生物脫氮除磷技術(shù)

1、第18卷第1期20 11年 2月Vo.l 18 No. 1Feb 2011東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)QURNAL OF DONGGUAN UN VERSTY OF TECHNOLOGY生物脫氮除磷技術(shù)邵友元曾君麗馬志波王莘(東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞 523808)摘要：基于生物廢水處理中 的脫氮除磷機(jī)理分析，介紹了幾種典型脫氮除磷工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)，提岀了生 物廢水除磷技術(shù)在實(shí)際 應(yīng)用中有待進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題，展望了生物廢水除磷工藝的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：污水處理;生物脫氮；生物除磷中圖分類號(hào)：TQ022 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009- 0312 (2011) 01- 0078- 0

2、4我國(guó)湖泊和水庫(kù)氮磷污染有日趨加重的趨勢(shì)：水體藻類大量繁殖，且生存期長(zhǎng)、覆蓋面廣、暴發(fā)次數(shù)多。20世紀(jì)80年代初太湖以中營(yíng)養(yǎng)為主，80年代后期為中營(yíng)養(yǎng)中富營(yíng)養(yǎng)，90年代中期大部分已為中富營(yíng)養(yǎng)或富營(yíng)養(yǎng)。目前中富營(yíng)養(yǎng)化面積占75%左右，夏季富營(yíng)養(yǎng)或重度富營(yíng)養(yǎng)占全湖面積10%左右，約20萬(wàn)平方公里的近海海域受到氮磷污染影響，約4萬(wàn)平方公里的海域水質(zhì)已不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖、海上運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)及濱海旅游的要求。1999年共暴發(fā)15起 赤潮，2000年全國(guó)海域共暴發(fā) 28次,累計(jì)面積超過(guò)1萬(wàn)平方公里' 1 O東莞是我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)名城，中外企業(yè)數(shù)萬(wàn)家，流動(dòng)人口一千多萬(wàn)。隨著東莞市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、 現(xiàn)代化制造業(yè)

3、名城的步伐不斷加快和城市魅力的日益顯現(xiàn)，水資源污染和供水缺口增大已成為影響可持續(xù)發(fā)展的深層次矛盾。據(jù)環(huán)保部門調(diào)查，東莞市大部分河流水體水質(zhì)較差，除東江外，市內(nèi)河涌水質(zhì)基本上已劣于 V類；東莞市7個(gè)中型水庫(kù)都受到不同程度的污染，均不符合水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)類要求；東莞市各水源地均受到一定程度的有機(jī)污染。鑒于此 ，在2007年2月，東莞市長(zhǎng)李毓全在省人大 會(huì)議上提出了東莞在環(huán)境整治工作中，將突出治水為先的戰(zhàn)略思路。因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)高效的水處理技術(shù)對(duì)保障東莞社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展顯得尤為迫切。城市污水脫氮除磷是我國(guó)目前污水處理工藝技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。大量的研究結(jié)果已經(jīng)證明，污水中的氮和磷是導(dǎo)致受納水體富營(yíng)養(yǎng)化

4、的主要原因之一。為此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)排放污水中的氮和磷含量都做了限定，并要求污水處理廠達(dá)到除氮除磷的要求，制定嚴(yán)格的氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)，這也使污水脫氮除磷技術(shù)一度成為污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)有的城市污水處理廠長(zhǎng)期以來(lái)主要是針對(duì)碳源污染物的去 除，忽視了對(duì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)鹽氮、磷的去除。城市污水經(jīng)常規(guī)活性污泥法等二級(jí)處理2后，雖然BOD去除率可達(dá) 90%以上，但脫氮率一般僅為 20% 50%,除磷率為20% 30% 。出水總 氮和總磷含量大大超過(guò)了富營(yíng)養(yǎng)化的臨界濃度，所以必須進(jìn)行脫氮除磷處理。擬建的污水廠希望在大量地削減有機(jī)污染物的同時(shí)，去除污水中的營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)，如除磷脫氮等，這也是

5、難度最大、最關(guān)鍵的技 術(shù)。因此，研究和開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷工藝成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵控制 因素是對(duì)磷的排放控制，世界許多國(guó)家的污水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總磷作了更為嚴(yán)格的規(guī)定。目前我國(guó)廣泛采用 的污水脫氮除磷工藝很難達(dá)到如此嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。例如氧化溝工藝、A2 /O工藝，SBR工藝等，這些工藝雖然可有效去除COD NH3 N,但實(shí)際應(yīng)用中去除氮、磷的效率有限，出水總磷難以穩(wěn)定在1 mg/L以下，更不用說(shuō)0 5mg/L湖泊和近海流域磷富營(yíng)養(yǎng)化矛盾十分突出。脫氮除磷機(jī)理3第18卷第1期20 11年 2月Vo.l 18 No. 1Feb 2011第18卷第1期20 11年 2月Vo.l

6、18 No. 1Feb 201111反硝化與反硝化脫氮收稿日期：2010- 11- 29基金項(xiàng)目：東莞市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008108101016)。作者簡(jiǎn)介：邵友元(1964 ),男，湖北黃岡人，教授，博士，主要從事生物廢水處理、生物反應(yīng)器和分離工程研究匕r <_ hina AtwKrnic Journiil tidetronHTPiiDliSnttiL 1. - 1 一th ivscrved.第1期邵友元，等：生物脫氮除磷技術(shù)81生物脫氮技術(shù)，包括硝化和反硝化，是目前最經(jīng)濟(jì)的城市污水脫氮方式。硝化是在有氧的條件下自養(yǎng)菌分為先后兩個(gè)步驟將氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過(guò)程。該過(guò)程由兩組自養(yǎng)菌：亞硝化菌

7、 (Nitrosononas species)和硝化菌(N itrobacteria species)共同完成，兩者在生長(zhǎng)過(guò)程中密切相關(guān)。第一步，亞硝化菌將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，羥胺為中間產(chǎn)物；第二步，硝化菌將亞硝酸鹽一步氧化為硝酸鹽。通常認(rèn)為，硝酸鹽的形成是硝化過(guò)程的一個(gè)限制步驟。硝化反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式如下：硝化反應(yīng)(N itrificati on)N troson °nas-+2NH3+ 302NO + 2H + 2H 2。( 1)N itrobacter2NQ + 022NO3( 2)反硝化是在缺氧條件下異氧菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為分子氮，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：反硝化反應(yīng)(D enitri

8、ficati on)H eterotrophs2NQ + 2H + 10H N2 + 6H2O( 3)此外，在生物脫氮的同時(shí)，污水中的有機(jī)物被異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化為二氧化碳。41 2 PAOs攝磷/釋磷20世紀(jì)80年代中期，Coneau等就發(fā)現(xiàn)聚磷菌 (PAOs)能夠在缺氧環(huán)境中以 N03作為電子受體進(jìn) 行吸磷的現(xiàn)象。1993年，荷蘭Delft科技大學(xué)的Kuba等在試驗(yàn)中亦觀察到：在厭氧/缺氧交替運(yùn)行的 條件下，易富集一類兼有反硝化除磷作用的兼性厭氧微生物，該微生物能利用 02或者N03作為電子受體，且其基于胞內(nèi) PHB和糖原質(zhì)的生物代謝作用與傳統(tǒng) A /0法中的聚磷菌相似。聚磷菌，主要有不動(dòng)桿菌屬、氣

9、單孢菌屬和假單孢菌屬。屬異氧型細(xì)菌的聚合磷酸鹽累積微4生物的攝磷釋磷原理已得到公認(rèn)，即：生物除磷分為兩個(gè)階段：第一階段為厭氧釋磷，即產(chǎn)酸菌在厭氧或 缺氧條件下，分解廢水中的大分子有機(jī)物為乙酸等低分子脂肪酸(VFA)或短鏈脂肪酸(SCFA)等，聚磷菌則在厭氧條件下，分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽和糖原等產(chǎn)生ATP，利用ATP吸收產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的基質(zhì)，合成聚2羥基丁酸鹽 (FHB )，同時(shí)釋放無(wú)機(jī)磷 P04;第二階段為好氧攝磷，即在好氧條件下，聚磷菌氧化FHB,除產(chǎn)生能量用于自身生長(zhǎng)合成外，還把體外的 F04運(yùn)輸?shù)襟w內(nèi)合成 ATF和核酸，過(guò)剩的最后高磷污泥通過(guò)剩余污泥的方式排去從而達(dá)到除磷的目的。PO被聚合成多

10、聚磷酸鹽儲(chǔ)存在體內(nèi) 其原理如圖1所示5。圖1生物除磷機(jī)理圖66- 8 1 3生物脫氮除磷技術(shù)與工藝污水生物除磷技術(shù)源于20世紀(jì)60年代基礎(chǔ)性研究、生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究以及工程運(yùn)行實(shí)踐物脫氮除磷技術(shù)由于具有同時(shí)脫除碳、氮、磷Sr in ah等人在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中觀察到超量吸磷現(xiàn)象，通過(guò)，生物除磷技術(shù)在理論和實(shí)踐上都取得了重大突破。生，且處理成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。各國(guó)學(xué)者根據(jù)厭 ，開(kāi)發(fā)出了一系列生:A2 /0 系列、SBR氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、數(shù)量增減以及混合液循環(huán)和回流方式的變化物脫氮除磷工藝和技術(shù)。目前比較成熟的生物同時(shí)脫氮除磷工藝分為以下幾種系列系列和氧化溝系列等。世界上現(xiàn)行應(yīng)用廣

11、泛的脫氮除磷工藝均包含著空間或時(shí)間上厭氧、缺氧、好氧三nkiLnel種狀態(tài)的交替，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化三種狀態(tài)的組合方式及其數(shù)量的時(shí)空分布以及回流方式、位置而達(dá)到脫 氮除磷的目的。9幾種典型的脫氮除磷工藝：1）生物除磷：A Io, A2/oBardenpho UCT、Phoredox AP 等除磷工藝。2）生物脫氮：A /o A2/oBardenpho UCT、Phoredox 改進(jìn)的 AB、TETRA深床脫氮、SBR 氧化溝等脫氮工藝。這些工藝的基本特點(diǎn)如表1。表1幾種典型的脫氮除磷工藝A /o工藝A2 /o工藝BardenphoUCT工藝PhoredoxAP工藝TETRA深床脫氮2000氧化溝工

12、藝主要特點(diǎn)備注TP除去率 76%, TN除去率 75%,出水含磷難于達(dá)標(biāo)。TP除去率80%, TN除去率 61% ,產(chǎn)生污泥釋磷現(xiàn)象。TP除去率 95% 97% , TN除去率 90% 95%,工藝復(fù)雜，成本高，運(yùn)行繁瑣。是A2/o工藝改進(jìn)工藝，運(yùn)行成本高于 A2 /o工藝。TP除去率 70% 80% , TN除去率 82% 97%,污泥含磷量高，產(chǎn)生二次污染。 是A /o工藝改進(jìn)工藝，運(yùn)行成本高于 A /o工藝。TP未檢出，TN除去率 90%,運(yùn)行繁瑣，水溫要求嚴(yán)格。SBR工藝：TP除去率65%, TN除去率 55% ,要求自動(dòng)化程度高。TP除去率60% 80% , TN除去率80%,脫氮除

13、磷有待進(jìn)一步研究。我國(guó)污水處理廠設(shè)計(jì)采用的脫氮除磷工藝主要有 5大類：A/o工藝、A2 /o工藝、改進(jìn) A2 /o工藝、氧化溝工藝、SBR及其改進(jìn)工藝。綜上所述,這些脫氮除磷工藝均來(lái)源于傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)，一方面滿足傳統(tǒng)污水處理工藝去除有機(jī)物、懸浮物的要求；另一方面也部分實(shí)現(xiàn)了除磷脫氮要求。污水同時(shí)生物脫氮除磷技術(shù)已大量應(yīng)用到 生產(chǎn)實(shí)踐中，雖然取得了一定的效果，但仍有一些問(wèn)題急待解決，技術(shù)上應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)脫氮除磷機(jī)理和生 物過(guò)程控制的深入研究，開(kāi)發(fā)出高效、經(jīng)濟(jì)的脫氮除磷生物處理技術(shù)。2生物脫氮除磷工藝有待進(jìn)一步研究的技術(shù)問(wèn)題經(jīng)濟(jì)、高效脫氮除磷技術(shù)勢(shì)必成為未來(lái)生活污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。無(wú)論是

14、單獨(dú)的生物脫 氮技術(shù)、生物除磷技術(shù)，還是同時(shí)生物脫氮除磷技術(shù)，探索簡(jiǎn)便、節(jié)能、高效、技術(shù)成熟的生物脫氮除 磷技術(shù)是目前當(dāng)務(wù)之急，為今后從源頭解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，提供必要而有效的技術(shù)保障。當(dāng)今世界，污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷收緊是目前世界各國(guó)的普遍發(fā)展趨勢(shì)，以控制富營(yíng)養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除已成為世界各國(guó)主要的奮斗目標(biāo)。我國(guó)對(duì)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。隨著近代生物學(xué)的發(fā)展以及人們對(duì)生物技術(shù)的掌握，除磷脫氮技術(shù)由以單純的工藝改革向著以生物學(xué)特性研究、促進(jìn)工藝改革的方向發(fā)展，以達(dá)到高效低耗。開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的脫氮除磷生物處理技術(shù)，還有許多工作要做，而且如下三

15、個(gè)方面的研究更為迫切。1）除磷機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究。生物除磷主要由聚磷菌在厭氧條件下釋放磷,有氧條件下攝取磷，通過(guò)排除富磷污泥達(dá)到除磷目的。生物除磷技術(shù)必須具備兩個(gè)基本特征：為聚磷菌有效釋磷創(chuàng)造真正的厭氧環(huán)境；使聚磷菌在與其它微生物競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有效除磷。生物除磷技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到工程實(shí)踐，并在實(shí)踐中積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)除磷機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究，因此加強(qiáng)對(duì)生物除磷機(jī)理和聚磷菌生物特性研究是今后生物除磷技術(shù)發(fā)展方向之一。2）生物過(guò)程控制的有待進(jìn)一步深入研究。常規(guī)生物脫氮除磷工藝流程存在著影響該工藝有效運(yùn)行的相互影響和制約的因素，主要表現(xiàn)為：a）微生物的混合培養(yǎng)問(wèn)題。傳統(tǒng)生物

16、同步脫氮除磷工藝中聚 磷菌、反硝化菌、硝化菌等共存于同一活性污泥系統(tǒng)中，然而這些生物菌群繁殖生存所需的氧化還原條件不同，對(duì)污泥齡的要求也不同，如硝化菌與聚磷菌間的矛盾；b）活性污泥的沉降性能和污泥膨脹、低溶解氧下同步硝化與反硝化等問(wèn)題 ；c）提高除磷效率往往伴隨著脫氮率的下降。此外，不同生物菌群之間對(duì)碳源的爭(zhēng)奪，生物反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互抑制都使得脫氮除磷過(guò)程相互干擾，最終導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮除磷總體效率不咼。3）節(jié)省空氣量和電耗。經(jīng)濟(jì)、高效供氧技術(shù)有待進(jìn)一步深入研究在城市污水二級(jí)生物處理系統(tǒng)中,生物處理單元的電耗約占總電耗的70% ,氧利用率低,一般利用率為15 18%。工藝能耗的高低是污水處理能耗的關(guān)

17、鍵性因素。采用微泡或無(wú)泡的納米供氧技術(shù)是未來(lái)的重要發(fā)展方向。迄今為止，人們關(guān)于脫氮除磷工藝中存在的矛盾關(guān)系的認(rèn)識(shí)還不夠深入。每種工藝都有各自的特點(diǎn)和適用條件。一些 新工藝的提出雖然通常在某一局部能夠解決問(wèn)題，但是，當(dāng)從系統(tǒng)的全面的角度予以考察時(shí)，新工藝又往往帶來(lái)了新的缺陷。所以說(shuō)生物脫氮除磷技術(shù)還存在許多尚待研究的領(lǐng)域，進(jìn)一步挖掘生物脫氮除磷的潛力是必要的。3未來(lái)生物脫氮除磷新工藝設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)思路通過(guò)比較和分析了目前一些典型脫氮除磷工藝，看到了現(xiàn)有工藝存在的不足?；谏锩摰讬C(jī)理，研究和開(kāi)發(fā)一種新的高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷工藝，勢(shì)在必行。在新的工藝中要重點(diǎn)解決工藝中的泥齡矛盾、炭源競(jìng)爭(zhēng)矛盾、

18、空間和時(shí)間順序上的矛盾、硝化和反硝化與有機(jī)物降解之間存在矛盾等關(guān) 鍵技術(shù)問(wèn)題。這些問(wèn)題的深入研究，可望提高系統(tǒng)的脫氮和除磷效率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效脫氮除磷的目的。新工藝設(shè)想的總體思路：同時(shí)達(dá)到脫氮和除磷的目的，使各種微生物在各自的最佳環(huán)境條件下生長(zhǎng)，充分發(fā)揮各種微生物的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更好的脫氮和除磷。新工藝應(yīng)具有的特點(diǎn)：1)除碳為主的除碳脫氮與除磷為主的脫氮除磷在兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)中，解決生物同時(shí)脫氮除磷對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)矛盾；2)聚磷菌和反硝化細(xì)菌同處于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)中，而硝化細(xì)菌則在另一個(gè)污泥系統(tǒng)中，解決同時(shí)脫氮除磷時(shí)泥齡不同的矛盾。高效、低能耗生物脫氮除磷新工藝是我國(guó)未來(lái)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。開(kāi)發(fā)出高

19、效、低能耗生物廢水處理新工藝就必須重點(diǎn)突破二個(gè)方面的瓶頸：一是除磷機(jī)理的揭示；二是生活污水經(jīng)濟(jì)、高效的脫氮除磷新工藝、新技術(shù)，包括提高氧的利用率。參考文獻(xiàn)1 劉俊新，夏世斌，鄭祥.經(jīng)濟(jì)高效的污水生物脫氮除磷新技術(shù)研究J.世界科技研究與發(fā)展，2003 25(2): 37- 41.2 薛艷，黃勇，潘楊.廢水生物脫氮除磷工藝的進(jìn)展與評(píng)述J.工業(yè)用水與廢水，2006, 37( 3): 11- 153 李輝，呂斌，朱艷梅.反硝化除磷機(jī)理及其工藝影晌因素研究進(jìn)展J.能源與環(huán)境，2009, 57(5): 54- 564 召B友元，姚創(chuàng)，汪義勇，等.生物廢水處理中除磷機(jī)理及工藝分析J.化學(xué)與生物工程，2007

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