污水處理廠脫氮除磷工藝的研究進展

污水處理廠脫氮除磷工藝的研究進展

氮和磷是藻類生長的限制因素。廢水中排放的氮和磷導致藻類過度繁殖和水體富營養(yǎng)化。目前水體富營養(yǎng)化問題已成為世界性的環(huán)境問題,新建城市污水處理廠的工藝流程必須具備脫氮除磷功能,才能有效扼制水體的富營養(yǎng)化問題。1998年我國開始實施的二級污水處理廠污水綜合排放標準各項指標如表1,對氮磷含量有了明確要求。我國已建污水處理廠,大部分執(zhí)行二級標準,采用傳統(tǒng)的活性污泥法處理污水。采用二級處理工藝,出水很難達到氨氮、磷酸鹽標準,需采用脫氮除磷工藝,特別是一級標準中磷酸鹽指標為0.5mg/L,要達到這一標準,有相當難度。用于城市污水處理具有一定脫氮除磷效果的污水處理工藝可以分為兩大類:一類為按空間進行分割連續(xù)流活性污泥法,另一類為按時間進行分割的間歇式活性污泥法。按空間分割的連續(xù)流活性污泥法,是指各種功能在不同的空間(不同的池子)內完成。目前較成熟的工藝有AB法、氧化溝法、A2/O法。按時間分割的間歇式活性污泥法,又稱序批式活性污泥法。近幾年來,已發(fā)展成多種改良型,主要有:傳統(tǒng)SBR法、ICEAS法、CAST法、Unitank法和MSBR法。通過多年的設計、運行實踐及改良,A2/O脫氮除磷工藝處理城市污水已表現(xiàn)為技術先進、高效低能、投資省、運行穩(wěn)定、出水水質好的成熟工藝,是一種深度二級處理工藝。1工藝原理、特點和問題1.1第二、關于生物脫氮除磷A2/O(Anaerobic/Anoxic/Oxic)法,即厭氧(A1)——缺氧(A2)——好氧(O)三段式活性污泥法。該工藝是傳統(tǒng)活性污泥工藝、生物硝化及反硝化工藝和生物除磷工藝的綜合。污水在流經(jīng)三個不同功能分區(qū)的過程中,在不同微生物菌群作用下,使污水中的有機物、氮、磷得到去除。其工藝流程見圖1所示。污水首先進入?yún)捬醭嘏c回流污泥混合,在兼性厭氧發(fā)酵細菌的作用下部分易生物降解大分子有機物被轉化為小分子的揮發(fā)性脂肪酸(VFA),聚磷菌吸收這些小分子有機物合成PHB并儲存在細胞內,同時將細胞內聚磷水解成正磷酸鹽,釋放到水中,釋放的能量可供專性好氧的聚磷菌在厭氧的壓抑環(huán)境下維持生存;隨后污水進入缺氧池,反硝化菌利用污水中的有機物和回流混合液中的硝酸鹽進行反硝化,可同時去碳脫氮;當污水進入好氧池時,有機物濃度已很低,聚磷菌主要是靠分解體內儲存的PHB來獲得能量供自身生長繁殖,同時超量吸收水中的溶解性磷以聚磷酸鹽的形式儲存在體內,經(jīng)過沉淀,將含磷高的污泥從水中分離出來,達到除磷的效果。A2/O工藝的可同步脫氮除磷機制由兩部分組成,一是除磷,二是脫氮。A2/O工藝生物脫氮除磷系統(tǒng)的活性污泥中的菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌組成。在好氧段,硝化菌將污水中的氨氮及由有機氮轉化成的氨氮,通過生物硝化作用,轉化成硝酸鹽。在缺氧段,控制DO<0.7mg/L,由于兼氧脫氮菌的作用,利用水中BOD作為氫供給體(有機碳源),反硝化菌將通過內回流帶入的硝酸鹽通過生物反硝化作用,將來自好氧池混合液中的硝酸鹽及亞硝酸鹽還原成氮氣逸入大氣,達到脫氮的目的。在厭氧段,污水中的磷在厭氧狀態(tài)(DO<0.3mg/L),釋放出聚磷菌,并吸收代級脂肪酸等易降解的有機物;在好氧狀況下,聚磷菌超量吸收磷,以剩余污泥的形式將其排出系統(tǒng)。為有效地脫氮除磷,對一般城市污水要求滿足以下指標:COD/TKN為3.5～7.0(完全脫氮COD/TKN>12.5);BOD/TKN為1.5～3.5;COD/TP為30～60;BOD/TP為16～40(一般應>20)。1.2除磷除磷工藝的應用(1)常規(guī)的A2/O工藝呈厭氧(A1)—缺氧(A2)—好氧(O)的布置形式。該布置在理論上基于這樣一種認識,即:聚磷微生物有效釋磷水平的充分與否,對于提高系統(tǒng)的除磷能力具有極其重要的意義,厭氧區(qū)在前可以使聚磷微生物優(yōu)先獲得碳源并得以充分釋磷。(2)本工藝在系統(tǒng)上是最簡單的同步除磷脫氮工藝,總水力停留時間小于同類其它工藝。在厭氧、缺氧和好氧交替運行的條件下可抑制絲狀菌繁殖,克服污泥膨脹,SVI值一般小于100,有利于處理后污水與污泥的分離,運行中在厭氧和缺氧段內只需輕緩攪拌,運行費用低。由于厭氧、缺氧和好氧三個區(qū)嚴格分開,有利于不同微生物菌群的繁殖生長,因此脫氮除磷效果非常好。目前在國內外使用較為廣泛。特別是在好氧池中有機物濃度很低,十分有利于自養(yǎng)型硝化細菌的生長繁殖。具有較好的除磷效果。1.3氧區(qū)和厭氧區(qū)(1)由于存在內循環(huán),常規(guī)工藝系統(tǒng)所排放的剩余污泥中實際上只有一小部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過程,其余則基本上未經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區(qū)進入好氧區(qū),這對于除磷是不利的。(2)由于缺氧區(qū)位于系統(tǒng)中部,反硝化在碳源分配上居于不利地位,因而影響了系統(tǒng)的脫氮效果。(3)由于厭氧區(qū)居前,回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區(qū)產生不利影響,為了避免該影響而開發(fā)的一些新工藝(如UCT等)趨于復雜化。2影響脫氮和除磷效果的因素分析2.1生物除磷工藝A2/O工藝各個階段生物反應過程對溶解氧的需求不盡相同,嚴格控制各反應段的溶解氧濃度,才能達到生物除磷的目的。在厭氧區(qū)必須保證嚴格的厭氧條件,以保證系統(tǒng)內的細菌能吸收有機物并釋放磷,而在好氧段中要供給聚磷菌充足的氧(DO<2mg/L),以維持細菌的好氧呼吸,有效地吸收污水中的磷。2.1.1超量吸磷過程在保證溶解氧(DO>2mg/L)的情況下,聚磷菌超量吸磷的過程是相當迅速的,1h左右就可以基本完成。而在一般的A2/O工藝中,污水在好氧段的停留時間遠遠超過1h,有的在5h以上,超量吸磷的過程早已完成。2.1.2污泥殘留、放磷效率低當污泥進入?yún)捬醭?、回流系統(tǒng)、濃縮池直至脫水的過程中,污泥處于厭氧狀態(tài),而污泥如在二沉池中停留時間過長,也會處于厭氧狀態(tài),此時的聚磷菌處于放磷狀態(tài),此階段的時間控制是非常重要的。因為污水中的磷去除,實際上是通過剩余污泥的排入來實現(xiàn)的。當污泥在脫水之前放置的時間過長時,聚磷菌將放出大量的磷到水中,這樣將達不到除磷的效果;如果污泥在二沉池中的停留時間過長,聚磷菌將放磷到上清液中,影響系統(tǒng)的出水水質。有試驗證實,當處于厭氧狀態(tài)時,聚磷菌在8h內放磷最快,此后速度逐漸減慢,但并未完全停止,這表明了聚磷菌較長時間處于厭氧狀態(tài)下,將逐漸向水中放出一定量的磷,使磷從污泥中轉向水中。結果表明,厭氧池中污水停留時間應在8h以上,同時對二沉池中污泥停留時間和濃縮池中污泥停留時間應嚴格控制,并采取相應的措施。2.2第二,放磷不充分的情況下存在不良反應NO3--N對除磷的影響,主要體現(xiàn)在厭氧狀態(tài)下NO3--N的存在會抑制聚磷菌的放磷,導致聚磷菌放磷不充分。甚至于會使聚磷菌停止放磷。這是因為在厭氧狀態(tài)下水中存在NO3--N,反硝化菌產生反硝化,與聚磷菌競爭易降解的低分子脂肪酸,而反硝化菌的競爭能力遠遠大于聚磷菌。因此在厭氧狀態(tài)下優(yōu)先進行反硝化,從而破壞了磷的釋放。2.3除磷工藝的驗證生物除磷的實質是通過含有聚磷菌的污泥去除實現(xiàn)的,因此剩余污泥量的多少將會影響到A2/O工藝除磷的效果。由于A2/O工藝兼顧脫氮和除磷兩方面的功能,而為使硝化菌能在連續(xù)流的系統(tǒng)中存活并維持一定的數(shù)量,要求系統(tǒng)的污泥齡為硝化菌最小時代期的兩倍以下,為保證一年四季都有充分的硝化反應,污泥齡應大于8h。2.4反硝化回收利用傳統(tǒng)工藝的脫氮能力是依靠回流比來保證的,為了達到較高的總氮去除率,就必須要有較高的污泥及混合液回流比(一般為3～4),這主要基于對反硝化作用的這樣一種認識:只有在缺氧條件下,反硝化作用才可以進行,也就是說只有將盡可能多的硝酸鹽態(tài)氮回流到前置缺氧區(qū),才能夠得到較高的氮去除率。但在生產實際運行中發(fā)現(xiàn),提高回流比不僅大大增加動力消耗和運行成本,而且根據(jù)污水水質的不同,并不一定能夠提高總氮的去除能力。而有些情況下,回流比很低,甚至取消回流,仍能得到較好的反硝化效果。在曝氣池好氧狀態(tài)下,也可進行一定程度的反硝化,這種反硝化作用一部分是通過分解細胞本身為碳源的內源反硝化,另一方面一部分是利用回流污泥在前置端從原水中吸附蓄積的有機碳進行的反硝化,較好地對污水進行脫氮處理。3不同改進措施的應用研究3.1uct法與所法的比較為了解決回流污泥中過多的硝酸鹽對厭氧放磷的影響,產生了UCT工藝,其工藝流程見圖2所示。與A2/O法相比,UCT法的不同之處在于污泥先回流到缺氧池,而不是厭氧池,再將缺氧池部分混合液回流至厭氧池,從而減少了回流污泥中硝酸鹽對厭氧放磷的影響。但是UCT工藝增加了一次回流,多一次提升,運行費用將增加。3.2污泥回流至厭氧池(1)兩點分流回流污泥法。為了解決A2/O法回流污泥中硝酸鹽對厭氧放磷的影響而又不增加提升的次數(shù),可將回流污泥進行兩點分流,大部分污泥回流至缺氧池,少部分污泥回流至厭氧池。這是最簡單而有效的改良工藝。(2)取消混合液回流法。取消混合液回流,將污泥回流系統(tǒng)和內循環(huán)系統(tǒng)合并為一個回流系統(tǒng),有機物和氮的去除效果同傳統(tǒng)型的相當,而在同樣條件下除磷效果較優(yōu)。本工藝中,所有參與回流的污泥都完整地經(jīng)歷了厭氧、好氧過程,聚磷菌釋磷和過量吸磷充分,使其排放的剩余污泥含磷更高。同時,由于沒有混合液回流,也就避免了硝酸鹽氮(NO3--N)對磷釋放的影響,使聚磷菌在絕對厭氧條件下釋磷更加充分,在好氧條件下吸磷更加有效,提高了磷去除率。3.3次壓縮s1/o壓過氧+內部循環(huán)將常規(guī)A2/O工藝系統(tǒng)的厭氧和缺氧環(huán)境倒置,并取消了內循環(huán),在流程上更為簡捷。倒置法可明顯改善系統(tǒng)的脫氮除磷效果。其特點在于缺氧區(qū)位于厭氧區(qū)之前,硝酸鹽在這里消耗殆盡,厭氧區(qū)ORP較低,有利于微生物形成吸磷動力;微生物厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環(huán)境,其在厭氧條件下形成吸磷動力可以得到更充分的利用;缺氧段位于工藝的首端,允許反硝化優(yōu)先獲得碳源,進一步加強系統(tǒng)的脫氮能力。倒置A2/O工藝系統(tǒng)的氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規(guī)A2/O工藝系統(tǒng),其COD去除能力與常規(guī)A2/O工藝相當。由于取消