低碳源污水脫氮除磷工藝的研究

低碳源污水脫氮除磷工藝的研究

近年來，隨著水體富營養(yǎng)化的日益突出，污水排放的標(biāo)準(zhǔn)仍然很嚴(yán)格。廢水處理進(jìn)入了從單一去除有機(jī)物到脫氮去除磷的深度處理階段。另外,我國城鎮(zhèn)污水C/N值普遍較低,加上運(yùn)行過程中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在泥齡方面存在的矛盾以及其他諸多因素,導(dǎo)致95%以上的城鎮(zhèn)污水廠的出水水質(zhì)難以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。如何提高低C/N值污水的脫氮除磷效果,成為當(dāng)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在污水脫氮除磷工藝中,A2/O及其改良工藝的應(yīng)用比例較大[3~5],但是A2/O工藝的硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競(jìng)爭,很難在同一系統(tǒng)中同時(shí)獲得氮、磷的高效去除。針對(duì)A2/O工藝固有的缺陷和低碳源城市污水的特點(diǎn),在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上提出了新的改良A2/O工藝,以期解決現(xiàn)在城市污水處理廠的脫氮除磷難題。1良2c/o工藝針對(duì)近年來不同的水質(zhì)特點(diǎn)以及脫氮除磷的日益嚴(yán)格要求,研究者們?cè)趥鹘y(tǒng)A2/O工藝的基礎(chǔ)上探索研究了多種改良A2/O工藝,其中比較突出和有影響的包括倒置A2/O、UCT、VIP、BCFS等。這些工藝針對(duì)一定的水質(zhì)特點(diǎn)和出水水質(zhì)要求,也表現(xiàn)出了較好的處理效果,解決了傳統(tǒng)A2/O工藝存在的一些突出問題。但是針對(duì)目前普遍存在的低C/N值城市污水,這些工藝并不能從根本上解決脫氮除磷的矛盾問題,而且各自也出現(xiàn)了新的問題。1.1工藝應(yīng)用分析A2/O工藝簡單,但很難在同一生化系統(tǒng)中同時(shí)取得良好的脫氮除磷效果。曝氣生物濾池的優(yōu)點(diǎn)是具有靈活的模塊化設(shè)計(jì)、占地面積小、硝化效果穩(wěn)定等,但其工作周期短、反沖洗頻率高、容易發(fā)生堵塞等。基于A2/O與曝氣生物濾池的優(yōu)缺點(diǎn),陳永志等研究了如圖1所示的A2/O—BAF工藝。A2/O工藝的主要功能是反硝化及除磷,通過縮短A2/O單元的泥齡,將硝化過程分離出去;利用曝氣生物濾池硝化效果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),在曝氣生物濾池中主要完成硝化過程,成功解決了傳統(tǒng)工藝中聚磷菌、反硝化菌與硝化菌的競(jìng)爭性矛盾。A2/O單元在短泥齡條件下運(yùn)行,可以增加系統(tǒng)的污泥活性,有利于除磷及反硝化;曝氣生物濾池在長泥齡條件下運(yùn)行,有利于硝化效果的穩(wěn)定和高效;以低C/N值實(shí)際生活污水為研究對(duì)象考察了A2/O—BAF生化系統(tǒng)的脫氮除磷特性,研究表明該生化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物、氮和磷的同步去除。但是該工藝的最大缺點(diǎn)在于曝氣生物濾池的水頭損失大,直接帶來能耗的增加,由于硝化液回流在二沉池后,所以也增大了二沉池的水力負(fù)荷,導(dǎo)致基建費(fèi)用大大增加,使其很難在大型污水處理廠推廣應(yīng)用,不過該工藝對(duì)于小型污水處理廠的升級(jí)改造具有重要的參考價(jià)值。1.2調(diào)與協(xié)同工作對(duì)于低碳源城市生活污水,特別是南方部分城市夏季污水有機(jī)物含量甚至低于50mg/L,而氮磷的含量卻相對(duì)很高,這樣僅僅依靠常規(guī)的污水處理工藝不可能達(dá)到理想的處理效果,出水水質(zhì)難以達(dá)到排放水體的承受標(biāo)準(zhǔn)。因此,要解決此類城市污水的脫氮除磷問題,就需要多種處理工藝的協(xié)調(diào)與協(xié)同工作。針對(duì)低碳源生活污水以及南方高溫的氣候特點(diǎn),陳秀榮等進(jìn)行了生物與生態(tài)協(xié)同處理低碳源城市生活污水的試驗(yàn)研究,其工藝流程見圖2。該處理系統(tǒng)的生物段采用A2/O工藝,主要去除COD,完成部分脫氮除磷及主要的硝化過程,出水1經(jīng)過消毒后可滿足回用作為綠地和農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)冷卻水、市政雜用水、建筑用水等的要求;沉淀出水進(jìn)入生態(tài)段后,可完成反硝化脫氮、氨氮硝化、有機(jī)物降解、磷吸收等生化過程,還可以完成植物對(duì)污染底物的吸收、物化吸附以及共沉淀等去除過程,生態(tài)段出水水質(zhì)可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),完全可以用于城市河道生態(tài)、湖泊河流水體的補(bǔ)充、基流維護(hù)、富營養(yǎng)化水體修復(fù)等。該組合工藝在處理城市低碳源生活污水方面顯示了其優(yōu)化組合的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)處理水達(dá)標(biāo)排放以及回用的目標(biāo),能耗增加不明顯。其缺點(diǎn)就是生態(tài)段受季節(jié)影響嚴(yán)重,在北方冬季寒冷地區(qū)其推廣應(yīng)用受限。1.3a-2/o生物池為了消除傳統(tǒng)A2/O工藝回流污泥中硝態(tài)氮對(duì)厭氧釋磷的影響,周愛姣等在傳統(tǒng)A2/O前設(shè)置了污泥反硝化區(qū)(選擇池),回流污泥全部回流至此,并研究了該工藝對(duì)低碳源城市污水的脫氮除磷效果。由于回流污泥中含有大量的硝酸鹽氮,將部分進(jìn)水與回流污泥在選擇池中混合,反硝化菌利用進(jìn)水中的碳源和其他營養(yǎng)物在此進(jìn)行缺氧反硝化,將硝態(tài)氮還原為N2,可以大大降低進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)的硝酸鹽氮含量,減小硝態(tài)氮對(duì)厭氧段釋磷的影響,同時(shí)還可以起到生物選擇,抑制絲狀菌生長的作用。A-A2/O工藝流程如圖3所示。A-A2/O生物池中,厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),各自的溶解氧濃度、污泥濃度及營養(yǎng)物比例等保持適當(dāng)?shù)钠胶?有利于具有不同功能微生物的生長繁殖。在進(jìn)水BOD5/TN<4的情況下,出水各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),表現(xiàn)出了良好的脫氮除磷及去除有機(jī)物的功能。針對(duì)南方低濃度生活污水的特點(diǎn),樊杰研究了A-A2/O好氧池階式曝氣對(duì)低濃度生活污水的脫氮除磷效果,將好氧池分格,曝氣量沿水流方向遞減。結(jié)果表明,階式曝氣可以從整體上增加反應(yīng)動(dòng)力,有效減小反應(yīng)器容積,具有較好的脫氮除磷效果。2新2.2w工藝2.1預(yù)處理+填料針對(duì)傳統(tǒng)A2/O工藝存在的固有缺陷,在前人研究成果的基礎(chǔ)之上,提出了如圖4所示的改良A2/O工藝,根據(jù)對(duì)脫氮除磷的要求,原水按一定比例分配給厭氧池和缺氧池,厭氧池和缺氧池的出水都直接進(jìn)入好氧池。好氧池末端的混合液回流至缺氧池,污泥回流至厭氧池。根據(jù)污水的水質(zhì)特點(diǎn)和工藝的實(shí)際需要,可在好氧池(特別是好氧池末端)和缺氧池中分別投加部分填料。該改良A2/O工藝具備了傳統(tǒng)A2/O工藝的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)造簡單、水力停留時(shí)間短、控制復(fù)雜性小,還可以從很大程度上解決脫氮與除磷所固有的矛盾。原水按一定的比例分配給厭氧池和缺氧池,這樣可以根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)以及對(duì)污水脫氮除磷的要求,對(duì)進(jìn)水分配比進(jìn)行靈活調(diào)整,同時(shí)兼顧脫氮和除磷。在好氧池中投加部分懸浮填料,使得該工藝兼有傳統(tǒng)的生物膜法和懸浮污泥法的優(yōu)點(diǎn)。懸浮填料有利于細(xì)菌和微生物的富集,增加吸附面積,提高氧的傳遞及利用效率,且還可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Lai等的研究結(jié)果表明,用懸浮填料生物膜反應(yīng)器對(duì)原有A2/O反應(yīng)器進(jìn)行改良,不僅可以提高污水處理量,縮短水力停留時(shí)間,還可以有效提高對(duì)COD、TN和TP的去除效果。Artiga等認(rèn)為復(fù)合系統(tǒng)中,在生物膜上主要生長硝化細(xì)菌(約60%的硝化能力來自于生物膜),懸浮污泥中主要生長異養(yǎng)菌,生物膜對(duì)硝化反應(yīng)的貢獻(xiàn)更大。也有研究表明生物膜對(duì)硝化起主要作用,而懸浮污泥對(duì)除磷所作的貢獻(xiàn)更大。通過填料的固定作用,系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的硝化效果。由于填料上生物相比較豐富,同時(shí)生物膜易形成不同的溶解氧環(huán)境,由此系統(tǒng)中更易發(fā)生同時(shí)硝化反硝化、短程硝化反硝化等。由于硝化細(xì)菌在填料上實(shí)現(xiàn)了固定生長,使得系統(tǒng)可以根據(jù)除磷的需要確定泥齡,因此可以解決硝化細(xì)菌與聚磷菌之間存在的泥齡矛盾問題。缺氧池中填料的投加,可以提高缺氧池的微生物量,提高反硝化作用,保證系統(tǒng)脫氮的穩(wěn)定性。呂絳等考察了缺氧池填料投配比對(duì)A2/O-MBR工藝反硝化除磷的影響,研究表明在缺氧池中投加部分填料,更有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反硝化除磷。Rogalla等通過研究對(duì)比生物膜系統(tǒng)和復(fù)合生物膜系統(tǒng)中氮磷的去除情況,發(fā)現(xiàn)生物膜系統(tǒng)及復(fù)合生物膜系統(tǒng)出水中的氮磷含量均很低,證明生物膜系統(tǒng)具有良好的脫氮除磷效果。2.2試驗(yàn)過程及效果以實(shí)際城市污水為原水,考察了該工藝的脫氮除磷效果。試驗(yàn)環(huán)境溫度為19~28℃,厭氧池、缺氧池和好氧池的體積比為1∶1∶3,厭氧池和缺氧池的進(jìn)水分配比為5∶5,污水總的停留時(shí)間控制在11h,好氧池末端溶解氧保持在2mg/L左右,污泥回流比和硝化液回流比分別為50%和200%,好氧池的污泥濃度保持在3000~4000mg/L,泥齡控制在15d左右。試驗(yàn)過程中,進(jìn)水COD=182~326mg/L,NH3-N=23.0~38.1mg/L,TN=36.0~50.7mg/L,TP=3.99~5.08mg/L,進(jìn)水C/N值平均為6.2,屬于典型的低碳源污水,經(jīng)過改良A2/O工藝的處理,對(duì)NH3-N的去除率能夠達(dá)到90%以上,對(duì)TN的去除率為67%~76%,對(duì)總磷的去除率>89%,出水COD=24.5~35.8mg/L,NH3-N<0.67mg/L,TN=10.2~13.4mg/L,TP=0.35~0.48mg/L,出水水質(zhì)能夠滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),該工藝對(duì)低碳源城市污水具有良好的脫氮除磷效果?；谝陨显囼?yàn)結(jié)果和分析,該改良A2/O工藝可以從很大程度上解決脫氮和除磷的矛盾,具有良好的脫氮除磷效果,特別是填料的投加不但提高和穩(wěn)定了系統(tǒng)的脫氮效果,而且可以從很大程度上解決硝化細(xì)菌與聚磷菌之間的泥齡矛盾問題。3次脫氮除磷工藝針對(duì)現(xiàn)有A2/O工藝的固有缺陷及其對(duì)低C/N值城市污水氮、磷去除不能達(dá)標(biāo)的問題所在,科研工作者開發(fā)和研究了多種A2/O的改良工藝,針對(duì)不同的水質(zhì)特點(diǎn)也取得了明顯的效果,但并不能從根本上解決低碳源城市污水對(duì)脫氮除磷的要求,或者有些工藝雖然取得了理想的脫氮除磷效果,但卻難以推廣應(yīng)用,如BCFS過于復(fù)雜,失去了A2/O作為目前最簡單的脫氮除磷工藝的優(yōu)點(diǎn)?；谠蠥2/O及其改良工藝存在的問題,提出了新的改良A2/O工藝,根據(jù)對(duì)脫氮和除磷的要求,原水按一定比例分別進(jìn)入?yún)捬醭睾腿毖醭?在缺氧池和好氧池中分別投加部分填料來提高系統(tǒng)的反硝化和硝化效果,填料的投加在提高脫氮的同時(shí)也降低了脫氮對(duì)泥齡的限制,解決了硝化細(xì)菌與聚磷菌之間的泥齡矛盾問題,使系統(tǒng)可以根據(jù)除磷的需要確定泥齡;同時(shí)投加填料使系統(tǒng)中更易發(fā)生短程硝化反硝化以及反硝化除磷。對(duì)實(shí)際生活污水的試驗(yàn)研究表明,該工藝對(duì)NH3-N的去除率