活性污泥法除磷脫氮的生態(tài)學(xué)思想

活性污泥法除磷脫氮的

生態(tài)學(xué)思想

研究背景

研究背景

研究思路理論局部

一、統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)理論該理論揭示了高污泥濃度有利于弱勢(shì)菌群生長(zhǎng)的機(jī)理，為提高活性污泥中硝化菌和聚磷菌的比例、加快硝化速度、提高除磷量提供了理論依據(jù)。為了解決廢水生物處理反響動(dòng)力學(xué)中長(zhǎng)期懸而未決的一相說(shuō)與兩相說(shuō)的矛盾，我們對(duì)生物化學(xué)學(xué)科中的酶反響過(guò)程進(jìn)行重新推導(dǎo)，從而提出了一個(gè)新的酶動(dòng)力學(xué)方程。

一相說(shuō)是將有機(jī)物的降解用以下數(shù)學(xué)模型描述：-ds/dt為有機(jī)物降解速度，k為降解常數(shù)，K為半飽和常數(shù)〔又稱(chēng)米—門(mén)常數(shù)〕，X為微生物濃度〔工程上為活性污泥濃度〕，S為有機(jī)物濃度。一相說(shuō)是以米—門(mén)酶反響動(dòng)力學(xué)方程為根底提出的，形式上與表達(dá)微生物增長(zhǎng)速度的莫諾方程相似。二相說(shuō)為?？腺M(fèi)爾德Eckenfelder等人所支持，是將有機(jī)物的降解分為高有機(jī)物濃度和低有機(jī)物濃度二相而分別采用不同的數(shù)學(xué)模式。

高濃度時(shí)，有機(jī)物降解速度與其濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反響，與活性污泥濃度呈一級(jí)反響，低有機(jī)物濃度時(shí)，有機(jī)物降解速度與其濃度和活性污泥濃度均呈一級(jí)反響，用下式可表達(dá)：高濃度時(shí)

低濃度時(shí)

式中，k2為降解速度常數(shù)，約等于k/K，其它字母意義同前。

統(tǒng)一說(shuō)由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張雁秋1994年提出，并證明一相說(shuō)與二相說(shuō)是統(tǒng)一說(shuō)的兩種極端形式，統(tǒng)一說(shuō)的數(shù)學(xué)模型表示如下：式中字母意義均同前。

-dS/dtS統(tǒng)一說(shuō)模型中K變大時(shí)，統(tǒng)一說(shuō)趨向于一相說(shuō)統(tǒng)一說(shuō)模型中K變小時(shí)，統(tǒng)一說(shuō)趨向于二相說(shuō)

統(tǒng)一說(shuō)

二相說(shuō)

一相說(shuō)有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)過(guò)程的三種假說(shuō)的關(guān)系

1.00.50.0

Blackman模型Monod模型用于海洋水生生物的種群模型新模型,

z

=0.9843實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖幾種模型對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合情況

0510S/K底物相比照遞減速度生物相比照增長(zhǎng)速度模型類(lèi)型參數(shù)趨向模型名稱(chēng)模型形式模型名稱(chēng)模型形式K→0Eckenfelder模型S/XS<X時(shí)1S≥X時(shí)Blackman模型S/XS<X時(shí)1S≥X時(shí)∞來(lái)源？S/（KZ+X+S）來(lái)源？S/（KZ+X+S）S→0來(lái)源？S/（KZ+X）來(lái)源？S/（KZ+X）∞Eckenfelder模型1馬爾薩斯模型1X→0米-門(mén)模型S/（KZ+S）Monod模型S/（KZ+S）∞McKinney模型S/X來(lái)源？S/X

二、活性污泥法動(dòng)力學(xué)負(fù)荷

活性污泥法動(dòng)力學(xué)負(fù)荷由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張雁秋首次提出：**

動(dòng)力學(xué)負(fù)荷是曝氣池設(shè)計(jì)的主要根據(jù)，因?yàn)槌似貧獬伢w積V待解外，其它參數(shù)均可確定。

式中S*為曝氣池內(nèi)底物〔對(duì)數(shù)〕平均濃度，表示較為復(fù)雜。從圖可以看出，要提高硝化微生物的在活性污泥總量中的比例，造成脫氮優(yōu)勢(shì)，必須使BOD、NH4+濃度小于圖3-6上兩條曲線的交點(diǎn)，即將活性污泥系統(tǒng)中的BOD平均濃度控制在較低水平〔〈20mg/l〉。也就是說(shuō)將整個(gè)活性污泥系統(tǒng)控制在低營(yíng)養(yǎng)水平的狀態(tài)下，才能高效的硝化脫氮。硝化反響是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種細(xì)菌共同完成的，這兩種細(xì)菌均屬于化能自養(yǎng)型微生物。在活性污泥微生物中，硝化菌的比例與污水的BOD5/TKN有關(guān)，假設(shè)水中BOD5值高，有助于異養(yǎng)菌的迅速繁殖，使硝化菌的生長(zhǎng)受到抑制，只有當(dāng)BOD5低于20mg/l時(shí)，硝化反響才開(kāi)始進(jìn)行。高污泥濃度對(duì)硝化有利增加活性污泥濃度可以相對(duì)提高硝化菌的優(yōu)勢(shì)。在此情況下,脫碳菌類(lèi)因濃度過(guò)高而生長(zhǎng)速度相對(duì)下降,使得硝化菌的比例有所提高。因此,在同樣的污泥總量情況下,短時(shí)高污泥濃度要比延時(shí)低污泥濃度在硝化脫氮方面更為有效.這是我們開(kāi)發(fā)研究短時(shí)硝化脫氮工藝的主要理論根據(jù)。分點(diǎn)進(jìn)水使曝氣池中的活性污泥濃度在池首端明顯較高，在同樣條件〔同樣的回流污泥濃度及同樣的污泥回流比〕下，曝氣池中污泥平均濃度明顯高于推流式活性污泥法的污泥濃度污泥濃度(mg/L)

200040006000800010000

圖2在不同污泥濃度下的微生物比增殖速度V聚磷菌其他菌群V0.2

0.10就除磷來(lái)說(shuō)，活性污泥微生物中聚磷菌類(lèi)和其他菌種并存，一般情況下，聚磷菌類(lèi)處于弱勢(shì)，在活性污泥中比例較小。根據(jù)前述公式可計(jì)算出污泥濃度下的比增殖速度V〔增長(zhǎng)率〕，并繪出上圖，從上圖中可以看出，要提高聚磷菌群在活性污泥總量中的比例，提高厭氧釋磷負(fù)荷，造成釋磷、聚磷優(yōu)勢(shì)，必須使污泥濃度不低于上圖中兩條曲線的交點(diǎn)。三、回流污泥濃度優(yōu)化理論曝氣池污泥濃度計(jì)算公式一般表示為：

我們提出的回流污泥濃度計(jì)算模型為：

以上式中，X為曝氣池污泥濃度；r為污泥回流比；Xr為回流污泥濃度；Xm為重力沉降情況下的最高污泥濃度；k為沉降速度常數(shù)，與二沉池構(gòu)造和污泥特性有關(guān)；Vr為二沉池污泥區(qū)容積；Q為處理水量。

圖回流比對(duì)曝氣池污泥濃度及回流污泥濃度的影響rXXrX00123456（克/升）126曝氣池污泥濃度X及回流污泥濃度Xr隨回流比的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖由上圖可以看出：回流比增大，Xr隨之逐漸降低，而X那么逐漸增高；當(dāng)回流比趨向于無(wú)窮大時(shí)，二者趨向于同一數(shù)值。在一定范圍內(nèi)，提高污泥回流比可大幅度提高曝氣池污泥濃度，進(jìn)而可以提高活性污泥法系統(tǒng)的處理效率，然而回流比提高的同時(shí)使得曝氣池內(nèi)有機(jī)物平均濃度有所降低。四、同步硝化反硝化理論

通過(guò)控制曝氣池溶解氧濃度，結(jié)合分點(diǎn)多段進(jìn)水，創(chuàng)造有利于同步硝化反硝化的工況，從而降低回流污泥中的溶解氧，以利于厭氧段磷的釋放。

工程局部工藝流程回流污泥剩余污泥污水二沉池尾水厭氧區(qū)缺氧區(qū)好氧區(qū)圖3ECOSUNIDE工藝流程Fig.3ECOSUNIDEprocess該工程已在徐州國(guó)禎水務(wù)運(yùn)營(yíng)、臨沂市污水處理廠、臨沂潤(rùn)澤水務(wù)、德州聯(lián)合潤(rùn)通水務(wù)得到成功應(yīng)用?！?〕徐州國(guó)禎水務(wù)運(yùn)營(yíng)(16.5萬(wàn)噸/日)原初沉池改作厭氧池，污泥回流從進(jìn)入曝氣池改為進(jìn)入?yún)捬醭?，進(jìn)行生物釋磷；原污水一局部進(jìn)入?yún)捬醴错懗亍餐Ａ魰r(shí)間2小時(shí)〕；另一局部原污水分多點(diǎn)進(jìn)入好氧缺氧反響池〔停留時(shí)間3.1小時(shí)〕，提高曝氣池內(nèi)活性污泥濃度，實(shí)測(cè)池內(nèi)污泥平均濃度高達(dá)5000mg/L〔MLSS〕左右；改變?cè)貧獬夭⒙?lián)運(yùn)行方式為串聯(lián)運(yùn)行。厭氧池的污泥濃度控制在>10000mg/L(回流污泥濃度為14000mg/L左右)。經(jīng)過(guò)五年多的運(yùn)行，該工藝表現(xiàn)出短時(shí)高效硝化脫除氨氮的良好性能，出水水質(zhì)穩(wěn)定地優(yōu)于污水處理廠一級(jí)〔B〕排放標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下出水水質(zhì)為：CODCr≤45mg/L，BOD5≤8mg/L，NH3-N≤3mg/L，TN≤15mg/L，TP≤1.0mg/L，SS≤20mg/L。

〔2〕臨沂市污水處理廠(10萬(wàn)噸/日)初沉污泥剩余污泥初沉池氧化溝二沉池圖7原工藝流程污泥回流污水剩余污泥污泥回流厭氧池好氧缺氧池二沉池圖8改造工藝流程污水利用原初沉池作為厭氧池，污泥回流從進(jìn)入曝氣池改為進(jìn)入?yún)捬醭?，進(jìn)行生物釋磷；原污水一局部進(jìn)入?yún)捬醴错懗亍餐Ａ魰r(shí)間2小時(shí)〕；另一局部原污水分多點(diǎn)進(jìn)入好氧缺氧反響池〔原氧化溝改造而成，停留時(shí)間6小時(shí)〕，提高曝氣池內(nèi)活性污泥濃度，實(shí)測(cè)池內(nèi)污泥平均濃度高達(dá)6000mg/L〔MLSS〕左右。厭氧池的污泥濃度控制在>9000mg/L〔回流污泥濃度為12000mg/L左右)。改造后提高了污水處理效率，不僅未增加動(dòng)力費(fèi)用，反而通過(guò)停止內(nèi)回流節(jié)省了推進(jìn)器的能耗，與其他工藝相比，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約20%以上。

〔3〕臨沂潤(rùn)澤水務(wù)〔5萬(wàn)噸/日〕

水解池生物濾池接觸氧化池厭氧池平流式沉淀池輻流式沉淀池圖10新工藝流程圖9原工藝流程污水污水污泥回流污泥回流O1O2O3AO4輻流式沉淀池原水解池的一局部改為厭氧池，停留時(shí)間1.50小時(shí)。原水解池的另一局部改為O1曝氣池，停留時(shí)間3.34小時(shí)。原生物濾池改為好氧池和缺氧池，好氧池總停留時(shí)間9.34小時(shí)，缺氧池停留時(shí)間2小時(shí)；曝氣池分布為O1、O2、O3、O4四座，A池為缺氧池。原接觸氧化池改為平流沉淀池，與原輻流式沉淀池并聯(lián)共用?！?〕德州聯(lián)合潤(rùn)通水務(wù)〔10萬(wàn)噸/日〕氧化溝二沉池圖11原工藝流程好氧缺氧池二沉池圖12新工藝流程厭氧池污水污水污泥回流污泥回流目前已完成2.5萬(wàn)噸試驗(yàn)改造。