污水除磷工藝研究進(jìn)展

污水除磷工藝研究進(jìn)展

1工藝措施的應(yīng)用中國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重。近年來(lái)，紅色潮和水花事件給我們帶來(lái)了警鐘。眾所周知,發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化主要原因是水中的氮和磷元素超標(biāo),所以加強(qiáng)對(duì)污水的深度處理已迫在眉睫。A2O同步脫氮除磷工藝及其變型工藝,能有效地同步去除水中的磷和氮,因而應(yīng)用越來(lái)越廣泛,與此同時(shí)針對(duì)不同水質(zhì)、處理目的不同的變型工藝也不斷問(wèn)世,如Bardebpho工藝、phoredox工藝、UCT工藝、VIP工藝等。傳統(tǒng)的生物脫氮過(guò)程包括有機(jī)氮氨化、硝化、反硝化3個(gè)階段。除磷包括釋磷和聚磷2個(gè)階段。2生物脫氮和除磷的原理2.1有機(jī)氮的變化氨化作用(ammonification)是有機(jī)氮在微生物的分解作用下釋放出氨的過(guò)程。污水中的有機(jī)氮主要以蛋白質(zhì)和氨基酸的形式存在,蛋白質(zhì)在蛋白酶的作用下水解為多肽與二肽,然后由肽酶進(jìn)一步水解生成氨基酸,氨基酸在脫氨基酶作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。氨化細(xì)菌種類很多,而且絕大多數(shù)為異養(yǎng)型細(xì)菌,呼吸類型有好氧、兼性也有厭氧。氨化過(guò)程速度很快,所以在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需采取特殊措施。2.2細(xì)菌、硝化菌和亞硝酸菌硝化(nitrification)反應(yīng)是在有氧條件下微生物將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過(guò)程。硝化過(guò)程包括兩個(gè)基本反應(yīng)步驟:首先是亞硝化細(xì)菌(Nitrosomonas)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸(NO2-),然后由硝化細(xì)菌(Nitrobacter)將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝酸(NO3-)。亞硝化菌和硝化菌大都是自養(yǎng)菌,它們利用CO2,CO32-和HCO3-等作為碳源,通過(guò)NH3,NH4+或NO2的氧化而獲得能量。其反應(yīng)過(guò)程為:亞硝化反應(yīng):2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+硝化反應(yīng):NO2-+0.5O2→NO3-2.3反硝化過(guò)程中no2-和no3-的變化反硝化(denitrification)過(guò)程是硝酸鹽被一類反硝化細(xì)菌通過(guò)生物異化作用還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。反硝化菌是兼性菌,能夠利用氧或硝酸鹽作為最終電子受體。當(dāng)氧受限制時(shí),反硝化細(xì)菌以硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N5+和N3+作為能量代謝中的電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸。反硝化過(guò)程中NO2-和NO3-的轉(zhuǎn)化是通過(guò)反硝化菌的同化作用(合成代謝)和異化作用(分解代謝)來(lái)完成的。同化作用是NO2-和NO3-被還原成NH3-N,用以合成新細(xì)胞,氮成為細(xì)胞質(zhì)的成分,約占細(xì)胞干重的12.5%。異化作用是NO2-和NO3-被還原成NO,N2O和N2過(guò)程。異化作用去除的氮約占總?cè)コ康?0%~75%。NO3-+5H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+OH-當(dāng)污水中BOD5/TKN>4時(shí)可認(rèn)為碳源充足,否則反硝化過(guò)程不徹底,因此需要補(bǔ)加碳源。2.4厭氧釋磷法生物釋磷是一類聚磷菌(Poly-phosohateAccumulatingOrganisms,PAO)在厭氧條件下分解貯存在其體內(nèi)的聚磷酸鹽,同時(shí)利用分解過(guò)程中產(chǎn)生的ATP將污水中低分子有機(jī)物(主要是揮發(fā)性脂肪酸,VFA)攝入細(xì)胞內(nèi),以聚-β-羥基丁酸鹽(PHB)、聚-β-羥基戊酸鹽(PHV)及糖原等有機(jī)顆粒的形式貯存,把分解聚磷酸鹽過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)機(jī)磷酸鹽釋出體外,這個(gè)過(guò)程稱為厭氧釋磷。釋磷階段所需能量來(lái)源于聚磷酸鹽的水解及細(xì)胞內(nèi)糖的發(fā)酵。2.5好氧吸磷法在好氧條件下,聚磷菌又可利用氧化分解體內(nèi)的PHB釋放的能量來(lái)超量攝取污水中的磷,并重新以聚合磷酸鹽的形式貯存于細(xì)胞內(nèi),并利用所釋放的部分能量合成自身細(xì)胞,這個(gè)過(guò)程稱好氧吸磷。在好氧階段,活性污泥迅速增殖,所以通過(guò)不斷把超量吸收磷的剩余污泥從處理系統(tǒng)中排出的方法達(dá)到除磷的目的。通常污水中BOD5/TP>17以上時(shí),具有良好的除磷效果。3脫氮與去除磷的矛盾3.1硝化過(guò)程需要在夏季拉緊硝化菌大多屬于自養(yǎng)菌,世代周期較長(zhǎng),需要較長(zhǎng)的泥齡,夏季至少在5d以上,在冬季甚至達(dá)到30d,因而硝化過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間;而聚磷菌屬于異養(yǎng)菌,世代周期較短,一般在3d左右。3.2反硝化過(guò)程中生成nxo-由于反硝化細(xì)菌和聚磷菌都是異養(yǎng)菌,在生長(zhǎng)過(guò)程中都需要有機(jī)物作為碳源,但在碳源的競(jìng)爭(zhēng)中反硝化菌明顯優(yōu)于聚磷菌,在缺氧條件下一旦水中含有NxO-,反硝化過(guò)程很容易占有優(yōu)勢(shì)而會(huì)影響聚磷菌的釋磷,即無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)到足夠的碳源合成PHB,最終無(wú)法在好氧階段完成大量聚磷。解決上述矛盾的主要方法是使硝化、反硝化、釋磷和聚磷過(guò)程分別在不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,各自滿足不同生物的生存條件。42ao及其變形技術(shù)的特點(diǎn)4.1s1o-bo工藝A2O工藝見(jiàn)圖1。A2O工藝把厭氧、缺氧和好氧3個(gè)區(qū)嚴(yán)格分開(kāi),目的是為種屬不同的脫氮和除磷菌創(chuàng)造各自適宜生長(zhǎng)和繁殖的條件。此外,A2O工藝的厭氧、缺氧、好氧交替運(yùn)行還能有效抑制絲狀菌的繁殖,避免污泥膨脹問(wèn)題。盡管A2O工藝有較好的脫氮除磷功能,但也存在工藝上的弊端:活性污泥直接回流進(jìn)厭氧池,其中夾帶的大量硝態(tài)氮會(huì)破壞厭氧池內(nèi)的厭氧狀態(tài),從而影響系統(tǒng)的除磷效果;混合液回流量增加使系統(tǒng)運(yùn)行能耗及運(yùn)行成本增加。另外,隨著回流量增大,污泥負(fù)荷下降,結(jié)果混合液污泥中的含磷量隨之下降而不利于生物除磷,因?yàn)樯锍仔枰呶勰嘭?fù)荷,生物脫氮?jiǎng)t需要低污泥負(fù)荷,所以在A2O工藝中要使脫氮和除磷二者同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)是困難的,一般是以生物脫氮為主,生物除磷為輔。4.2ph帶型預(yù)處理Bardebpho工藝見(jiàn)圖2。其特點(diǎn)是在AO脫氮工藝的基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)缺氧段和一個(gè)好氧段,理論上脫氮率能達(dá)100%,實(shí)際上脫氮效率通常在90%~95%。Bardebpho工藝缺點(diǎn)是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的脫氮和除磷,往往脫氮效果好于除磷效果,為保證很高的脫氮效率要在二級(jí)缺氧池中投加碳源;工藝流程長(zhǎng)、反應(yīng)池多、處理成本較高。phoredox工藝見(jiàn)圖3。如前所述,4段Bardebpho工藝雖然有較高的脫氮效率,但除磷效果差,為此phoredox工藝以Bardebpho工藝為基礎(chǔ),在第一缺氧池前增加一個(gè)厭氧段,有效地克服了Bardebpho工藝無(wú)厭氧段而釋磷不充分的缺點(diǎn)。phoredox工藝在除磷效率上優(yōu)于Bardebpho工藝,但要求進(jìn)水BOD/TKN最小值從7.1提高到9.1,此外還存在磷的再次釋放,工藝流程比Bardebpho工藝更復(fù)雜,運(yùn)行成本更高等問(wèn)題。4.3優(yōu)化污泥回流方式UCT(UniversityofCapeTownProcess)工藝見(jiàn)圖4,是典型A2O工藝的改進(jìn)型。針對(duì)A2O工藝將活性污泥直接回流至厭氧池而對(duì)生物除磷產(chǎn)生干擾和要求厭氧池容積變大的問(wèn)題,UCT工藝是把活性污泥回流至缺氧池的前端,先在缺氧條件下充分去除回流活性污泥混合液中的硝酸鹽,然后將活性污泥回流至厭氧池,這種布局大大的降低了厭氧池中硝酸鹽的濃度,從而有利于提高釋磷效率。雖然UCT工藝能夠較好地解決溶解氧及硝酸鹽對(duì)厭氧池釋磷的負(fù)面影響,但仍然缺乏運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性,控制過(guò)程復(fù)雜,多次回流使運(yùn)行費(fèi)用增加。深圳市坂雪崗污水處理廠采用UCT工藝,取得了較為理想的處理效果,出水氨氮2~5mg/L,總磷0.3~0.8mg/L。MUCT工藝改進(jìn)了厭氧段、缺氧段的設(shè)置方式和優(yōu)化了污泥回流方式。通過(guò)改進(jìn)提高了生物除磷效率的穩(wěn)定性和運(yùn)行的靈活性,使生物除磷脫氮能滿足不同水質(zhì)、不同季節(jié)的需要。處理效果也優(yōu)于傳統(tǒng)UCT工藝,但MUCT工藝增加了一級(jí)污泥回流,使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜,能耗更高。4.4生物反應(yīng)池的組成VIP(VirginiaInitiativePlant)工藝流程與UCT工藝非常類似,但VIP工藝的運(yùn)行負(fù)荷和泥齡都低于UCT工藝,系統(tǒng)總?cè)莘e也比UCT工藝小。VIP工藝與UCT工藝相比有兩個(gè)顯著的不同點(diǎn):其一是VIP工藝中的生物反應(yīng)池由多個(gè)完全混合型反應(yīng)格組成,采取了分區(qū)方式,每區(qū)由2~4格組成;其二是通過(guò)提高混合液中活性生物量和運(yùn)行負(fù)荷,不僅減少了反應(yīng)池的總?cè)莘e,同時(shí)提高了除磷效率。VIP工藝的典型泥齡為4~12d,水力停留時(shí)間為6~7h。4.5改良全面升級(jí)工藝改良A2O工藝見(jiàn)圖6。為了避免改良UCT(即MUCT)工藝中因增設(shè)一套回流系統(tǒng)和厭氧池造成污泥濃度低,除磷效果差的問(wèn)題以及A2O工藝對(duì)回流硝酸鹽不耐沖擊的弱點(diǎn),在綜合A2O工藝和改良UCT的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上,中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)了改良A2O工藝,即在厭氧池之前增設(shè)厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池,把二沉池的回流污泥10%左右引入該池,停留時(shí)間為20~30min。增設(shè)調(diào)節(jié)池后,使微生物利用約10%進(jìn)水中的有機(jī)物,去除絕大部分回流污泥中的硝態(tài)氮,消除了硝態(tài)氮對(duì)厭氧池的不利影響,保證了厭氧池的穩(wěn)定性。4.6兩組回流和污泥回流組合倒置A2O工藝是將常規(guī)A2O工藝的厭氧池和缺氧池位置對(duì)調(diào),其工藝流程見(jiàn)圖7。該工藝是根據(jù)國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中,對(duì)總磷和氨氮要求較高而對(duì)總氮要求不高的情況而設(shè)計(jì)的,把混合液回流和污泥回流合并一個(gè)污泥回流系統(tǒng)。兩股回流合并節(jié)省動(dòng)力費(fèi),設(shè)備和流程簡(jiǎn)單、便于管理,且有較高的除磷效率。缺點(diǎn)是為提高脫氮效率加大了外回流量,因此二沉池負(fù)荷增加,導(dǎo)致沉淀池比常規(guī)A2O系統(tǒng)的二沉池要大。此外兩股回流液合并,導(dǎo)致回流比變小(一般為150%~200%),結(jié)果總氮的去除率下降,比常規(guī)A2O工藝低40%左右。4.7pasf工藝5次生物膜pasf工藝隨著脫氮除磷原理研究的不斷深入,傳統(tǒng)的處理工藝也在不斷改進(jìn),如短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、同步硝化反硝化工藝、SHARON工藝及反硝化除磷工藝等,極大推進(jìn)了廢水處理工藝的變革,但由于多數(shù)新型工藝對(duì)運(yùn)行條件有較高要求,控制方式也比較嚴(yán)格,所以在大規(guī)模污水處理系統(tǒng)中推廣應(yīng)用受到限制,而傳統(tǒng)的A2O工藝及其變型工藝,因具有設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、管理方便、費(fèi)用相對(duì)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)階段仍然是脫氮除磷的主要方式,因此對(duì)A2O工藝的進(jìn)一步研究、完善和創(chuàng)新,對(duì)水環(huán)境日益惡化的今天有著普遍的現(xiàn)實(shí)意義。反硝化反應(yīng)為:NO2-+3H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+OH-MUCT(ModifiedUniversityofCapeTownProcess)是UCT工藝的改良型工藝,其工藝流程見(jiàn)圖5。PASF(removePhosphorusandnitrogencombinedActivatedSludgeandbioFilmtechnology)工藝見(jiàn)圖8。由于A2O系統(tǒng)要求不同污泥齡的微生物,所以近年來(lái)很多研究是將活性污泥法和生物膜法相結(jié)合來(lái)緩解這一矛盾,對(duì)短泥齡的聚磷菌和反硝化菌采用懸浮活性污泥法,而對(duì)長(zhǎng)