生物脫氮除磷工藝的研究進(jìn)展

生物脫氮除磷工藝的研究進(jìn)展

一、污水處理廠的排放控制隨著城市污水排放和水體富營養(yǎng)化的日益嚴(yán)重，不同城市污水處理廠的建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行越來越受到重視。到2010年末,我國建有污水處理廠的城市,占城市總數(shù)的90%以上。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求,對于污水處理廠不但要有很高的SS、BOD、COD去除能力,還要有高效去除氮、磷營養(yǎng)物及某些特殊有機(jī)物的能力。如何提高污水處理廠的脫氮除磷效果已成為城市污水處理廠運(yùn)行和控制的熱點(diǎn)問題。二、生物脫氮1、生物脫氮工藝傳統(tǒng)的廢水生物脫氮過程包括硝化和反硝化反應(yīng),兩個(gè)過程中所參與的微生物種類、轉(zhuǎn)化的基質(zhì)和所需的反應(yīng)條件都有很大差別。生物脫氮過程是一個(gè)矛盾統(tǒng)一體。硝化反應(yīng)需要好氧條件和較長污泥齡的硝化菌,而反硝化反應(yīng)則需要缺氧條件和較短污泥齡的反硝化菌。在大量有機(jī)物存在時(shí),硝化菌對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭不如好氧異養(yǎng)菌,不利于硝化反應(yīng);而反硝化菌需要有機(jī)物作為電子供體來完成脫氮的過程。解決這些矛盾將會提高生物脫氮工藝的高效性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝就是A/O工藝,工藝流程如圖1所示:該工藝是Barnard于1973年對Ludzack-Ettinger工藝的改進(jìn),能夠較好的適應(yīng)現(xiàn)有的活性污泥系統(tǒng),較易實(shí)現(xiàn)常規(guī)出水標(biāo)準(zhǔn)(TN<10mg/L)。缺氧/好氧原理生物脫氮的應(yīng)用工藝還有SBR、氧化溝、A2/O和Bardenpho等工藝。2、進(jìn)工藝改革,達(dá)到高效低耗近幾年,脫氮技術(shù)的發(fā)展,由單純工藝改革發(fā)展向以生物學(xué)特性促進(jìn)工藝改革,從而達(dá)到高效低耗的目的。對污水生物脫氮工程實(shí)踐中暴露出的問題和現(xiàn)象,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究,力求縮短脫氮的轉(zhuǎn)化過程,并提出一些突破傳統(tǒng)理論的新認(rèn)識、新發(fā)現(xiàn)。2.1短程硝化生物脫氮1975年,Voets等在研究處理高濃度氨氮廢水的過程中,發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)過程中亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象,首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念。短程硝化反硝化是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi),在控制特殊的環(huán)境條件下,通過抑制硝化菌的生長,使系統(tǒng)中的亞硝化菌成為優(yōu)勢菌種。先在有氧條件下,亞硝酸菌將氨氧化成亞硝酸鹽;再在缺氧條件下,使亞硝酸鹽反硝化,生成氮?dú)?。目?短程硝化反硝化脫氮有代表性的工藝為OLAND工藝和SHARON工藝。2.2生物反應(yīng)器的構(gòu)造和氧分布對反硝化菌的影響同步硝化反硝化(SND)是指在一定條件下,硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)在同一處理空間內(nèi)及同一處理?xiàng)l件下的顯現(xiàn)。宏觀環(huán)境理論認(rèn)為,由于生物反應(yīng)器本身的構(gòu)造問題和氧氣充入生物反應(yīng)器的不均勻性,使反應(yīng)器內(nèi)部出現(xiàn)氧氣分布不均的現(xiàn)象,并形成好氧段、缺氧段和厭氧段,從而為硝化菌和反硝化菌創(chuàng)造了條件。目前已有很多關(guān)于SND的成功應(yīng)用實(shí)例[7,8],如SBR、生物轉(zhuǎn)盤、CAST、氧化溝等工藝。2.3處理工藝三:生物處理法厭氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX)工藝,于1900年由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)研究開發(fā)。該工藝是厭氧條件下,微生物以氨氮為電子供體,亞硝酸氮或硝酸氮為電子受體,發(fā)生生化反應(yīng),生成氮?dú)狻Ｔ摴に嚐o需外加碳源、供氧以及額外投加酸堿中和試劑,而且能耗低、運(yùn)行費(fèi)用較少,同時(shí)還避免了因投加中和試劑可能造成的二次污染。典型的厭氧氨氧化處理工藝有SHARON-ANAMMOX工藝和CANON工藝。三、生物去磷1、生物除磷工藝生物除磷是在厭氧條件下,聚磷菌消耗糖原,將胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外。同時(shí),對于環(huán)境中的醋酸鹽或其他揮發(fā)性脂肪酸(VFA)能夠充分吸收,并以生物聚合物(PHB)的形式貯存在細(xì)胞內(nèi)。在厭氧條件下PHB的合成伴隨著正磷酸鹽的釋放;在好氧條件下,胞內(nèi)貯存的PHB被聚磷菌氧化,并以聚磷酸高能鍵的形式存貯。通過排放含磷量高的剩余污泥實(shí)現(xiàn)了磷的去除。1976年,Barnard提出了Phoredox工藝,又稱A/O工藝,這標(biāo)志著生物除磷工藝的誕生。其工藝流程如圖2所示:本工藝流程簡單,技術(shù)較成熟、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用較低,在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。運(yùn)用厭氧/好氧生物除磷的工藝還有SBR、Phostrip、A2/O和氧化溝等工藝。2、生物去除磷的新技術(shù)2.1dpb的降解反硝化除磷的機(jī)理和傳統(tǒng)A/O法除磷機(jī)理相似。在厭氧段,反硝化聚磷菌(DPB)釋磷過程和傳統(tǒng)生物除磷工藝中PAO基本一致;而在缺氧段,與PAO以O(shè)2作為電子受體不同,DPB氧化胞內(nèi)PHB的電子受體是硝態(tài)氮,產(chǎn)生的ATP來自于降解厭氧段存儲的體內(nèi)PHB,產(chǎn)生能量的一部分用于過量攝取水中無機(jī)磷酸鹽所需,以Poly-p的形式存儲在細(xì)胞體內(nèi),從而使硝態(tài)氮被還原為N2。與傳統(tǒng)脫氮除磷聯(lián)合工藝相比,反硝化除磷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:減少30%的曝氣量,節(jié)省了能耗,可縮小反應(yīng)器的體積;減少了50%的COD消耗量,避免了反硝化菌與聚磷微生物之間對有機(jī)物的競爭,適合處理高濃度的T/N比污水;減少了除磷工藝運(yùn)行中產(chǎn)生的污泥量,降低污泥處理費(fèi)用。2.2生物同步去除氮和磷的新技術(shù)1優(yōu)化工藝和方案ECOSUNIDE工藝是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的一種分點(diǎn)進(jìn)水高效脫氮除磷工藝。該工藝的理論基礎(chǔ)是由張雁秋[10,11]等人自主提出的統(tǒng)一動力學(xué)理論、動力學(xué)負(fù)荷理論和回流污泥優(yōu)化理論。該工藝大大縮短了厭氧+好氧+缺氧的時(shí)間,生化段總停留時(shí)間為7～10h,可節(jié)約20%左右的水處理主體工程投資;需氧量降低,無需內(nèi)回流,從而降低推進(jìn)器的能耗,可節(jié)約20%左右的運(yùn)行成本。ECOSUNIDE工藝在德州污水處理廠升級改造中得以應(yīng)用并且取得很好的脫氮除磷效果。2生物處理技術(shù)的應(yīng)用固定填料A/O工藝是向傳統(tǒng)活性污泥法A/O工藝曝氣池中填充固定填料,同時(shí)結(jié)合生物膜法和活性污泥法的工藝特點(diǎn),對氨氮、有機(jī)物、懸浮固體具有較為穩(wěn)定的去除效果。鄧紀(jì)鵬等利用懸浮填料A/O工藝處理城市污水的結(jié)果表明,投加懸浮填料能夠顯著提高活性污泥系統(tǒng)的硝化性能,硝化效果明顯優(yōu)于普通填料活性污泥法。3膜分離技術(shù)特點(diǎn)序批式膜生物反應(yīng)器(SBMBR)是將序批式活性污泥(SBR)工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合,不僅保留了傳統(tǒng)SBR工藝占地面積小、耐沖擊負(fù)荷、脫氮除磷效果好、生化反應(yīng)效率高、不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn),還利用膜分離技術(shù)可以在反應(yīng)階段排水,節(jié)省了沉淀階段所需的時(shí)間,從而減少傳統(tǒng)SBR的循環(huán)時(shí)間。四、反硝化除磷技術(shù)短程硝化反硝化能夠處理高氨氮負(fù)荷的廢水,在較低的C/N值下也能使TN去除率提高,其研究重點(diǎn)是如何控制運(yùn)行參數(shù)以及達(dá)到同步除P的效果;同步硝化反硝化不僅可以減少污泥生成量,縮短生物脫氮工藝的流程,而且省去第二階段的缺氧反硝化池或減少其體積,要實(shí)現(xiàn)良好的同步硝化反硝化效果需要確定反應(yīng)池的最佳溶解氧;厭氧氨氧化中的氨直接作為反硝化的電子供體,可免去外援有機(jī)物,其供氧量可以大大地減少,但目前厭氧氨氧化反應(yīng)的應(yīng)用多針對處理高氨氮濃度的污水,將該工藝用于實(shí)際污水處理,還面臨很大的挑戰(zhàn);反硝化除磷技術(shù)具有有機(jī)物需求量低,能耗小,產(chǎn)泥量小等特點(diǎn),可以解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的碳源不足問題,但反硝化除磷技術(shù)的研究工作尚未全面展開,還需要探討應(yīng)用反硝化除磷技術(shù)的工藝控制參數(shù),考察其作用機(jī)理,以提高其除磷的效率。近幾年,專家學(xué)者將新理論和新工藝從實(shí)驗(yàn)室研究逐步向工程實(shí)踐研究進(jìn)行拓