污水处理 | 全面解析生物脱氮除磷的处理工艺




1 前言

城市污水中的氮、磷主要来自生活污水和部分工业废水。氮、磷的主要危害:一是使受纳水体富营养化;二是影响水源水质, 增加给水处理成本;三是对人和生物产生毒害。上述危害严重制约了城市水环境正常功能的发挥, 并使城市缺水状况加剧,而且随着人民生活水体的提高和环境的恶化,对水质的要求也越来越高。为了达到较好的脱氮除磷效果,环境工作者对一些传统工艺进行了改进或设计出新工艺,本文简单介绍一些脱氮除磷工艺。

2 生物脱氮原理

一般来说, 生物脱氮过程可分为三步: 第一步是氨化作用, 即水中的有机氮在氨化细菌的作用下转化成氨氮。在普通活性污泥法中, 氨化作用进行得很快, 无需采取特殊的措施。第二步是硝化作用, 即在供氧充足的条件下, 水中的氨氮首先在亚硝酸菌的作用下被氧化成亚硝酸盐, 然后再在硝酸菌的作用下进一步氧化成硝酸盐。为防止生长缓慢的亚硝酸细菌和硝酸细菌从活性污泥系统中流失, 要求很长的污泥龄。第三步是反硝化作用, 即硝化产生的亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化细菌的作用下被还原成氮气。这一步速率也比较快, 但由于反硝化细菌是兼性厌氧菌, 只有在缺氧或厌氧条件下才能进行反硝化, 因此需要为其创造一个缺氧或厌氧的环境( 好氧池的混合液回流到缺氧池) 。反应方程式如下:

( 1) 硝化反应:

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硝化反应总反应式为:

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 ( 2) 反硝化反应:

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另外, 由荷兰Delft 大学Kluyver 生物技术实验室试验确认了一种新途径, 称为厌氧氨( 氮) 氧化。即在厌氧条件下,以亚硝酸盐作为电子受体,由自养菌直接将氨转化为氮, 因而不必额外投加有机底物。反应式为:NH4+NO2→N2+2H2O

3 生物除磷原理

所谓生物除磷, 是利用聚磷菌一类的微生物, 在厌氧条件下释放磷。而在好氧条件下, 能够过量地从外部环境摄取磷, 在数量上超过其生理需要, 并将磷以聚合的形态储藏在菌体内, 形成高磷污泥排出系统, 达到从污水中除磷的效果。

生物除磷过程可分为3 个阶段,即细菌的压抑放磷、过渡积累和奢量吸收。首先将活性污泥处于短时间的厌氧状态时,储磷菌把储存的聚磷酸盐进行分解,提供能量,并大量吸收污水中的BOD、释放磷( 聚磷酸盐水解为正磷酸盐) ,使污水中BOD 下降,磷含量升高。然后在好氧阶段,微生物利用被氧化分解所获得的能量,大量吸收在厌氧阶段释放的磷和原污水中的磷,完成磷的过渡积累和最后的奢量吸收,在细胞体内合成聚磷酸盐而储存起来,从而达到去除BOD 和磷的目的。反应方程式如下:

( 1) 聚磷菌摄取磷:

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O

( 2) 聚磷菌的放磷:

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量

4.脱氮除磷工艺

4.1 AB法

AB法污水处理工艺是一种新型两段生物处理工艺,是吸附生物降解法的简称。该工艺将高负荷法和两段活性污泥法充分结合起来,不设初沉池,A、B两段严格分开,形成各自的特征菌群,这样既充分利用了上述两种工艺的优点,同时也克服了两者的缺点。所以AB法工艺具有较传统活性污泥法高的BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率。但AB法工艺不具备深度脱氮除磷的条件,对氮、磷的去除量有限,出水中含有大量的营养物质,容易引起水体的富营养化。AB法工艺对氮、磷的去除以A段的吸附去除为主。污水中的部分有机氮和磷以不溶解态存在,在A段生物吸附絮凝的作用下通过沉淀转移到固相中,同时生物同化也可以去除一部分以溶解态存在的氮和磷。剩余的磷进入B段用于B段的微生物的合成而得到进一步去除。这样AB法工艺整体显示出了比传统活性污泥法高的氮、磷的去除效果。但是AB法由于自身组成上的特点,决定了其对氮、磷的去除量是有限的。

4.2 A²/O 工艺

4.2.1 传统A²/O 法

A²/O 是20世纪70年代在厌氧- 缺氧工艺上开发出来的同步除磷脱氮工艺,传统A²/O 法即厌氧→缺氧→好氧活性污泥法。污水在流经三个不同功能分区的过程中,在不同微生物菌群作用下,使污水中的有机物、氮和磷得到去除。其流程简图见图1。原污水的碳源物质(BOD)首先进入厌氧池聚磷菌优先利用污水中易生物降解有机物成为优势菌种,为除磷创造了条件,然后污水进入缺氧池,反硝化菌利用其它可利用的碳源将回流到缺氧池的硝态氮还原成氮气排入到大气中, 达到脱氮的目的。

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4.2.2 改良型A²/O 法

为了克服传统A²/O 工艺的一个缺点,即由于厌氧区居前, 回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响,改良A /O工艺在厌氧池之前增设厌氧/ 缺氧调节池, 来自二沉池的回流污泥10%左右的进水进入调节池,停留时间20~30min,微生物利用约10%进水中有机物去除回流污泥中的硝态氮,消除硝态氮对厌氧池的不利影响,从而保证厌氧池的稳定性改良A/O 工艺虽然解决了传统A/O工艺中厌氧段回流硝酸盐对放磷的影响,但增加调节池,占地面积及土建费用需相应增加。

4.3  氧化沟法

氧化沟工艺是20世纪50年代初期发展起来的一种污水处理工艺形式,因其构造简单、易于维护管理,很快得到广泛应用。主要 有Passveer单沟型、Orbal同心圆型、Carrousel循环折流型、D型双沟式和T 型三沟式等。传统Passveer单沟型和Carrousel型氧化沟不具备脱氮除磷功能,但是在Carrousel氧化沟前增设厌氧池,在沟体内通过曝气装置的合理设置形成缺氧区和好氧区,形成改良型氧化沟,便具备生物脱氮除磷功能。但Carrousel氧化沟缺氧区要求的充足碳源和缺氧区条件不能很好的满足,因此,脱氮除磷效果不是很好。为了提高脱氮效果,在沟内增加了一个预反硝化区,就成了Carrouse2000型氧化沟工艺。氧化沟池型具有独特之处,兼有完全混合和推流的特性,且不需要混合液回流系统,但氧化沟采用机械表面曝气,水深不易过大,充氧动力效率低,能耗较高,占地面积较大。

4.4 SBR 法

SBR 法是间歇式活性污泥法,降解有机物,属循环式活性污泥法范围,主要是好氧活性污泥,回流到反应池前部的污泥吸附区,回流污泥中硝酸盐得以反硝化在充分条件下可大量吸附进水中的有机物达到脱氮除磷的效果。

其去除机理如下:

a.脱氮是在适当条件下进行的和自然界中氮循环过程相同的过程,即含氮化合物在氨化菌作用下首先进行氨化,然后在硝化菌作用下进行硝化,最后经反硝化菌进行反硝化,将NO3- N、NO2- N还原为N2 进入大气中。

b.除磷是利用聚磷菌能过量地从外部摄取磷并以聚合物形式贮藏于菌体内形成高磷污泥,从而通过定期除泥而去除磷。SBR工艺在去除有机物的同时,可以完成脱氮除磷。从常规测定数据可以得到很好的证实,只要掌握合理的SBR 运行参数,就会收到更理想的脱氮除磷效果。

4.5 CAST 工艺(循环活性污泥法)

CAST( Cyclic Activated Sludge Technology) 工艺实质上是可变容积活性污泥法过程和生物选择器原理的有机结合, 整个工艺为一间歇式反应器, 主反应器前端有一个生物选择器, 在主反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复。 将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行. CA ST 方法是一种“充水和排水”活性污泥法系统, 废水按一定的周期和阶段得到处理,是SBR(Sequencing Batch Reactor)工艺的一种变型。

4.6 OCO 工艺

OCO 工艺见图2,它是由丹麦Puritek A/S 公司经过多年研究与实践推出的,它实际上是集BOD、N、P 去除于一池的活性污泥法。原水经过格栅、沉砂池的物理处理后,进入OCO 反应池的1 区,在厌氧区污水与活性污泥混合,混合液流入缺氧区2,并在缺氧区和好氧区3之间循环一定时间后流入沉淀池,澄清液排入处理厂出口,污泥一部分回流到OCO反应池,另外一部分作为剩余污泥予以处理。OCO工艺的特点在于:集厌氧-缺氧-好氧环境于一池,占地少,土建投资低;利用水解作用和反硝化作用,降解有机物时对充氧量要求低,使运行维护费用降低;污泥浓度高,有机负荷低,污泥絮凝沉降好,且沉降污泥稳定,剩余污泥少。

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图2 OCO 工艺流程图

4.7 Dephanox 工艺

Dephanox 脱氮除磷工艺(图3) Kuba 等人提出的,它具有硝化和反硝化除磷两套污泥系统(一套是完成硝化的生物膜系统,另一套是悬浮生长的反硝化脱氮除磷污泥系统),将不同的微生物种群控制在各自最佳的泥龄条件下。此工艺满足了兼性厌氧反硝化除磷细菌(DPB)所需环境,解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题,具有低能耗、低污泥产量且COD 消耗量低的特点。初沉池直接为缺氧段提供反硝化所需的碳源(富含PHB的污泥) ,为好氧段富含氨氮的上清液。中沉池可尽量保证硝化菌泥龄长、溶解氧浓度高的特点,而且使供氧仅用于硝化和厌氧后剩余有机物的氧化,从而节省了曝气能耗。

Sorm等通过将厌氧段和初沉池合建,改进了Dephanox 工艺设置,证明优化后的系统能够有效地抑制污泥膨胀并且证实了同时反硝化脱氮除磷现象。

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图3 Dephanox 工艺流程图

5.结语

随着环境保护工作者对脱氮除磷机理的深入探究,新工艺的不断出现及其可行性, 为水处理工艺提供了新的理论和思路。但社会的可持续发展给污水脱氮除磷处理提出了越来越高的要求,污水处理已不仅限于满足排放标准,更要考虑污水的资源化和能源化的问题,必须朝着最小的COD 氧化、最低的氮磷排放量、最少的剩余污泥排放等可持续污水处理工艺的方向发展。而生物学及其技术的发展,能使生物脱氮除磷工艺得到更大的发展。

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