315.286.936.5二沉池出水41.653.8212.3520.273.211.761.29BAF出水25.181.3413.3417.633.071.520.92常规去除率(%)82.0191.2——59.1339.0974.6680.22BAF去除率(%)89.1396.92——64.3341.8978.0885.78表4.2B段局部改造为O/A/O工艺的去除情况(mg/L)TP(加TP(加+-CODNH4-NNO3-NTNTP20mg/L30mg/LPAC)PAC)进水231.5346.84——52.645.896.105.36二沉池出水57.263.5715.4321.973.741.660.94BAF出水34.781.4215.4118.953.001.450.78常规去除率(%)76.992.37——58.2736.5572.7582.39BAF去除率(%)85.9796.97——6449.1376.2885.384.1.1COD的去除效果从表4.1和图4.1可以看出，B段局部改造为A/O工艺的平均进水CODcr为231.53mg/L，平均出水为41.65mg/L，常规去除率为82.01%。从表4.2和图4.2可以看出，B段局部改造为O/A/O工艺平均进水CODcr为231.53mg/L，平均出水为57.26mg/L，常规去除率为76.90%。但是结合水厂中水回用工程后，BAF深度处理后平均出水分别为25.18和34.78mg/L，去除率为89.13%和85.97%，进一步强化去除了水中的有机污染物。同时从图4.1和图4.2看出，进水水质波动都比较大，这与水厂实际情况一致。试验结果表明，在进水水质波动很大的情况下，出水都能保持稳定的去除效果。B段局部改造为A/O工艺略强于O/AO工艺，两种工艺对COD的去除效果都很好，均能满足污染物排放标准。48 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10090(%)807060常规COD去除率BAF的COD去除率COD去除率5040400进水COD常规出水CODBAF出水COD350300250(mg/L)200150100COD浓度500024681012141618时间(d)图4.1B段改造为A/O工艺对COD的去除效果100600905008070400(%)60(mg/L)5030040COD去除率COD浓度2003020100100002468101214161820时间(d)进水COD常规出水CODBAF出水COD常规的COD去除率BAF的COD去除率图4.2B段改造为O/A/O工艺对COD的去除效果49 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.1.2N的去除效果909080进水总氮常规出水总氮BAF出水总氮70常规总氮去除率BAF总氮去除率80(%)607050(mg/L)4060去除率30浓度205010040常规氨氮去除率BAF氨氮去除率50100409030(%)80(mg/L)2070去除率浓度100600246810121416时间(d)进水氨氮常规出水氨氮BAF出水氨氮常规出水硝氮BAF出水硝氮图4.3B段改造为A/O工艺N的去除情况7080进水总氮常规出水总氮BAF出水总氮605070(%)4060(mg/L)30去除率2050浓度10040进水氨氮常规出水氨氮BAF出水氨氮7010060509540(%)(mg/L)309020去除率浓度10085024681012141618时间(d)常规氨氮去除率BAF氨氮去除率常规总氮去除率BAF总氮去除率图4.4B段改造为O/A/O工艺N的去除情况50 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从表4.1和图4.3可以看出，B段局部改造为A/O工艺的平均进水氨氮为43.64mg/L，平均出水为3.82mg/L，常规去除率为91.2%。从表4.2和图4.4可以看出，B段局部改造为O/A/O工艺平均进水氨氮为46.84mg/L，平均出水为3.57mg/L，常规去除率为92.37%。在结合水厂中水回用工程后，BAF深度处理后平均出水分别为1.34和1.42mg/L，去除率为96.92%和96.97%，进一步强化了硝化作用，使出水氨氮降低。同时两种工艺的硝态氮出水分别为13.34和15.41mg/L，常规工艺去除率分别为59.13%和58.27%，BAF深度处理后的去除率分别为64.33%和64%，且最后的出水17.63和18.95mg/L，达到了一级B的排放要求。试验结果表明：B段局部改造为A/O工艺略强于O/AO工艺，两种工艺对N的去除效果都很好，均能满足要求，同时在BAF的进一步水质把关条件下，出水N更加符合污染物排放标准。4.1.3TP的去除效果污水中磷的去除的方法主要有生物除磷和化学除磷两大类。对于城市污水一般采用生物除磷为主，必要时辅以化学除磷，以确保出水的磷浓度在标准内。生物除磷是利用污水中的聚磷菌在厌氧条件下，受到压抑而释放出体内的磷酸盐，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为PHB（聚β羟丁酸）储存起来。当这些聚磷菌进入好氧条件时就降解体内储存的PHB产生能量，用于细胞的合成和吸收磷，形成含磷量高的污泥随剩余污泥一起排出系统，从而达到除磷的目的。改进后的2种工艺中具有缺氧/好氧的交替环境，能进行部分磷的吸收和释放，而聚磷菌多为世代周期短的微生物，可以在较短的泥龄下正常生长，同时磷的去除是依靠排放剩余污泥来实现，短的污泥龄即可满足磷的达标排放，但是由于硝化菌属于自养菌，增殖速率比较慢，世代周期较长，在脱氮A/O工艺中必须保持曝气池的长泥龄以利于其生长，所以产生了矛盾。分别从表4.1、4.2和图4.5、4.6可以看出，B段局部改造为A/O和B段局部改造为O/A/O工艺在进水平均TP分别为5.28和5.89mg/L的时候，常规工艺出水TP分别为3.21和3.74mg/L，去除率为39.09%和36.55%，在接BAF深度处理以后，出水TP分别为3.07和3.00mg/L，去除率分别为41.98和49.13mg/L，都很难能满足磷的达标排放，故需要辅助化学除磷满足同时对氮磷的去除。化学除磷主要是向污水中投加药剂，使药剂与水中溶解性磷酸盐形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离将磷从污水中去除。按照化学药剂在不同51 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文位置投加，可分为前置沉淀、同步沉淀和后置沉淀三种类型。前置沉淀的投加点是初沉池前，形成的沉淀物与初沉污泥一起排除；同步沉淀的投加点是设在曝气池中、曝气池出水处或在二沉池的进水处，形成的沉淀物与剩余污泥一起排除；后置沉淀的投加点是设在二沉池之后的混合池中形成沉淀物，通过别的固液分离装置进行分离。通过试验研究：化学除磷药剂选择为PAC（聚合铝），投加点为二沉池进行同步除磷。当投入PAC后，除磷效果明显改善，分别在投加20mg/L的PAC后出水TP为1.52mg/L和1.45mg/L，去除率分别为78.08%和72.75%；当投加30mg/L的PAC后，出水分别为0.92mg/L和0.78mg/L，去除率分别为85.78%和85.38%，且出水TP都能达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B类标准，完成了改造目标。100常规的总磷去除率BAF的总磷去除率(%)80未投加药品60投加20mg/L投加30mg/L40的PAC的PAC总磷去除率20进水总磷常规出水总磷BAF出水总磷108(mg/L)642总磷浓度0024681012141618202224262830时间(d)图4.5B段改造为A/O工艺TP的去除情况52 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100(%)常规的总磷去除率BAF的总磷去除率80未投加药品60投加20投加30mg/L总磷去除率40mg/L的PAC的PAC2010进水总磷常规出水总磷BAF出水总磷(mg/L)864总磷浓度200246810121416182022242628时间(d)图4.6B段改造为O/A/O工艺TP的去除情况4.2低温条件下B段改造为A/O工艺影响在常温条件下，B段局部改造为A/O工艺，在结合BAF工艺，辅助化学除磷的条件下，能够基本满足污水厂污染物排放标准，但是齐齐哈尔处于高寒地区，且冰封期时间较长，所以污水厂改造必须满足冰封期污水排放要求。在低温条件下，微生物活性、代谢速率、以及酶促反应都受到了很大的影响，在T＜4℃的时候，微生物开始死亡；T＜5.6℃的时候，微生物基本上属于休眠状态；T＜10℃的时候，微生物代谢缓慢。同时在低温条件下，容易发生污泥膨胀。而B段改造为A/O工艺对于氮的去除主要是依靠氨化菌、硝化细菌和反硝化细菌的共同作用完成，而低温影响了这些细菌的正常运行齐齐哈尔南郊污水厂10月到3月的时间段为冰封期，一般水温为5~10℃，在这种低温条件下，污水厂处理效果明显差于平常，试验结果见表4.3。53 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4.3低温条件下B段改造为A/O工艺去除效果(mg/L)TP(投加TP(投加+-CODcrNH4-NNO3-NTNTP20mg/L30mg/L的PAC)的PAC)进水271.1448.93——53.915.655.055.41二沉池出水58.1312.417.1225.93.411.651.25BAF出水42.303.1313.7722.331.220.93常规去除率(%)78.7973.05——51.9539.7167.3876.86BAF去除率(%)84.5793.2——58.6346.9875.8182.734.2.1低温条件对COD去除效果的影响70010090600805007060(%)400(mg/L)5030040COD去除率COD浓度20030201001000024681012141618时间(d)进水COD常规出水CODBAF出水COD常规的COD去除率BAF的COD去除率图4.7低温条件下B段改造为A/O工艺对COD的去除效果从表4.3和图4.7可以看出，COD进水平均为271.14mg/L，常规出水平均为58.13mg/L，去除率为78.79%，而BAF深度处理工艺平均出水为42.30mg/L，总去除率为84.57%。同时结合常温条件下COD去除效果发现，常温条件下，常规工艺对COD的去除率为76.9%，而低温为78.79%，且出水都能满足COD的排放要求，故低温对COD的去除效果影响不是很大。54 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2.2低温条件下对N的去除效果的影响从表4.3可以看出B段局部改造后的A/O工艺，在温度4~10℃的时候，平均进水氨氮为48.93mg/L，常规工艺平均出水为12.41mg/L，去除率为73.05%，BAF深度处理工艺平均出水为3.13mg/L，去除率为93.2%。而从图4.8中可以发现，与常温情况下对比，随着温度的降低，氨氮出水逐渐升高，说明硝化作用受到了严重的抑制。在硝化作用不能很好的进行的同时，反硝化作用也受到了制约，致使出水TN为25.9mg/L，高于一级B出水标准，即使在BAF深度处理的条件下，出水平均TN也为22.3mg/L，去除率为58.63，远低于常温条件下去除效果。所以温度是制约生物脱氮的关键。8010070进水总氮常规出水总氮BAF出水总氮9060常规总氮去除率BAF总氮去除率80(%)705060(mg/L)4050去除率3040浓度203010常温低温20010常规氨氮去除率BAF氨氮去除率6010050904080(%)(mg/L)3070浓度2060去除率105004002468101214161820222426时间(d)进水氨氮常规出水氨氮BAF出水氨氮常规出水硝氮BAF出水硝氮图4.8低温条件下B段改造为A/O工艺N的去除情况我们注意到影响TN去除的两个重要因素分别是温度和碳源。温度是微生物生长的重要生态因子，在一定温度范围内，微生物的活性与温度成正比关系。大部分微生物随着温度的降低活性减弱，当温度低于15℃，微生物的活性将急剧降低，在10℃范围内，部分微生物开始出现休眠状态，所以由于冬季水温很低，影响了硝化作用的正常进行。4.2.3低温条件下对TP的去除效果的影响通过图4.9可以看出，在不辅助化学除磷的条件下，出水TP为3.41mg/L，去除率为39.71%，远高于排放标准。而通过投加化学除磷，在投55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文加20mg/L的后，BAF出水的平均TP为1.22mg/L，不达标排放要求，而通过投加30mg/L的PAC后，BAF出水平均TP为0.93mg/L，去除效率为82.73%，达到了排放标准。对比常温和低温条件下，磷的去除效果与温度关系不是很大，化学除磷不受温度的影响，只要在投加适当的药剂的时候，就能保证磷的达标排放。100(%)常规的总磷去除率BAF的总磷去除率80未投加药品60投加2040投加30mg/L总磷去除率mg/L20的PAC的PAC010进水总磷常规出水总磷BAF出水总磷(mg/L)864总磷浓度2002468101214161820222426时间(d)图4.9低温条件下B段改造为A/O工艺TP的去除情况4.3低温强化B段改造A/O工艺在低温条件下，改造后的A/O工艺不能满足排放要求，通常通过以下手段去提高低温条件下污水厂去除效率：1.保温；2.提高生化段污泥浓度；3.延长污泥龄；4.提高曝气量；5.化学法去除污染物；6.物化生化复合法。通过分析发现，保温和化学法大大的提高了水厂运行成本，不具有可取性，而提高污泥浓度、加大曝气量和延长污泥龄都容易满足。鉴于改造后的A/O工艺的反硝化时间和硝化时间分别为1.7h和3.4h，不足以满足脱氮条件。考虑利用为在B段投加载体，进行局部生物强化，这种[67~68]方法的优点是：1)通过投加载体，形成泥—膜系统，既提高了曝气池内生物量，降低污泥负荷，充分的利用碳源，进行硝化作用，有利于氮磷的去除。2)投加载体后的系统生物量又附着态和悬浮态组成，生物量的提高使56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文系统具有抗冲击负荷作用，同时通过缩减缺氧池时间，控制好氧池内溶解氧，可以完成在碳源充足的条件下进行反硝化，更好的利用有限的容积。3)投加载体后的系统在低温条件下具有更好的去除效果。图4.10为B段局部改造为A/O工艺后，在B段局部投加30%的生物填料后反应器实图。图4.10B段改造为A/O工艺投加生物载体后实图通过在好氧段添加体积的30%的生物载体，构成活性污泥和生物膜复合式工艺，这就使部分微生物附着在载体上。同时提高生化区污泥浓度为3500~4000mg/L，控制溶解氧为4~5mg/L，污泥龄为18d，大约在30d的挂膜成功以后，如图4.11所示，开始正常进行试验研究。表4.4为B段局部改造为A/O工艺后好氧段局部投加生物载体的污染物去除情况。挂膜前挂膜中挂膜成功图4.11圆柱形塑料填料生物膜形成过程57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4.4低温强化B段改造为A/O工艺污染物去除情况+-TP(加入TP(加入CODcrNH4-NNO3-NTNTP20mg/LPAC)30mg/LPAC)进水314.4446.13——50.236.496.386.23二沉池出水69.54.386.7918.724.491.951.04BAF出水44.381.2813.7317.693.981.370.93常规去除率77.990.5——62.7230.9769.4783.3（%）BAF去除85.8997.23——64.7838.6778.5585.01率（%）4.3.1强化低温条件下COD去除效果从表4.4和图4.12可以看出，通过在B段好氧区局部投加生物载体后，COD进水平均为314.44mg/L，常规出水平均为69.5mg/L，去除率为77.9%，而BAF深度处理工艺平均出水为44.38mg/L，总去除率为85.89%。强化作用相对于COD的效果也不是具有很大的提高。70010090600805007060(%)400(mg/L)5030040COD浓度COD去除率200302010010000246810121416时间(d)进水COD常规出水CODBAF出水COD常规的COD去除率BAF的COD去除率图4.12强化低温条件下B段改造为A/O工艺对COD的去除效果4.3.2强化低温条件下N的去除效果从图4.13是B段改为A/O工艺后在低温条件下的N的去除情况。从表4.4和图4.12可以看出，通过在B段好氧区局部投加生物载体后，氨氮进水平58 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文均为46.13mg/L，常规出水平均为4.38mg/L，去除率为90.5%，而BAF深度处理工艺平均出水为1.28mg/L，总去除率为97.23%。投加生物载体后，反应器内形成了泥—膜系统，提高了曝气池内生物量，降低污泥负荷，充分的利用碳源进行硝化作用，使氨氮的去除效率有了很高的提高。平均进水TN为50.23mg/L，在投加载体后，使TN的去除效果提高，出水平均TN为18.72mg/L，BAF深度处理后的TN未17.69mg/L，满足了排放标准，所以在低温条件下，可以通过投加生物填料强化氮的去除。70100进水总氮常规出水总氮BAF出水总氮609050804070(%)(mg/L)30605020去除率浓度401030020氨氮进水氨氮出水BAF氨氮出水硝氮出水BAF硝氮出水100504090(%)(mg/L)30浓度2080去除率1007002468101214161820时间(d)常规氨氮去除率BAF氨氮去除率常规总氮去除率BAF总氮去除率图4.13强化低温条件下B段改造为A/O工艺N的去除情况4.3.3强化低温条件下TP去除效果图4.13为强化低温条件下B段改造为A/O工艺TP的去除情况。从图4.13和表4.4可以看出，在没有投加药剂的条件下，平均进水TP为6.49mg/L，常规平均出水为4.49mg/L，去除率为30.97%，BAF深度处理后的平均出水TP为3.98mg/L，去除率为38.67%，不能满足排放要求。而在投加化学药剂以后，磷的去除效果有明显的提高，在投加20mg/L的PAC后，平均出水TP为1.37mg/L，去除率为78.55%，而在投加0.93mg/L的时候，出水TP为0.93mg/L，去除率为85.01%，符合一级B排放要求。59 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100(%)常规的总磷去除率BAF的总磷去除率80未投加药品6040投加20投加30mg/L总磷去除率mg/L的PAC20的PAC012进水总磷常规出水总磷BAF出水总磷(mg/L)10864总磷浓度2002468101214161820222426时间(d)图4.13强化低温条件下B段改造为A/O工艺TP的去除情况4.4本章小结1)在常温条件下，结合水厂水质特点，保留A段特点不变，局部改造B段（改B段为A/O工艺和改B段为O/A/O工艺），协同BAF深度处理工+艺，改造后的两种工艺对COD、NH4-N、TN的去除率相差不大，都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B类标准要求。两种改造方案都不能满足正常的生物除磷，需要辅助化学除磷。试验结果表明，在投加30mg/L的PAC同步除磷的条件下能够满足一级B的TP的排放标准。2)低温试验条件下，A+A/O工艺的出水氨氮高达12.41mg/L，出水TN为25.9mg/L，去除率仅为51.95%，不能达到排放要求。经过BAF对沉淀出水深度处理后，出水氨氮、TN仍然不能达到排放排放。说明温度对通过辅助化学除磷方式，污水中磷的去除效果明显，出水达标。3)在常温条件下，将AB工艺B段局部改造为A/O工艺，结合BAF深度处理工艺，辅助化学除磷能达到改造要求；在低温条件下，以原方案为基础，通过在好氧段投加载体进行局部生物强化，强化硝化作用，使出水满足排放标准，符合改造要求。60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论本课题为小试试验研究，通过实验室研究和现场研究的结合，为齐齐哈尔南郊污水厂AB工艺的功能升级改造提供改造路线，分析其可行性，研究成果将有助于提高我国城市污水处理厂的处理效率。研究获得了如下结论：1.试验发现，将AB工艺改造为A/O工艺，在运行的过程中能达到倒置A~2/O的效果。改造后的A/O工艺去除效能明显强于局部改造B段为A/O工艺，2种改造思路都较传统AB工艺在COD、TN、TP的去除上具有很大的提高，COD、SS、TN都能满足达标排放的要求，但磷都不能满足排放要求，需要通过辅助化学除磷的方法来进一步稳定出水磷的去除效果。2.实验室研究发现，改造后的A/O工艺不具有抗冲击负荷能力，而B段局部改造为A/O工艺由于保留了AB工艺A段特性，具有抗冲击负荷能力。所以整体改A/O的思路不符合齐齐哈尔污水厂改造要求，故现场试验选择对B段局部强化脱氮除磷的改造方案。3.在实验室研究基础上，充分利用原始AB工艺A段生化吸附高效性特点，结合现场水质特点，在不扩建新的构筑物条件下，将B段局部改造改为A/O、O/A/O工艺，两种工艺对比运行，在结合水厂的中水回用工程（BAF）条件下，B段改造为A/O工艺去除效能略强于O/A/O工艺，所以选择污水厂改造方案为将AB工艺B段改造为A/O工艺，同时结合BAF深度处理工艺，辅助化学除磷。4.齐齐哈尔因其特殊的地理位置，冰封期时间较长，所以温度是制约改进后工艺稳定性的主要要素。试验发现：在低温条件下，改造后的工艺对各种污染物的去除效率都降低，尤其是对于氮的去除，硝化作用无法正常进行。因此选择在低温条件下，进行生物强化技术的联用，即在好氧段添加生物载体，使B段构成生物膜-活性污泥系统，兼备A/O脱氮工艺特点，能够保证稳定的处理效果。化学除磷不受温度的影响，投加适量的药剂即能满足磷的去除效果。5.齐齐哈尔南郊污水厂改造方案拟定为：局部改造B段为A/O工艺，在BAF深度处理工艺的协同作用下，辅助化学除磷；低温条件下，在改造后的工艺好氧段局部投加生物载体，改造符合改造要求。综合以上试验结果给出如下建议：1.小试试验研究数据仅为实际工程改造提供参考，实际改造工程需通61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文过中试研究进一步进行试验探讨。2.在实际工程改造过程中，将B段改造为A/O脱氮工艺，针对齐齐哈尔南郊污水厂水质变化大的特点，当进水碳源不足时，采用分段进水，引入部分曝气沉砂池出水至B段的方法，使出水满足排放要求。3.实际污水厂具备配套中水回用工程（气浮+BAF深度处理工艺），可将磷的去除直接在气浮池中进行，以免在B段投加化学药剂对生化池的污泥性状产生影响。62 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1王洪臣,周军,王佳伟,等.5F-A2/O——脱氮除磷工艺的实践与探讨.中国建筑工业出版社.20092王晓莲,彭永臻,等.A2/O法污水生物脱氮除磷处理技术与应用.科学出版社.20093许泽美,唐建国,周彤等.废水处理与再利用.中国建筑工业出版社.20024张忠祥,钱易.废水生物处理新技术.清华大学出版社.20045王洪臣,甘一萍,王佳伟.高碑店污水处理厂改造及再生利用工程方案比选.给水排水.2008,34(6):31~346B.D.Bohnke.AB-Verfahrenzurbiologiscchenabwasserreinigung.1992:3~47沈耀良.AB工艺原理的系统分析.环境科学.1996,17(6):81~838沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术——理论与应用（第二版）.北京:中国环境科学出版社.20069郑兴灿,李亚新.污水除磷脱氮技术.北京:中国建筑工业出版社.199810PManhem,TPalmgren.UpgradingandexpansionoftheKappalawastewatertreatmentplant.Operationalexperiencesandresults.Wat.Sci.Tech.2004,50(7):9~1711H.Henlness,H.Gegaard.BiologicalPhosphorusandNitrogenRemovalinaSequencingBatchMovingBedBiofilmReactor.Wat.Sci.Tech.2001,43(1):233~24012Z.G.Yuan,AOehmen,IPernile.Controlofnitraterecirulationflowinpredinitrificationsystems.Wat.Sci.Tech.2002,45(4/5):29~3613Z.R.Hu,M.C.Wentzel,G.A.Ekama.Externalnitrificationinbiologicalnutrientremovalactivatedsludgesystem.Wat.Sci.Tech.,2001,43(1):251~260。14张自杰.排水工程下册（第三版）.中国建筑工业出版社.199615A.T.Katie,N.Mark,C.R.Ralf.TheeffectofdissolvedOxygenonPHBaccumulationinActivatedsludgecultures.BiotechnologyandBioengineering.2003,82(2):238~25016P.Warangkanna.InvestiagationoftheEffectsofCOD/TPRatioonthePerformanceofaBiologicalNutrientRemovalSystem:VirginiaPoltechnic63 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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文autotrophicnitrogenremovalovernitrite)underammonialimitation:interactionandconpetitionbetweenthreegroupsofbacteria.Syst.Appl.Microbiol.2001,24:588~59631M.Merzouki,N.Bernet,etal.BiologicaldenitrifyingPhosphorusRemovalinSBR:EffectofAddedNitrateConcentrationandSludgeRetentionTime.Wat.Sci.Tech.2001,3(43):191~19432G.Bortone,L.S.Marsili,A.Tilche,etal.AnoxicPhosphateUptakeintheDephanoxProcess.Wat.Sci.Tech.1999,40(4~5):177~18333操家顺,杨雪冬,V.L.Mark.BCFS——生物除磷新工艺.中国给水排水.2002,18(3):23~2634邱维,张智.城市污水化学除磷的探讨.重庆环境科学.2002,24(2):81~8435徐丰果,罗建中,凌定勋.废水滑雪场里的现状与进展.工业水处理.2003,(5):18~20：36P.Kos.ShortSRT(SolidsRetentionTime)nitrificationprocess/flowsheet.Wat.Sci.Tech.1998,38(1):1~237李春光.污水厂改造设计中应注意的几个问题,中国给水排水.2005,22(4):34~3638丁永伟,王琳,王宝贞,等.活性污泥和生物膜复合/联合工艺在污水处理厂技术改造中的应用.给水排水.2005,31(12):41~4539李建军,王卿卿,常来军,等.投料-化学除磷在小区生活污水处理站提标改造中的应用.水工业市场.2010,4,66~6940杨红.A_A_MBBR工艺在污水处理厂改造中的应用研究.中国地质大学博士论文.200641王翥田,叶亮,张新彦,等.MBBR工艺用于无锡芦村污水处理厂的升级改造.中国给水排水.2010,26(2):71~7342P.Chudoba,R.Pujol.Technicalsolutionsforupgradinghighrateandmediumloadedactivatedsludgeplantsfornutrientremoval.Wat.Sci.Tech.2000,41(9):131~13843周增炎,高庭耀.传统活性污泥法污水厂增加脱氮除磷功能的研究.同济大学学报.2003,31(10):1229~123144张辰,邹伟国,李正明,等.上海曲阳污水处理厂改造工艺及应用.给水排水.2007,33(10):33~3745周金全,董小龙,蒋伯忠.污水处理厂升级改造一级A排放标准新工艺及工程实例.水工业市场.2009,(1~2):84~8865 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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《AB法污水处理工艺功能升级试验研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《AB法污水处理工艺功能升级试验研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用本授权书不保密□√（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日69 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢在我的硕士毕业论文即将完成之际，谨向导师陈志强副教授致以诚挚的谢意。在这两年的硕士生涯里，导师在生活和学习中给予了我极大的关怀和帮助，我们亦师亦友，在领略老师博学和求实的工作作风同时，老师教导我们很多学校学不到的做人道理，这都为我以后的工作指明了前进方向，让我终身受益。在此，学生再次向您表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时感谢师母温沁雪副教授，她的严谨认真和对科研一丝不苟的态度审慎的影响了我，在我的课题进展中提出了很多宝贵的意见，让我在这个温暖的课题组中感受到了大家庭的温暖。吴昌永博士和陈玮博士在课题中也给了我很多的指导意见和帮助，才让我的课题顺利进行，你们是我学习中的榜样。同时感谢薛莲、张涛、张运海、白宏乔、王晶慧、窦克忠、郑飞、刘国卫等课题组的师兄弟们在实验中给予的帮助，同时感谢代亚辉、李旭辉等同学们，是你们在我无助和困解的时候，鼓励我，支持我，才让我走到了今天，认识你们是我一生中最大的财富。后期试验是在齐齐哈尔南郊污水厂完成的，袁立华经理、田智华副经理以及污水厂的一些同志们在生活和实验上都提供了很大帮助，希望你们以后事业蒸蒸日上，为祖国的污水处理事业做出更多的贡献。最后感谢我的家人，是你们的鼓励和支持才让我走到了今天，你们是我前进的动力，我为能成为你们的孩子而骄傲，我会更加努力。祝你们身体健康!!!谢谢你们，我永远爱你们。70'