污水除磷工艺研究进展

污水除磷工艺研究进展

1工艺措施的应用中国是一个水资源相对匮乏的国家。随着中国经济的不断发展，水体富营养化问题日益严重。近年来，红色潮和水花事件给我们带来了警钟。众所周知,发生水体富营养化主要原因是水中的氮和磷元素超标,所以加强对污水的深度处理已迫在眉睫。A2O同步脱氮除磷工艺及其变型工艺,能有效地同步去除水中的磷和氮,因而应用越来越广泛,与此同时针对不同水质、处理目的不同的变型工艺也不断问世,如Bardebpho工艺、phoredox工艺、UCT工艺、VIP工艺等。传统的生物脱氮过程包括有机氮氨化、硝化、反硝化3个阶段。除磷包括释磷和聚磷2个阶段。2生物脱氮和除磷的原理2.1有机氮的变化氨化作用(ammonification)是有机氮在微生物的分解作用下释放出氨的过程。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在,蛋白质在蛋白酶的作用下水解为多肽与二肽,然后由肽酶进一步水解生成氨基酸,氨基酸在脱氨基酶作用下转化为氨氮。氨化细菌种类很多,而且绝大多数为异养型细菌,呼吸类型有好氧、兼性也有厌氧。氨化过程速度很快,所以在设计时无需采取特殊措施。2.2细菌、硝化菌和亚硝酸菌硝化(nitrification)反应是在有氧条件下微生物将氨氮转化为硝态氮的过程。硝化过程包括两个基本反应步骤:首先是亚硝化细菌(Nitrosomonas)将氨氮转化为亚硝酸(NO2-),然后由硝化细菌(Nitrobacter)将亚硝态氮转化成硝酸(NO3-)。亚硝化菌和硝化菌大都是自养菌,它们利用CO2,CO32-和HCO3-等作为碳源,通过NH3,NH4+或NO2的氧化而获得能量。其反应过程为:亚硝化反应:2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+硝化反应:NO2-+0.5O2→NO3-2.3反硝化过程中no2-和no3-的变化反硝化(denitrification)过程是硝酸盐被一类反硝化细菌通过生物异化作用还原为氮气的过程。反硝化菌是兼性菌,能够利用氧或硝酸盐作为最终电子受体。当氧受限制时,反硝化细菌以硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+作为能量代谢中的电子受体进行无氧呼吸。反硝化过程中NO2-和NO3-的转化是通过反硝化菌的同化作用(合成代谢)和异化作用(分解代谢)来完成的。同化作用是NO2-和NO3-被还原成NH3-N,用以合成新细胞,氮成为细胞质的成分,约占细胞干重的12.5%。异化作用是NO2-和NO3-被还原成NO,N2O和N2过程。异化作用去除的氮约占总去除量的70%~75%。NO3-+5H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-当污水中BOD5/TKN>4时可认为碳源充足,否则反硝化过程不彻底,因此需要补加碳源。2.4厌氧释磷法生物释磷是一类聚磷菌(Poly-phosohateAccumulatingOrganisms,PAO)在厌氧条件下分解贮存在其体内的聚磷酸盐,同时利用分解过程中产生的ATP将污水中低分子有机物(主要是挥发性脂肪酸,VFA)摄入细胞内,以聚-β-羟基丁酸盐(PHB)、聚-β-羟基戊酸盐(PHV)及糖原等有机颗粒的形式贮存,把分解聚磷酸盐过程中产生的无机磷酸盐释出体外,这个过程称为厌氧释磷。释磷阶段所需能量来源于聚磷酸盐的水解及细胞内糖的发酵。2.5好氧吸磷法在好氧条件下,聚磷菌又可利用氧化分解体内的PHB释放的能量来超量摄取污水中的磷,并重新以聚合磷酸盐的形式贮存于细胞内,并利用所释放的部分能量合成自身细胞,这个过程称好氧吸磷。在好氧阶段,活性污泥迅速增殖,所以通过不断把超量吸收磷的剩余污泥从处理系统中排出的方法达到除磷的目的。通常污水中BOD5/TP>17以上时,具有良好的除磷效果。3脱氮与去除磷的矛盾3.1硝化过程需要在夏季拉紧硝化菌大多属于自养菌,世代周期较长,需要较长的泥龄,夏季至少在5d以上,在冬季甚至达到30d,因而硝化过程需要较长时间;而聚磷菌属于异养菌,世代周期较短,一般在3d左右。3.2反硝化过程中生成nxo-由于反硝化细菌和聚磷菌都是异养菌,在生长过程中都需要有机物作为碳源,但在碳源的竞争中反硝化菌明显优于聚磷菌,在缺氧条件下一旦水中含有NxO-,反硝化过程很容易占有优势而会影响聚磷菌的释磷,即无法竞争到足够的碳源合成PHB,最终无法在好氧阶段完成大量聚磷。解决上述矛盾的主要方法是使硝化、反硝化、释磷和聚磷过程分别在不同的反应器内进行,各自满足不同生物的生存条件。42ao及其变形技术的特点4.1s1o-bo工艺A2O工艺见图1。A2O工艺把厌氧、缺氧和好氧3个区严格分开,目的是为种属不同的脱氮和除磷菌创造各自适宜生长和繁殖的条件。此外,A2O工艺的厌氧、缺氧、好氧交替运行还能有效抑制丝状菌的繁殖,避免污泥膨胀问题。尽管A2O工艺有较好的脱氮除磷功能,但也存在工艺上的弊端:活性污泥直接回流进厌氧池,其中夹带的大量硝态氮会破坏厌氧池内的厌氧状态,从而影响系统的除磷效果;混合液回流量增加使系统运行能耗及运行成本增加。另外,随着回流量增大,污泥负荷下降,结果混合液污泥中的含磷量随之下降而不利于生物除磷,因为生物除磷需要高污泥负荷,生物脱氮则需要低污泥负荷,所以在A2O工艺中要使脱氮和除磷二者同时达到最佳状态是困难的,一般是以生物脱氮为主,生物除磷为辅。4.2ph带型预处理Bardebpho工艺见图2。其特点是在AO脱氮工艺的基础上增设一个缺氧段和一个好氧段,理论上脱氮率能达100%,实际上脱氮效率通常在90%~95%。Bardebpho工艺缺点是不能同时实现高效的脱氮和除磷,往往脱氮效果好于除磷效果,为保证很高的脱氮效率要在二级缺氧池中投加碳源;工艺流程长、反应池多、处理成本较高。phoredox工艺见图3。如前所述,4段Bardebpho工艺虽然有较高的脱氮效率,但除磷效果差,为此phoredox工艺以Bardebpho工艺为基础,在第一缺氧池前增加一个厌氧段,有效地克服了Bardebpho工艺无厌氧段而释磷不充分的缺点。phoredox工艺在除磷效率上优于Bardebpho工艺,但要求进水BOD/TKN最小值从7.1提高到9.1,此外还存在磷的再次释放,工艺流程比Bardebpho工艺更复杂,运行成本更高等问题。4.3优化污泥回流方式UCT(UniversityofCapeTownProcess)工艺见图4,是典型A2O工艺的改进型。针对A2O工艺将活性污泥直接回流至厌氧池而对生物除磷产生干扰和要求厌氧池容积变大的问题,UCT工艺是把活性污泥回流至缺氧池的前端,先在缺氧条件下充分去除回流活性污泥混合液中的硝酸盐,然后将活性污泥回流至厌氧池,这种布局大大的降低了厌氧池中硝酸盐的浓度,从而有利于提高释磷效率。虽然UCT工艺能够较好地解决溶解氧及硝酸盐对厌氧池释磷的负面影响,但仍然缺乏运转的灵活性,控制过程复杂,多次回流使运行费用增加。深圳市坂雪岗污水处理厂采用UCT工艺,取得了较为理想的处理效果,出水氨氮2~5mg/L,总磷0.3~0.8mg/L。MUCT工艺改进了厌氧段、缺氧段的设置方式和优化了污泥回流方式。通过改进提高了生物除磷效率的稳定性和运行的灵活性,使生物除磷脱氮能满足不同水质、不同季节的需要。处理效果也优于传统UCT工艺,但MUCT工艺增加了一级污泥回流,使系统变得更为复杂,能耗更高。4.4生物反应池的组成VIP(VirginiaInitiativePlant)工艺流程与UCT工艺非常类似,但VIP工艺的运行负荷和泥龄都低于UCT工艺,系统总容积也比UCT工艺小。VIP工艺与UCT工艺相比有两个显著的不同点:其一是VIP工艺中的生物反应池由多个完全混合型反应格组成,采取了分区方式,每区由2~4格组成;其二是通过提高混合液中活性生物量和运行负荷,不仅减少了反应池的总容积,同时提高了除磷效率。VIP工艺的典型泥龄为4~12d,水力停留时间为6~7h。4.5改良全面升级工艺改良A2O工艺见图6。为了避免改良UCT(即MUCT)工艺中因增设一套回流系统和厌氧池造成污泥浓度低,除磷效果差的问题以及A2O工艺对回流硝酸盐不耐冲击的弱点,在综合A2O工艺和改良UCT的优点基础上,中国市政工程华北设计研究院开发了改良A2O工艺,即在厌氧池之前增设厌氧/缺氧调节池,把二沉池的回流污泥10%左右引入该池,停留时间为20~30min。增设调节池后,使微生物利用约10%进水中的有机物,去除绝大部分回流污泥中的硝态氮,消除了硝态氮对厌氧池的不利影响,保证了厌氧池的稳定性。4.6两组回流和污泥回流组合倒置A2O工艺是将常规A2O工艺的厌氧池和缺氧池位置对调,其工艺流程见图7。该工艺是根据国家《污水综合排放标准》中,对总磷和氨氮要求较高而对总氮要求不高的情况而设计的,把混合液回流和污泥回流合并一个污泥回流系统。两股回流合并节省动力费,设备和流程简单、便于管理,且有较高的除磷效率。缺点是为提高脱氮效率加大了外回流量,因此二沉池负荷增加,导致沉淀池比常规A2O系统的二沉池要大。此外两股回流液合并,导致回流比变小(一般为150%~200%),结果总氮的去除率下降,比常规A2O工艺低40%左右。4.7pasf工艺5次生物膜pasf工艺随着脱氮除磷原理研究的不断深入,传统的处理工艺也在不断改进,如短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、同步硝化反硝化工艺、SHARON工艺及反硝化除磷工艺等,极大推进了废水处理工艺的变革,但由于多数新型工艺对运行条件有较高要求,控制方式也比较严格,所以在大规模污水处理系统中推广应用受到限制,而传统的A2O工艺及其变型工艺,因具有设备简单、运行可靠、管理方便、费用相对低廉等诸多优点,现阶段仍然是脱氮除磷的主要方式,因此对A2O工艺的进一步研究、完善和创新,对水环境日益恶化的今天有着普遍的现实意义。反硝化反应为:NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-MUCT(ModifiedUniversityofCapeTownProcess)是UCT工艺的改良型工艺,其工艺流程见图5。PASF(removePhosphorusandnitrogencombinedActivatedSludgeandbioFilmtechnology)工艺见图8。由于A2O系统要求不同污泥龄的微生物,所以近年来很多研究是将活性污泥法和生物膜法相结合来缓解这一矛盾,对短泥龄的聚磷菌和反硝化菌采用悬浮活性污泥法,而对长