高排放标准曝气生物滤池处理流程升级改造关键技术研究与工程示范开题报告-2011.doc

1、哈尔滨工业大学博士学位论文开题报告院 （系） 学 科 导 师 研 究 生 入 学 时 间 开题报告日期 论 文 题 目 研究生院培养处目 录1 课题来源及研究的目的和意义11.1 课题来源11.2 目的和意义12 国内外在该方向的研究现状及分析32.1 单污泥系统32.1.1 UCT系统32.1.2 MUCT工艺42.1.3 BCFS工艺42.1.4 SBR工艺52.1.5 小结62.2 双污泥系统62.2.1 Dephanox工艺62.2.2 A2N工艺72.2.3 A2NSBR工艺72.2.4 PASF工艺82.2.5 BICT工艺92.2.6 小结102.3 反硝化除磷工艺影响因素研究1

2、02.3.1 碳源102.3.2 碳源种类102.3.3 C/N/P比值112.3.4 电子受体112.3.5 pH132.3.6 污泥停留时间132.3.7 容积交换比及内循环比142.3.8 后续好氧曝气的作用142.3.9 小结142.4 反硝化聚磷菌菌群分析152.4.1 参与反硝化除磷的菌属152.4.2 反硝化除磷菌的分类152.4.3 小结162.5 存在问题163 前期的理论研究与试验论证工作的结果173.1 A2N-BAF工艺的运行研究173.1.1 实验材料与方法173.1.2 工艺启动183.1.3 实验结果与讨论183.2 除磷菌菌群结构的研究223.2.1 实验材料与

3、方法223.2.2 实验结果与讨论233.3 硝化菌菌群结构的研究243.3.1 实验材料与方法243.4 新型硝化工艺的探索研究243.4.1 装置搭建243.4.2 前期运行效果探索244 主要研究内容、方案以及可行性论证264.1 主要研究内容264.2 实施方案264.3 可行性论证285 论文进度安排，预期达到的目标296 为完成课题已具备和所需的条件、外协计划及经费317 预计研究过程中可能遇到的困难、问题，以及解决的途径32参考文献3336说 明一、开题报告应包括下列主要内容：1课题来源及研究的目的和意义；2国内外在该方向的研究现状及分析（文献综述）；3前期的理论研究与试验论证工

4、作的结果；4学位论文的主要研究内容、实施方案及其可行性论证；5论文进度安排，预期达到的目标；6为完成课题已具备和所需的条件、外协计划及经费；7预计研究过程中可能遇到的困难、问题，以及解决的途径；8主要参考文献（应在50篇以上，其中外文资料不少于二分之一，参考文献中近五年内发表的文献一般不少于三分之一，且必须有近二年内发表的文献资料）。二、开题报告字数应不少于1.5万字。三、开题报告时间应最迟应于第四学期结束前完成。四、若本次开题报告未通过，需在三个月内再次进行开题报告。第二次学位论文开题报告仍未通过者，将取消其学籍。五、开题报告结束后，评议小组要填写博士学位论文开题报告评议结果上报院（系）研究

5、生教学秘书备案。六、此表不够填写时，可另加附页。1 课题来源及研究的目的和意义1.1 课题来源国家水体污染与治理科技重大专项：“高排放标准城市污水处理厂升级改造关键技术研究与工程示范”之子课题“高排放标准曝气生物滤池处理流程升级改造关键技术研究与工程示范”（2008ZX07317-02）。1.2 目的和意义随着水环境污染、水质富营养化、节水问题的尖锐化及公共环境意识的增强，越来越多的国家和地区制定了严格的污水氮磷排放标准。我国于2002年颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准（GB189182002）均明确规定了较为严格的TP和氨氮排放标准：PO43-P0.5mg/L，NH4+-N5mg/L（一级

6、A标准）。这就意味着绝大多数城市污水和工业废水处理设施都要考虑脱氮除磷处理。因此，研究和开发经济高效的脱氮除磷污水处理技术已成为水污染控制工程领域的重点和热点课题之一。中国南方城市的生活污水是典型的低C/N生活污水，南方气温较高，污水在污水管道内流动时，污水中的有机物碳源会被微生物快速降解，导致流进污水处理单元的碳源量减少，现有的污水处理工艺和技术很难同时满足脱氮除磷的需求。因此对南方低C/N污水的处理就显的比较困难，要找到一种碳源消耗低、能量需求少、占地面积小、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就显的格外重要。开发出经济、高效的反硝化除磷工艺已经成为该领域研究的主要热点

7、之一，对于解决我国南方城市低碳高氮而出水水质要求高的矛盾，具有重要的现实意义。对于新型反硝化除磷工艺，识别微生物种群，建立目标菌群动态与工艺运行参数之间的相互关系，从微生物学角度对工艺运行状态给予最直接、最可靠的分析与证明，为污水生物脱氮除磷系统的长期稳定运行奠定理论基础。同时，对新型反硝化脱氮除磷工艺作用机理的深入研究，一方面可以进一步了解反应器运行原理，提高工艺设计运行水平，另一方面也可为脱氮除磷机理研究作出贡献，指导同类脱氮除磷工艺的设计运行以及实现对传统脱氮除磷工艺的升级改造。2 国内外在该方向的研究现状及分析近年来研究发现一种特殊的可以同步除磷脱氮的微生物，能够在反硝化同时除磷，人们

8、称之为反硝化聚磷菌（DPB，denitrifying phosphorus removing bacteria）1-3。这类细菌生长条件既可以是厌氧/缺氧交替的环境，又可以是厌氧/缺氧/好氧交替的环境。在厌氧/缺氧条件下这类微生物被称为反硝化聚磷菌（DPB），厌氧/缺氧/好氧条件下这类微生物是聚磷菌（PAOs，polyphosphate-accumulating organisms）的一部分。在厌氧条件下，反硝化聚磷菌分解胞内多聚磷酸盐，释放正磷酸盐，并通过释磷过程产生的能量吸附有机物，合成反硝化聚磷菌的胞内物质聚羟基烷酸（PHA，polyhydroxyal kanoates）；在缺氧条件下，

9、反硝化聚磷菌利用厌氧条件下合成的胞内物质PHA作为碳源（电子供体），以硝酸盐氮作为电子受体同步除磷脱氮。由于胞内物质PHA作为反硝化脱氮时的碳源，同时又作为超量吸磷的碳源，实现了“一碳两用”目的4-5。因此，与传统的脱氮除磷工艺相比，反硝化聚磷同步脱氮除磷可以节约碳源，同时还可以降低曝气量，减少污泥排放量。因此，得到了广泛的研究，开发了各种反硝化除磷工艺。根据硝化菌与反硝化除磷菌在系统中所处的位置，反硝化除磷工艺可以分为单污泥系统和双污泥系统。2.1 单污泥系统单污泥系统中，DPB、硝化菌及其他菌存在于同一污泥相中，共同经历厌氧、缺氧和好氧环境。2.1.1 UCT系统UCT工艺是最早的一种生物

10、脱氮与除磷相结合的基本工艺，诞生于南非，是在改良的Bardenpho工艺基础上提出来的，其流程见图1所示。在该工艺中为了防止硝酸盐对厌氧释磷的影响，回流污泥首先进入到缺氧池，在其中发生充分的反硝化作用之后，几乎不含硝态氮的混合液部分循环进入厌氧池6。通过这种方式，硝态氮对生物除磷的影响被降低到最小程度7。硝态氮对释磷菌的主要影响是由异养反硝化菌同PAOs/DPB的直接竞争所引起。这种竞争总是由异养反硝化菌所赢得，即反硝化优先。经过厌氧释磷的污泥进入缺氧池后，就会以体内的贮存的碳源为电子供体，以水中的硝态氮为电子受体进行反硝化除磷。缺氧池到厌氧池的循环有利于聚积DPB。在缺氧池中未能被DPB细菌

11、吸收的磷可以在好氧池后内以O2作为电子受体进一步被去除。图1 UCT生物除磷脱氮工艺2.1.2 MUCT工艺MUCT工艺实际上是UCT工艺的一种变型。虽然UCT的设计原理是基于对PAOs所需环境条件而强化A2/O工艺，但实践中发现该工艺中存在着不少的DPB细菌。为了最大程度地从工艺角度创造DPB的富集条件，研究者对UCT工艺进行改良而形成更有利于DPB细菌生长的MUCT工艺，其工艺流程见图2。图2 MUCT工艺流程MUCT工艺较UCT工艺增加了两个反应池。第一个是介于UCT工艺的厌氧和缺氧池之间的接触池；第二个是混合池，介于UCT工艺的缺氧池与好氧池之间。设置缺氧状态接触池的作用是：来自厌氧池

12、的混合液和回流污泥在接触池中充分混合以吸附有机物；回流污泥中的硝酸盐氮能迅速被反硝化脱除。增设混合池的目的是形成低氧环境以同时获得硝化和反硝化，从而保证出水总氮浓度较低。独立设置混合池和好氧池的益处有：（1）最大程度地保证污泥再生而不影响反硝化或除磷；（2）容易控制SVI值；（3）最大程度地利用DPB以获得最少量的污泥；（4）负荷高时可通过额外曝气使系统运行稳定；（5）负荷低时可通过减少曝气使系统运行稳定。2.1.3 BCFS工艺实际上，在工程中广泛应用的生物除磷UCT工艺存在相当数量的DPB细菌，尽管UCT的设计原理仅仅是希望对PAOs菌所需的环境条件进行强化。荷兰Kluyver生物技术实验

13、室研发出一种变型的UCT工艺即BCFS工艺，如图3所示。并将其应用到污水厂的新建和升级中，在实际工程中，做到了最大程度的富集DPB细菌。该工艺最大的优点是能保持稳定的处理水水质，出水总磷0.2mg/L，总氮23，C/N5的条件下，SBR对磷氮去除率保持在90%以上。一般认为，若要使处理出水中的磷质量浓度控制在1.0mg/L以下，进水中的C/P应控制在2030。由上可知C/N/P的比值对反硝化除磷工艺各不相同，需进一步研究。2.3.4 电子受体在生物除磷工艺中，若进水中含有NO3-或NO2-则会影响磷的释放进而影响磷的吸收，但缺氧段的吸磷效果又与所含的硝酸盐量有关。研究表明缺氧阶段在一定范围内，

14、较高的NO3-浓度有利于反硝化除磷效率的提高，而对于缺氧段存在NO2-对反硝化除磷的影响则不尽相同。2.3.4.1硝酸盐缺氧池NO3-N负荷对DPAOs造成重要影响的原因是：DPAOs利用胞内贮存物PHB的反硝化速率与利用缓慢降解COD的普通反硝化菌的反硝化速率相比要低很多。因此当普通反硝化菌与DPAOs竞争NO3-N时，只有NO3-N负荷超过普通反硝化菌的需要量时DPAOs才能被刺激生长，反之则被抑制。王晓莲等33研究了A2/O工艺中曝气浓度对啤酒废水的去除效果，研究发现在系统中，A2/O工艺中反硝化吸磷量明显高于好氧吸磷量；为了提高缺氧区的吸磷量，必须提供充足的电子受体（即NO3-）。唐艳

15、葵等34在SBR反应器内培养了颗粒污泥，研究发现，在进水中添加NO3-N，对颗粒污泥的除磷效果有一定的促进作用，说明反硝化聚磷菌利用厌氧段吸收的有机物及内碳源，同样可以进行反硝化除磷，且速度很快，加入的电子受体迅速被利用，体系中没有NO2-N的积累。刘慧等35在对（A/A）SBR反应器研究发现，进水硝氮浓度大于1.5mg/L时，释磷量与释磷速率都随着硝氮浓度的升高而下降，反硝化除磷SBR反应器的出水硝氮质量浓度控制在4mg/L以下最佳，最多不可超过7mg/L，否则系统除磷效果迅速下降。缺氧池NO3-N负荷与DPAOs生长之间有重要关系，有必要对反硝化除磷进行数学模拟，建立它们之间的数学关系，但

16、目前对反硝化除磷的研究还不能做到这一点。2.3.4.2亚硝酸盐亚硝酸盐对缺氧阶段摄磷影响的研究是当今反硝化除磷的焦点，NO2-能否作为DPBs缺氧条件下的电子受体，国内外的研究结果不一致。Saitoa等36认为NO2-对缺氧和好氧两种条件下磷的摄取都有抑制作用，且好氧条件下所受的抑制作用更强。J. Y. Hu等37研究发现：NO2-不仅可以作为DPBs反硝化摄磷的电子受体，而且在NO3-作为电子受体时加入足量的NO2-还会对缺氧摄磷起到加强的作用。Tsuneda等12在研究AOA同步脱氮除磷工艺的过程中发现，在AOA系统中同时存在DNPAOs和以O2和以NO2-N为电子受体的PAOs的情况下，

17、NO2-N可以作为电子受体用于反硝化除磷。在此基础之上，人们对最佳NO2-N浓度进行了大量研究。而JENS MEINHOLD等38实验发现NO2-对磷摄取的致命影响浓度在58mg/L。王亚宜等39认为控制NO2-浓度为5.59.5mg/L可使聚磷污泥以NO2-作为电子受体进行吸磷反应，当NO2-达到15mg/L时反硝化和吸磷反应均受到了抑制。黄荣新等40的研究表明，亚硝酸盐浓度大于30mg/L时，对生物反硝化除磷存在严重抑制影响，而NO2-N浓度低于25mg/L时，其不仅可以作为良好的电子受体，而且随着亚硝态氮浓度的升高，在缺氧段的最大吸磷速率也逐步升高。刘晖等41在对A2/O工艺缺氧段生物除

18、磷作用的研究中发现，NO2-N浓度为50mg/L时，反硝化除磷效果最佳。DPB对NO2-的承受能力可能与污泥本身的性质、控制条件以及亚硝酸盐负荷增加的方式相关。在厌氧缺氧交替环境驯化的时间越长，培养的DPBs越多；在含NO2-的系统驯化，所富集的能利用NO2-作电子受体的DPBs越多。2.3.5 pH近年来的研究表明：pH值对反硝化除磷具有重要影响，DBP在厌氧段的释磷量和pH的大小有关。王亚宜等39研究表明：厌氧段在一定pH值范围内，随着pH值的升高释磷量也升高，但当pH值达到8.0以上时释磷量反而下降。缺氧段pH值大于8会干扰反硝化除磷，这主要是由磷酸盐沉淀引起的。任南琪42认为，缺氧段p

19、H值控制在7.00.1时，厌氧段pH值在7.08.0时，pH值越高，反硝化除磷效果越好。侯红勋等43试验发现，在较低pH下NO2-对反硝化吸磷存在严重的抑制，pH较高时抑制微弱，最适pH范围在7.58.0。FILIPE44则认为，厌氧区pH值对PAO和GAO生长产生显著的影响，高pH值不利于GAO对乙酸的吸收，而PAO并不受影响。2.3.6 污泥停留时间由于硝化段设置方式的不同，反硝化除磷脱氮工艺的单、双污泥系统对SRT的要求也不同。资料表明为了维持DPB的生存条件，反硝化除磷污泥的SRT5d，而硝化污泥大约15d。Merzouki等45研究表明，SBR反硝化除磷系统的SRT为15d时对除磷更

20、有利（此时的除磷率比SRT=7.5d时高1.8倍），这是因为较短的SRT可淘汰反应器中的聚磷菌。徐伟锋等46的研究表明，延长泥龄，反硝化除磷对A2/O系统除磷所起的作用增大，且较长SRT（12d和15d）去除单位氮和磷所需的外碳源数量较8d时要低，从而使反硝化除磷作用达到节省碳源和能源的目。A2N工艺就不用考虑硝化菌的SRT，只需注意DPB的SRT。因此，反硝化除磷系统的最佳SRT应根据进水水质工艺组合方式和工艺运行要求等由试验获得。2.3.7 容积交换比及内循环比对于A2N双泥工艺，提高容积交换比，氮的去除率相应增加，出水NH3-N浓度较低。对于单污泥系统。提高内循环比，在缺氧区可以获得更多

21、的电子受体来完成缺氧磷的吸收。但内循环比也不能过大，一方面在充足的电子受体条件下DPB最大的反硝化潜力已经充分利用；另一方面，内循环比增加，混合液回流携带的溶解氧增加并被引入缺氧区，从而抑制缺氧磷的吸收。2.3.8 后续好氧曝气的作用研究表明：厌氧/缺氧试验装置在不需要好氧的情况下能长期稳定运行，而有资料报道单纯的厌氧/缺氧运行系统生物量将逐渐减少，除磷能力逐渐消失，需要增加好氧后续工艺，但时间不应过长。在连续流A2N中二次曝气位于缺氧段后面，有研究认为二次曝气只要满足少量的吸磷和污泥再生即可。间歇式A2NSBR一般只有好氧硝化SBR曝气，厌氧/缺氧SBR在缺氧吸磷后便沉淀出水，没有二次曝气。

22、在试验中发现二次曝气段对于A2N反硝化除磷工艺达到完全脱氮除磷及去除COD是不可缺少的。普遍认同的后续曝气的作用主要包括三个方面：吹脱氮气，保证污泥沉降性；进一步吸磷，保证除磷效果；污泥活性再生，在下一个循环中发挥良好的脱氮除磷作用。目前，还缺乏对后曝气对系统菌群方面的影响研究。2.3.9 小结对于反硝化除磷双污泥工艺，目前主要开展了常规运行参数的影响研究。但是对于一些参数的影响原因和机理缺乏统一的意见，比如后曝气对系统菌群结构的影响，反硝化聚磷菌可利用的电子受体，等。这就需要从工艺的核心-微生物角度进行分析研究，从微生物菌群结构、多样性和动态性方面去解释工艺运行特点，建立菌群特征与运行条件的

23、相互关系，为工艺运行提供理论指导。2.4 反硝化聚磷菌菌群分析2.4.1 参与反硝化除磷的菌属反硝化除磷现象被发现后，不少研究人员致力于反硝化除磷菌属的研究，以便更好的掌握和控制反硝化除磷工艺运行条件。罗宁等47对A2NSBR反硝化除磷工艺中的活性污泥进行分离鉴定发现，在A2NSBR反硝化除磷系统中微生物主要为假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌、气单胞菌属、不动杆菌属、链球菌属、肠球菌属、葡萄球菌微球菌属。其中，前5类菌属占细菌总数的79.1%。周康群等48研究发现在反硝化聚磷一体化系统中假单胞菌属、副球菌属和肠杆菌科在缺氧条件都有不同程度聚磷作用。假单胞菌属的聚磷作用很强，硝酸盐利用较彻底

24、；肠杆菌科聚磷作用次之，副球菌聚磷作用最弱，肠杆菌科和副球菌聚磷过程中硝酸盐利用不完全。张杰等49在连续流双泥系统的缺氧池分离鉴定出弧菌科、肠杆菌科、假单胞菌属、气单胞菌属等都具有反硝化吸磷能力。李军等在序批生物膜系统中发现优势菌依顺序为假单胞菌属、气单胞菌属、芽孢杆菌属、微球菌属。Liu等50研究发现变性杆菌属占了71%的比例，114个克隆样中，31个附属于不动杆菌。2.4.2 反硝化除磷菌的分类对于反硝化除磷菌的分类，目前学术界尚没有统一的意见。WACHTMEISTER等51通过批量释磷实验和吸磷实验，研究好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的菌群关系。作者认为反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌属于一种菌群，只

25、是由于诱导条件不同，表现出来的活性不同。Glida Carvalho等52研究了以醋酸盐和丙酸盐为碳源的两个反硝化除磷系统内的微生物群落结构形态。碳源的不同，导致两个反应器内聚磷菌类型有显著的差异，醋酸盐反应器内以球状细菌为主，以亚硝酸盐和氧气作为电子受体进行除磷，而丙酸盐反应器以棒状细菌为主，利用硝酸盐、亚硝酸盐和氧气作为电子受体进行除磷。S. J. You53研究了不同初始COD和剩余COD条件下缺氧和好氧吸磷及释磷反应，以及反硝化聚磷菌的比例。剩余COD对以硝氮为电子受体的吸磷影响较大，而对以氧气为电子受体的吸磷影响较小。根据研究结果，作者将聚磷菌严格区分为反硝化聚磷菌和非反硝化聚磷菌两

26、种。而也有部分研究者认为聚磷菌分为以氧为唯一电子受体的聚磷菌(PO)；仅以氧、硝氮为电子受体的聚磷菌(PON)和能以氧、硝氮及亚硝氮为电子受体的聚磷菌(PONn)三类54-56。2.4.3 小结反硝化聚磷菌已经得到国内外学者的普遍认可，但是对于其菌群组成、结构却研究较少，且采用的研究方法均基于传统的微生物分析技术，传统微生物分析技术的局限性限制了工艺系统微生物生态研究。随着新型微生物分析技术的不断发展和完善57-59，为反硝化聚磷菌的全面深入的分析研究提供了技术支撑。2.5 存在问题综上，自从反硝化除磷现象的发现，反硝化除磷工艺一直广受研究。研究者不断开发出各种新工艺，对新工艺进行优化，推进了

27、反硝化除磷工艺的快速发展。尤其是双污泥工艺，具有节约碳源、降低曝气、减少剩余污泥等优点。然而，该工艺仍然停留着实验室研究阶段，工艺本身有待于进一步优化改进，进一步降低工艺成本与能耗。对工艺本身的一些科学问题尚缺乏统一的观点，需要进一步的深入研究，尤其是微生物方面的研究与分析。主要存在问题包括：（1）反硝化聚磷菌与好氧聚磷菌菌群结构的异同性；（2）亚硝氮作为电子受体与以硝氮为电子受体时的菌群异同性，亚硝氮作为电子受体的有效浓度范围，以及亚硝氮的抑制机理，均有待于深入研究；（3）后曝气段有诸多作用，但是曝气是否会影响到系统反硝化聚磷菌的菌群分布；（4）反硝化脱氮除磷过程中碳源的利用途径，是否与好氧

28、聚磷菌在除磷过程中的碳源利用途径一致；（5）反硝化脱氮除磷过程中电子受体硝态氮的变化，反应产生的气体种类和分析；（6）双污泥工艺中硝化单元的成本与能耗比例较高，有待于通过工艺改进进一步降低工艺的成本与能耗，以促进工艺发展应用。3 前期的理论研究与试验论证工作的结果3.1 A2N-BAF工艺的运行研究3.1.1 实验材料与方法3.1.1.1 工艺流程与试验装置设计处理能力为70L/h。工艺流程如图9所示，包括具有除磷脱氮功能的A2N段与二级硝化段。A2N段包括厌氧池、中沉池、一级BAF、缺氧池、二沉池，HRT分别为1.0h、1.5h、2.0h、3.5h和1.5h。需特别说明的是，缺氧池包含三段，

29、即前置厌氧段、缺氧段和后曝气段，HRT分别为0.5h、2.5h和0.5h，为便于论述，统称缺氧池。超越污泥由中沉池进入缺氧池的前置厌氧段，之后进入缺氧段和后曝气段；二沉池回流污泥回流至厌氧池。二级硝化段也采用BAF，即二级BAF段，HRT为0.5h。图9 A2N-BAF工艺流程图装置由有机玻璃与不锈钢制成；一级、二级BAF均采用陶粒填料（粒径3-5mm），柱高分别为4.0m、2.0m，填料高度3.0m、1.0m，气水比3：1和1：1。厌氧池和缺氧池内安装搅拌器。3.1.1.2实验水质试验用水为深圳某大学校区内生活污水，试验水质见表1所示。表1 进水水质COD（mg/L）BOD5（mg/L）NH4+-N（mg/L）NO3-N（mg/L）TN（mg/L）TP（mg/L）碱度（mg/L）范围1142746415015.652.201.0520.960.41.415.30155.0-280.6平均值20412634.30.3640.94.40195.43.1.1.3检测方法COD：重铬酸钾法；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO3-N：紫外分光光度法；TN：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；TP：钼锑抗分光光度法；MLSS：滤纸称重法；SS：HACH DR/890。3.1.2 工艺启动3.1.2.1 污泥培养系统启动涉及到硝化