水污染問題已引起了社會各界人士的廣泛關(guān)注
。水體污染的主要源頭有城市生活廢水
、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污染源
。污水中氮
、磷含量過高會使水體富營養(yǎng)化,導(dǎo)致水質(zhì)惡化
,甚至影響人類健康
,所以研究開發(fā)經(jīng)濟、高效的脫氮除磷新工藝是解決水體污染問題的關(guān)鍵
。脫氮除磷方法主要有物理
、化學(xué)、生物方法
,但是物化法投入大
,容易造成二次污染,而生物法投入小
,成本低
,無二次污染。故生物法將是今后污水處理的主流方法
。
1
、生物脫氮除磷原理
一般來說,生物脫氮過程分為三步:第一步是有機氮在氨化菌的作用下
,分解
、轉(zhuǎn)化為氨氮。第二步是氨氮在硝化細菌的作用下
,進一步分解
、氧化為硝態(tài)氮。第三步是在缺氧狀態(tài)下
,反硝化菌將硝化過程中產(chǎn)生的硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮
,排放到大氣中。有研究表明:在硝化和反硝化的過程中
,有些細菌能利用亞硝酸根或硝酸根作為電子受體直接將氨態(tài)氮氧化為氣態(tài)氮
。這一發(fā)現(xiàn)將為新型脫氮工藝的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。
生物除磷是指聚磷菌在厭氧條件下吸收磷,在好氧條件下過量釋放磷的一種生理變化現(xiàn)象
,這一現(xiàn)象被稱為luxuryuptake現(xiàn)象
。有研究發(fā)現(xiàn):有一種兼性反硝化細菌能將硝酸根做為電子受體,將硝酸根轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮
,并產(chǎn)生生物除磷作用
。總而言之
,生物脫氮除磷就是利用微生物的代謝活動將有機氮及有機磷分解、轉(zhuǎn)化
。
2
、傳統(tǒng)生物脫氮除磷典型工藝
傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝大體上可以分為2大類,一是按時間順序分布的
,如SBR工藝;二是按空間順序分布的
,如A2/0工藝。而氧化溝工藝既是按時間順序分布的工藝
,也是按空間順序分布的工藝
。這些工藝已被廣泛研究并應(yīng)用,同時取得了較好效果
。
2.1 SBR工藝
SBR是序批式活性污泥法的簡稱
。其流程圖如圖1,是一種以間歇曝氣的方式來運行的水處理技術(shù)
。該工藝SBR反應(yīng)器反應(yīng)過程分為進水
、反應(yīng)、沉淀
、排放
、閑置5個階段,周而復(fù)始
,從而達到脫氮除磷效果
。

進水C/N在2.2~3.5及曝氣強度為48~50L/h條件下脫氮除磷效果好。TP
、TN的去除率分別達到89.4%及84.5%
。有研究表明,在碳源適宜的情況下
,采用SBR工藝TP
、TN去除率分別達到96%及78.3%。但是該反應(yīng)器容積利用率低
,曝氣量大
,增大了成本,且不能連續(xù)運行。
2.2 A2/O工藝
A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝是一種典型的污水處理工藝其工藝(流程圖如圖2)
。廢水首先進入?yún)捬醵芜M行氨化反應(yīng)及釋磷
,接著進入缺氧段進行反硝化,最后在好氧段進行硝化反應(yīng)及吸磷
,部分硝化液回流至缺氧段
,部分污泥回流至厭氧段。

A2/O工藝具有工藝流程簡單
,活性污泥不易膨脹
,基建及運行費用低等特點。但A2/O工藝也存在一定缺點
,如設(shè)置的污泥及硝化液回流增加了投資和運行能耗
,反硝化菌與聚磷菌競爭碳源問題等。
2.3 氧化溝工藝
氧化溝工藝自問世以來在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用
,目前已成為我國污水處理的主導(dǎo)工藝之一
。氧化溝具有獨特的構(gòu)造形式(如圖3),無終端循環(huán)水路
,使得曝氣機產(chǎn)生的溶解氧沿著水流方向產(chǎn)生濃度梯度
,并周而復(fù)始地發(fā)生變化,從而使得氧化溝在去除有機物的同時對混合液中的氮
、磷也具有良好的去除效果
。
氧化溝工藝抗沖擊能力強,污泥穩(wěn)定
,基建投資及運行費用較低
。但是研究及應(yīng)用表明,氧化溝工藝在運行中沒有考慮回流比
,即使考慮到回流比但仍然采取經(jīng)驗值或者不控制的方式
。
3、傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝中存在的問題
傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝總的說來存在微生物混合培養(yǎng)問題
、碳源問題
、泥齡問題、回流污泥中硝酸鹽問題等
。單級SBR反應(yīng)器在空間上是完全混合的
,使得硝化菌,反硝化菌等混合在一起抑制了反應(yīng)的進行且存在碳源不足的問題
。A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝具有內(nèi)回流系統(tǒng)會將硝酸根帶回缺氧池不利于聚磷菌聚磷
,使得除磷效果不明顯。其脫氮效果很難再通過改進的方式提高
。氧化溝工藝是活性污泥法的一種變形
,容易出現(xiàn)污泥膨脹造成污泥排量大
,在同一溝中溶解氧濃度難以控制,故對脫氮能力有限而且除磷率較低
。因此
,為了獲得更好的脫氮除磷效果需進一步對舊工藝進行改造或研發(fā)新工藝。
3.1 微生物的生長條件受限
污水的脫氮除磷是多種微生物共同作用的結(jié)果
。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝一般是單一的懸浮污泥生長系統(tǒng)
,不能同時滿足所有微生物(硝化菌、反硝化菌
、聚磷菌等)的最佳生長條件
,故系統(tǒng)的脫氮除磷難以到達理想效果。
3.2 碳源問題
系統(tǒng)中碳源的消耗主要在反硝化
、聚磷菌的厭氧釋磷及異養(yǎng)菌的代謝等方面
。由于污水中易降解的有機物產(chǎn)生碳元素有限,而反硝化反應(yīng)與厭氧釋磷的反應(yīng)速率都與碳源有著很大關(guān)系
,要使脫氮除磷都達到良好效果還需進行深入研究
。
3.3 泥齡問題
較長的泥齡是獲得良好硝化效果的重要保證
。而聚磷菌繁殖快
,世代周期短,且生物除磷是通過排放剩余污泥實現(xiàn)的
。如果泥齡過長
,那么在硝化過程中活性污泥的活性就會降,而且會影響聚磷菌對磷的吸收
。從而導(dǎo)致活性污泥中糖類物質(zhì)的累積及非聚磷菌的的增長
,使除磷效果大幅度降低。所以為了兼顧脫氮除磷對泥齡的要求
,通常將系統(tǒng)控制在一個泥齡較窄的范圍內(nèi)運行
,但實際運行中系統(tǒng)的脫氮除磷效果還是經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。
3.4 回流污泥中的硝酸鹽問題
在脫氮除磷系統(tǒng)中
,硝化菌
、反硝化菌、聚磷菌參與整個系統(tǒng)的循環(huán)運行并起著重要作用
。常規(guī)工藝中
,缺氧區(qū)設(shè)在好氧區(qū)前,故好氧區(qū)污泥回流不可避免地將部分硝酸鹽帶入缺氧區(qū)
。而在缺氧區(qū)中反硝化菌會與聚磷菌競爭底物
,從而無法滿足聚磷菌的正常生長代謝,導(dǎo)致除磷效果降低
。
4
、生物脫氮除磷新工藝
基于傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在的問題及產(chǎn)生問題的原因
,本著尋找高效、經(jīng)濟
、適用工藝的原則
,近年來新的生物脫氮除磷工藝不斷被研發(fā)出來,如改進型DEPHANOX工藝
、BCFS工藝
、SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝等。改進型DEPHANOX工藝具有獨立的硝化系統(tǒng)
,將硝化
,反硝化反應(yīng)分開解決了碳源不足問題及微生物混合培養(yǎng)問題。BCFS工藝是一種改進的氧化溝組合工藝
,污泥產(chǎn)生量大幅度減少
,且提高了除磷率。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝由于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進行反硝化反應(yīng)大大縮短了反應(yīng)時間
,其不存在碳源供應(yīng)不足的問題且脫氮除磷效果較好
,是一種十分經(jīng)濟適用的污水處理工藝。
4.1 改進型DEPHANOX工藝
該工藝的原理是反硝化除磷
,在理論上進一步強化了氮
、磷矛盾的解決,其工藝流程如圖4
。污水進入系統(tǒng)后
,先與回流污泥混合且吸附大量有機質(zhì),上清液進入獨立的硝化系統(tǒng)
,下層有機污泥進入?yún)捬鯀^(qū)
,然后在缺氧區(qū)重新混合,接著進行氮吹脫流入二沉池
,最后達標排放
。

該工藝的特點在于有獨立的硝化系統(tǒng),使硝化反應(yīng)充分地進行;為反硝化提供充足氮源
,使得整個系統(tǒng)平穩(wěn)
、有效運行。該工藝中COD去除率為84.4%,氨氮的去除率在80%左右
,總氮和總磷的去除率分別為67.1%和79.4%
,基本達到預(yù)期效果。
4.2 BCFS工藝
荷蘭Delft大學(xué)的Mark教授以氧化溝和UCT工藝為基礎(chǔ)研發(fā)的BCFS工藝是目前已投入使用的單污泥系統(tǒng)
。該工藝主要由厭氧池
、選擇池、缺氧池等5個主池及3個循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成
,其工藝流程見圖5
。

該工藝實現(xiàn)了反硝化脫氮與生物除磷的有機結(jié)合
,其特點是:對氮、磷的去除率高
,污泥量比常規(guī)污水處理少10%
,運行簡單,脫氮除磷效果好
,因此該工藝是是一種很有前景的污水處理工藝
。
4.3 SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝
SHARON工藝的基本原理是短程硝化反硝化。該原理與傳統(tǒng)硝化反硝化的區(qū)別在于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進行反硝化
,使得反應(yīng)時間縮短
,除磷效果提高。厭氧氨氧化工藝中
,由于厭氧氨氧化菌是自氧菌無需外加碳源
,大大降低了硝化反應(yīng)的充氧能耗。因此將SHARON工藝作為硝化反應(yīng)器
,ANAMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器形成組合工藝
,工藝圖如圖6。該工藝適用于處理高氨氮濃度廢水
,此工藝與傳統(tǒng)工藝相比反應(yīng)時間短
,能耗低,產(chǎn)泥量少
。

5
、展望
污水脫氮除磷技術(shù)已成為水污染治理的重要技術(shù)
,未來發(fā)展將集中在以下幾個方面:
(1)對傳統(tǒng)脫氮除磷工藝進行改進
,使不同營養(yǎng)型微生物獨立生長在不同反應(yīng)器中。將傳統(tǒng)工藝進行組合試驗尋找最優(yōu)的組合新工藝
。
(2)以短程硝化反硝化
,厭氧氨氧化、反硝化除磷等新理論為基礎(chǔ)
,開發(fā)新型脫氮除磷工藝
。目前有些新技術(shù)已應(yīng)用于實踐當中,但這些新技術(shù)的原理
、工藝及影響因素還未完全掌握
,有待進一步深入研究。
(3)生物脫氮除磷工藝應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展的理念
,最大程度減少CO2的排放
,剩余污泥的產(chǎn)生,實現(xiàn)污染物無害化和廢水的回收利用
。
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