污水生物脫氮除磷工藝研究

污水生物脫氮除磷工藝研究

長期以來，未處理過的氮、磷等養(yǎng)分的處理已經(jīng)忽視。大量未處理或未完全處理的氮、磷廢水外排，嚴重影響了地表水的質(zhì)量，使水體富營養(yǎng)化。因此，城市對廢水的去除和磷要求越緊迫。一直以來生物法是人們普遍采用的脫氮除磷技術(shù),多年的實際運用過程中,傳統(tǒng)的生物法技術(shù)也得到很好的完善,出現(xiàn)了一系列的在脫氮、除磷及除磷脫氮方面有獨特效果的處理技術(shù)和工藝,如:A2/O、VIP等。本文介紹了近年來在同時硝化反硝化技術(shù)、短程硝化反硝化技術(shù)、反硝化除磷技術(shù)等方面的研究進展,評述了MSBR工藝、UCT工藝、BCFS工藝等幾種國內(nèi)外新工藝。認為生物脫氮除磷技術(shù)的繼續(xù)優(yōu)化和完善符合我國的實際情況,是一個發(fā)展方向。工藝簡單、效率高、能耗低的組合新工藝將是脫氮除磷工藝的發(fā)展趨勢。1廢水生物去除氮和磷的機理1.1反硝化菌及其抗氧化酶系統(tǒng)生物脫氮是通過硝化和反硝兩個過程實現(xiàn)的。硝化作用通常被定義為由氨到硝酸的生物氧化過程,硝化是化能自養(yǎng)過程,一般分為兩步進行,第一步由亞硝酸細菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽(NO-2),這一過程稱為氨化作用,這是有機氮轉(zhuǎn)化為氨的生物轉(zhuǎn)化形式,是礦化有機氮的第一步。第二步由硝酸細菌進一步將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽(NO-3)。這兩類細菌統(tǒng)稱為硝化細菌,它們利用無機碳化物加CO2?332-、HCO-3和CO2作為碳源,從NH3、NH+4或NO-2的氧化反應中獲得能量。反硝化是異養(yǎng)型兼性厭氧菌,在缺氧的條件下,以硝酸鹽氮為電子受體,以有機物為電子供體進行厭氧呼吸,將硝酸鹽氮還原為N2或N2O,同時降解有機物。其反應過程可以表達為:NO-3+4H(電子供體)→1/2N2+H2O+OH-NO-2+3H(電子供體)→1/2N2+H2O+OH-不過最近人們也發(fā)現(xiàn),在反硝化過程中還存在同時反硝化反應,即NO-2、NO3轉(zhuǎn)化為NH3-N以合成細胞物質(zhì)的反應,但是反硝化細菌通過同化反硝化反應使氮轉(zhuǎn)化為細菌氮化物所去除的氮相對較少,而且對其機理的研究也才剛剛開始。1.2攝磷釋磷微生物目前普遍認可的生物除磷理論是“聚合磷酸鹽(Poly-P)累積微生物”-PAO(Poly-phosphateAccumulatingOrganisms)的攝磷釋磷原理。該類微生物均屬異養(yǎng)型細菌,現(xiàn)已報道的種類包括:不動桿菌屬、腸桿菌屬、著色菌屬、脫氮微球菌屬等。在厭氧條件下,聚磷菌消耗糖元,將胞內(nèi)的聚磷(Poly-P)水解為正磷酸鹽釋放到胞外,并從中獲得能量,同時將環(huán)境中的有機碳源(揮發(fā)性脂肪酸VAF)以胞內(nèi)碳源存貯物(主要為PHB聚-β-羥基丁酸)的形式貯存。在好氧條件下,聚磷菌以O(shè)2為電子受體,演化胞內(nèi)貯存的PHB及利用產(chǎn)生的能量過量地從環(huán)境中攝磷,以聚磷酸高能鍵的形式存貯。通過排放高磷剩余污泥實現(xiàn)去除磷的目的。2a/o工藝及barna工藝特點從生物脫氮除磷的機理分析來看,生物脫氮除磷工藝基本上包括厭氧、缺氧、好氧三種狀態(tài)。最初的脫氮和除磷是在不同的生物處理工藝中實現(xiàn)的,而脫氮除磷組合工藝也是前人在不斷深入研究脫氮工藝中意外發(fā)現(xiàn)的。1932年Wuhrman利用內(nèi)源反硝化機理開發(fā)了后置反硝化工藝,這為以后的脫氮除磷工藝的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀60年代,Luclzack和Ettinger首次提出前置的反硝化工藝,20世紀70年代,Barnard在Luclzack和Ettinger的基礎(chǔ)上提出了改進型工藝,即A/O工藝。在進一步研究中發(fā)現(xiàn)當前置反硝化池內(nèi)存在厭氧區(qū)時,系統(tǒng)兼有明顯的除磷功能,于是Barnard又提出了能同時實現(xiàn)脫氮除磷的Phoredox(即五段Bardenpho)工藝。在該工藝基礎(chǔ)上取消第二級缺氧、好氧池,形成了目前城市污水處理廠運用普遍的A2/O工藝。此后,脫氮除磷被統(tǒng)一在一個系統(tǒng)中,簡化了污水處理的操作,同時也提高了處理效率。近年來隨著對污水脫氮除磷機理的研究不斷深入,以及對現(xiàn)有工藝運行經(jīng)驗的總結(jié),人們找到了一系列的措施和方法對現(xiàn)有系統(tǒng)的不足加以改進,并且開發(fā)出了一些新型的脫氮除磷工藝。如改良A2/O工藝、改良UCT工藝、VIP工藝、MSBR工藝、新型氧化溝技術(shù)、BCFS工藝等。2.1ut-ut工藝UCT(Universityofcapetown)工藝是南非開普頓大學開發(fā)的一種類似A2/O工藝的脫氮除磷工藝。不同之處在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是直接回流到厭氧池,在缺氧池中反硝化作用大大降低了混合液中的硝酸鹽濃度,從而降低了由缺氧段回流到厭氧段污泥中的硝酸鹽含量,減少了對系統(tǒng)除磷效果的影響。實際運行發(fā)現(xiàn),當進水TKN/COD較高時,缺氧區(qū)無法實現(xiàn)完全的脫氮,仍有部分硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)。因此,提出了改良的UCT工藝(MUCT),如圖1所示,改良后的工藝將缺氧段分為兩大部分,前一部分接受二沉池回流污泥,后一個接受好氧區(qū)硝化混合液,進一步減少了硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)的可能。國內(nèi)深圳市南山污水處理廠在設(shè)計上采用了這一工藝。VIP工藝是UCT工藝的另一種改進型,其厭氧、缺氧和好氧三個反應器都是由多個完全混合反應器串聯(lián)組成的,形成了有機物的梯度分布,從而提高了厭氧池釋磷和好氧池攝磷的速度,且反應器總?cè)莘e小于UCT工藝。2.2ssbr系統(tǒng)MSBR工藝實質(zhì)上是SBR和A2/O工藝的組合,如圖2所示,它是在序批式反應器的啟發(fā)下,由CQYang等人結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)研究開發(fā)的。MSBR是一種介于連續(xù)流和序批式反應之間的工藝模型。污水和脫氮后的活性污泥一并進入?yún)捬鯀^(qū),泥水混合液交替進入缺氧區(qū)、好氧區(qū)和SBR池,出水由空氣堰排出。厭氧區(qū)有機物充足,硝酸鹽含量低,這為聚磷菌的釋磷提供了良好的環(huán)境。目前MSBR系統(tǒng)主要在北美和南美應用,國內(nèi)的同濟大學也正在作進一步的研究?；赟BR基礎(chǔ)上開發(fā)的其它工藝還有CAST(內(nèi)循環(huán)活性污泥法)和TCBS(連續(xù)流SBR法)工藝。其中CAST工藝在主反應區(qū)(SBR池)前設(shè)置了生物選擇器,能有效抑制絲狀菌的繁殖,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,處理出水TKN<5mg/L,除磷效果70%～80%。2.3反應池及內(nèi)循環(huán)qb基于反硝化除磷理論,為了最大程度地創(chuàng)造DPB(兼性反硝化細菌)的富集條件,荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(TUDelft)Kluyver生物技術(shù)實驗室開發(fā)出了一種變型的UCT工藝-BCFS。從圖3可知,從流程上看BCFS工藝在主流線上較UCT工藝增加了2個反應池,第一個增加的反應池介于UCT工藝的厭氧與缺氧池之間,回流污泥與來自厭氧池的混合液充分混合,吸附剩余COD,抑制絲狀菌生長。第二個反應池是混合池,介于UCT工藝缺氧池與好氧池之間,目的是形成低氧環(huán)境以獲得同時硝化與反硝化,從而保證出水含有較低的總氮濃度。在混合液內(nèi)循環(huán)方面,BCFS工藝增加了2個內(nèi)循環(huán)QB和QC,QB起到輔助回流污泥,向缺氧池補充硝酸氮的作用,而內(nèi)循環(huán)QC的設(shè)置能在好氧池與混合池間建立循環(huán),增加硝化或同時硝化與反硝化的機會,為獲得良好的出水氮濃度創(chuàng)造條件。BCFS工藝突出了反硝化除磷在系統(tǒng)中的作用,將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一,使得整個工藝節(jié)省了大量的能源和資源,因此BCFS工藝也被譽為可持續(xù)的污水處理技術(shù)。3脫氮除磷技術(shù)的生物學意義現(xiàn)有的生物脫氮除磷組合工藝主要是建立在傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論基礎(chǔ)上的,這使得現(xiàn)有的一些工藝在運行中存在著明顯的不足。首先性質(zhì)差異較大的微生物同在一個系統(tǒng)中相互影響,制約了工藝的高效性和穩(wěn)定性。另一方面,現(xiàn)有工藝中普遍增設(shè)了多重污泥和混合液回流系統(tǒng),增加了系統(tǒng)的動力開支和運行的復雜性。隨著近代生物學的發(fā)展以及人們對生物技術(shù)的掌握,脫氮除磷技術(shù)正向著生物學方向發(fā)展,促進工藝改革。近年來為突破傳統(tǒng)脫氮除磷理論的束縛,實現(xiàn)高效脫氮除磷的目的,國內(nèi)外學者展開了廣泛的研究,目前研究主要集中在同時硝化反硝化技術(shù)、短程硝化反硝化技術(shù)、反硝化除磷技術(shù)和厭氧氨氧化技術(shù)領(lǐng)域。3.1好氧生物處理系統(tǒng)近幾年許多研究都發(fā)現(xiàn)了硝化反硝化同時存在的現(xiàn)象,尤其是有氧條件下的反硝化,確實存在于不同的生物處理系統(tǒng)中。如氧化溝、SBR工藝、間歇曝氣反應器工藝。研究者就此進行了大量的研究,認為系統(tǒng)中微環(huán)境的存在是其最主要的原因。另外,從微生物發(fā)展的角度來看,存在目前尚未被認識的微生物菌種(如好氧條件下的反硝化細菌)使硝化反硝化能同時發(fā)生。對于這一機理尚未形成統(tǒng)一的認識,研究也還處于探索階段。3.2氮-亞硝酸鹽-氮氣傳統(tǒng)的硝化-反硝化原理是:氨氮在亞硝化菌的作用下氧化成NO-2,然后被硝化菌進一步氧化成NO-3,最后通過異養(yǎng)反硝化菌的作用將NO-3還原成N2。但許多實驗證明可以按照氨氮-亞硝酸鹽-氮氣的過程實現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮,即將氨氮氧化控制在亞硝化階段,然后進行反硝化。這一過程減少了硝化中的產(chǎn)酸量,從而減少了堿的投加量;節(jié)省了氧耗和動力消耗。荷蘭Relft技術(shù)大學就應用該技術(shù)開發(fā)出了SHARON工藝,并且已荷蘭鹿特丹的Dokhaven廢水處理廠建成投入運行。短程硝化反硝化技術(shù)縮短了脫氮反應的歷時,節(jié)省了大量開支,所以在這一領(lǐng)域的研究進展也成為脫氮技術(shù)的一個亮點。但有必要指出的是,經(jīng)過亞硝酸型生物脫氮工藝處理后的出水,可能含有較高的亞硝酸鹽,所以工藝實際運行時必須進行嚴格的監(jiān)控。3.3dephnox工藝研究發(fā)現(xiàn),一種兼性厭氧反硝化除磷菌(DPB)可以在缺氧條件下利用硝酸鹽作為電子受體,氧化胞內(nèi)貯存的PHA,并從環(huán)境中攝磷實現(xiàn)同時硝化和過度攝磷。目前針對這類細菌的研究仍在繼續(xù),而人們利用這一現(xiàn)象開發(fā)的Dephanox工藝,有效解決了除磷系統(tǒng)反硝化碳源不足的問題,并且降低了系統(tǒng)的能源消耗。但由于進水中的氮和磷的比例常常波動較大,很難恰好滿足缺氧攝磷要求的氮磷比,所以這一技術(shù)運用于實踐時,將給系統(tǒng)控制帶來較大困難。3.4厭氧氨氧化工藝厭氧氨氧化技術(shù)主要是指在厭氧狀態(tài)下,以NO-2、NO-3作為電子受體,將氨轉(zhuǎn)化為氮氣。利用這一技術(shù)開發(fā)的工藝主要是荷蘭Delft技術(shù)大學開發(fā)的厭氧氨氧化工藝,但近來Jettern等人將厭氧氨氧化工藝與SHARON工藝結(jié)合,對污泥硝化出水進行處理,研究結(jié)果表明氨氮的去除率達到83%,氧的需要量僅為17kgO2/kgN,而且?guī)缀醪恍枰饧犹荚?。這一技術(shù)及其相關(guān)工藝的出現(xiàn)從一定程度上解決了傳統(tǒng)硝化反硝化工藝存在的問題,但該技術(shù)的研究還處于開始階段,要真正應用于實踐仍需作進一步的研究。4新型脫氮除磷工藝我國對生物脫氮除磷技術(shù)的研究起步較晚,投入的資金也十分有限,研究水平仍處于發(fā)展階段。目前在