ECOSUNIDE工艺 在污水厂升级改造中的应用 中国矿业大学 张雁秋 教授 2008年10月，天津

《国家科技成果重点推广计划》项目“城市污水生物处理高效硝化新工艺”（项目编号:2004EC000132） 发明专利： “一种污水生物处理高效硝化工艺”

研究背景 传统生物脱氮除磷技术由于具有脱除C、N、P且处理成本低等优点，而得到广泛应用，但脱氮除磷过程中存在的基质竞争和泥龄不同的矛盾使得处理效果相对较差，氨氮的硝化和磷的去除仍是整个生物处理的瓶颈。 就脱氮而言，由于硝化菌的增殖速度缓慢，传统的污水二级生化处理工艺（A2/O、氧化沟等活性污泥法）为提高脱氮效率，工程投资较大，曝气时间较长，需要内回流，使得运行成本增加。就除磷而言，聚磷菌增殖缓慢，在整个生物菌群中所占比例较低，脱氮除磷的碳源分配比例难以控制，总磷去除量一般仅能脱除5mg/L左右。为提高除磷效果，常采用化学除磷技术，增加了运行成本。

研究背景 提出统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论，创造出特殊工艺条件，提高了活性污泥中的硝化菌、聚磷菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢、除磷量较少的瓶颈，实现了短时高效脱氮除磷，最终研发出城市污水高效脱氮除磷处理新工艺 。实现了以下目的： 1、针对以上关键问题，研究出短时高效脱氮除磷的关键机理，应用统一动力学理论构建可供实际工程应用的、完善的新工艺及技术体系。通过工况条件的控制，使得硝化菌和聚磷菌在整个生物菌群中的比例提高；明显缩短了硝化时间；在碳源充足条件下，总磷去除量可达4-10mg/L。 2、经过设计优化，可使污水处理主体工程投资节约20%左右，运行成本费用降低20％左右。

研究思路 本质上讲，活性污泥法除磷脱氮的实质就是利用一系列工程技术方法培养优势目的菌群。因此，我们认为：用生态学思想进行活性污泥生态系统的有效调控是该工艺除磷脱氮技术发展的最好出路。

理论部分

一、统一动力学理论 该理论揭示了高污泥浓度有利于弱势菌群生长的机理，为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论依据。 为了解决废水生物处理反应动力学中长期悬而未决的一相说与两相说的矛盾，我们对生物化学学科中的酶反应过程进行重新推导，从而提出了一个新的酶动力学方程。

一相说是以米—门酶反应动力学方程为基础提出的，形式上与表达微生物增长速度的莫诺方程相似。 一相说是将有机物的降解用以下数学模型描述： -ds/dt为有机物降解速度，k为降解常数，K为半饱和常数（又称米—门常数），X为微生物浓度（工程上为活性污泥浓度），S为有机物浓度。 一相说是以米—门酶反应动力学方程为基础提出的，形式上与表达微生物增长速度的莫诺方程相似。

二相说为埃肯费尔德Eckenfelder等人所支持，是将有机物的降解分为高有机物浓度和低有机物浓度二相而分别采用不同的数学模式。 高浓度时，有机物降解速度与其浓度无关，呈零级反应，与活性污泥浓度呈一级反应，低有机物浓度时，有机物降解速度与其浓度和活性污泥浓度均呈一级反应，用下式可表达： 高浓度时 低浓度时 式中，k2为降解速度常数，约等于k/K，其它字母意义同前。

统一说由中国矿业大学张雁秋提出，并证明一相说与二相说是统一说的两种极端形式，统一说的数学模型表示如下： 式中字母意义均同前。

-dS/dt 有机物降解动力学过程的三种假说的关系 统一说模型中K变小时，统一说趋向于二相说 统一说模型中K变大时，统一说趋向于一相说

Monod 模型 用于海洋水生生物的种群模型 新模型, z =0.9843 实际实验数据 1.0 0.5 0.0 0 5 10 S/K Blackman 模型 Monod 模型 用于海洋水生生物的种群模型 新模型, z =0.9843 实际实验数据 图 几种模型对实际实验数据吻合情况 0 5 10 S/K

底物相对比递减速度 生物相对比增长速度 模型类型 参数趋向 模型名称 模型形式 K→ Eckenfelder模型 S/X S<X时 Eckenfelder模型 S/X S<X时 1 S≥X时 Blackman模型 ∞ 来源？ S/（KZ+X+S） S→ S/（KZ+X） 1 马尔萨斯模型 X→ 米-门模型 S/（KZ+S） Monod模型 McKinney模型 S/X 底物相对比递减速度 生物相对比增长速度

* 二、活性污泥法动力学负荷 式中S*为曝气池内底物（对数）平均浓度，表示较为复杂。 活性污泥法动力学负荷由中国矿业大学张雁秋首次提出： * 式中S*为曝气池内底物（对数）平均浓度，表示较为复杂。 动力学负荷是曝气池设计的主要根据，因为除了曝气池体积V待解外，其它参数均可确定。

从图可以看出，要提高硝化微生物的在活性污泥总量中的比例，造成脱氮优势，必须使BOD、NH4+浓度小于图3-6上两条曲线的交点，即将活性污泥系统中的BOD平均浓度控制在较低水平（〈20mg/l〉。也就是说将整个活性污泥系统控制在低营养水平的状态下，才能高效的硝化脱氮。

硝化反应是由亚硝酸菌和硝酸菌两种细菌共同完成的，这两种细菌均属于化能自养型微生物。在活性污泥微生物中，硝化菌的比例与污水的BOD5/TKN有关，若水中BOD5值高，有助于异养菌的迅速繁殖，使硝化菌的生长受到抑制，只有当BOD5低于20mg/l时，硝化反应才开始进行。

高污泥浓度对硝化有利 增加活性污泥浓度可以相对提高硝化菌的优势。在此情况下,脱碳菌类因浓度过高而生长速度相对下降,使得硝化菌的比例有所提高。因此,在同样的污泥总量情况下,短时高污泥浓度要比延时低污泥浓度在硝化脱氮方面更为有效.这是我们开发研究短时硝化脱氮工艺的主要理论根据。 分点进水使曝气池中的活性污泥浓度在池首端明显较高，在同样条件（同样的回流污泥浓度及同样的污泥回流比）下，曝气池中污泥平均浓度明显高于推流式活性污泥法的污泥浓度

聚磷菌 其他菌群 V 0.2 0.1 图2 在不同污泥浓度下的微生物比增殖速度V 污泥浓度(mg/L) 2000 4000 6000 8000 10000 图2 在不同污泥浓度下的微生物比增殖速度V 聚磷菌 其他菌群 V 0.2 0.1

就除磷来说，活性污泥微生物中聚磷菌类和其他菌种并存，一般情况下，聚磷菌类处于弱势，在活性污泥中比例较小。根据前述公式可计算出污泥浓度下的比增殖速度V（增长率），并绘出上图，从上图中可以看出，要提高聚磷菌群在活性污泥总量中的比例，提高厌氧释磷负荷，造成释磷、聚磷优势，必须使污泥浓度不低于上图中两条曲线的交点。

三、回流污泥浓度优化理论 曝气池污泥浓度计算公式一般表示为： 我们提出的回流污泥浓度计算模型为： 以上式中，X为曝气池污泥浓度；r为污泥回流比；Xr为回流污泥浓度；Xm为重力沉降情况下的最高污泥浓度；k为沉降速度常数，与二沉池构造和污泥特性有关；Vr为二沉池污泥区容积；Q为处理水量。

曝气池污泥浓度X及回流污泥浓度Xr随回流比的变化趋势见图 图 回流比对曝气池污泥浓度及回流污 泥浓度的影响 r X Xr X0 0 1 2 3 4 5 6 （克/升） 12 6

由上图可以看出：回流比增大，Xr随之逐渐降低，而X则逐渐增高；当回流比趋向于无穷大时，二者趋向于同一数值。 在一定范围内，提高污泥回流比可大幅度提高曝气池污泥浓度，进而可以提高活性污泥法系统的处理效率，然而回流比提高的同时使得曝气池内有机物平均浓度有所降低。

四、同步硝化反硝化理论 通过控制曝气池溶解氧浓度，结合分点多段进水，创造有利于同步硝化反硝化的工况，从而降低回流污泥中的溶解氧，以利于厌氧段磷的释放。

工程部分

工艺流程 回流污泥 剩余污泥 污水 尾水 厌氧区 缺氧区 好氧区 图3 ECOSUNIDE工艺流程 二沉池 尾水 厌氧区 缺氧区 好氧区 图3 ECOSUNIDE工艺流程 Fig.3 ECOSUNIDE process

一、技术先进性 ☆ 根据先进的统一动力学理论、动力学负荷理论、污泥浓度优化理论、同步硝化反硝化理论、种群增殖速度的密度控制理论、种群增殖速度的营养工况控制理论等先进理论作为新工艺的主要理论基础； ☆ 依靠准确的分点配水计算方法结合厌氧、好氧、缺氧反应时间的合理安排，使得活性污泥系统中的生态系统得到人工优化，从而提高了出水水质，并大大降低了工程投资； ☆ 分点配水造成的高污泥浓度，使硝化菌群及聚磷菌群处于生长优势，提高脱氮除磷效率； ☆ 采用了节能集成技术，包括分级多次硝化反硝化技术、同步硝化反硝化、高效曝气技术、无内回流技术、高污泥浓度梯度污泥减量技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术，可节约运行费用20%左右。

该项目已在徐州国祯水务运营有限公司、临沂市污水处理厂、临沂润泽水务有限公司、德州联合润通水务有限公司得到成功应用。 二、技术成熟性 该项目已在徐州国祯水务运营有限公司、临沂市污水处理厂、临沂润泽水务有限公司、德州联合润通水务有限公司得到成功应用。

（1）徐州国祯水务运营有限公司 (16.5万吨/日)

原初沉池改作厌氧池，污泥回流从进入曝气池改为进入厌氧池，进行生物释磷；原污水一部分进入厌氧反应池（停留时间2小时）；另一部分原污水分多点进入好氧缺氧反应池（停留时间3.1小时），提高曝气池内活性污泥浓度，实测池内污泥平均浓度高达5000mg/L（MLSS）左右；改变原曝气池并联运行方式为串联运行。厌氧池的污泥浓度控制在>10000mg/L (回流污泥浓度为14000mg/L左右)。 经过五年多的运行，该工艺表现出短时高效硝化脱除氨氮的良好性能，出水水质稳定地优于污水处理厂一级（B）排放标准，一般情况下出水水质为：CODCr≤45mg/L，BOD5≤8mg/L，NH3-N≤3mg/L，TN≤15mg/L，TP≤1.0mg/L，SS≤20mg/L。

（2）临沂市污水处理厂(10万吨/日) 初沉污泥 剩余污泥 初沉池 氧化沟 二沉池 图7 原工艺流程 污泥回流 污水 剩余污泥 污泥回流 图7 原工艺流程 污泥回流 污水 剩余污泥 污泥回流 厌氧池 好氧缺氧池 二沉池 图8 改造工艺流程 污水

利用原初沉池作为厌氧池，污泥回流从进入曝气池改为进入厌氧池，进行生物释磷；原污水一部分进入厌氧反应池（停留时间2小时）；另一部分原污水分多点进入好氧缺氧反应池（原氧化沟改造而成，停留时间6小时），提高曝气池内活性污泥浓度，实测池内污泥平均浓度高达6000 mg/L（MLSS）左右。厌氧池的污泥浓度控制在>9000mg/L（回流污泥浓度为12000mg/L左右)。 改造后提高了污水处理效率，不仅未增加动力费用，反而通过停止内回流节省了推进器的能耗，与其他工艺相比，运行费用节约20%以上。

（3）临沂润泽水务有限公司（5万吨/日） 水解池 生物滤池 接触氧化池 辐流式沉淀池 图10 新工艺流程 图9 原工艺流程 污水 污泥回流 厌氧池 平流式沉淀池 辐流式沉淀池 图10 新工艺流程 图9 原工艺流程 污水 污泥回流 O1 O2 O3 A O4

原水解池的一部分改为厌氧池，停留时间1. 50小时。原水解池的另一部分改为O1曝气池，停留时间3 原水解池的一部分改为厌氧池，停留时间1.50小时。原水解池的另一部分改为O1曝气池，停留时间3.34小时。原生物滤池改为好氧池和缺氧池，好氧池总停留时间9.34小时，缺氧池停留时间2小时；曝气池分布为O1、O2、O3、O4四座，A池为缺氧池。原接触氧化池改为平流沉淀池，与原辐流式沉淀池并联共用。

（4）德州联合润通水务有限公司（10万吨/日） 氧化沟 二沉池 图11 原工艺流程 好氧缺氧池 图12 新工艺流程 厌氧池 污水 污泥回流 目前已完成2.5万吨试验改造。

工艺特点 主要发现： 根据统一动力学理论发现了生物因子非线性反应增长现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度之间呈非线性关系（增加生物浓度时反应速度增加较少），增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌、反硝化菌、聚磷菌在生物相中所占的比例。 根据该动力学负荷理论发现了厌氧反应段的不完全进水（即将其中一部分废水进入厌氧池）可提高污泥浓度从而提高活性污泥法硝化效率这一技术关键，通过全程合理分点、多点配水，降低反应池中的基质浓度，从而能进一步相对提高硝化菌、反硝化菌、聚磷菌在生物相中所占比例。 主要发明： 分点进水厌氧-多级好氧缺氧活性污泥法工艺系统。 主要创新点： 厌氧反应段的不完全进水方法。

技术要点 1)适当增加回流比且全流程分点进水,以实现高污泥浓度； 2)适当增加流程最后段的进水水量,以实现全程低营养状态； 3)最后一个进水点在曝气区尾部进入，充分利用活性污泥的吸附现象； 4)控制较低的DO水平,促进短程硝化反硝化和同步硝化反硝化过程.； 5)污水只进入厌氧区及缺氧区，避免好氧区消耗碳源，充分利用有限的碳源供聚磷菌及反硝化菌增殖。

谢谢！