几种污水生物脱氮除磷的工艺比较
第2期
污染防治(33 ̄36)
环境研究与监测
2013年6月
几种污水生物脱氮除磷的工艺比较
李
敏1周开锡2
6411132内江市环境保护监测站四川内江
641100)
(1四川省再生资源开发有限公司四川内江
摘要:生物脱氮除磷技术的研究和应用已有40多年的历史,在工艺形式和工艺流程上都发生了一系列革新,新工
艺层出不穷。在连续流脱氮除磷工艺中出现了如A2/O、改进UCT、VIP、JHB等工艺。序批式工艺中出现了如CAST等工艺。本文主要讨论了连续流、序批式脱氮除磷工艺的主要功能和特点。随着生物脱氮除磷技术研究的深入,工艺简单、处理效率高、能耗低的组合新工艺将成为脱氮除磷工艺的发展趋势。关键词:脱氮除磷;连续流工艺;序批式工艺中图分类号:X592
文献标识码:A
文章编号:(G)01-0079(2013)02-33-36-04
近年来,水环境污染和水体富营养化的问题日益严重,而氮、磷是引起水体富营养化的主要因素。随着公众环境意识的提高和国内外对氮、磷排放的限制标准越来越严格,研究开发经济、高效的去除氮、磷的污水处理技术已成为水污染控制工程领域的研究重点和热点[1~2]。一直以来生物法是人们普遍采用的脱氮除磷技术,多年的实际运用过程中,传统的生物法技术也得到很好的完善,出现了一系列的在脱氮、除磷及除磷脱氮方面有独特效果的处理技术和工艺。
1污水脱氮除磷的工艺概述
微生物脱氮除磷技术(BiologicalNutrientRe-moval)按微生物在系统中的不同状态,可分为活性污泥法和生物膜法,通过设立好氧区、缺氧区和厌氧区来实现硝化、反硝化、释磷和放磷以达到脱氮除磷的目的。具体的生物脱氮除磷工艺有:A2/O法同步脱氮除磷工艺、生物转盘同步脱氮除磷工艺、SBR工艺、氧化沟工艺、亚硝酸盐生物脱氮工艺、AB法及其变型工艺等[2]。而这些工艺可以说都属于组合工艺,其
收稿日期:2012-07-27
作者简介:李敏(1985-),女,成都信息工程学院环境工程学士,从事污水处理工作。
发展于传统的污水处理技术,又超越了传统的生物流态到配套设处理技术的实践范围。从系统的泥龄、
备都朝着扬长避短的组合方向发展。一方面能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要求;另一方面又能除磷,并经过硝化、反硝化作用而达到脱氮目的。国内外学者对此进行了深入的研究,并使其发展到基于小试、中试的半生产性实验和工程应用。在理论和实践上进一步证明组合工艺技术的可行性和实用性,并在实际中对组合工艺进行了优化。所有这些都是考虑到脱氮除磷均包含着厌氧、缺氧、好氧三种状态的交替。其目的是通过组合和优化三种状态的组合方式及其数量的时空分布以及回流方式、位置而达到高效脱氮除磷的目的[2~3]。
除磷脱氮工艺在涉及泥龄上存在矛盾:首先,除磷需要泥龄短。生物除磷主要靠排出剩余污泥而带走磷,因此,如要除磷效率高,就必须加大污泥排泥量。其次,脱氮需要泥龄长。脱氮的关键步骤是硝化,消化过程不充分,则无法提高脱氮效率。但是,硝化菌(包括亚消化菌)是一类增值速度较慢的微生物,所需要的世代时间比较长,通常需要3~5d,因此在泥龄短的系统中,硝化菌量极少[4]。因此,如何确定合理的泥龄是提高除磷脱氮效率的技术关键。不可只偏重于其中一个方面。在特殊的情况下,可以改变泥龄的长短来调节除磷脱氮的重心。
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环境研究与监测第26卷
归纳起来主要有以下三种思路。
2连续流脱氮除磷工艺的革新与发展
连续流脱氮除磷工艺的发展主要是围绕着在同一污水处理系统中实现脱氮与除磷同时存在的矛盾中展开的。最初,脱氮和除磷是在不同的生物处理工艺中实现的。
1972年,Barnard在研究缺氧、好氧交替进行的Bardenpho脱氮工艺时发现废水中的磷也得以高效率的去除。于是,他在流程之初增加了一个厌氧区,提出同时实现脱氮除磷的Phoredox工艺,它的简化流程就是A2/O,如图1所示[5]
。
图2UCT工艺
第一种思路是改进污泥回流路线或增加反硝化环节,以控制厌氧区回流污泥中的硝酸盐含量。UCT、VIP、JHB等工艺都属于这种思路的产物。南非CateTown大学的UCT工艺将A2/O中的污泥回流由厌氧区改到缺氧区,使污泥经反硝化后再回流至厌氧区,减少了回流污泥中硝酸盐含量(如图2所示)
。
与A2/O工艺相比,在适当的COD/TKN比例下,缺氧区的反硝化可使厌氧区回流污泥中硝酸盐含量接近于0。当进水COD/TKN较高时,缺氧区无法实现
图1
A2/O工艺
完全的脱氮,仍有部分硝酸盐进入厌氧区,因此又产生改进UCT工艺(MUCT)(图3)
。
从此之后,脱氮除磷被统一在一个系统中,既简化了污水处理的操作,又增加了处理工艺的功能。然而实际应用表明脱氮与除磷之间存在一些矛盾,很难在同一系统中同时获得氮磷的高效去除。其中最主要的矛盾是厌氧环境下反硝化与释磷对碳源的竞争。
根据生物除磷原理,在厌氧条件下,聚磷菌通过菌种间的协作,将有机物转化为挥发酸,借助水解聚磷释放的能量将之吸收到体内,并以聚β羟基丁酸(PHB)贮存,提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖所需的磷源和能量。如果厌氧区存在较多的硝酸盐,反硝化菌会以有机物为电子供体进行反硝化,消进而耗进水中有机碳源,影响厌氧产物PHB的合成,影响到后续除磷效果[6]。
一般而言,要同时达到氮磷的去除目的,城市污水中碳氮比(COD/TKN)至少为9。当城市污水中碳源低于此要求时,由于大多数处理工艺流程都把缺氧反硝化置于厌氧释磷之后,反硝化效果受到碳源量的限制,大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污泥进入厌氧区,干扰厌氧释磷的正常进行,最终影响到整个营养盐去除系统的稳定运行。
为了改善城市污水脱氮除磷系统在进水碳源不足时的处理效果,研究者们进行了大量的工艺改进,
图3MUCT工艺
MUCT工艺有两个缺氧池,前一个接受二沉池回流污泥,后一个接受好氧区硝化混合液,使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开,进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。
JHB工艺是在A2/O工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了一个缺氧池,以减少回流污泥中硝酸盐的含量(如图4所示)
。
图4JHP工艺
中国矿业大学张雁秋等以他本人提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论
[7]
等为依据,创造出特殊工艺条件,提高活性污泥中
硝化菌、聚磷菌的比例,突破了传统活性污泥法硝化除磷量较少的瓶颈,实现了短时高效脱氮除速度慢、
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李敏等:几种污水生物脱氮除磷的工艺比较35
磷,并提出了分点进水脱氮除磷新工艺(ECO-SUNIDE)工艺(见图5),实现了3.1h曝气将氨氮从35mg/L脱除95%以上的高效硝化效果[8]。
理目标加以调整。
序批工艺以其简单的结构和灵活的运行方式在污水脱氮除磷领域很快受到广泛的重视和研究。1978年SBR基础上增加了生物选择器和污泥内循环系统,开发出内循环活性污泥法(CyclicActivated
[10]
SludgeTechnology,简称CAST)。
厌氧微氧沉淀
污泥回流图5
ECOSUNIDE工艺
它的特殊设计不仅利于氮、磷的同时去除,而且防止污泥膨胀等优点。从城市污还具有抗冲击负荷、
水厂的运行情况看,CAST工艺具有良好的脱氮效果,出水总氮低于5mg/L,但是除磷效果略显不足,只有70%~80%,出水总磷多在1~2mg/L[10]。
尽管调节功能增强,序批式工艺也存在一些明显的不足。首先,不论是SBR还是CAST,绝大多数序批反应都是间歇进水和间歇排水的,为了实现连续运行,进出水往往需要在几个序批反应器之间频繁切换。
进水出水期间,反应器内的水位处于一种动态的变化之中,为了确保出水时池底沉淀的污泥不会因水位逐渐下降受到扰动,SBR容积设计中需要留有贮泥容积并在排水的最低水位与污泥泥面水位之间留有一定安全距离。
因此设计中通常出水最高与最低水位之差(即撇水高度)不超过池体总高的40%,一般取2.0~
缺氧
沉淀
出水
该工艺由于具有脱碳、脱氮效率高,总停留时间短,运行费用较低的显著优点,已在徐州国祯水务运营有限公司、临沂市污水处理厂、临沂润泽水务有限公司、德州联合润通水务有限公司得到成功应用。
随着除磷研究在微生物学领域的深化,研究者发现一些聚磷菌在氧化PHB的过程中能以硝酸盐代替氧作电子受体,实现同时反硝化和过度摄磷,即所“一碳(指PHB)两用”。这对于解决除磷系统反硝谓
化碳源不足的问题和降低系统的充氧能耗都具有一定的意义。于是产生了第三种改进思路—反硝化除磷系统[9]。目前针对这类细菌的研究仍在继续,而人们利用这一现象开发的Dephanox工艺,有效的解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题,并且降低了系统的能源消耗(如下图6所示)。
磷化污泥回流
进水
厌氧
上清液
沉淀好氧
沉淀
上清液
2.2m,安全高度一般取0.6~0.9m。由此,每个周期的处理量只占总反应容积的30%~40%,降低了反应器的容积利用率,因此处理城市污水时序批系统的停留时间通常需要15~40h[11]。
其次,由于序批中循序出现厌氧—缺氧—好氧环境,环境边界条件变化范围大,某种环境下优势菌种的生化反应是一个渐变和滞后发生的过程。Col-unga对生物膜SBR反应器除磷效果研究中发现,由于受前一个周期好氧环境的影响,新周期中厌氧阶段磷的释放现象滞后1h出现,而且随着好氧阶段的开始,释磷立即停止,无形中缩短了厌氧释磷的实际反应时间。
此外,由于脱氮、除磷过程都是在一个池中循序进行,相互之间影响在所难免。例如当进水碳源不足和反硝化不完全或出现硝酸盐冲击负荷时,硝酸盐就会影响到下个周期初厌氧反应阶段的释磷。
在序批式反应器的启发下,为了增加工艺的调节性,取得稳定的氮磷去除效果,出现了介于连续流
反硝化除磷污泥液反硝化除磷污泥回流图6
Dephanox工艺
3序批式工艺的复兴与发展
计算机与自动控制技术的长足发展使单个SBR反应器中周期性交替的好氧、缺氧操作成为可能,也为工艺革新提供了新思路。
在自动控制程序的操纵下,序批反应器交替进行进水、缺氧搅拌、厌氧搅拌、曝气和沉淀撇水,一个反应器就能形成一个时间序列上的A2/O系统,实现脱氮除磷的目的,从而以一代四(即厌氧区、缺氧区、好氧区和二沉池),简化反应流程,推动了除磷脱氮系统向简单化、一体化和自动化的发展。不仅如此,各阶段反应历时还可根据进水水质及所需达到的处
36环境研究与监测第26卷
和序批反应之间的工艺。它们的共同点在于整个系统为连续流,进出水连续;一般有单独的厌氧反应区和二沉池,保证聚磷菌的最佳释磷条件以及较高的容积利用率;部分反应区采用间歇式的灵活运行方在监测和计算机自控式以调节缺氧-好氧反应历时,
系统的辅助下,系统可以根据进水水质及时调整操作条件和周期切换时刻,既保证了出水水质的稳定,也实现了系统资源配置的优化,使系统向高效低能耗方向发展。
这一点对于脱氮除磷工艺而言很有意义。因为在城市污水厂运行中,常规连续流脱氮除磷工艺往往因为设计时水质资料不准确或进水水质波动较大等原因,造成资源浪费或很难使实际运行结果达到既定目标。
目前文献报道的AAA工艺(AlternatingAerobicAnoxicProcess)、T型、DE型(Bio-Denipho)氧化沟、NOGCO—PLUS工艺以及同济大学顾国维等研究的MSBR都属于这种类型。它们既保留了连续流工艺进出水连续的运行特点又增加了系统的调节性。其中,Bio-Denipho氧化沟是目前研究最多、应用最广的工艺
[12~14]
行的可靠性、稳定性,实现了资源的有效配置,使处理系统向高效低能耗方向发展,促进了生物脱氮除磷工艺的推广应用。
参考文献
[1]黄明,张学洪,王敦球,等.城市污水生物脱氮除磷技术进展[J].广西科学院学报,2004,20(1):29~32.
[2]龚云华.污水生物脱氮除磷技术的现状与发展[J].环境保护,2000,7:23~25.
[3]王玉芝.污水脱氮除磷技术及工艺探析[J].化学工程与装备,2007,6:83~85.
[4]刘军,郭茜,瞿永彬,等.厌氧水解生物[J].给水排水,2000,26(7):10~13.
汪慧贞.可持续除磷脱氮BCFS工艺[J].中国给水排水,[5]郝晓地,2002,28(9):7~9.
[6]凡广生,李多松.城市污水处理新技术[J].水科学与工程技术,2006,1:33~36.
张连信.一个新的生物化学动力学基本方程[J].中国矿业大[7]张雁秋,
学学报,1994,23(4):84~87.
张雁秋,李燕.ECOSUNIDE工艺在实际工程中的应用[J].中[8]李昂,
国给水排水,2009,25(4):62~64.
2004,25(1):[9]马勇.新型高效反硝化除磷工艺[J].环境污染与防治,51~53.
2004,(9):53~[10]王凯军.污水处理新技术的发展趋势[J].城乡建设,54.
[11]张统编著.间歇式活性污泥法污水处理技术及工程实例[M].北京:2002:64~l27.化学工业出版社,
[12]王宝贞,王琳.水污染治理新技术—新工艺、新概念、新理论[M].北京:科学出版社,2003:131~153.
[13]杨宗政,庞金钊,张涛,等.校园生活污水处理新技术[J].城市环境2002,15(5):14~16.与城市生态,
李桂杰,裴宗平,等.中小城镇生活污水处理新技术—BI-[14]刘汉湖,
OLAK技术及实例[J].江苏环境科技,2004,17(4):19~21.
。
4脱氮除磷技术展望
随着生物学机理的深入揭示和相关学科的发展与渗透,脱氮除磷领域的技术革新与新工艺层出不穷。生物脱氮除磷的理论研究为处理过程的计算机模拟、工艺的设计与改造提供了理论依据和指导,使生物处理工艺日趋成熟。自动控制和传感器等其他领域技术的引入,提高了生物处理的可控程度与运
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程,如果监测人员熟悉监测点位,就可选择最近路线,少走弯路,减少油费。实验的定容环节,在确保监测质量不受影响的前提下,减少定容体积,可大幅减少纯水用量。同样,在不影响监测结果的前提下,实验的稀释环节可用自来水代替纯水或去离子水。在办公环节,大力提倡无纸化办公,需要打印时可选择虚拟打印机,形成PDF格式文件在计算机上传阅文
57~59.
[2]冷宇翔.引进现代企业管理,推行环境监测成本核算[J].中国环境管理,2003,22(6),35~43.
件。总之,鼓励监测人员开动脑筋,想方设法降低运行成本。
参考文献
[1]欧阳援朝.关于环境监测成本核算的探讨[J].四川环境,1994,13(1),