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1、第1章 绪论1.1 课题背景随着我国工农业生产的高速发展和居民生活水平的显著提高，合成洗涤剂、化肥和农药被广泛使用，作为营养元素之一的氮类物质，其排放量在逐年迅猛增加，大量的氮类污染物都进入了水体中，导致水体水质急剧恶化，使水体富营养化日益严重。进而导致水体富营养化，使生态系统平衡被打破，水体污染尤其是地下饮用水污染，已经影响了人们正常的生产和生活，对水生生物和人体健康造成了严重的危害。另一方面，我国从2003年7月1日开始实施城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002，对城镇污水处理厂的污水排放的各项指标都作了更加严格的控制，特别提高了出厂水中的氮、磷指标的排放标准，如要求所有的排
2、污单位最后出水的氮磷的含量分别为TP小于1mg/L，氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L（一级A标准）2。所以，新建设的污水处理厂必须按照新的标准进行建设，已经建成投产的污水厂需要进行改建，增加相关的构筑设施去除污水中的氮、磷污染物，达到国家规定的新的排放标准。因此，去除污水中有机物的同时，有效地降低废水中氮、磷污染物含量已成为各污水处理厂面临的首要任务。一方面，在处理工艺中由于人为或者工艺本身的不足，需要达到新的去除标准耗费过高，导致污水厂出水中的氮磷超标。另一方面，由于人们的生活习惯和气候等因素的影响，我国许多城市污水普遍存在脱氮除磷过程碳源不足的问题，南方地区尤其严重。由于污水有机物
3、含量偏低，不能满足常规的脱氮除磷工艺的要求，氮、磷去除达不到排放标准3,4。为解决低C/N污水的生物脱氮除磷问题，一种节省碳源、低能耗、占地小、处理效果好的污水处理工艺成为需要。近年来各种新型、改良型的脱氮除磷污水处理技术应运而生，但比较而言，A2N（Anaerobic/Anoxic/Nitrification）连续流反硝化脱氮除磷工艺最具发展前景。该工艺为采用生物膜法和活性污泥法相结合的双污泥系统，与传统的生物除磷脱氮工艺相比较，A2N工艺具有“一碳两用”、节省曝气、污泥产量低以及不同菌群分开培养等优点3-6。A2N作为一种新工艺，在我国还处于研究阶段，国内鲜见工程应用。生物膜法中，曝气生物
4、滤池（Biological Aerated Filter）简称BAF，集生物氧化和截留悬浮固体与一体，同时具有运行负荷大、抗冲击能力强、占地面积小等特点。本课题利用A2N工艺及BAF的运行特点，将两者相结合提出了A2N/BAF工艺，并进行了中试规模的研究。A2N/BAF工艺中一级BAF不但为系统提供电子受体，而且是控制出水TN关键，而二级BAF是出水NH4+-N的保障，所以对系统中BAF的研究显得尤为重要。目前，仍存在很多问题有待研究：如一级BAF内生物膜的特点、一级BAF的运行特点及参数选择、系统与BAF的相互作用关系、生物氧化功能和硝化功能之间的相互关系、二级BAF的运行特点及参数优化，以
5、及能否通过对现有BAF工艺的改进使其更适合组合工艺等问题。本课题展开了针对以上问题的1.2 国内外研究现状工业废水和生活污水等未经处理的含氮废水直接排放、污水处理厂未经过有效二级处理的出水、面源性的农业废水等构成了水体中氮元素的主要来源1。水中的含氮类化合物如果未经过妥善处理而直接排入水体，会使水体发生富营养化的危险，因此需对排入水体的废水进行脱氮处理。对于氮元素污染的控制工艺种类繁多，国内外常见的工程技术包括空气吹脱法、离子交换法、沉淀法、折点氯化法、生物脱氨法。其中以生物脱氮工艺最为常见，生物脱氮工艺主要分为传统生物脱氮工艺和生物脱氮新工艺。通过近年来各种新型、改良型的脱氮除磷污水处理技术
6、应运而生。主要分为：1.2.1 硝化作用的原理在生物学上，一般讲氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生化反应称为生物硝化作用工业废水和生活污水等未经处理的含氮废水直接排放、污水处理厂未经过有效二级处理的出水、面源性的农业废水等构成了水体中氮元素的主要来源1。水中的含氮类化合物如果未经过妥善处理而直接排入水体，会使水体发生富营养化的危险，因此需对排入水体的废水进行脱氮处理。废水处理工艺种类繁多，其中以生物脱氮工艺最为常见，生物脱氮工艺主要分为传统生物脱氮工艺和生物脱氮新工艺。1.2.1.1硝化细菌的特性1.2.1.2硝化过程的生化反应1.2.2 主要硝化工艺1.2.1.1化学沉淀法1.2.1.2 氧化法第
7、2章 实验材料与研究方法本研究从滤料优选、结合水质参数运行研究、中试运行研究三个阶段对A2N工艺中的硝化单元进行优化研究。本章将简要介绍A2N工艺流程、填料优选小试实验方法、实验分析方法和实验研究水质参数。2.1 实验装置2.1.1 A2N/BAF中试装置简介本装置为曝气生物滤池课题组共同搭建与维护，硝化单元采用BAF固定床形式，中试装置内部各单元其主要设计参数为：厌氧池HRT=1.2h，缺氧池HRT=2.5h，一级BAF(硝化单元) HRT=1.5h，中沉池及二沉池HRT=2.0h，二级BAF(硝化单元) HRT=0.3h。A2N/BAF中试系统工艺流程如图2-1所示。对于硝化工艺的研究，通
8、过了解硝化细菌的生存条件，其更加适合于低COD，适当浓度的氨氮，充足的曝气条件下。故本研究启动使用的是本课题组中试基地A2N/BAF中试装置二次沉淀池出水。为了达到实验目的，实验使用原水分两处取得分别位于中沉池出水和二沉池出水，如图2-1中实验原水1及实验原水2。剩余污泥实验原水1实验原水2超越污泥回流污泥一级硝化单元二级硝化单元中沉池缺氧池厌氧池二沉池进水初沉池图2-1 工艺流程图在A2N/BAF流程中，生活污水经初沉池沉淀后，在厌氧池与回流污泥充分混合，污泥中的DPB将原水中的易降解有机物转化为体内碳源并释磷，泥水混合物进入中沉池，在中沉池内实现泥水分离。富含氨氮和溶解性磷的上清液进入到一
9、级BAF中进行硝化，沉淀浓缩的污泥从中沉池下部超越到缺氧池；在缺氧池内，超越污泥与富含硝态氮的一级BAF柱出水充分混合，以硝酸盐氮为电子受体实现反硝化吸磷；在经过后曝气恢复污泥活性后，泥水混合物在二沉池内再度分离，上清液由二级BAF处理达标后排放，下部污泥一部分回流到厌氧池进行下一个循环，一部分高含磷量污泥则作为剩余污泥排放。2.1.2 实验装置为了便于进一步的将填料用于实际污水厂的构造中，实验装置为正方形有机玻璃柱，采用方形填料形式。实物图如图2-2所示，内部尺寸：底面边长200mm，高度1300mm，在柱体正前和左侧同一高度间隔一定距离开取样小孔七个，反应器内部中空，进水采用普通蠕动泵进水
10、，反应器底部均匀设六根用于曝气的穿孔管，曝气方式采用鼓风机曝气。柱内设混合层高度60cm，便于水气混合和物质交换。图2-2 实验硝化柱实物图实验用同步对照BAF柱采用工艺已经比较成熟的有机玻璃圆柱，其规格如下：柱内径10cm，柱高2m，配水区高度15cm，填料采用直径为3-5mm陶粒，填装高度为1.5m。实物图如图2-3所示。图2-3 对比硝化柱实物图2.2 实验水质与检测方法2.2.1 实验原水水质为了便于硝化菌的生长及快速挂膜，实验启动过程采用的是如图2-1中的实验原水1（即二级沉淀池出水），其特点是：COD含量低，氨氮含量相对丰富，比较利于硝化细菌生长，其常规水质指标如表2-1所示：表2
11、-1 实验原水1常规水质指标常规水质指标水质参数(mg/L)平均实验值(mg/L)COD156740NH4+N43018NO3-N00.80.3NO2-N0.0030.450.08SS163527碱度53192121由于实验硝化柱截留能力有限，使用在最后单元上，出水SS不能达标不符合优化实验的研究方法，再者改造整个A2N工艺中的硝化单元是整个研究的目的，故在第二阶段的实验用水改为如图2-1中的实验原水2(即中沉池出水)，其水质特点是：COD相对较高，氨氮较实验原水1更加丰富，虽然不是比较利于硝化细菌生长，但是有后续单元保证出水的总悬浮物水平。其常规水质指标如表2-2所示：表2-2 实验原水2常
12、规水质指标常规水质指标水质参数(mg/L)平均实验值(mg/L)CODNH4+N214535NO3-N00.30.2NO2-NSS碱度2.2.2 实验检测方法本研究只要水质分析方法如表2-3所示。表2-3 常规水质检测方法编号检测指标分析方法所用仪器型号1COD重铬酸钾氧化法普通酸式滴定管2NH4+-N纳氏试剂分光光度法CleverChem3NO3-NCleverChem4NO2-NCleverChem5碱度CleverChem6SSSS快速测定仪哈希DR-890型快速检测仪7TP8DO溶氧仪电极法YSI550A便携式溶解氧仪9MLSS高温干燥差减法真空干燥箱10PHPH计11温度普通温度计法
13、2.3 研究思路与方法研究的整体思路是先找到一种结合了节省反冲洗的接触氧化法和传统BAF硝化单元优点的载膜方式，即一种新型的填料床；再通过实验找到一种性价比高的填料，构成硝化单元的填料；在通过结合实验用水水质特点的实验得到一个调控参数体系；通过结果进一步优化，并进行中试试验，最终实现对于A2N硝化单元的优化改造。建议放在绪论中2.3.1 填料的优选（实验装置的描述）传统BAF拥有占地面积小，处理效果好等优点，但是其运行阻力大，处理成本相对较高；接触氧化池不用反冲洗，但是占地面积大，总效率较低。对BAF进行改进，通过初步试验研究发现纤维材料流化床形式填料能有效的将两种工艺的优点结合起来，并在中试
14、中取得了相对较好的结果。分别进行纤维材料挂膜过程的研究，填料生物培养硝化研究和材料表面活性改良的研究。2.3.2 单体优化研究改阶段分为三个部分，即模拟一级BAF的硝化研究、模拟二级BAF的硝化研究、进一步的单元优化研究2.3.3 中试试验研究将上一个阶段研究的成果用于中试试验，在中试装置中检验工艺的效果。第3章 填料优选实验填料在污水处理工艺中，处于核心的地位。表现在以下三个方面，第一，填料床作为微生物的载体，影响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态；第二，填料起到吸附并截留污水中部分悬浮物的作用；第三，填料起到阻挡、切割气泡的作用，可以增加气泡在水体中的停留时间和气、液接触强度，提高传质效果，
15、加快氧的转移速率，减少曝气量，从而节约能源，并减少设备体积。由此可见，填料对污水处理工艺特别是硝化工艺的运行效果及工艺能耗都有着极为重要的影响。开发新型的污水处理材料以及填料的装填方式是硝化工艺优化研究的重要组成部分。本章主要从纤维材料的调研，采用小试试验的方式对以下三个方面进行了较为细致的研究：挂膜过程的实验研究，填料挂膜后去硝化效果的研究，以及改良材料表面特性的研究。3.1 纤维选择可供选择的纤维材料主要分为两大类：天然纤维，人造纤维。然而天然纤维中含有大量的可分解有机质，在污水中容易被腐蚀的同时，也会影响一些自养微生物的生长，故将将选择范围缩小至人造纤维部分。锦纶：为聚酰胺纤维，也是所谓
16、的尼龙，有良好的防水防风性能，耐磨性高，强度弹性都很好。丙纶：外观似毛戎丝或棉，有蜡状手感和光泽，弹性和回复性一般不易起皱比重小，质量轻，强度耐磨性都比较好经久耐用，不耐高温。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维具有强度高、耐热性好，化学性质稳定、耐水洗、抗起皱等特点，是纺织行业最常用的聚酯纤维之一。然而PET纤维主链分子上缺少-OH、-COOH等极性基团，导致其表面自由能低，吸湿性和粘附性能差，难以与其它物质形成化学键合。工业滤布：综合各项因素后选定丙纶、PET、工业滤布作为实验的材料。3.2 纤维挂膜研究3.2.1 实验方法（第二章中）实验装置采用独立的反应器培养，为了实验操作方便，将实验纤
17、维统一切割成20cm20cm片状样品，每一种纤维培养六片，采用SBR式培养方式，一天更换培养液两次，培养液为中试装置二级沉淀池出水。将机械处理好的平面膜用悬挂的方式浸没在上述培养液中，曝气充分使溶解氧达到饱和。装置实物图如图3-1所示。通过定时取样的方式，监测纤维微生物附着与挂膜情况。在保证溶解氧、氨氮、碱度充足的条件下进行挂膜实验。启动过程分为两种，一种为自然挂膜过程，一种为接种挂膜过程。监测更换培养液之后，分别在0h，2h，5h，9h，12h时间段培养液中氮类及碱度指标。3.2.2 实验结果与分析3.2.2.1挂膜过程硝化效果的研究实验用三种材料，在同一进水下，接种污泥1d，更换培养液后硝
18、化反应5h取水样10ml进行监测氨氮指标的变化，得到不同材料挂膜过程硝化效果对比，如图3-1所示，其中1号为PET材料，2号为丙纶材料，3号为工业滤布。图3-1 不同材料挂膜过程硝化效果对比通过图3-1的数据信息可以得出以下结论：所有的材料样品都有一定的硝化效果，约在挂膜第10天左右达到稳定，稳定过程氨氮去除率一般总体在75%左右，挂膜过程基本结束；PET材料的硝化效果较为明显，并有一定的抗冲击能力，丙纶材料硝化效果较差，工业滤布的硝化效果居中。3.2.2.2自然挂膜与接种挂膜的对比研究选用同样的实验材料，用两种挂膜方式进行实验，即自然挂膜和接种挂膜。自然挂膜即将纤维放入培养装置中，每天更换培
19、养液两次，定时监测培养液中目标污染物的浓度变化情况，当纤维表面出现了薄薄的一层污泥絮体，且出水氨氮去除率稳定在至少80%，即认为自然挂膜成功。接种挂膜为在加入培养液同时加入一定量的硝化池污泥，连续曝气12个小时，不倒泥，接下来与自然挂膜采用同样的培养液一天更换两次，判断挂膜成功的标志与自然挂膜相同。本实验取用更换培养液后9h出水的水样指标参数作为参考数据，得到的实验结果如图3-2所示，1为自然挂膜，2为接种挂膜。图3-2 自然挂膜和接种挂膜硝化比较通过图表数据信息可以得出以下三点结论：数据稳定性显示挂膜过程在18天左右基本完成；自然挂膜过程较接种挂膜速度较慢，接种挂膜在第10天基本上达到了去除
20、率在80%以上，在以后检测中相对稳定，而自然挂膜在第12天才勉强达到80%的氨氮去除率；自然挂膜硝化能力小于接种挂膜，这是因为接种挂膜过程中，填料表面有更多的硝化细菌附着，增加了硝化能力。3.3 纤维硝化效果研究3.3.1 实验方法实验采用小试试验的方式进行，将上一过程中已经挂膜成功的纤维材料置于已经配好相应浓度不同的培养装置中。在保证溶解氧充足的条件下进行硝化效果研究实验，同样纤维材料采用高低两种浓度配水进行实验，同种材料分别采用分别放置一块和两块材料，用以考察材料间的空隙是否存在一定数量的硝化细菌，从而提高了硝化效率。实验装置布置如图3-3所示。图3-3纤维硝化实验现场图采用二沉池出水和外
21、加氨氮碱度的自来水1:8进行配备，放入5L塑料烧杯中，将纤维材料悬挂于烧杯中，保证各个烧杯中的曝气量满足硝化实验的需求。在加入配水后开始曝气，并开始记录时间，取样时间设在0h，1h，2h，3h，4h，5h，6h，7h，8h，9h，10h，12h。每次分别从每个烧杯取10ml水样进行氮类指标和碱度的监测，对比考察硝化效果。3.3.2 实验结果（你的实验结果分析，大多是描述，要给出数据描述和分析）3.3.2.1不同材料的硝化效果研究在保证溶解氧充足的条件下进行硝化效果研究实验，将PET，丙纶，工业滤布三种材料挂膜后进行小试实验。其实验结果如图3-4所示。图3-4 不同材料硝化实验结果由图3-4可以
22、得到以下结论：各种纤维材料样品对于氨氮都有一定的去除作用；各材料中，PET材料的去除效果和去除能力相对较大，工业滤布次之，丙纶效果相对较差；通过碱度参数的测定，每硝化1mg/L氨氮，消耗6.47mg/L左右的碱度，与理论值基本相符合。3.3.2.2不同浓度硝化效果研究为了考察材料的适用范围，根据污水处理工艺的经验参数，设定高低两种浓度，低浓度设定在15mg/L左右，高浓度设定在30ml/L左右。将不同材料的样品置于不同浓度下，监测培养液中各氮类指标的变化。图3-5 低浓度下硝化实验图3-6 高浓度下硝化实验通过高低浓度下硝化实验结果，由图3-5、3-6可以得到以下三点结论：在适宜的条件下三种材
23、料样品都有比较明显的硝化能力，PET的效果最佳；通过硝氮生成的数据可以得出在硝化氮元素基本守恒；在一定范围之内，浓度较高对于硝化菌的硝化作用有一定的促进作用。3.4 纤维表面改性研究本实验采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺布，纤维具有强度高、耐热性好，化学性质比较稳定、耐水洗、抗起皱等特点，然而由于PET纤维主链分子上缺少-OH、-COOH等极性基团，导致其表面自由能低，吸湿性和粘附性能差，难以与其它物质形成化学键合。3.4.1 改性处理本实验分两种方式进行表面改性处理，其一为碱减量处理，其二为臭氧双氧水处理。3.4.1.1碱减量处理将材料放入1%十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和2%氢氧
24、化钠溶液中，75浸泡三分钟，然后用大量水冲洗。处理前SEM 处理后SEM图3-7 PET碱减量处理前后SEM其目的是使纤维表面活化出-OH和-COOH等活性基团，改善纤维的亲水性和吸湿性。原始PET纤维表面平整而光滑，在碱减量处理之后，纤维表面变得粗糙不平，甚至出现条状沟槽，如图3-7所示，这是碱处理造成PET分子主链上酯键水解的结果。3.4.1.1臭氧双氧水处理将PET材料浸泡在饱和双氧水中，并通入体积比为O3/O2=3:2的臭氧气体，通气时间为10min。其目的是在纤维表面人为加成-OH等活性基团，进而改善纤维的亲水性能及表面极性。处理后，通过SEM从外观上看，基本上没有太大的差别，如图3
25、-8。处理前SEM 处理后SEM图3-8 PET臭氧双氧水处理前后SEM3.4.2 实验方法实验采用与3.3同样的实验方法，通过对材料表面进行改性处理，以小试试验的方式，结合相关的材料学检测方法对处理效果进行一定的辅助解释。将表面已经处理好的纤维材料挂膜，取一定量的材料放置于培养装置中。同样在保证溶解氧充足的条件下进行硝化效果研究实验，将同种材料改良前后两种样品悬挂于烧杯中，保证各个烧杯中的曝气量满足硝化实验的需求。实验配水条件、实验方法均与3-3相同。在加入配水后即开始曝气，并开始记录时间，取样时间同样设在0h，1h，2h，3h，4h，5h，6h，7h，8h，9h，10h，12h。每次分别从
26、每个烧杯取约10ml水样进行氮类指标和碱度的监测，对比考察硝化效果，通过SEM的方式对挂膜后材料表面进行研究；通过超声波冲洗的方式，将纤维材料表面的污泥冲洗下来，干燥称重。3.4.3 实验结果3.4.3.1表面改性前后硝化效果研究通过碱减量对纤维表面特性进行改进后，定时监测培养液中氮类指标及碱度的变化变化情况，并绘制得到如图3-9的硝化过程曲线。硝化过程曲线显示：对PET材料表面进行碱减量改性后，其硝化效果得到了较为明显的改善，改进后的PET在9h内基本上将能保证出水氨氮达到一级A以上标准，而为改进PET则要在10h后才勉强达到同等去除效果。图3-9 不同改性方式硝化过程研究3.4.3.2不同
27、改性方式的硝化效果研究（与3.4.3.1的不同之处？）采用PET材料，通过碱减量和O3/H2O2处理两种改性方式对纤维表面特性进行改性研究，监测氮类指标的变化，绘制得到如图3-9的硝化过程曲线。图3-10不同改性方式硝化过程研究通过图3-10可以得到如下结论：通过不同的方式进行表面改性后，纤维的硝化效率都有明显增强；通过碱减量处理的纤维样品硝化效果最为明显，约在6h即硝化17mg/L氨氮，同等处理效果下比未进行改性的样品快了近4h。通过对实验样品做SEM，进一步研究发现，如图3-11，碱减量过程中，纤维表面的沟槽和凹凸对于污泥附着有促进作用。PET未处理 PET碱减量处理图3-11 实验样品S
28、EM图3-11可以得到的信息：PET材料纤维之间有大量的微生物附着生长，当表面变得粗糙后，更加附着更多的微生物，所以宏观的表现是，硝化效果更好，硝化速度更快。3.5 本章小结本章通过对硝化工艺中需要的纤维材料进行小试试验研究，主要从挂膜过程、硝化实验过程和材料改性研究等三个方面进行较为细致的研究，可以得到以下结论：（1）接种挂膜方式比自然挂膜过程，速度快三到四天，硝化效率高15%左右。PET材料的挂膜速度最快，约9天，丙纶材料的挂膜最慢，约13天。（2）实验的各种纤维材料样品对于氨氮都有一定的去除作用；各材料中，PET材料的去除效果和去除能力相对较大，可达工业滤布次之，丙纶效果相对较差；通过碱
29、度参数的测定，每硝化1mg/L氨氮，消耗6.47mg/L左右的碱度，与理论值基本相符合。（3）通过高低浓度下硝化实验结果，由图3-5、3-6可以得到以下三点结论：在适宜的条件下三种材料样品都有比较明显的硝化能力，PET的效果最佳；通过硝氮生成的数据可以得出在硝化氮元素基本守恒；在一定范围之内，浓度较高对于硝化菌的硝化作用有一定的促进作用。（4）对PET材料表面进行碱减量改性后，其硝化效果得到了较为明显的改善，改进后的PET在9h内基本上将能保证出水氨氮达到一级A以上标准，而为改进PET则要在10h后才勉强达到同等去除效果。（5）通过不同的方式进行表面改性后，纤维的硝化效率都有明显增强；通过碱减
30、量处理的纤维样品硝化效果最为明显，约在6h即硝化17mg/L氨氮，同等处理效果下比未进行改性的样品快了近4h。第4章 单体优化研究根据相关学者的研究，传统BAF硝化单元中，其结构多为固定床，底层滤料的生物量大，异养菌丰富，因为底层进水中碳源较为充足，故硝化细菌较少。原水通过底层后，氨氮沿程随高度增加而逐渐降低，硝化细菌分布也出现类似情形。而硝化细菌对温度、PH等很敏感的细菌，如果遇见温度骤降或者水质条件突然变化，下部分硝化细菌丰富区域由于温度等因素的影响，硝化能力显著降低，这时传统BAF出水很难达到相应的排放标准，传统BAF抗冲击能力有待加强。本章立足于单体技术，采用流化床的填料方式，先后对A
31、2N中二级BAF，一级BAF单元进行了水力负荷，污泥负荷，水气比硝化研究。4.1 硝化柱填料方式研究基于操作、条件控制简便、建造方便的原则，进行了硝化柱填料的布置。对于现有的污水厂，由于便于施工、运行维护，绝大多数反应器使用的都是方形池体结构，很少使用柱状结构，而实验室研究由于场地有限、要求布水布气更加均匀，多数采用圆柱形的结构。这就可能造成生产实践和科学研究的偏差和脱节，不利于科学研究指导生产实践。因此本研究采用的是方形柱体结构作为硝化单元的主体结构。4.1.1 流态研究装置内部用直径约为5mm的PET碎片组成流化床型硝化柱，为了研究其内部流态和反应器的类型，在正常进水的条件下，瞬间投入高浓
32、度的NaCl溶液，通过测量沿程的电导率值。在投加之后的0min，5min，15min，25min，35min，60min分别取沿程测量水样电导率值，得到沿程电导率分布图4-1。由图4-1可以得出结论：在5min之内进入柱体的物质能够几乎平均的分布在柱体中，初步判断1#、2#反应器属于完全混合式反应器(CSTR)。通过硝化实验沿程数据变化可以验证上述推测，在图4-2中，新型硝化柱于传统BAF在同样进水条件下，传统BAF硝化过程呈现由低向高逐步硝化的趋势，而新型硝化柱呈现的是沿程基本硝化效果相似的趋势，这一结果从另外一个方面验证了新型硝化柱是完全混合式反应器的推断。（数据！）图4-1 沿程电导率分
33、布图图4-2 沿程氨氮去除对比4.1.2 硝化效果研究新型硝化柱启动过程与BAF进行对比，发现新型硝化柱的启动时间稍快于BAF，整体硝化效果两类硝化柱相差不大，但是在硝化实验过程中，新型硝化柱的水头损失一直保持在5cm左右，而传统BAF柱因为水头损失过大，需要定期进行反冲洗。4.1.2.1硝化单元启动研究硝化单元启动过程通过监测进出水水质的变化和稳定性，当装置出水中的亚硝氮积累现象明显改善时，能保证出水氨氮达到排放标准，则视为硝化单元启动过程完成。由图4-3亚硝氮变化曲线可以得到如下结论：新型硝化柱启动过程中，亚硝酸盐积累情况较BAF较轻，且在启动约15天积累情况渐渐消失，而BAF在启动20左
34、右亚硝氮积累才逐渐消失。图4-3 硝化柱启动过程亚硝酸盐变化曲线图4-4 硝化柱启动过程氨氮去除同时由图4-4氨氮去除效果图可以得到结论：新型硝化柱的硝化能力与BAF相当；在启动前十天，两种硝化柱的硝化效果跟进水水质的高低有直接关系，当进水水质氨氮较低时，出水效果较好，反之则不能达标。第10至第15天，由于进水中氨氮保持在10mg/L左右，两种硝化柱出水都能达标，第15天后，由于硝化单元内的硝化细菌生长繁殖开始趋于稳定，故进水氨氮在一定的范围内，出水水质都能达到低于5mg/L的标准。综合图4-3亚硝酸盐的变化曲线和其他运行操作指标，新型硝化柱的启动过程约需要14天，BAF启动过程慢约35天。4
35、.1.2.2反冲洗及其恢复研究研究反冲洗周期与水头损失和处理效果直接相关，当水头损失过大或者水头损失达到一定程度出水水质明显变差时，总悬浮物质会明显升高，则需要进行反冲洗。这是由于滤料表面的生物作用生长过程的变化引起的，随着运行时间增长，填料不断截留住水中的悬浮颗粒，这些物质会附着在活性生物膜的表面，使生物膜厚度增大，在减小了填料孔隙度的同时，阻碍了目标污染物与活性生物膜的接触，降低了活性生物膜与水体的物质交换，处理能力明显下降，生物膜逐渐老化脱落，出水SS升高。A2N/BAF中反冲洗问题相对于一般工艺有比较大的优势，一般工艺的反冲洗周期一般为23天，需要耗费大量的动力能源，通过改进后，A2N
36、/BAF的反冲洗周期可以达到10天左右。对于这一反冲洗周期，无论是对于操作还是对于能耗要求，还可以进一步降低。流化床填料新型硝化柱的出现，为这些要求的实现带来了可能。因为二级BAF进水的SS相对较低，其反冲洗周期相对较长，故研究两种硝化柱反冲洗状况对比采用一级BAF进水，其运行情况如图4-5所示。图4-5 硝化柱启动过程中水头损失对比从图4-5中可以看出，BAF的水头损失在开始运行时增加较慢，一直到第6天，其水头损失还保持在0.12m之内，而在第10天时已达到0.45m，此时硝化效果开始受到影响，到第12天时，已经达到0.85m，由于生物膜变厚，底物与活性成分物质交换变得困难，硝化效果显著变差
37、，SS明显升高，故必须进行反冲洗。综合处理效果，其反冲洗周期确定在10天。反冲洗采用脉冲方式，水气交替进行的方式，其反冲洗强度为：气912L/m2s，水68L/m2s。新型硝化柱，由于采用的是流化床填料，其截留能力有限，在流化的前提下，悬浮颗粒附着在填料表面的比例很小，绝大多数直接通过流化床填料进入溢流管，活性生物膜与底物之间的物质交换基本上没有受到阻碍。故其硝化效果基本保持不变，从图4-5中可以看出，新型硝化柱的水头损失基本保持在10cm左右。出水SS相对较高，这是本工艺的一个缺点。虽然新兴硝化柱的水头损失一直不高，但是随着时间的推移其底部也聚集了大量的固体悬浮物质，导致出水的SS增大，影响
38、出水水质，这时采用简单的增大曝气量的方式即可，大大简化了反冲洗的操作。其反冲洗强度为：气体68L/m2s。表4-1为两种硝化柱反冲洗条件的对比，可以看出新型硝化柱的反冲洗简单，节省了大量的反冲洗水。同时新型硝化柱一直处于正常的工作状态，在反冲洗过程中处理效果基本上保持不变。BAF与新型硝化柱在反冲后的COD和NH4+-N去除恢复效果对比如图4-6所示。表4-1BAF与新型硝化柱反冲洗比较类型反冲方式单次气冲时间（s）气冲（s）水冲(min)BAF气-水联合10605新型硝化柱气冲5400图4-6 BAF与新型硝化柱恢复过程COD与氨氮变化曲线由图4-6可以看出：对两种硝化柱进行反冲洗后重新进水
39、，两种硝化柱随时间推移COD和氨氮都有一定程度的降低，但是降低的快慢有所不同。新型硝化柱在反冲洗后20minCOD基本达到60mg/L左右，此后变化不大；而BAF反冲洗进水后40minCOD去除基本达到60mg/L，且此后保持基本不变。氨氮去除的恢复过程也有相似的结果。造成这一现象的原因是BAF在反冲洗过程水气的作用影响了硝化柱内的菌群空间分布，出水水质与菌群空间分布有关，而新型硝化柱是完全混合反应器，其菌群空间结构比较稳定。4.2 二级BAF工艺运行研究由于二级BAF的水质条件更加适合硝化细菌的生长繁殖，故采用二级BAF的进水作为实验启动用水。4.2.1 硝化能力研究4.2.2 水力负荷影响
40、4.2.3 其他因素影响4.2.3.1水气比对于硝化作用的影响研究4.2.3.2温度对于硝化作用的影响研究温度对于硝化细菌的影响非常灵敏，在气温较低的条件下，低温生活污水处理的宏观表现为硝化脱氮效果显著变差，硝化效率急剧降低。根据Randall等的研究，温度的变化不仅影响到硝化细菌的生化活性，也对硝化细菌的生长繁殖产生直接影响。国内外大量研究结果表明最适宜硝化细菌生长的温度为2530，而当温度低于15时硝化细菌的生化活性大幅度降低，硝化速度明显下降，当温度降低至5时，硝化细菌的生命活动几乎停止，处于休眠状态。另根据张爽等的研究表明：在温度降低过程中，适应低温环境的硝化细菌由于自身的生理特性及各
41、种生态因子的抑制作用，其菌群数量少，不易繁殖容易流失，进而导致低温下硝化效果差。因此找寻能适应同时适应不同温度环境并能高效降解氨氮的硝化菌群一时成为污水处理界的研究热点，张爽等采用聚乙烯醇硼酸包埋法固定耐冷硝化细菌污泥进而提高硝化效果，而这种固定包埋的方式是提高脱氮效率的重要方法。但是由于这种方式对于技术要求很高，操作方法比较困难。而本研究中的新型硝化柱对于这一问题的解决提供了一个新的方向。图4-7为深圳市2011年12月份一次突然降温过程中两种硝化柱的硝化效率变化的对比曲线，温度参考来自深圳市气象局，采用的是西丽片区当日平均温度。由图4-7可以看出，当12月9日，温度突然下降到13左右时，B
42、AF的硝化效率明显降低，而新型硝化柱还维持在较高的效率，出水氨氮还能达到2mg/L以内。当低温持续，两种硝化单元都出现了不同程度的硝化效率降低的过程，但是从始至终新型硝化柱的硝化效率都比BAF高。当温度恢复到20时，两种硝化柱都重新恢复硝化效能。（原因呢？万一老师们问你）图4-7 温度对于不同硝化柱硝化效率的影响对比4.3 一级BAF工艺运行研究4.4 本章小结第5章 中试运行研究科学研究的最终目的都是用于指导和服务于生产实践，本研究在常规运行过程中体现了一定的优越性，但是要用于污水厂工艺中，还需要进行必不可少的中试研究。结论参考文献1 郑兴灿, 李亚新. 污水除磷脱氮技术. 北京, 中国建筑
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