生物脱氮除磷机理及技术进展毕业论文

生物脱氮除磷机理及技术进展环境与安全工程学院给水04104415104钱亚娜摘要:生物脱氮除磷技术一直是污水处理领域所关注的重点。介绍了传统生物脱氮除磷机理及其相关进展,并从反应器和机理两方面介绍了几种高效、经济、实用的生物脱氮除磷工艺。关键词:脱氮除磷;机理;反应器;工艺Abstract:Biologicaltechnologyofdenitrificationandphosphorusremovalhasbeenfocusedoninwastewatertreatmentfieldinrecentyears.ThetraditionalmechanismofbiologicaldenitrificationandPhosphorusremovalandtherelevantadvancesarebrieflyanalyzedinthispaper,andseveraleffectiveandpracticalprocessesarealsointroducedintermsofreactorandmechanism.Keywords:denitrificatinandphosphorusremoval;mechanism;reactor;process随着城市化水平的不断提高,污水中氮、磷排放总量不断增加,污水的生物脱氮除磷技术在全球范围内引起广泛重视。而相关微生物学和生物化学方面不断出现新的研究成果,也使生物脱氮除磷机理及技术获得了较深入的进展。1生物脱氮除磷机理1.1生物脱氮机理1.1.1传统生物脱氮机理传统的生物脱氮理论认为生物脱氮是由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。在污水处理过程中,污水中的一部分氮被同化为微生物细胞的组成部分,微生物得到增殖[1]。氨化作用:污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在,蛋白质在蛋白质水解酶的催化作用下水解为氨基酸,氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用使有机氮转化为氨氮。硝化作用:硝化反应是由自养型好氧微生物完成。氨氮首先在亚硝化菌作用下转化为亚硝酸盐,然后在硝酸菌作用下亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐,这一过程需大量氧。反硝化作用:反硝化由异养兼性微生物完成。在有分子氧存在时,反硝化菌氧化分解有机物,利用分子氧作为最终电子受体;无分子氧存在时,以硝酸根、亚硝酸根为电子受体,O2-为受氢体生成H2O和OH-碱度,有机物作为碳源和电子供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化过程中硝酸根和亚硝酸根的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用共同完成,同化作用是硝酸根和亚硝酸根被还原为NH3用以新细胞的合成。异化作用是硝酸根、亚硝酸根被还原为N2或N2O、NO等气态物,主要为N2。异化作用去除的氮约占去除总量的70%～75%[2]。1.1.2其他生物脱氮机理(1)短程硝化/反硝化。从氨氮的微生物转化过程来看,氨氮被氧化成硝酸氮是由两类独立的细菌催化完成。对于反硝化菌无论是硝酸氮还是亚硝酸氮均可作为最终受氢体。试验证明,整个生物脱氮过程也可以经NH4+→NO2-→N２完成,这个途径就叫做短种硝化/反硝化。(2)厌氧氨氧化。其原理即在厌氧条件下,以NO2-、NO3-作为电子受体将氨氮转化为氮气。该工艺中NO2-是一个关键的电子受体。根据化学热力学原理,厌氧氨氮化过程的总反应是一个产生能量的反应,可以自发进行。从理论上讲,可以提供能量供微生物生长。因此可以假定厌氧反应器中存在微生物,它可以利用氨作为电子供体还原硝酸盐,或者说它可以利用硝酸盐作为电子受体来氧化氨。(3)同时硝化反硝化。当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在,硝化和反硝化在同一个反应器中同时进行称为同时硝化反硝化,这一理论得到了好氧反硝化菌和异养菌的发现以及好氧反硝化、异养反硝化等理论研究的支持。SND在生物膜反应器及活性污泥系统中均可以发生。与传统生物脱氮工艺相比,SND能有效地保持反应器中pH稳定,无需外加碱剂,节省运行费用;对于连续运行的SND工艺污水处理厂,可以省去缺氧池的费用,或至少减少其容积;对于仅由一个反应池组成的SBR反应器而言,SND能够降低实现完全硝化反硝化所需的总时间[3]。1.2生物除磷机理1.2.1传统生物除磷机理污水生物除磷技术来源于微生物超量吸磷现象的发现。在厌氧区(无分子氧和硝态氮),兼性菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为乙酸盐等低分子挥发性有机物(VFAs),在厌氧压抑条件下,聚磷菌吸收了这些或来自原污水的VFAs,将其运送到细胞内,同化成胞内碳能源储存物(PHB/PHV),所需能量来源于聚磷的水解及细胞内糖的酵解,并导致磷酸盐的释放。进入好氧状态后,这些专性好氧的聚磷菌(PAO)活力得到恢复,并以聚磷的形式捕积超过生长需要的磷量,通过PHB/PHV的氧化分解产生能量,用于磷的吸收和聚磷的合成,能量以聚磷酸高能键的形式存储,磷酸盐从液相中去除,产生的富磷污泥通过剩余污泥排放使磷从系统中去除。1.2.2反硝化除磷机理反硝化除磷细菌能在缺氧(无O2但存在NO3-)环境下摄磷。DPB的生物摄/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学(TUDelft)和日本东京大学(UT)研究人员所证实[4,5],它具有同PAO极为相似的除磷原理,只是氧化细胞内贮存的PHA时电子受体不同而已(PAO为O2,而DPB为NO3-)。在缺氧(无O2但存在NO3-)条件下,反硝化除磷细菌DPB能够像在好氧条件下一样,利用硝酸氮充当电子受体,产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时,硝酸氮被还原为氮气,这使得摄磷和反硝化(脱氮)这两个不同的生物过程借助同一个细菌在同一个环境中完成,反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一[6]。摄磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要,而且摄磷在缺氧条件下完成可缩小曝气区的体积(亦节省能源),产生的剩余污泥量也有望降低[3]。2生物脱氮除磷技术进展2.1基于传统理论的生物脱氮除磷技术2.1.1A2/O工艺A2/O脱氮除磷工艺中,污水首先进入厌氧池,兼性厌氧发酵菌将污水中易降解有机物转化为VFAs,回流污泥带入的聚磷菌将体内贮存的聚磷分解,所释放的能量一部分可供好氧的聚磷菌在厌氧环境下维持生存,另一部分能量供聚磷菌主动吸收VFAs,并在体内储存PHB。缺氧区中反硝化菌就利用混合液回流带入的硝酸盐以及进水中的有机物进行反硝化脱氮。好氧区中聚磷菌除了吸收利用污水中残留的易降解ROD外,主要分解体内贮存的PHB产生能量供自身生长繁殖,并主动吸收环境中的溶解磷,以聚磷的形式在体内贮积。污水经厌氧、缺氧区有机物分别被聚磷菌和反硝化菌利用后浓度已很低,有利于自养的硝化菌的生长繁殖。改良A2/O工艺在厌氧池之前设置厌氧/缺氧调节池来避免A2/O法回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的影响[7]。倒置A2/O工艺是取消A2/O工艺的内循环,形成了缺氧/厌氧/好氧工艺。该工艺把缺氧段前置,优先满足反硝化对碳源的需要,使系统脱氮功能得到加强。由于避免了回流污泥中硝酸盐和溶解氧的不利影响,全部回流污泥都参与了释磷和摄磷过程,使其除磷功能优于传统的A2/O工艺。2.1.2五箱一体化活性污泥工艺五箱一体化活性污泥工艺主体是一个被分隔成五个单元的矩形反应池。五池间水力连通,每池都设有曝气和搅拌系统,两边池设有出水口和污泥排放口,交替作为曝气/搅拌和沉淀池。污水可进入中间一池以外的任一池,采用连续进水,周期性交替运行。通过调整运行方式,创造良好的厌氧、好氧条件以达到脱氮除磷的目的。该工艺的运行周期分前半周期和后半周期,共8个阶段,以阶段一、五为主体段,阶段二、六为过渡段1,阶段三、七为过渡段2,阶段四、八为沉淀段。它具有脱氮除磷效率高、占地面积小、自动化程度高、操作简便等优点[8]。2.1.3螺旋升流式反应器进水先后经厌氧、缺氧、好氧反应器,各反应器中混合液在特定装置的推动下,螺旋上升。在好氧反应器中下部装有曝气头,以保持中上部的完全好氧状态和下部的好氧-缺氧过渡状态。SUFR能使反应器中水流以螺旋升流的方式流经整个反应器,形成了较好的推流状态,提高了反应器活塞流态的容积利用率,而且具有明显的基质浓度梯度,因此显著提高反应器的脱氮除磷效率,对TN、TP和COD的去除率分别达86%、96%和94%以上。SUFR系统的螺旋流动特征使该反应器接近于活塞流反应器,有利于在空间上形成有机物的浓度梯度分布,表现出较好的有机底物和氧气的传质特性,系统中微生物种群具有多样化,所形成的微生物生态系统更稳定[9]。在本系统中也发现了反硝化除磷现象。2.2新型生物脱氮除磷技术2.2.1双污泥脱氮除磷工艺该工艺分前后两段,前段采用活性污泥法,主要由厌氧池、缺氧池、短泥龄好氧池、沉淀池等组成;后段主要采用曝气生物滤池。系统回流包括污水回流和污泥回流,污水回流是将部分生物滤池出水回流至缺氧池,以保证脱氮效果;污泥回流则是将沉淀池污泥部分回流到厌氧池,其余富含磷的剩余污泥被排掉。厌氧池内有机物被活性污泥快速吸附或降解用于厌氧释磷。缺氧池内反硝化聚磷菌利用体内的PHB进行反硝化,同时以回流污水中的硝酸根为电子受体进行吸磷,PHB被DPB同时用于反硝化和吸磷作用,实现了“一碳两用”,提高了易降解有机物的利用率。短泥龄好氧池通过采用较高污泥负荷和较短泥龄,使好氧池内的硝化反应不完全,创造适合聚磷菌生长的环境。曝气生物滤池提高了滤池内硝化细菌的浓度,硝化细菌因处于专性好氧状态而大大增强了硝化效果。结果表明,该工艺对COD、NH3-N、TP的去除率分别高达85%、95%、90%,处理效果稳定[10]。2.2.2SHARON工艺、SHARON-ANAMMOX联合工艺SHARON工艺基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后进行反硝化。用SHARON工艺来处理城市污水二级处理系统中污泥硝化上清液和垃圾滤出液等高氨氮废水,可使硝化系统中亚硝酸积累达100%。该工艺核心是应用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率,即在高温(30～35℃)下,亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率,亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌这一固有特性,通过控制系统的水力停留时间使其介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之间,从而使亚硝酸菌具有较高的浓度而硝酸菌被自然淘汰,维持稳定的亚硝酸积累。工艺中温度和HRT值应严格控制。SHARON工艺由于在反硝化中需要消耗有机碳源,并且出水浓度相对较高,因此可以SHARON工艺作为硝化反应器,而ANMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合工艺。SHARON工艺可能控制部分硝化,使出水中NH4+与NO2-比例为1:1,从而作为ANAMMOX(厌氧氨氧化)工艺的进水,组成一个新型的生物脱氮工艺。SHARON-ANAMMOX，联合工艺具有耗氧少、污泥产量少、不需外加碳源等优点。2.2.3DEPHANOX工艺典型的反硝化除磷工艺回流污泥完成在厌氧池中的放磷和PHA储备后在中间沉淀池中泥水分离;分离后的上清液直接进入随后的好氧固定生物膜反应池进行硝化;沉淀的污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧反应池内同时完成反硝化和摄磷(关键步骤);脱氮和摄磷后的混合液再进入曝气池再生(氧化细胞内残余的PHA),使其在下一循环中发挥最大释磷和PHA储备能力。该工艺不仅可以达到稳定的磷和氮的去除,还可以减少50%的COD需求量和减少30%的需氧量以及减少50%的产泥量,避免了反硝化细菌和聚磷菌对有机物的竞争以及两种细菌泥龄的差异,可以抑制污泥膨胀的发生[3]。2.2.4BCFS工艺该工艺充分利用DPB的缺氧反硝化除磷作用以实现磷和氮的高效去除。通过不同的循环系统来控制细菌的生长环境,使不同功能的细菌具有不同的生存空间,充分发挥其相应功能。BCFS工艺氮、磷的去除率高,可使出水中总氮小于5mg/L,正磷酸盐含量几乎为零。SVI值低(80～120mL/g)且稳定,可有效地减少曝气池及二沉池的容积。该工艺通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定,污泥产量与常规污水厂相比减少了10%。利用DPB实现生物除磷,使碳源(COD)能被有效地利用,从而使该工艺在COD/(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态,同时使除磷所需的化学药剂量大大减少。使用生物除磷器获得富含磷的污泥,使磷的循环利用成为可能[3]。3结语污水生物脱氮除磷技术的发展目前主要集中于两个方面:首先是基于传统理论水平的工艺流程及反应器上的改进;其次是在新的微生物学和生物化学理论基础上开发出的新型工艺。随着脱氮除磷理论的发展,人们对生物脱氮除磷的认识将进一步深入。生物脱氮除磷工艺也理应结合可持续污水处理的理念,最大程度地减少COD氧化,尽可能减少CO2排放量,减小剩余污泥产量,充分利用磷酸盐污泥,这将是今后污水处理领域发展的方向。参考文献:[1]郑兴灿,李亚新.污水除磷脱氮技术[M].北京:中国建筑出版社,1998.[2]汪大翚,雷乐成.水处理新技术及工程设计[M].北京:化学工业出版社,2001.[3]王晓莲,彭永臻,王淑宝,等.城市可持续污水生物处理技术[J].水处理技术,2004,30(2):106-109.[4]Kuba