论文摘要
水体“富营养化”是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。污水处理技术已逐渐从以单一去除有机物为目的的阶段进入既要去除有机物又要脱氮除磷的深度处理阶段,以控制富营养化为目的的脱氮除磷已成为当今污水处理领域的研究热点之一。UniFed SBR工艺是近年来澳大利亚开发出的一种新型脱氮除磷工艺,与复杂的连续流生物脱氮除磷工艺相比,该工艺采用单池运行,不需物理分区和污泥回流,即可达到较高的除磷脱氮效率,还可减少基建投资。UniFed SBR工艺在进水方式和运行方式上不同于传统SBR工艺,一个运行周期包括进水/排水、曝气和沉淀3个阶段。UniFed SBR工艺的进水是从反应池底部污泥层中缓慢、均匀引入,采用进水顶出水的排水方式,在SBR池顶部设置溢流堰或滗水器排水,在底部进水的同时,上层澄清出水被排出系统。UniFed SBR反应池底部进水布水器的设计非常关键,该布水器需实现均匀布水,即当废水通过该布水器进入反应池时,泥和水不产生大的机械混合,保证上层澄清出水不受底部进水的干扰,实现底部进水和上层出水的良好分离,这是实现UniFed SBR工艺成功运行的基础。进水/排水阶段结束后,依次进入曝气、沉淀阶段。在进水/排水阶段,在池底污泥层中先后发生了反硝化作用和厌氧释磷,在后续曝气阶段,发生了硝化作用和好氧吸磷。因此,通过一个UniFed SBR周期的运行,可实现同步脱氮除磷。为促进UniFed SBR新工艺的研究发展和未来在实际工程中的应用,本课题在国外对UniFed SBR工艺基本理论研究基础之上,建立了UniFed SBR工艺实验室小试模型,并采用空气堰排水方式,摸索出实现工艺正常运行的关键技术,开发了带空气堰排水的UniFed SBR工艺的计算机自动控制系统,实现了工艺运行的自动化。采用有效容积为40L的UniFed SBR反应器,并以实际生活污水为处理对象,考察了UniFed SBR工艺对污水的脱氮和除磷特性,分析了进水C/N比、C/P比和充水比等参数对工艺氮、磷和有机物去除的影响及其影响机理。考察了曝气阶段DO、pH和ORP的变化规律,并对DO、pH和ORP能否作为该阶段的实时控制参数进行了探讨。本研究对UniFed SBR工艺采用了一种新颖的排水方式,即采用空气堰代替滗水器排水,避免了采用普通溢流堰排水曝气时混合液溢流至出水堰而影响出水水质。采用空气堰排水后,使工艺的运行操作变得更为复杂,仅通过手动操作基本无法实现工艺的正常运行,必须设自动控制系统。以Visual C++语言作为开发工具,以计算机、I/O卡（输入/输出接口卡）等作为主要硬件设备,成功地研制开发出一套用于控制小试规模的、带空气堰排水的UniFed SBR工艺计算机自动控制系统,实现了对该工艺各设备的时序控制。在UniFed SBR工艺中TN的去除主要发生在两个阶段,即进水/排水阶段和曝气阶段。曝气阶段TN的损失主要是由于在反应器内发生了同步硝化反硝化。UniFed SBR工艺的除磷机理为强化生物除磷机理。UniFed SBR工艺处理生活污水,对有机物和氨氮有非常好的去除,出水中检测不到氨氮,有机物浓度也在30mg/L以下,基本为难生物降解COD,对总氮和磷的去除效果主要取决于进水C/N比。控制充水比为25%,当C/N比低于5.7时,TN去除率随C/N比的升高而快速大幅度提高,从2.75时的43.6%升至5.7时的80.84%,当C/N比达到5.7时,进水/排水阶段的脱氮率已达到最大值,之后继续提高C/N比,只能提高曝气阶段由于同步硝化反硝化产生的脱氮率,所以TN去除率的提高变得缓慢。随着进水C/N比的增加,聚磷菌可从进水中获得更多的有机碳源,进行PHB的合成和PO43-的释放,同时避免了NOx-对释磷产生的抑制作用,因而磷的去除率随C/N比的增加而提高,且C/N比越高,PAOs的释磷量和吸磷量越多,好氧吸磷速率越快,除磷效果越好。进水C/N比的变化对COD的去除没有显著影响,平均去除率为93.15%。当C/N比大于6.97、有机负荷高于0.38 kg/（kg?d）时,污泥容积指数随C/N比的增加而大幅度提高,产生由于低溶解氧和高负荷带来的非丝状菌污泥膨胀。进水C/P比是影响UniFedSBR工艺磷去除的重要因子。控制充水比为33%、进水C/N比为6,当C/P≥33时,可以实现磷的100%去除,当C/P<33时,磷的去除率随C/P比的增加而线性提高。进水C/P比的变化,对总氮和COD的去除没有影响,平均去除率分别为84%和94.5%。UniFed SBR工艺一个周期的TN去除率η为进水/排水阶段在池底部污泥层中发生的反硝化作用产生的脱氮率η1和曝气阶段由于微生物的同化作用及同步硝化反硝化作用产生的脱氮率η2二者之和。改变充水比会对进水/排水阶段TN的去除率η1和曝气阶段TN的去除率η2产生截然相反的影响。在相同的进水水质条件下,提高充水比,η1降低,而η2升高,由于进水/排水阶段对UniFed SBR工艺TN的去除贡献更大,因此充水比越大,TN去除效果越差。UniFed SBR工艺在相同的进水水质条件下,充水比越大,除磷效果越好。在UniFed SBR工艺的进水/排水阶段,污泥层中的pH、DO和ORP值随时间的变化曲线上没有特征点,表明pH、DO和ORP值的变化基本没有规律,无法指示该阶段污泥层中发生的反硝化和释磷等生化反应进程。因此,进水/排水阶段利用pH、DO和ORP作为实时控制参数是不可行的。在UniFed SBR工艺的曝气阶段,混合液的pH、DO和ORP曲线可以反映该阶段的生化反应进程。在硝化过程结束时,在pH、DO和ORP曲线上均出现特征点,pH由下降转为上升,DO和ORP会突然迅速大幅上升,因此,pH、DO和ORP作为曝气阶段的实时控制参数是可行的。通过在线实时监测曝气阶段混合液的pH、DO和ORP值,并结合实际运行经验,在硝化过程结束后再适当地延长一段曝气时间用以吹脱系统中的气体,避免后一周期进水时污泥上浮,才能保证UniFed SBR工艺的正常运行,也是对UniFed SBR工艺曝气阶段采取的最佳实时控制策略。