污水二級生物處理工藝優(yōu)化研究

污水二級生物處理工藝優(yōu)化研究

0污水廢水循環(huán)排放湖泊作為與人類生存和發(fā)展密切相關(guān)的獨特資源，在供水、防洪、交通運輸、旅游、生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用。這是中國各民族生存的重要資源。天然富營養(yǎng)化是自然水體演變的最終狀態(tài),往往需要經(jīng)過千百年的自然演變,這是一個漫長的歷史進程,但是人類社會大大加速了這個過程。近20年來,我國湖泊富營養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重,其中80%已經(jīng)發(fā)生富營養(yǎng)化,藻類大量生長,不僅影響飲用水水質(zhì),也成為多種疾病發(fā)生的重要誘因,對野生動物、家畜及人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響,也給水域生態(tài)環(huán)境、旅游觀光及水產(chǎn)養(yǎng)殖造成了嚴(yán)重危害。為了防止水體環(huán)境的進一步惡化,并考慮到水資源的再生循環(huán)利用,許多國家和地區(qū)紛紛制訂了嚴(yán)格的污水氮(N)、磷(P)排放標(biāo)準(zhǔn),N,P的考核內(nèi)容由單一的氨氮和磷酸鹽(PO43--P)發(fā)展到總氮(TN)和總磷(TP),我國也對污水排放N,P的指標(biāo)做了進一步的提高。采用傳統(tǒng)化學(xué)法或物理化學(xué)法脫氮除磷不僅運行費用高,也不適合污水處理量較大的城市,而生物脫氮除磷技術(shù)由于同時具有脫除C,N,P且處理成本低等特點而得到廣泛應(yīng)用,但是傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝設(shè)計本身的一些缺陷和微生物之間的矛盾,導(dǎo)致出水中的N和P很難同時達(dá)到較好的去除效果,更無法滿足國家最新頒布的一級A排放標(biāo)準(zhǔn),因此需要對此類工藝進行進一步的研究和改進,以滿足污水行業(yè)對脫氮除磷的新要求。1國內(nèi)污水處理工藝從某種角度,污水處理技術(shù)和工藝的不斷更新是人類科技進步及生活質(zhì)量提高的重要體現(xiàn)。我國自1921年第一座采用活性污泥工藝的城市污水處理廠在上海建成以來,污水處理事業(yè)在我國得到了迅速的發(fā)展,污水處理工藝也愈來愈多,目前我國所采用的污水處理工藝類型主要有以下幾種:傳統(tǒng)活性污泥處理工藝、AB工藝、A/O及A2/O工藝、水解-好氧工藝、氧化溝工藝、SBR及其變型工藝、曝氣生物濾池工藝、生物接觸氧化工藝、BIOLAK工藝。雖然這些工藝已得到廣泛應(yīng)用,但其本身一次性造價高、能耗高、占地大、污泥產(chǎn)生量大、管理復(fù)雜等缺點遲遲得不到有效解決,而且現(xiàn)有的二級生物處理工藝在脫氮除磷的達(dá)標(biāo)排放方面已得不到保障,因此對現(xiàn)有二級生物處理工藝的改進和優(yōu)化研究成為了水處理界的研究重點與研究方向。1.1第二、關(guān)于磷處理優(yōu)化工藝為了防止污水中的N,P對水質(zhì)環(huán)境繼續(xù)造成破壞,環(huán)境工作者在污水生物脫氮除磷領(lǐng)域進行了長期的研究探索,不斷研究出新的生物脫氮除磷工藝。傳統(tǒng)的生物同步脫氮除磷工藝很多,但無論如何改進與優(yōu)化,都需經(jīng)歷厭氧釋磷、缺氧反硝化和好氧過量吸磷與硝化過程,以滿足這一歷程的A2/O工藝最為典型,A2/O工藝是20世紀(jì)70年代由美國的一些專家在厭氧-好氧(A-O)法脫氮工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)的,其宗旨是開發(fā)一項能夠同步脫氮除磷的污水處理工藝。工程上應(yīng)用的諸如倒置A2/O工藝、UCT工藝、MUCT工藝、VIP工藝以及氧化溝和SBR的改良工藝無非都是在池體、運行方式、時間或空間尺度上的A2/O變形工藝,下面首先簡單介紹A2/O工藝的應(yīng)用機理和運行方式,再以A2/O工藝為主線介紹當(dāng)今行內(nèi)主流的基于傳統(tǒng)脫氮除磷技術(shù)的新工藝。A2/O工藝由厭氧、缺氧、好氧等3部分組成,其工藝過程如圖1所示。A2/O工藝在運行中存在的不足:(1)從好氧段回流的污泥中含有大量的硝酸鹽造成厭氧段中反硝化菌與聚磷菌對底物形成競爭,使聚磷菌無法得到足夠的短鏈脂肪酸進行充分釋磷,進而嚴(yán)重影響了磷的吸收而導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效率降低。(2)A2/O工藝中不同的微生物均參與到系統(tǒng)的循環(huán)中,因此在系統(tǒng)內(nèi)要達(dá)到所有微生物的最佳生長條件是不可能的,尤其在污泥齡(SRT)上,A2/O工藝在脫氮與除磷之間存在著矛盾。(3)A2/O工藝由于微生物混合培養(yǎng),往往為滿足硝化而采用較長的泥齡,并可在一定程度上提高硝化速率,但卻降低了有機物降解和反硝化速率。針對A2/O工藝本身存在的一些缺陷,研究出了很多優(yōu)化變型工藝,如:倒置A2/O工藝、UCT工藝、VIP工藝等,這些工藝都是通過改變污泥及混合液回流方式,從而在一定程度上減輕上述不利影響;也研究出了一些基于不同營養(yǎng)類型菌群獨立培養(yǎng)的新工藝,如:改進A2/O工藝、BICT工藝等。倒置A2/O工藝其實是將A2/O工藝的厭氧區(qū)和缺氧區(qū)倒置,讓進入生化反應(yīng)區(qū)的污水與回流的循環(huán)污泥首先進入缺氧區(qū)進行反硝化,這樣就相應(yīng)解決了A2/O工藝運行中存在的反硝化碳源不足的問題,及好氧區(qū)的回流污泥中攜帶的硝酸鹽對厭氧條件的不利影響問題;UCT工藝與A2/O工藝不同之處在于沉淀池是回流到缺氧池而不是厭氧池,同時增加了缺氧池到厭氧池的缺氧混合液回流,該運行方式可減少厭氧池厭氧狀態(tài)受到回流污泥所攜帶的溶解氧(DO)和硝態(tài)氮的影響,提高了除磷效果;VIP工藝具有以下特點:(1)厭氧、缺氧、好氧段的每一部分都是由2個以上較小的完全混合式反應(yīng)格串聯(lián)組成,在各反應(yīng)段具有良好的基質(zhì)濃度梯度分布,這可充分提高厭氧段磷的釋放和好氧段磷的攝取速度;同時也有助于缺氧段的完全反硝化,保證了厭氧段嚴(yán)格的厭氧環(huán)境;(2)SRT短、負(fù)荷高,運行速率高,除磷效果好?；趯2/O工藝脫氮除磷性能存在的矛盾與不足的分析,李勇等于2001年提出的一種改進A2/O工藝,采用微生物分相的方法使硝化菌與系統(tǒng)內(nèi)其他細(xì)菌分開的新工藝;鄒衛(wèi)國等在2004年提出的新型雙泥脫氮除磷(PASF)工藝,實質(zhì)上就是改進A2/O工藝,該課題組進行一定量的試驗研究,試驗通過一個月的培養(yǎng),達(dá)到穩(wěn)定后,系統(tǒng)出水可達(dá)到或低于國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)值;雙循環(huán)兩相生物處理工藝(BICT)是由黃勇等于2003年提出的基于將自養(yǎng)硝化菌和亞硝化菌與異氧菌群分相培養(yǎng)的新工藝,該工藝在不影響脫氮效率的前提下通過縮短主反應(yīng)器的泥齡來提高生物除磷效率,并增強了脫氮除磷的穩(wěn)定性,使得運行控制更加簡便可靠;李勇等考察了在BICT工藝中泥齡、充水比、上清液回流對除磷效率的影響及BICT在工程上的應(yīng)用,并從工藝流程、運行方式、技術(shù)經(jīng)濟效益出發(fā)對BICT工藝進行全面分析,指出BICT工藝在工程應(yīng)用上具有較大的潛力。研究表明,上述這些工藝都相應(yīng)地解決了A2/O工藝存在的一些缺陷,脫氮除磷的效果得到了有效地提高,在工程上作為A2/O工藝的改建工藝或作為新建設(shè)的污水處理廠的核心工藝得到了推廣,但這些工藝仍不能保證出水滿足國家新頒布GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A中N,P的排放指標(biāo),而且仍沒有解決二級生物處理基建費用高、污泥量大、能耗高等問題,因此,仍需要進一步的優(yōu)化研究。1.2厭氧氨氧化反應(yīng)基于傳統(tǒng)脫氮除磷工藝存在的問題及其產(chǎn)生問題的根本,近年來國內(nèi)外學(xué)者深入研究了不同于傳統(tǒng)理論的反硝化除磷、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同時硝化反硝化等新技術(shù)及相關(guān)工藝,以下簡單介紹各工藝的新原理。短程硝化及反硝化的基本原理是將氨氮氧化控制在反硝化階段,然后進行反硝化,運用該原理的新工藝的核心是應(yīng)用硝化菌和亞硝化菌在高溫條件下不同的生長速率,控制系統(tǒng)的反應(yīng)溫度和水力停留時間,從而使硝化菌被自然淘汰,反硝化菌占優(yōu)勢富集于反應(yīng)器中,使氨氮控制在亞硝化狀態(tài)。厭氧氨氧化原理即在厭氧條件下,以硝酸鹽作為電子受體將氨氮轉(zhuǎn)化為N2,關(guān)鍵是控制DO,使硝化過程僅進行到NH4+氧化NO2-階段,由于缺乏電子受體,由NH4+氧化產(chǎn)生的NO2-氧化未反應(yīng)的NH4+形成N2。同時硝化反硝化理論是得益于好氧反硝化菌和異養(yǎng)菌的發(fā)現(xiàn)以及好氧反硝化、異養(yǎng)反硝化理論的研究。CHRISTIME等研究生物膜體系時發(fā)現(xiàn),當(dāng)DO質(zhì)量濃度為1mg/L時,發(fā)生了同時硝化與反硝化,并且以NO2-為電子受體。ElSABETHV等研究指出,在SBR反應(yīng)器中當(dāng)DO質(zhì)量濃度為0.5mg/L時,可發(fā)生完全的同時硝化反硝化。HISASHI等研究發(fā)現(xiàn),在單污泥體系中,當(dāng)O2濃度為10~35μmol/L時,可發(fā)生同時硝化反硝化。反硝化除磷是在反硝化除磷菌的作用下實現(xiàn)反硝化除磷,實現(xiàn)“一碳兩用”,較適合于低碳源污水的處理,KUBA等通過對MUCT工藝型污水處理廠的大量追蹤研究分析后認(rèn)為,這些污水處理工藝中也發(fā)生了反硝化除磷過程,這為反硝化除磷工藝的推廣應(yīng)用提供了有力依據(jù)。以上的這些工藝都是在新的微生物學(xué)和生物化學(xué)理論基礎(chǔ)上開發(fā)出的新型工藝,此類工藝在機理方面都做了突破性的研究,雖然有些新工藝在國外都已經(jīng)運用到實踐中,但是這些新工藝對數(shù)控和運行條件要求比較高。此外,這些工藝忽略了投資成本和其它現(xiàn)實因素,而且這些新工藝本身的原理和設(shè)計還不夠成熟,所以它們在我國污水行業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)吸收能力下市場有限,短期內(nèi)很難得到有效推廣和普及,其機理、工藝設(shè)計及其影響因素還需要進一步的研究。2脫氮除磷新工藝應(yīng)具有的、簡介綜上所述,在滿足我國污水排放新標(biāo)準(zhǔn)的要求下,以上的脫氮除磷新工藝都各有其優(yōu)缺點:改進A2/O工藝以及A2/O工藝的變型工藝都解決了一些傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)方面的缺陷,具有一定的技術(shù)可行性,但是仍存在能耗高、占地大、投資昂貴以及污泥產(chǎn)生量大等問題,有悖于“清潔生產(chǎn)”的原則,阻礙了其進一步的推廣應(yīng)用;而基于新原理的脫氮除磷新工藝,往往都開創(chuàng)性的提出了脫氮除磷新技術(shù),這些工藝不僅能大大降低能耗,還可提高處理效率,但是技術(shù)要求比較高,而且也沒有有力的數(shù)據(jù)和工藝實例參考,其工藝設(shè)計和工藝的穩(wěn)定運行還需要進一步的研究。鑒于我國現(xiàn)有的技術(shù)水平以及工藝更新的延續(xù)性與階段性,能夠滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)、而且市場潛力巨大且操作性強的是結(jié)合現(xiàn)有的傳統(tǒng)脫氮除磷工藝研究:解決脫氮和除磷之間的矛盾問題,遴選最佳運行方式,優(yōu)化池體設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,逐步引進新機理的新工藝,通過實踐不斷探索新工藝,發(fā)掘新原理工藝的潛力,在滿足出水達(dá)到最新排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下研發(fā)出能很好適應(yīng)水質(zhì)水量變化、節(jié)能降耗、減少污泥排放和實現(xiàn)磷回收的工藝。3脫氮除磷工藝應(yīng)選用的因素為使有限的水資源循環(huán)使用,為水體生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展,控制水體的富營養(yǎng)化問題已經(jīng)刻不容緩,除了需要從源頭減少N,P污染物的排放,還需對排放污水中的N,P污染物進行高效的去除,因此,要以滿足經(jīng)濟可行性為前提,以符合現(xiàn)實管理、操作條件為基礎(chǔ),遴選出合適的脫氮除磷工藝,并對其進行優(yōu)化,使脫氮除磷工藝朝著經(jīng)濟、高效、低耗的可持續(xù)方向發(fā)展。隨著我國居民生活水平的不斷提高,對湖泊水體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的控制也愈來愈嚴(yán)格,所以不得不提高現(xiàn)有污水處理工藝的處理效率,但單從通過