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污水脱氮除磷工艺

环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的氮磷排放标准,这也使污水脱氮除磷技术一度成为污水处理领域的热点和难点。因此,研究和开发高效、经济的生物脱氮除磷工艺成为当前城市污水处理技术研究的热点。

1 生物脱氮新技术
    污水生物脱氮的基本原理是:在好氧条件下通过硝化反应先将氨氮氧化为硝酸盐,再通过缺氧条件下的反硝化反应将硝酸盐异化还原成气态氮从水中去除。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区和好氧区分开,形成分级硝化反硝化工艺,以便硝化与反硝化能够独立进行。
    近年来,一些研究者在研究中陆续观察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象。比如将好氧硝化过程控制在亚硝酸盐阶段,然后在缺氧条件下直接反硝化的亚硝酸型生物脱氮;在一定的条件下,硝化和反硝化可以在同一个反应器内同时完成;异养硝化以及厌氧氨氧化等。这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论主要从物理学角度研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质(如DO、有机物、NO3--N和NO2--N等)传递的变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用,从而导致的微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。在宏观环境中微好氧状态时,由于氧扩散的限制,微生物絮体内产生了溶解氧梯度,也就形成了不同的微环境。生物学角度的解释不同于传统理论,微生物学家发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌,它们甚至可在完全厌氧的条件下发生硝化作用。有些好氧反硝化菌同时也是异养型硝化菌,它们能够在好氧条件下直接将氨转化为最终的气态产物。以上这些现象的发现为研究者研究新的生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向,使他们不断开发出了许多新型脱氮工艺。如:SND(同时硝化反硝化工艺)、SHARON(Singlereactor high activity ammonia removal overnitrite,亚硝化反应器)工艺、OLAND(Oxygen-limitedautotrophicnitrification-denitrification,氧限制自氧硝化—反硝化)工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺等。
    1985年,Rittmann等在工业规模的氧化沟中成功地实现了同时硝化和反硝化,并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区连续进行。通过控制DO浓度可实现在同一反应器内的SND,后来的Daigger、Rit-tmann以及国内的高廷耀、吕锡武等都对SND进行了大量的研究工作。近年来国内外有不少实验和报道都证明了SND现象,尤其是在有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统,如生物转盘、SBR、氧化沟、CAST等,但对SND的机理及工程应用的可行性尚有待进一步的研究和开发。
    OLAND工艺是由比利时GENT微生物生态实验室开发的。该工艺的技术关键是控制溶解氧浓度,使硝化过程仅进行到NO2--N阶段。由于亚硝酸菌对溶解氧的亲和力较硝酸菌强,亚硝酸菌氧饱和常数则比硝酸菌低,OLAND工艺就利用了这两类菌动力学特性的差异,实现了在低溶解氧状态下淘汰硝酸菌,积累大量亚硝酸菌的目的。但对于悬浮系统来说,低氧状态下活性污泥易解体和发生丝状膨胀。目前该工艺还停留在实验室探索阶段,面临的主要问题是自养型亚硝酸菌的活性较低,污泥氨氧化速率只有2mg/g·d。
    SHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺。该工艺的核心是利用亚硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高温(30℃~35℃)下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率的特性来控制系统的SRT在硝酸菌和亚硝酸菌的最小SRT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,同时对系统内的温度和pH进行严格控制,维持稳定的亚硝酸积累。SHARON工艺主要用于处理城市污水二级处理系统中污泥消化的上清液和垃圾滤出液等废水。荷兰已建成两座利用该工艺的废水生物脱氮处理厂,证明了亚硝酸型生物脱氮的可行性(见图1)。由于这些废水本身温度较高,属高氨高温水,有利于进行短程硝化反硝化,可使硝化系统中亚硝酸的积累达100%。但大量的城市污水,一般都属于低氨低温水,要使水温升高并保持在30℃~35℃很难实现。

    1990年,荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发出厌氧氨氧化工艺,即在厌氧条件下,微生物直接以NH4+做电子供体,以NO2-为电子受体,将NH4+或NO2-转变成N2的生物氧化过程。由于厌氧氨氧化过程是自养的,因此不需要另加COD来支持反硝化作用,与常规脱氮工艺相比可节约100%的碳源。而且,如果把厌氧氨氧化过程与一个前置的硝化过程结合在一起,那么硝化过程只需要将部分NH4+氧化为NO2--N,这样的短程硝化可比全程硝化节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量。Sharon-Anammox(亚硝化—厌氧氨氧化)工艺被用于处理厌氧硝化污泥分离液并首次应用于荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理厂,其工艺流程如图2所示。由于剩余污泥浓缩后再进行厌氧消化,污泥分离液中的氨浓度很高(约1200~2000mg/L),因此,该污水处理厂采用了Sharon-Anammox工艺,并取得了良好的氨氮去除效果。

2 生物除磷新工艺
    污水生物除磷是通过厌氧段和好氧段的交替操作,利用活性污泥的超量吸磷特性,使细胞含磷量相当高的细菌群体能够在处理系统的基质竞争中取得优势剩余污泥的含磷量为3%~7%。近年来,研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”(DPB),它可以在缺氧条件下利用NO3-作为电子受体氧化细胞内贮存的pHA,并从环境中摄磷,实现同时反硝化和过度摄磷。兼性反硝化菌生物摄/放磷作用的确认,不仅拓宽了除磷的途径,而且更重要的是这种细菌的摄/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。该工艺具有处理过程中COD和O2消耗量较少、剩余污泥量小等特点并且利用DPB实现生物除磷,能使碳源得到有效利用,使该工艺在COD/(N+P)值相对较低的情况下仍能保持良好的运行状态,并使除磷的化学药剂量大大减少,同时除磷器内可获得富含磷的污泥,使磷的循环利用成为可能。
    目前,在不同环境条件下DPB的诱导增殖与代谢途径变化规律以及系统中DPB菌群演化数量的判定和调控方式等都是亟待研究的课题。
    反硝化除磷菌应用的代表性工艺是荷兰DelfT大学开发的BCFS(Biologisch-Chemische-Fosfaat-StikstofVervijdering,反硝化及生物—化学沉淀除磷组合工艺)工艺(见图3)。据报道,该工艺中50%的磷均由DPB去除。该工艺由5个功能相对专一的反应器组成,通过控制反应器之间的3个循环来优化各反应器内细菌的生存环境。其充分利用了DPB的缺氧反硝化除磷作用,实现了磷的完全去除和氮的最佳去除;充分利用了磷细菌对磷酸盐的亲和性,将生物摄磷与富磷上清液(来自厌氧释放)离线化学沉淀有机结合,使系统在稳定的SVI(SVI<120mL/g)下能获得良好的出水水质(总磷<0.2mg/L,总氮<5mg/L)。

3 生物脱氮除磷技术的发展趋势
    污水排放标准的不断严格是目前世界各国的普遍发展趋势,以控制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚,投入的资金也十分有限,研究水平仍处于发展阶段。目前在生物脱氮除磷技术基础理论没有重大革新之前,充分利用现有的工艺组合,开发技术成熟、经济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方向,主要体现在:
    (1)开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发,优化生物脱氮除磷组合工艺,开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合工艺。
    (2)发展可持续污水处理工艺,朝着节约碳源、降低CO2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。
    (3)大力开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。

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