废水生物脱氮除磷工艺研究

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摘要:传统的生物脱氮除磷去除效率低，是导致水体的富营养化的主要原因。文中分析了传统生物脱氮除磷工艺的不足，并介绍了反硝化除磷、同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等几种生物脱氮除磷新技术的机理与典型工艺。最后指出经济、高效、低能耗的可持续脱氮除磷工艺是污水处理的发展方向。

关键词:生物处理;脱氮除磷;新工艺

随着经济的快速发展，环境污染问题越来越突出，特别是含氮、磷等植物营养型污染物的超标排放，导致水体富营养化问题日益严重。而常规活性污泥工艺对总氮、总磷的去除率仅在10%～30%之间，远不能达到国家排放标准［1］。因此，研究开发高效、经济的生物脱氮除磷工艺已成为当前水污染控制领域的研究重点和热点。研究表明，生物的脱氮除磷过程出现了一些超出人们传统认识的新发现，如某些异养菌也可以参与硝化作用;某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用。这些现象的发现以及各个不同工艺之间的组合，都为设计处理工艺提供了新的理论和思路。

1传统脱氮除磷工艺

1.1A2/O工艺A2/O工艺是Anaerobic/Anoxic/Oxic的简称，即厌氧/缺氧/好氧生物脱氮除磷工艺。该工艺的特点是工艺简单，能够同步脱氮除磷，总停留时间短，不易膨胀，不需投药，运行费用低。污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，将部分易生物降解的大分子有机物转化为VFA(挥发性脂肪酸)。在缺氧区，反硝化菌利用污水中的有机物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮。在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应。A2/O工艺是较早用来脱氮除磷的方法，但是它的脱氮除磷效果难于进一步提高。工艺流程见图1。1.2phoredox工艺在此工艺中，缺氧池可以保证磷的释放，从而保证在好氧条件下有更强的吸磷能力，提高除磷效果。由于有两极A2/O工艺串联组合，脱磷效果好，则回流污泥中挟带的硝酸盐很少，对除磷效果影响较少，但该工艺流程较复杂。工艺流程见图2［2］。图2phoredox工艺流程Fig.2phoredoxprocess2.3UCT工艺此工艺是对phoredox工艺的改进，将沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，避免回流污泥中的硝酸盐对除磷效果的影响，增加了缺氧池到厌氧池的混合液回流，以弥补厌氧池中污泥的流失，强化除磷效果。工艺流程见图3。上述工艺都是研究者们根据厌氧、缺氧、好氧等池子的排列数量及混合液循环和回流方式的变化开发出的一系列工艺。此外，还有通过对曝气供氧的控制，在空间和时间上形成厌氧与缺氧环境的SBR(序批间歇式活性污泥法)工艺和氧化沟工艺。这些工艺中存在多种问题，制约了工艺的高效性和稳定性。

2传统工艺中存在的问题

［3］2.1微生物的混合培养传统的生物脱氮除磷工艺一般都采用单一污泥悬浮生长系统，在该系统中有多种差别较大的微生物，不同功能的微生物对营养物质和生长条件的要求都有很大的不同，要保证所有的微生物都达到最佳生长条件是不可能的，这就使得系统很难达到高效运行。2.2泥龄问题由于硝化菌的世代期长，为获得良好的硝化效果，必须保证系统有较长的泥龄。而聚磷菌世代期较短，且磷的去除是通过排除剩余污泥实现的，所以为了保证良好的除磷效果，系统必须短泥龄运行。这就使得系统的运行，在脱氮和除磷的泥龄控制上存在矛盾。2.3碳源问题在脱氮除磷系统中，碳源主要消耗在释磷、反硝化和异养菌的正常代谢等方面。其中，释磷和反硝化的反应速率与进水碳源中易降解的部分，尤其是挥发性有机脂肪酸的含量关系很大。一般说来，城市污水中所含的易降解的有机污染物是有限的，所以在生物脱氮除磷系统中，释磷和反硝化之间存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。2.4回流污泥中的硝酸盐问题在整个系统中，聚磷菌、硝化细菌、反硝化细菌及其它多种微生物共同生长，并参与系统的循环运行。常规工艺中，由于厌氧区在前，回流污泥不可避免地将一部分硝酸盐带入该区，一旦聚磷菌与硝酸盐接触，就导致聚磷效果下降。这主要是由于反硝化细菌与聚磷菌对底物形成竞争，其脱氮作用造成碳源无法满足聚磷菌的充分释磷所致。

3生物脱氮除磷新工艺

3.1DEPHANOX工艺DEPHANOX工艺是BortoneG等［4］于1996年提出的一种具有硝化和反硝化除磷双污泥回流系统的技术，是为了满DPB所需的环境要求而开发的一种强化生物除磷工艺。该工艺在厌氧池与缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池，可以避免由于氧化作用而造成有机碳源的损失并稳定系统的硝酸盐浓度。污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段完成反硝化和摄磷［5］。该工艺具有能耗低，污泥产量低且COD消耗量低的特点。但该工艺中磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，当缺氧段硝酸盐不充足时，磷的过量摄取受到限制;反之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［6］。该工艺优点在于不但能解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统的能源(曝气)消耗，而且可缩小曝气区的体积，降低剩余污泥量，尤其适用于处理低COD/TKN(TKN为总凯氏氮)的污水。不过由于进水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，从而给系统的控制带来一定困难。工艺流程见图4。图4DEPHANOX工艺流程Fig.4DEPHANOXprocess3.2A2NSBR工艺A2NSBR反硝化除磷工艺由2个反应器组成:A2/O－SBR反应器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脱氮，N－SBR反应器主要起硝化作用。这2个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交换。在N－SBR反应器中进水COD/TKN比较低的进水和泥龄超长，直接导致污泥浓度和污泥负荷低，从而减小曝气量并得到较好的硝化效果。A2/O－SBR反应器中，好氧区有好氧吸磷和硝化发生，进一步去除水中残余磷和氨氮。此工艺硝化段、反硝化脱氮吸磷段和好氧吸磷段都处于较理想的反应条件下，显示出非常稳定的硝化和脱氮除磷效果。经研究表明，两反应器的结合表现出稳定的脱氮除磷特性，除磷率几乎达到100%，脱氮率稳定在90%左右;同时与传统脱氮除磷工艺相比较COD消耗量减少50%，耗氧量和污泥产量也可分别减少约30%和50%。因此该工艺特别适合处理BOD5/TP值较低的污水［7］。3.3BCFS工艺BCFS工艺是由荷兰Delft大学的Mark教授在氧化沟和UCT工艺基础上开发的，是目前已经投入使用的单污泥系统［8］。工艺由厌氧池、选择池、缺氧池、混合池及好氧池等5个功能相对专一的反应器组成。通过反应器之间的3个循环，来优化各反应器内细菌的生存环境，充分利用反硝化除磷菌的反硝化除磷和脱氮双重作用，来实现磷的完全去除和氮的最佳去除过程。工艺流程见图5。图5BCFS工艺流程Fig.5BCFSprocess5个主要反应器中(1)厌氧池的厌氧条件用以确保污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌释磷时所吸附;(2)选择池(厌氧)的设置一方面为了阻止污泥膨胀，一方面也进一步杜绝流入缺氧区的VFA;(3)缺氧池的设置是通过反硝化以获得不含硝酸盐的污泥，进而提高厌氧池的释磷效率;同时利用好氧池中的硝酸盐来除磷，强化了反硝化除磷菌来达到真正的同步生物除磷脱氮的目的;(4)缺氧/好氧池混合池的主要功能是脱氮，可以曝气也可以缺氧，避免同步硝化反硝化，从而控制污泥膨胀;(5)好氧池与常规处理工艺中功能相同，其主要作用是去除COD及进行氨氮的硝化，如果不能完成硝化，可回流至混合池，这根据进水的情况定。BCFS工艺突出了反硝化除磷在系统中的作用，将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一，其主要特点是:(1)对氮、磷的去除率高;(2)SVI值低(80～120ml/g)且稳定;(3)控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定;(4)与常规污水厂相比，其污泥量减少10%;(5)利用反硝化聚磷菌(DPB)实现生物除磷，使碳源(COD)能被有效地利用，使该工艺在COD/(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态;(6)可回收磷［9］。因此该工艺是一种可持续的污水处理技术。3.4SHARON工艺SHARON工艺是由荷兰Delf工业大学开发的脱氮新工艺［10］，其基本原理是短程硝化反硝化。即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。该工艺核心是应用硝化细菌和亚硝化细菌的不同生长速率，即在操作温度30～35℃下，亚硝化细菌的生长速率明显高于硝化细菌的生长速率，亚硝化细菌的最小停留时间小于硝化细菌这一特性，通过控制系统的水力停留时间使其介于硝化细菌和亚硝化细菌最小停留时间之间，可以将硝化细菌从反应器中淘汰出去，使反应器中亚硝化细菌占据绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝化阶段，同时通过缺氧环境达到反硝化的目的［11］。工艺流程见图6。图6SHARON工艺流程Fig.6SHARONprocess3.5CANON工艺CANON工艺通过控制生物膜内溶解氧的浓度实现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌能同时生长，满足生物膜内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。CANON工艺无需外源有机物质，能够在完全无机的条件下进行。亚硝酸菌需要氧气，而厌氧氨氧化菌对氧气敏感，故CANON工艺必须在低氧环境中实施。CANON工艺目前在世界上还处于研究阶段，没有真正应用到工程实践中。3.6ANAMMOX工艺厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺由荷兰Delft技术大学Kluyve生物技术实验室研究开发［12］。由于SHARON工艺在反硝化过程中需要消耗有机碳源，并且出水亚硝酸盐浓度相对较高，因此以该工艺作为硝化反应器、ANAMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合，可以有效提脱氮效率。将SHARON工艺的出水作ANAMMOX工艺的进水，将氨氮和亚硝酸盐在厌氧条件下转化为N2和水。工艺流程见图7［13］。图7SHARON与ANAMMOX相结合的自养脱氮工艺流程Fig.7SHARONandANAMMOXautotrophicdenitrificationcombinationprocessSHARON－ANAMMOX联合工艺适合处理高浓度氨氮废水而不需外加碳源，与传统工艺相比，耗氧量节约50%，同时减少CO2的排放，污泥产量少，与其他工艺相比对环境造成的污染小，具有良好的应用前景［14］。

4结论

反硝化除磷、同时硝化与反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等生物脱氮除磷技术均是突破传统生物脱氮除磷原理基础上发展起来的新技术，是朝着经济、高效、低耗的可持续方向发展的生物脱氮除磷新技术。研究者们对这些新技术已进行了较为深入的研究。并且，一些新技术都已经运用于实践中。但这些新技术的原理、工艺还不够成熟，其原理、工艺及其影响因素还有待于进一步的研究。

作者:李小虎 单位:江苏环保产业技术研究院股份公司