二级处理系统.docx

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二级处理系统

二级处理系统

二级处理又称生化处理，一般是由生物处理构筑物或设备与二次沉淀池组成，它的主要作用是通过微生物的新陈代谢去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。

生物处理通常为活性污泥法或生物膜法。

二级处理中使用的设备也是整个城市污水处理厂的心脏设备，主要是鼓风机、曝气机和曝气器。

二级处理（活性污泥法）的处理效率为SS去除率70%〜90%,BOD5去除率65%〜95%。

经二级处理后出水SS和BOD5均可降至20〜30mg/L,—般可达到排放水体和灌溉农田的水质标准。

其典型的工艺（普通活性污泥法）见图4-I。

以这种典型的工艺流程为基础，根据进出水水质、水量，二级处理活性污泥法可采用不同的工艺。

污肌的处理

K4-1城市厉术址理慕统组成示意

普通活性污泥法是最普遍采用和最成熟的处理工艺，它有传统活性污泥法、阶段曝气、吸附再生、延时曝气、完全混合等几种形式。

目前一般的普通活性污泥法应设计成能按上述前三种方式都能分别运行的工艺。

传统活性污泥法的污水和回流污泥均由曝气池池首流入，处理效果好，对BOD5和SS的总处理效率均为90%〜95%,但曝气池前段供氧不足，后段供氧过剩，同时耐冲击负荷能力弱，曝气时间较长，一般为6〜8h,适于大中型城市污水厂，其曝气方法有推流式和完全混合式。

阶段曝气的特点为污水沿池长多点进入，使BOD负荷沿池长得到了均衡，增强了耐冲击负荷的能力，并克服了传统活性污泥法的上述缺点，其曝气方式一般为推流式。

吸附再生法是污水从沿曝气池长方向的某一点进入，而回流污泥则进入池首，在再生段进行曝气再生，而再生后的活性污泥在吸附段迅速吸附污水中的有机物。

该工艺具有较强的耐冲击负荷的能力，且曝气时间较短，一般为3〜5h,故曝气池容较小。

对处理污水中悬浮性有机物浓度较高的污水，其处理效果较好，而对处理溶解性有机物较多的污水，则处理效果低于传统活性污泥法，一般B0D5和SS的总处理效率均为80%〜90%。

完全混合式活性污泥法常用的池型是将二沉池和曝气池合建的曝气沉淀池，采用表曝机曝气，污泥回流比为100%〜500%，污水在池内的水力停留时间为3~5h,该工艺优点是无需鼓风机房和管道、耐冲击负荷能力强。

缺点是处理效率比普通活性污泥法低，BOD5和SS的总处理效率都只有80%~90%，活性污泥较易产生污泥膨胀，此外运行安全性比鼓风曝气低。

该工艺主要适用于小城市或居民区的污水处理，也常用于工业废水处理。

城镇污水二级处理系统中，曝气供氧的能耗最大，约占全系统总能耗的50%，因此，降低曝气耗氧量是城镇污水处理厂节约能耗的主要环节。

影响曝气耗氧量的因素众多，难以定量表示，而且在实践中变化幅度较大。

一般情况下，去除单位BOD的耗氧量为1~2kg/kg,低值v0.5kg/kg，高值〉2.5kg/kg。

对于活性污泥法常用的设备，中小型污水处理厂可以使用多级低速高心风机和陶瓷曝气头，这样的鼓风机噪声小、曝气头充氧效率高；采用氧化沟工艺的可以采用转刷或转碟；中型污水处理厂最好使用单级高速离心风机，以便控制和优化鼓风机的送风量，节能降低成本。

随着对氮、磷营养物排放标准的提高，目前的活性污泥法工艺中都结合了脱氮或除磷的功能要求。

因为常规的二级生化处理工艺虽然稳定可靠，可以有效地降低污水的BOD5和SS,但对污水中同时存在的氮、磷等营养物只能去除10%

~20%，而典型城市污水中TKN含量20〜40mg/L,TP含量4〜10mg/L，因此采用传统的二级生化处理工艺，其结果远不能达到综合排放标准中的一、二级排放标准。

本节主要针对当前为满足营养物去除的要求所采用的生物去除营养物方法

和二级处理相应所使用的曝气设备介绍二级处理系统

营养物去除及相关二级处理工艺

1.生物脱氨、除磷基本过程

（I）生物脱氨基本过程

1氨化反应未经处理的城市污水中存在着有机氮和氨态氮两种含氮化合

物，一般以有机氮为主。

有机氮化合物在好氧菌和氨化菌作用下，有机碳被降解

为C02,而有机氮被分解转化为氨态氮。

例如氨基酸的氨化反应为：

|2«H

RCHNH2COOH+-*RCOOH+CQj+NHj

WrtL™

2硝化反应在好氧状态下，硝化菌将氨态氮进一步分解氧化，使NH4+

转化为硝酸盐氮：

fjkM

NH；+2Oz+H:

O+2H+

由上式可见，在硝化过程中，1gNH4+-N完成硝化反应，需4.57g氧，此叫硝化需氧量（NO）。

同时硝化反应使pH值下降，因硝化菌对pH值变化十分敏感，为保持适宜的pH值，污水中应有足够的碱度。

一般1gNH4+-N完全消化需碱度7.Ig（以CaCO3计）。

3反硝化反应反硝化反应是在缺氧状态下，反硝化菌将硝酸盐氮还原成气态氮（N2）的过程。

控制DO（溶解氧浓度）0.5mg/L的情况下，兼性反硝化菌利用污水中的有机碳源（污水中的BOD成分）作为电子供体，将来自好氧池混合液中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气排入大气，同时有机物得到降解。

其反应为：

g十3H（电子供体有机物）一^"竺**/++OH-

NQ+H（电了供体有机樹）反确比■■寺N/+2H2O+OH^

该反应的实质是反硝化菌在缺氧环境中，利用硝酸盐的氧作为电子受体，污水中的有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。

在反硝化过程中、硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动有同化反硝化和异化反硝化两种转化途径，其最终产物分别是有机氮化合物和气态氮，前者成为菌体组成部分，后者排入大气。

如下式所示：

fNQ-―NHjOH一有机悴〔厨牝反硝化）

N（X—<

[NCy—N工O一N卄（弄化反确化）

当污水中缺乏有机物时，则无机物如氢、N&S等也可作为反硝化反应的电

子供体，而微生物则可通过消耗自身的原生质进行内源反硝化：

CjHtNQs++NOf—*5COj+NH3+2Ntf十40H-

可见内源反硝化的结果将导致细胞物质的减少，同时还生成NH3，因此不能让内源反硝化占主导地位。

为此应向污水中提供必需的有机碳源，国外使用的最普遍的廉价碳源常采用甲醇，其反应式为：

6NQf十5CHjOH--3皿++7H2O+SCQz★60H~

从我国的实际情况讲，采用甲醇作为补充碳源费用还是偏高，污水厂实际运行费用难以承受。

可以考虑采用高浓度有机废水或废物，如食品工业废水等作为补充碳源，这样达到一举两得的作用。

（2）生物除磷基本过程

城市污水中磷通常以有机磷、磷酸盐或聚磷酸盐的形式存在，如按活性污泥组成的化学式为C118H170O51N7P，则其C：

N:

P为46:

8：

1。

如果污水中的营养物质氮、磷维持这个比例，则其N和P可全被去除。

而一般城市污水中的N和P的浓度往往大于上述这个比例，用于合成的P一般只占15%〜20%,所以传统活性污泥法通过微生物细胞合成而去除污水中的磷，一般为10%〜20%。

处理

后的出水中，90%左右的磷以磷酸盐形式存在。

根据试验研究发现，活性污泥在厌氧--好氧交替变换过程中，原生动物等生物相不发生变化，只有异养型生物相中的小型革兰阴性短杆菌一一聚磷菌大量繁殖。

聚磷菌虽是好氧菌，但竞争能力很差，却能在细胞内贮存聚禺羟基丁酸（PHB）和聚合磷酸盐（Poly-P）。

在厌氧-好氧过程中，聚磷菌在厌氧状态（DO0,NOx0）中为优势菌种，构成了活性污泥絮体的主体，它吸收低分子的有机物（如脂肪酸），同时将贮存在细胞中聚合磷酸盐（Poly-P）中的磷通过水解而释放出来，并提供必需的能量，即聚磷菌体内的ATP（腺苷三磷酸）进行水解，放出

H3PO4和能量形成ADP（腺苷二磷酸）。

而在随后的好氧状态下，聚磷菌进行有氧呼吸，所吸收的有机物将被氧化分解并提供能量，由于氧化分解，又不断地放

出能量，能量为ADP所获得，将结合H3PO4而合成ATP，从污水中过量地摄取

磷，在数量上远远超过其细胞合成所需磷量，将磷以聚合磷酸盐的形式贮藏在菌体内，而形成高含磷量的活性污泥，通过剩余污泥系统排出，以此达到除磷的效果，生物除磷基本过程如图4—16所示。

遢含碳物履】0聚碑酸盐徹粒异望粒

图4-16好氧.厌罠生物除确基本过程

2.脱氮除磷（BNR,BiologicalNutrientRemoval）工艺

根据上述脱氮的原理，20世纪30年代开发的Wuhrmann工艺是最早的脱氮工艺，流程遵循硝化、反硝化的顺序设置。

主反应流程按功能分成两个反应器，即好氧反应器和缺氧反应器，好氧反应器主要进行含碳有机物的氧化、氨氮的硝化，缺氧反应器的作用是反硝化脱氮。

由于反硝化脱氮过程需要碳源，而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢物质作为碳源，所以反硝化速率低。

如原污水的含氮量较高，则导致缺氧池容积庞大，而且污水进入系统的第一级就进行好氧反应，为满足有机物的去除，能耗就高，因此该工艺的脱氮效果并不理想。

后置式反硝化脱氮工艺流程见图4—17。

20世纪70年代研究人员改进完善了上述的脱氮工艺，即目前广泛应用的A/0

（Anoxic/Oxic）工艺，在A/O工艺中，好氧池的混合液和沉淀后的污泥同时回流到缺氧池，形成后置式反硝化脱氮。

这样，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池后，可以从原污水得到充足的有机物，使反硝化脱氮得以充分进行，同时有机物作为碳源在缺氧池被利用了一部分，减小了好氧池的能耗要求。

脱氮的A/O

工艺流程示意图见图4-18。

混合液回漑

图4・1R后置式反硝化A/O脱氮匸艺流程

根据除磷的环境要求和过程，将好氧反应器和厌氧反应器相结合，开发了厌氧--好氧生物除磷工艺，也称A/O（Anaerobic/Oxic）工艺。

该工艺曝气池前段为厌氧反应器，池中溶解氧浓度（DO）不大于0.2mg/L，回流污泥与进水靠潜水式搅拌器在池内混合接触，此时活性污泥中的聚磷菌向污水中释放磷。

然后

污水进入后续好氧反应器，进行曝气充氧，DO等于2mg/L左右，此时聚磷菌在

好氧状态下从污水中摄取磷，从而产生高磷污泥，通过排放剩余污泥的方式将磷去除，而有机物在厌氧-好氧段得到了生物降解而被去除。

除磷的A/O工艺控

制参数与缺氧一好氧脱氮工艺是不相同的。

工艺能同时去除有机物和磷，因曝气

池总停留时间较短，为2.5~4.0h,所以其基建费用和运行费用较普通活性污泥法低。

BOD5和SS的去除率为95%以上，磷的去除率为70%以上，处理效果较好。

生物除磷工艺经生产规模应用后发现有许多突出的优点，如可减少因用化学

药剂除磷而产生的化学污泥量；可减少污泥膨胀，改进沉降效果；污泥易脱水，肥效高；成本低廉，操作方便；适合于现有污水处理工厂的改建等。

如在脱氮的A/O工艺缺氧段之前增加一厌氧池，即为A2/O工艺，则兼有除磷功能，见图4—19。

屣舍液回流

图4J9脱氮除碑的A'/O工艺

A2/0工艺将生物反应池分为厌氧段、缺氧段和好氧段。

在厌氧段，回流污泥中的聚磷菌释放磷，同时BOD5也得到了部分去除；而进入好氧段，聚磷菌又摄取磷，污泥成为高磷污泥，通过排放高磷剩余污泥的方式将磷去除；而污水在好氧段，BOD5得到更进一步去除，同时氨氮被硝化，通过含硝酸盐混合液的内回流方式，使其NOx-N在缺氧段进行反硝化脱氮，从而使该工艺具有同时生物脱氮除磷的功能。

该工艺处理效率一般能达到BOD5和SS去除率为90%~95%，总氮去除率为70%以上（与回流比相关），磷去除率为70%左右。

但A2/O工艺的基建费和运行费均高于普通活性污泥法，运行管理要求高，所以对目前我国来说，当处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化，而要执行污水综合排放标准

的一级或二级标准时，必须考虑脱氮除磷，此工艺为可参考使用工艺。

表4-7

汇总了A2/O典型工艺的设计参数。

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A/O工艺、A2/O工艺都是较简单的脱氮除磷工艺，它们将缺氧段、厌氧段放在好氧工艺的前部，可以充分发挥厌氧菌群承受高浓度、高有机负荷的能力,

充分利用厌氧菌群和好氧菌群各自的优势，污泥的沉降性能也较好，污泥后处理

方便。

由于A/0、A2/0工艺是在普通活性污泥法的基础上发展起来的，因而用于对采用生物法处理的老污水厂做改造也较容易。

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在上述脱氮、除磷工艺的基础上，根据水质或工艺侧重点，在上世纪的后半

叶，各国的研究人员又开发了很多新的脱氮、除磷A/O系列工艺，主要的见图4－20。

这些改进主要可分为以下两类。

一类是增加缺氧、好氧反应池的级数，强化处理效果，如四阶段工艺、五阶段工艺（Bardenpho工艺或Phoredox工艺），脱氮效率可以达到90%，出水总氮浓度不超过3mg/L，缺点是水力停留时间较长。

另一类是改变混合液的回流方式或系统的进水方式，如南非开普顿大学开发的UCT工艺[见图4－20（c），采用两股混合液回流，在传统的好氧池混合液

回流的基础上，又增加了由缺氧池至厌氧池的混合液回流，由于缺氧池中的反硝化作用已大大降低了池内NO3-－N的浓度，这样就可以避免缺氧池回流液携带的NO3－N浓度过高而破坏厌氧池的厌氧状态，影响除磷效果。

为了避免缺氧池和好氧池两股回流液由于短流造成的交叉干扰，改良的UCT[见图4－20（d）]又将缺氧池一分为二，以提高除磷效果。

为了强化磷的去除，美国学者Levin提出了Phostrip工艺。

Phostrip工艺是将生物和化学除磷结合起来，一部分回流污泥被分流到专门的除磷池进行磷的释放，含磷的上清液再通过石灰混凝沉淀处理，大部分磷以磷酸钙的形式沉淀去除，出水总磷浓度低于Img/L。

由于分流除磷，所以工艺耐冲击负荷，缺点是工艺流程复杂，运行管理不便。

Phostrip工艺的工艺流程见图4－21，其中解吸池的作用是在厌氧条件下使二次沉淀池送来的污泥中的磷释放。

含有大量磷的上清液排到沉淀池，投加石灰，利用化学沉淀形成Ca3（PO4）2沉淀，除去上清液中的磷。

解吸池解吸后的污泥回流至好氧池，沉淀池的出水进入初沉地，而污泥进行脱水处理。

该工艺除磷效果好，当城市污水处理出水中TP的浓度要达到《污水综合排放标准》（GB8978—199）一级标准时，可以考虑采用这一工艺。

随着除磷研究在微生物学领域的深化，近年来研究发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌（DPB）”，它能在缺氧环境下摄磷，同时利用N03「一N来氧化污水中的有机物，这就使得摄磷和反硝化这两个不同的生物过程，能够借助同一种细菌在同一种环境中一并完成，这样不仅可缩小曝气区的体积，而且系统产生的剩余污泥量有望降低。

这类工艺的另一个优点是碳源和能源（曝气）都得到节省，这对于解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统的充氧能耗都具有一定的意义。

由于生物除磷和反硝化过程都需要有机物，因而避免了这两个过程对碳源的争夺。

DEPHANOX除磷脱氮工艺就是上述研究成果的应用体现。

如图4—22所示，EPHANOX工艺具有硝化和反硝化、除磷两套污泥回流系统，工艺具有能耗低、污泥产量小，且COD消耗量低的特点。

反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB后，经泥、水分离而不经过好氧阶段直接进入缺氧区，聚磷菌体内的PHB未被消耗，全部用于反硝化摄磷，保证了反硝化所需的碳源。

污泥系统的分离不仅有利于把硝化和除磷污泥控制在各自最佳的泥龄条件下，而且使供氧仅用于硝

化和厌氧后剩余有机物的氧化，减少了曝气量。

研究结果表明，此工艺与常规脱氮除磷工艺相比，当脱氮率和除磷率分别达到90%和100%时，COD需求耗氧量和污泥产量分别减少50%、30%和50%。

然而在实际应用中，此类工艺面临一些问题。

首先，大量研究表明、缺氧条件下磷的去除效率低于好氧条件下的效率，而且磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。

当缺氧段硝酸盐量不

充足时，磷的过量摄取受到限制，而硝酸盐量富余时，硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体的PHB的合成而实际应用时进水中氮和磷的比例是很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系统的控制带来困难。

IE4-22DEPHANOX工艺示童