A2N工艺中硝化单元的优化研究.docx

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A2N工艺中硝化单元的优化研究

A2N工艺中硝化单元的优化研究

OPTIMIZATIONOFNITRIFICATIONINA2NWASTEWATERTREATMENTPROCESS

摘要

硝化单元是影响同步脱氮除磷效率的关键环节，传统A2N工艺采用接触氧化法，硝化效率较低。

在本课题前期研究中，以BAF为硝化单元，采用A2N与BAF组合，获得了良好的处理效果。

虽然BAF硝化效率高，但是水头损失大，不但不利于A2N/BAF工艺推广，也不适用于改造传统A2/O等已建工程。

本论文为探索一种运行阻力小、硝化效率高的硝化工艺，先后对纤维填料比选和改性、纤维填料BAF效能研究和纤维填料在改良A2/O工艺中的应用研究。

研究选用市售PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）、丙纶、复合材料进行材料比选和改性研究的结果表明，PET、丙纶、复合材料的挂膜完成时间分别为10天、11天、12天，PET挂膜时间较短；在氨氮浓度为31.0mg/L条件下，PET、复合材料、丙纶7h硝化效率依次为57.7%、40.7%、28.9%，PET硝化效果较好；PET采用碱减量和臭氧/双氧水方式表面改性后，未改性、臭氧/双氧水改性、碱减量改性后9h硝化效率分别为69.3%、78.6%、87.3%，碱减量改性硝化效果较好。

通过改性前后纤维表面SEM表明经过碱减量改性后纤维表面出现的裂缝和沟壑有利于污泥附着和生长。

硝化柱池型选择研究，将碱减量处理后的PET裁剪为直径5mm的碎片以固定床和流化床两种形式填充硝化柱，研究表明，固定床硝化效率为86.0%，比流化床高21.2%；固定床（HRT=1.5h）比普通接触氧化（HRT＝6h）的硝化效率高15%左右，与陶粒BAF（HRT=1.5h）硝化效率接近。

固定床纤维填料BAF硝化效能优势明显，将其简称为纤维填料BAF并作进一步研究。

对纤维填料BAF硝化效能的研究表明，其启动过程约14天。

纤维填料BAF在气水比为4:

1、HRT为1.5h，平均进水氨氮浓度34.3mg/L的条件下，出水氨氮平均浓度为5.43mg/L，氨氮平均去除率达84.2%。

同等条件下陶粒BAF氨氮平均去除率为87.7%。

纤维填料BAF与陶粒BAF对比研究表明，水力负荷、温度对于纤维填料BAF的影响小于陶粒BAF；在低浓度COD下，两种形式BAF平均硝化效率均达到88%以上，在高浓度COD下纤维填料BAF硝化效率比陶粒BAF降低6.5%。

纤维填料BAF的水头损失在运行20天内一直保持在10cm左右；其反冲洗周期可以延长至20天或更长，反冲洗方式为气冲40s左右，操作简单节省反冲洗水，反冲洗后恢复比陶粒BAF快30min。

基于纤维填料BAF效能研究的结果，将其应用于改良A2/O工艺中，运行约20天，研究表明，纤维填料硝化单元的硝化效率为69.6%，效率略低于同等条件下陶粒BAF；系统出水COD浓度为18~67mg/L，平均值为42mg/L，平均去除率为82.0%；出水TP降至0.11~1.76mg/L，平均值为0.78mg/L。

总体上，运行效果较好，且改造方式简单，若需推广应用，还要进行进一步细化研究。

关键词：

硝化单元；纤维填料；双污泥工艺；A2/O改造

Abstract

Nitrificationistheimpactofsimultaneousremovalofdenitrificationandphosphorus.TraditionalA2Nprocessusingcontactoxidationfornitrification,andhasalowefficient.Inthepreliminarystudyofthissubject,BAFisusedfornitrification,WecombinA2NandBAFofaccesstogoodeffect.BAFnitrificationefficiencyishigh,buttheheadlossalot,thisisnotonlyinconducivetoA2N/BAFtechnologypromotion,butalsonotapplytothetransformationoftraditionalA2/Oandotherconstructioninprogress.Thispaperistoexplorearunningresistance,highnitrificationefficiencynitrificationprocess,hasfiberfill,comparisonandselectionandmodificationofBAFperformance,fiberpackingandfiberfillermodifiedA2/Oprocess.

ThestudyselectedPET（polyethyleneterephthalatefiber）,polypropylene,compositematerialsfortheselectedandmodifiedfindingsofthestudy,itshowsthat,PET,polypropylene,compositematerialscompletiontimeof10days,11days,12days,PETbiofilmformationtimeisshorter;whenammoniaconcentrationis31.0mg/L,PET,compositematerials,polypropylene7hnitrificationefficiencyfollowedby57.7%,40.7%,28.9%,PET,nitrificationisbetter;PETsurfacemodificationofalkalireductionandozone/hydrogenways,unmodified,ozone/hydrogenmodified,alkalireductionmodified9hnitrificationefficiencywere69.3%,78.6%,87.3%,alkalireductionmodifiednitrificationisbetter.BySEMshowedthatthefibersurfacemodificationafteralkalireductionmodifiedfibersurfacecracksandravines,sludgeattachmentandgrowth.

Nitrificationcolumnpoolselection,WecuttingthePETforthefragmentsof5mmindiametertofillthenitrificationcolumnintwoforms:

afixedbedandfluidizedbed,studieshaveshownthatfixedbednitrificationefficiencyof86.0%,thanthefluidizedbed21.2%higher;fixedbed（HRT=1.5h）nitrificationefficiencyofabout15%higherthantheaveragecontactoxidation（HRT=6h）andthenitrificationefficiencyclosetotreditionalBAF（HRT=1.5h）,.

Fixed-bedfiberfillerBAFnitrificationperformanceadvantageisobvious,andwillbereferredtoasfiberfillerBAFandfurtherstudy.FiberfillerBAFnitrificationperformancestudiesshowthatthebootprocessisabout14days.TheBAFfiberfillerinthegas/waterratioof4:

1,theHRTwas1.5h,averageinfluentammoniaconcentrationof34.3mg/Lconditions,averageeffluentammoniaconcentrationof5.43mg/L,theaverageammoniaremovalrateof84.2%.Underthesameconditions,theceramsiteBAFaverageammoniaremovalefficiencyof87.7%.

FiberfillerBAFandtheceramsiteBAFcomparativestudyshowedthathydraulicloading,temperaturefiberpackingBAFlessthanceramisiteofBAF;inlowCOD,theaveragenitrificationefficiencyoftwoformsofBAFare88%inthehighconcentrationofCODoffiberpackingBAFnitrificationefficiencydecreasedby6.5%thanceramsiteBAF.HeadlossofthefiberfillerBAFhasremainedatabout10cmin20days;backwashcyclecanbeextendedto20daysorlonger,thebackwashairrushedaround40s,simpleoperation,savethebackwashwaterandbackwashrecovery30minfastthanceramsiteBAF.

BAFperformanceresultsofthestudyoffiberfiller,appliedtotheimprovementoftheA2/Oprocess,runningabout20days,researchshowsthatnitrificationunitoffiberpackingefficiencyof69.6%nitrificationefficiencyslightlylowerthanunderthesameconditionsceramsiteofBAF;effluentCODconcentrationof18~67mg/L,anaverageof42mg/L,theaverageremovalrateof82.0%;TPintheeffluentdroppedto0.11~1.76mg/L,anaverageof0.78mg/L.Overall,thesystemworkingwell,andthetransformationoftheway.Forthepromotionandapplication,weneedafurtherstudy.

Keywords:

NitrificationUnit,FiberFiller,Two-sludgeProcess,ImproveofA2/O.

目录

摘要I

AbstractIII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2国内外研究现状2

1.2.1常见硝化工艺2

1.2.2硝化工艺优化改进7

1.3本课题研究内容及目的和意义8

1.3.1课题研究目的和意义8

1.3.2课题研究内容8

第2章实验材料与方法10

2.1实验装置10

2.1.1A2N/BAF中试装置10

2.1.2优化研究实验装置11

2.2实验方法14

2.2.1纤维填料比选和改性14

2.2.2纤维填料硝化单元效能研究15

2.2.3系统实验研究16

2.3实验水质与检测方法16

2.3.1实验水质16

2.3.2相关水质指标检测方法18

第3章纤维填料比选与改性19

3.1填料选择19

3.2纤维填料挂膜研究20

3.2.1挂膜方式研究20

3.2.2挂膜过程研究21

3.3纤维填料硝化效果研究22

3.3.1不同纤维材料硝化研究22

3.3.2不同氨氮浓度硝化研究23

3.4纤维表面改性研究24

3.4.1改性方式研究24

3.4.2改性后硝化效果研究25

3.5本章小结27

第4章纤维填料硝化单元效能研究29

4.1硝化单元池型选择29

4.1.1硝化效果对比29

4.1.2其他运行参数对比30

4.2硝化柱流态研究32

4.3硝化柱启动研究33

4.4纤维填料BAF与其他硝化单元的硝化效能比较35

4.5水力影响因素研究38

4.5.1气水比影响比较38

4.5.2水力负荷影响比较38

4.6其他影响因素对比研究39

4.6.1进水COD39

4.6.2进水碱度40

4.6.3温度41

4.7硝化柱反冲洗研究43

4.7.1反冲洗周期比较43

4.7.2反冲洗方式44

4.7.3反冲洗恢复比较45

4.8本章小结45

第5章纤维填料在改良A2/O工艺中的应用47

5.1硝化单元的系统运行研究47

5.1.1硝化单元效率47

5.1.2硝化单元反冲洗48

5.2系统运行综合效能研究48

5.2.1改良A2/O对COD的去除48

5.2.2改良A2/O硝化效果49

5.2.3改良A2/O脱氮效果50

5.2.4改良A2/O除磷效果50

5.3本章小结51

结论53

参考文献55

攻读硕士学位期间发表的学术论文58

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明59

致谢60

第1章绪论

1.1课题背景

我国南方地区生活污水的典型特点是C/N比较低，而污水处理工艺中脱氮和除磷两个单元均需要碳源作为底物，污水中的碳源不足以完成氮、磷指标的去除。

面对现行的污水氮磷排放标准，现有的污水处理工艺和技术对于同时满足高效脱氮除磷的需求尚不能保证，对于南方低C/N比污水，更不能满足常规的脱氮除磷工艺的要求，氮、磷排放不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》相关标准[1,2]。

我国大部分有脱氮除磷功能的城市污水处理厂，由于各种设计、建设和运营的原因，使得进入污水处理厂的污水在水量或水质远低于其设计值，污水处理厂正常运行时处于低负荷运转状态，导致污水处理工艺无法达到其最佳运行效果，尤其是硝化脱氮效果较难提高，因此要使低C/N比污水达到较好的脱氮除磷效果，需要从工艺上进行改进。

为解决低C/N比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、运行管理简便的污水处理工艺成为迫切的需求。

目前，占据我国城市污水处理厂主要市场的处理工艺是A2/O脱氮除磷工艺及其变形工艺，据不完全统计，其市场份额达到50%以上[3]。

A2/O工艺本身有着诸多的优势，如该工艺总水力停留时间比其它同类工艺少。

该工艺处理效率一般能达到：

总磷90%作用，总悬浮物和生化需氧量90%~95%，总氮70%以上的处理效果；在厌氧-缺氧-好氧的交替条件下，不适合丝状菌的生长繁殖，故污泥膨胀问题可以有效避免；有较强的耐冲击负荷能力[4,5]。

但A2/O不可避免的也存在着一些难以解决的问题，如工艺过程较为复杂，回流污泥量大，动力成本高；由于不同性质污泥的污泥龄、pH、碱度、碳源需求等问题上存在着很多的矛盾和冲突，这些问题成为高效率处理污水的主要瓶颈[6,7]。

因此需要改造或者新建一种碳源消耗低、能量需求少、处理效果好的污水处理工艺，以满足我国南方城市污水处理的需求。

面对低C/N比高效脱氮除磷问题的提出，课题组前期研究，开发了A2N/BAF组合工艺。

该工艺实现了低C/N比城市污水处理出水的一级A达标排放；基于反硝化除磷的原理，实现了系统碳源的“一碳两用”，无需外加碳源和化学除磷，同时避免了对碳源的氧化去除，节省曝气能耗。

A2N/BAF工艺中硝化段采用BAF，BAF优点是占地面积小，硝化效率高。

然而若要将A2N/BAF工艺大规模推广应用仍有一些问题需要解决。

工艺中的BAF单元运行阻力大、池形较为复杂，导致高程差增大，使新建污水处理厂设计、施工难度增大。

同时由于BAF运行阻力较大，动力成本升高，也不适用于现有A2/O污水厂的改造。

本论文基于A2N/BAF硝化效率高的优势，结合接触氧化法的运行阻力小的优点，实现A2N工艺中硝化单元进行优化研究，并最终实现对A2/O工艺的改造。

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[8]。

氮元素的危害严重，其主要表现在以下几个方面：

刺激地表水中藻类的过度生长，通过硝化作用引起水体缺氧；直接对水生生物产生毒害；硝酸盐、亚硝酸盐影响人类健康。

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，会产生一系列的危害，因此在安全排放之前，必须对排入水体的废水进行脱氮处理。

因为氮素污染的种种危害，其控制方法和技术得到了社会各界的重视。

在废水脱氮技术的研究、开发和应用之中，涌现了一大批行之有效的处理方法和工艺，构成了废水脱氮处理的技术方法体系。

有些方法已经实现了工程应用，并具有重大的社会价值，而有些方法目前尚处于研究探索阶段，有着广阔的前景。

1.2.1常见硝化工艺

去除氨氮的方法众多，原理各异，按照处理手段划分，主要分为物化法和生物法。

生物法是目前应用最为广泛、效果较好、成本较低、无二次污染危害的废水脱氮技术。

在生物脱氮工艺中，硝化作用是整个工艺中的限制性步骤，它决定了氨氮、总氮是否达标，也决定了反硝化过程中的底物量和下一步污水除磷工艺的正常进行。

故硝化作用效率的高低直接影响到整个污水处理工艺优劣。

硝化工艺主要分为传统硝化工艺和新型硝化工艺。

1.2.1.1传统活性污泥法

传统活性污泥法是最先被应用于大规模处理设施的废水生物处理技术，其主体为活性污泥。

活性污泥在适当的生长条件下被培养驯化，利用其吸附及生化作用，分解和去除废水中的目标污染物，使废水得到净化。

活性污泥法自20世纪初在英国曼彻斯特建立试验厂以来，在实际生产上的广泛应用和技术上的不断推出改进工艺，现已发展成为能够适用各种条件的工艺流程，成为当今污水处理技术领域中应用最为广泛的技术[9]。

活性污泥法的硝化作用过程发生在微生物悬浮生长型的曝气池中。

在各项生长代谢条件满足硝化作用的情况下，氨氮被氧化为亚硝态氮和硝态氮。

传统活性污泥法具有代表性的工艺包括：

序批式活性污泥法，A2/O生化处理法，氧化沟活性污泥法。

（1）序批式活性污泥法（SBR）SBR法的原理是先驯化培养一定量的活性污泥，并将其转移至反应器内，在溶解氧存在的条件下，将一定量废水与活性污泥充分混合接触，此时废水中的有机物被活性污泥中的微生物利用，转化为微生物体内物质，微生物细胞增殖的同时有机物被降解[10,11]。

待泥水沉淀分离后，废水即得到净化处理。

这一净化过程主要包括吸附、代谢、絮凝体形成、絮凝沉淀四个过程。

此工艺的运行效果稳定，耐冲击负荷能力强，处理设备少，占地面积小，运行装置构造简单，便于运行维护和管理；通过过程控制运行，实现厌氧、缺氧、好氧状态交替，具有较好的脱氮除磷效果。

其缺点在于间歇周期运行停留时间长，占地面积较大，自控系统的资金投入过大；污泥稳定性不高，耗电量大[12,13]。

（2）A2/O生化处理法A2/O工艺是厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺的简称，它是1932年由Wuhrmann最先提出，后经过众多科研人员的共同努力而开发出来的一套比较简单的污水同步脱氮除磷工艺体系，同时也是我国污水处理厂应用最广泛的同步生物脱氮除磷工艺。

该工艺总水力停留时间少于其它同类工艺。

其处理效率一般能达到：

总氮70%以上，总磷90%作用，总悬浮物和生化需氧量90%~95%，改工艺一般适用于脱氮除磷要求较高的大中型城市污水处理厂。

A2/O工艺的优点：

在厌氧-缺氧-好氧交替运行下，无污泥膨胀问题；有较强的耐冲击负荷能力[14]。

但该工艺固有的缺点是[15,16]：

脱氮效果受混合液回流比大小的影响很大，因此脱氮效率不会很高；大量的污泥内回流，动力消耗成本较高；其基建费和运行费均高于普通活性污泥法，对于中小型污水厂来说费用偏高，故适用于日处理大的污水处理厂，如深圳市罗芳污水处理厂。

此外，A2/O工艺中所有细菌共存于一套活性污泥系统中，然而不同功能的细菌对生长环境和条件的要求不同，系统中的条件不可能满足每种细菌的需求，这就不可避免的产生了细菌之间的矛盾。

如硝化菌和除磷菌之间存在的矛盾使得系统中的脱氮除磷效率受到影响，不能各自发挥到最佳水平，当除磷效果好时脱氮效果不好，脱氮效果好时除磷效果不好[17]。

（3）氧化沟活性污泥法氧化沟工艺是传统活性污泥工艺中的一种重要分支，其运行方式属于延时曝气的活性污泥法。

自1954年荷兰Voorsdon市建成第一座氧化沟污水处理厂并投入使用后，随着水处理工艺和工业技术不断发展，氧化沟工艺和构型已经取得了很大发展，由于该工艺具有基建和运行费用较低，操作技术简单和处理效果相对稳定等优势，氧化沟活性污泥法污水处理技术已经较为广泛应用于我国城市污水处理厂的建设中。

该工艺一般采用封闭的环状沟，污水和活性污泥在环状沟内进行几十圈甚至更多的循环后排出系统。

在运行过程中，氧化沟在流态上兼具推流式（PFR）和完全混合式（CSTR）的双重特点，该工艺有较好的硝化效果[18]，一般采用低污泥负荷（小于0.10kgBOD/（kgMLSS

d））和高SRT（大于20天），适合硝化细菌的生长条件，同时，该工艺采用转刷、转碟和表曝机等表曝设备，能同时满足快速充氧、充分混合、推动泥水混合液循环运动以及防止活性污泥沉淀等要求[19,20]。

但是氧化沟工艺也存在一些缺陷[21]，如占地面积大，易产生浮泥和漂泥，污泥易沉积，好氧区和缺氧区设计不完善等。

1.2.1.2传统生物膜法

生物膜法是除活性污泥法之外的另一种废水生物处理方法，生物膜法主要通过生长在填料表面的生物膜实现对污水中有机物、氨氮等的去除。

当运行一段时间后，微生物会在填料表面大量生长繁殖，生物膜厚度也随之不断增加，氧气不能完全深入至生物膜底层，故在生物膜深层就形