在廢水傳統(tǒng)好氧生物處理工藝上實現(xiàn)脫氮技術分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

在廢水傳統(tǒng)好氧生物處理工藝上實現(xiàn)脫氮技術分析研究環(huán)境工程專業(yè)摘要：近年來，工業(yè)廢水處理工藝研究頗為甚多，國內(nèi)外已實現(xiàn)許多行之有效的處理技術。其中為人熟知的好氧生物處理技術有：活性污泥法、AB法污水生物處理技術、SBR法污水處理技術、生物膜法處理技術等。傳統(tǒng)工藝雖然能有效處理工業(yè)廢水降解有機物，但卻不能很好實現(xiàn)脫氮除磷，為此許多研究者研發(fā)了許多改進傳統(tǒng)技術來實現(xiàn)這一目的。所以列舉了幾十年來在改進脫氮方面的進展。關鍵詞：廢水傳統(tǒng)好氧生物處理技術脫氮技術改進概述：在自然界，氮化合物是以有機體、氨態(tài)氮、亞硝酸氮、硝酸氮以及氣態(tài)氮存在的。傳統(tǒng)的二級處理技術對氮的去除率是比較低的，它僅為微生物的生理功能所用，即用于細胞合成。活性污泥的營養(yǎng)平衡式為BOD：N：P=100：5：1?，F(xiàn)行的以傳統(tǒng)活性污泥法為代表的好氧生物處理法，其傳統(tǒng)功能是去除廢水中呈溶解性的有機底物，至于氮只能去除細菌細胞由于生理上的需要而攝取的數(shù)量，這樣氮的去除率僅為20%-40%[1]。我們知道，要很好的實現(xiàn)脫氮，需要將自然界存在的氮循環(huán)的自然現(xiàn)象運用在活性污泥處理系統(tǒng)中去。廢水中的有機氮化合物可經(jīng)氨化微生物的分解而釋放出氨，即氨化作用。氨態(tài)氮進一步氧化，在硝化菌的好氧呼吸過程中，首先被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后最終轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，這個過程為硝化過程。由于硝化菌是一類自養(yǎng)型菌，故在廢水的硝化處理過程中，含碳有機底物濃度不應過高。通過生物反硝化將氮化合物轉(zhuǎn)化為人體無害的分子氮溢出返回大氣。參與這一過程的微生物為反硝化菌，這是一類異養(yǎng)型兼性厭氧細菌。在生物反硝化過程中，不僅可使氮化合物被還原，而且還可以使有機碳底物得到氧化分解。為此，反硝化作用將同時起到去碳、脫氮的效果。這意味著在廢水生物處理中，反硝化工藝的應用可以達到除碳、除氮的目的[2]。1LINPOR-N工藝——改進的活性污泥法的工藝活性污泥法于1914年在英國曼徹斯特建成試驗廠開創(chuàng)?；钚晕勰嗵幚硐到y(tǒng)的生物反應器是曝氣池。此外系統(tǒng)的主要組成還有二次沉淀池、污泥回流系統(tǒng)和曝氣及空氣擴散系統(tǒng)?；钚晕勰嗌系募毦援愷B(yǎng)型的原核細菌為主，這種細菌具有較高的增殖速率，也具有較強的分解有機物并將其轉(zhuǎn)化為無機物的功能。在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機底物從廢水中去除過程的實質(zhì)就是有機底物作為營養(yǎng)物質(zhì)被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過程，也就是活性污泥反應過程。其結(jié)果是廢水得到凈化，微生物獲得能量合成新的細胞，使活性污泥得到增長。德國LINDE股份公司的ManfrodRMorper[3]博士針對傳統(tǒng)活性污泥工藝，開展了研究并提出了一系列新的活性污泥法改進工藝。LINPOR工藝是一種傳統(tǒng)活性污泥法的改進型工藝，它通過在傳統(tǒng)工藝曝氣池中投加一定數(shù)量的多孔泡沫塑料顆粒作為活性生物量的載體材料而實現(xiàn)的。它改進傳統(tǒng)活性污泥工藝的處理效能和運行可靠性，改進傳統(tǒng)活性污泥處理廠由于水質(zhì)水量等變化的原因使曝氣池中污泥流失、數(shù)量不足、性能惡化等所導致的污泥膨脹、對COD、BOD、NH4+-N及TN等去除率下降的問題。在LINPOR工藝中，改進后的曝氣池稱為LINPOR反應器，在此中投加的多孔泡沫塑料顆粒載體的量一般占曝氣池有效體積的10%-30%，作為反應器中活性生物體的附著生長載體。此載體的要求極高，一般需要體積小，比表面積大，孔多均勻的載體。目前，作此載體的材料尚為不多，滿足上述嚴格要求的僅幾種。SanduSimonel[4]等研究了以塑料球為載體的流化床硝化效率的影響因素。研究結(jié)果表明：低流化率能對生物膜進行很好的保護，使其免受摩擦力的破壞；高流速使水回流快，產(chǎn)生較好的硝化效率，小粒徑球體為單位體積反應器提供更大的硝化表面積；而當載體密度接近水時，載體懸浮于水中，流化性能好。王建龍[5]等人認為載體小球材料的選擇，具體要求是制備的小球成本低，易于制成各種形狀，在常溫常壓下很快固化，抗沖擊能力強，還要求小球的基質(zhì)具有通透性，物理及化學穩(wěn)定性好，對微生物無毒。一般說來海藻酸鈣和PVA凝膠機械強度和傳質(zhì)性能均較好，對生物無毒，且耐生物分解性良好，是較為合適的細胞載體[6]。日本向曝氣池中投加聚氨酯泡抹小方塊的類似研究也表明該復合工藝可以達到去除COD和反硝化的效果[7]。在LINPOR反應器運行的初期，可分批將載體材料投入曝氣池，使之形成一層懸浮層并慢慢得到潤濕，同時微生物體在其表面生長而使其在水中呈淹沒狀并最終隨水流的流動而流動，即流化態(tài)[8]。由此可知，LONPOR反應器實際上是一種傳統(tǒng)活性與生物膜法相結(jié)合而組成的雙生物體組分生物反應器[9]，也就是復合式生物膜—活性污泥反應器。它是近年來發(fā)展較快，并引起研究者極大興趣的復合式污水處理工藝之一[10]。它是在活性污泥曝氣池中投加載體作為微生物附著生長載體，懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜共同作用去除污水中的有機污染物。而在傳統(tǒng)工藝中二沉池出水中所含的有機物通常是比較低的，具有適合于硝化菌生長的良好環(huán)境條件，不存在異養(yǎng)菌與硝化菌的競爭作用，因而在LINPOR-N工藝中，處于懸浮生長的生物量幾乎不存在，而只有那些附著生長于載體表面的生物才能生長繁殖。因此，LINPOR-N工藝稱為“清水反應器”。在LINPOR-N工藝中，所有的生物體都附著生長于載體的表面，因而運行過程中無需污泥的沉淀分離和污泥的回流，從而可節(jié)省污泥沉淀分離及污泥回流設備，使其成為一種經(jīng)濟的深度處理工藝。常用于廢水排入敏感性受納水體和對處理出水中氨氮有嚴格要求的廢水的深度處理。2ADMONT工藝——改進的AB工藝AB工藝是吸附—生物降解工藝的簡稱。這項污水生物處理技術是由德國亞深工業(yè)大學衛(wèi)生工程學院的BothoBohuke教授于70年代中期開發(fā)，80年代初開始應用于工程實踐的一項污水生物處理工藝。AB法具有下列各項特征：未設初次沉淀池由吸附池和中間池組成的A段為一級處理系統(tǒng)；B段由曝氣池和二次沉淀池組成；A、B兩段各自擁有獨立的污泥回流系統(tǒng)，兩段完全分開，各自有獨特的微生物群體，有利于功能穩(wěn)定。其中A段連續(xù)不斷地從排水管網(wǎng)系統(tǒng)接種在管網(wǎng)系統(tǒng)中已存活的大量的細菌，A段負荷較高，有利于增殖速度快的微生物生長繁殖，而且在這里成活的只能是沖擊負荷能力強的原核細菌，其他微生物都不能存活。B段的各項效應都是以A段的正常運行作為首要條件的。B段所接受的廢水來自A段，水質(zhì)、水量都比較穩(wěn)定，沖擊負荷不再影響本段，凈化功能得以充分發(fā)揮；B段承受的負荷率為總負荷率的30%-60%。氮在A段得到了部分去除，這樣B段具有進行硝化反應的工藝條件。AB法廢水處理工藝流程為：格柵—沉砂池—吸附池—中間沉淀池—曝氣池—二次沉淀池。吸附池—中間沉淀池為A段，曝氣池—二次沉淀為B段。各自有回流系統(tǒng)。AB法生物處理不足之處是尚難達到氮的出水要求，奧地利維也納技術大學為滿足處理水中NH4+-N小于5mg/L的要求，馬歇爾等人將AB段中的B段的部分污泥回流到A段中，同時也將A段中的污泥部分回流到B段，以在A、B兩段中均形成一定程度的混合微生物群體，即A、B段均有硝化和反硝化菌同時存在，從而實現(xiàn)高效的脫氮效果。這種工藝叫做ADMONT工藝。雖然根據(jù)傳統(tǒng)的脫氧理論：氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個獨立過程實現(xiàn)的，由于對環(huán)境的要求不同，兩個過程不能同時發(fā)生?，F(xiàn)行的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化分別作為空間上（不同的反應器）或者時間上（間歇的好氧和厭氧）的兩個獨立的階段實現(xiàn)氮的去除，這樣往往造成系統(tǒng)復雜，能耗較大，且運行管理不便。楊麒[11]等人發(fā)現(xiàn)在同一處理系統(tǒng)中實現(xiàn)同步硝化和反硝化過程，硝化反應和反硝化反應可在相同的條件和系統(tǒng)下進行，簡化了操作的難度。實現(xiàn)同步硝化反硝化并達到兩過程的動力學平衡，將大大簡化生物脫氮工藝并提高脫氮效率，從而節(jié)省投資，提高處理效率。而且好氧反硝化細菌和異氧硝化細菌的發(fā)現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)理論認為的硝化反應只能由自氧細菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進行的觀點。Robertson[12]等還以Thiosphaerapantotropha為例提出了好氧反硝化和異氧硝化的工作模型。因此從生物學角度上來看同時硝化反硝化生物脫氮是可能的。呂錫武[13]等對同步硝化—反硝化工藝(SND)進行了研究，認為與傳統(tǒng)順序式硝化—反硝化(SQND)技術相比，二者脫氮效率相近。呂錫武[14]繼而深入研究了溶解氧及活性污泥濃度對同步硝化—反硝化效率的影響。研究結(jié)果表明：在一定DO范圍內(nèi)，隨著反映器內(nèi)溶解氧濃度的降低，總氮去除率呈上升趨勢。在一定MLSS范圍內(nèi)，反應器內(nèi)混合液污泥濃度越高，出水總氮越低，反硝化現(xiàn)象越明顯。因此，像ADMONT工藝那樣在AB兩段形成一定程度的混合微生物體A段為B段連續(xù)不斷的補充硝化和反硝化菌，以及一定量的碳源B段為A段提供硝化菌從而實現(xiàn)AB兩段同時具有脫氮功效提高效率是完全可實行的。況且，采用內(nèi)源脫氮既可以節(jié)省外加碳源，又可以減少剩余污泥產(chǎn)量和污泥處置費用[15-16]。3ICEAS工藝——改進SBR工藝SBR序批式活性污泥法也稱為間歇式活性污泥法，是20世紀70年代初，美國NatreDame大學的Irvine教授等人研究開發(fā)的好氧生物處理新技術，并于1980年在美國國家環(huán)保局的資助下，在印第安納州的Culver城改建并投產(chǎn)了世界上第一個SBR法污水處理廠。其工藝系統(tǒng)組成簡單，為格柵—沉砂池—初次沉淀池—SBR反應池。SBR在工藝上的特征有：不設二次沉淀池，曝氣池兼具二沉池功能；不設污泥回流設備等。SBR工藝的一個完整的操作過程包括5個階段：進水期，反應期，沉淀期，排水排泥期，閑置期。SBR工藝是一種簡易，快速且低耗的廢水生物處理工藝。它主要有以下幾個方面的特點：1工藝簡單、造價低；2時間上具有理想的推流式反應器的特性；3運行方式靈活，可脫氮除磷；4具有較強的耐沖擊負荷的能力；5良好的污泥沉降性能，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象[17]。然而面對N、P排放標準的不斷收緊，傳統(tǒng)SBR工藝在氮磷脫除方面還是不足。常規(guī)的SBR工藝因處理過程中的泥齡矛盾，有機物混度與硝化作用的矛盾以及厭氧區(qū)的硝酸鹽問題等氮磷脫除效果較差，可通過改進常規(guī)的運行方式對其進行強化[18-19]。在SBR工藝上所改進的ICEAS工藝是周期循環(huán)延時曝氣活性污泥系統(tǒng)，是澳大利亞新南威爾士大學與美國ABJ公司Goroaszy教授研究開發(fā)的。上海中藥制藥三廠就是用ICEAS工藝處理抗生素的污水。其去氮率為75.1%-78.4%[1]。ICEAS反應池由預反應區(qū)和主反應區(qū)組成，主反應區(qū)可分為水位變化區(qū)、緩沖區(qū)、污泥區(qū)三部分。運行方式為連續(xù)進水，沉淀期和排水期仍保持進水，曝氣、沉淀、排水、排泥間歇進行。在主反應區(qū)內(nèi)，按“曝氣，閑置，沉淀和潷水”的程序周期性地運行，使污水在交替的好氧—厭氧和厭氧—好氧的條件下完成脫氮作用。其實實質(zhì)也是利用了A/O技術。大家都知道A/O技術A/O2技術都是常用的脫氮技術。林山杉[20]等人發(fā)現(xiàn)通過好氧/厭氧交替和循環(huán)可以實現(xiàn)污泥的減量化。于得爽[21]等應用A/O2法處理煉油廢水，COD去除率可達95%以上，出水氨氮濃度小于15mg/L，滿足國際排放要求。利用實現(xiàn)厭氧、缺氧、好氧三種狀態(tài)在數(shù)量和時間分布上理想交替，從而進一步優(yōu)化工藝組合，形成更加高效經(jīng)濟的脫氮除磷組合工藝。ICEAS工藝對污染物的降解是一個時間上的推流過程，集反應、沉淀、排水于一體，是一個好氧—缺氧—厭氧交替運行的過程，從而實現(xiàn)脫氮效果。結(jié)語：綜上所述，其實改進傳統(tǒng)工藝的原則還是建立在脫氮技術之上的，為實現(xiàn)更為有效的脫氮而將一般的工藝改進，既經(jīng)濟又提高效率，可謂一舉兩得。他們是在改進的同時，為脫氮的過程尋找適宜的條件。LINPOR-N工藝是采用了復合式生物膜—活性污泥反應器微生物技術，懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜共同去除污染物，同時此反應器將反硝化和硝化過程分隔開，這樣更適合于硝化菌生長的良好環(huán)境條件，不存在異養(yǎng)菌與硝化菌的競爭作用，從而能更好的除氮；ADMONT工藝A、B段均有硝化和反硝化菌同時存，在從生物學角度上來看同時硝化反硝化生物脫氮是可能的，特別是在一定的條件下，污泥濃度越高反硝化現(xiàn)象越明顯，出水總氮越低，而由此提高了除氮率；ICEAS工藝更是運用了常用的除氮技術A/O法，在交替的好氧—厭氧和厭氧—好氧的條件下完成脫氮作用。利用了時間空間上的分布優(yōu)化了原來的SBR工藝，使其更顯經(jīng)濟性。上述工藝的改進都是將最新微生物處理技術與傳統(tǒng)工藝結(jié)合，由此來實現(xiàn)脫氮技術。參考文獻：[1]買文寧,生物化工廢水處理技術及工程實例[M],化學工業(yè)出版社,北京,2002,7.[2]吳婉娥,葛紅光,張克鋒,廢水生物處理技術[M],化學工業(yè)出版社,北京,2003,2.[3]MorperM.R..UpgradingofActivatedSludgeSystemforNitriogenRemovalbyApplicationofLINPORProcesses,LIMDE-KCA-DRESDEN,GMBH.WASTEWATERTECHNOL.MUNICH,1993.[4]SimonelISandu,etal.,Factorsinfluencingthenitrification-efficiencyoffluidizedbedfilterwithaplasticbeadmedium[J],AquaculturalEngineering,2002,26(1):41-59.[5]王建龍,施漢昌,聚乙烯醇包埋固定化微生物研究及進展[J],工業(yè)微生物,1998,28(2):35-39.[6]蔣宇紅,黃霞,幾種固定化細胞載體的比較[J],環(huán)境科學,2001,14(2):11-15.[7]KondoM,HozoS,InamoriY.,SimultaneousremovalofBODandnitrogenwithanaoxic/oxicporoussupportsystems[J],WatSciTechnol,1992,26(9-11):2003-2006.[8]沈耀良,王寶貞,廢水生物處理新技術理論與應用[M],中國環(huán)境科學出版社,北京,1999.[9]ParkTJ,LeeKH.Dyeingwastewatertreatmentbyactivatedsludgeprocesswithapolyurethanefluidizedbedbiofilm[J],Wat.Sci.Technol.1996,34(5-6):193-200.[10]劉雨,趙慶良,鄭興燦,生物膜法污水處理技術[M],中國建筑工業(yè)出版社.北京,2000,3.[11]楊麒,李小明,曾光明,謝珊,劉精今,同步硝化反硝化的形成機理及影響因素[J],環(huán)境科學與技術,2004,27(3):102-104.[12]Robert