污水處理 | 全面解析生物脫氮除磷的處理工藝

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摘要：在陳述城市污水生物脫氮除磷機理的基礎下，簡(jiǎn)單分析生物脫氮除磷的處理工藝。

1 前言

城市污水中的氮、磷主要來(lái)自生活污水和部分工業(yè)廢水。氮、磷的主要危害:一是使受納水體富營(yíng)養化;二是影響水源水質(zhì)， 增加給水處理成本;三是對人和生物產(chǎn)生毒害。上述危害嚴重制約了城市水環(huán)境正常功能的發(fā)揮， 并使城市缺水狀況加劇，而且隨著(zhù)人民生活水體的提高和環(huán)境的惡化，對水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。為了達到較好的脫氮除磷效果，環(huán)境工作者對一些傳統工藝進(jìn)行了改進(jìn)或設計出新工藝，本文簡(jiǎn)單介紹一些脫氮除磷工藝。

2 生物脫氮原理

一般來(lái)說(shuō)， 生物脫氮過(guò)程可分為三步: 第一步是氨化作用， 即水中的有機氮在氨化細菌的作用下轉化成氨氮。在普通活性污泥法中， 氨化作用進(jìn)行得很快， 無(wú)需采取特殊的措施。第二步是硝化作用， 即在供氧充足的條件下， 水中的氨氮首先在亞硝酸菌的作用下被氧化成亞硝酸鹽， 然后再在硝酸菌的作用下進(jìn)一步氧化成硝酸鹽。為防止生長(cháng)緩慢的亞硝酸細菌和硝酸細菌從活性污泥系統中流失， 要求很長(cháng)的污泥齡。第三步是反硝化作用， 即硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽和硝酸鹽在反硝化細菌的作用下被還原成氮氣。這一步速率也比較快， 但由于反硝化細菌是兼性厭氧菌， 只有在缺氧或厭氧條件下才能進(jìn)行反硝化， 因此需要為其創(chuàng )造一個(gè)缺氧或厭氧的環(huán)境( 好氧池的混合液回流到缺氧池) 。反應方程式如下:

( 1) 硝化反應:

硝化反應總反應式為:

 ( 2) 反硝化反應:

另外， 由荷蘭Delft 大學(xué)Kluyver 生物技術(shù)實(shí)驗室試驗確認了一種新途徑， 稱(chēng)為厭氧氨( 氮) 氧化。即在厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為電子受體，由自養菌直接將氨轉化為氮， 因而不必額外投加有機底物。反應式為:NH4+NO2→N2+2H2O

3 生物除磷原理

所謂生物除磷， 是利用聚磷菌一類(lèi)的微生物， 在厭氧條件下釋放磷。而在好氧條件下， 能夠過(guò)量地從外部環(huán)境攝取磷， 在數量上超過(guò)其生理需要， 并將磷以聚合的形態(tài)儲藏在菌體內， 形成高磷污泥排出系統， 達到從污水中除磷的效果。

生物除磷過(guò)程可分為3 個(gè)階段，即細菌的壓抑放磷、過(guò)渡積累和奢量吸收。首先將活性污泥處于短時(shí)間的厭氧狀態(tài)時(shí)，儲磷菌把儲存的聚磷酸鹽進(jìn)行分解，提供能量，并大量吸收污水中的BOD、釋放磷( 聚磷酸鹽水解為正磷酸鹽) ，使污水中BOD 下降，磷含量升高。然后在好氧階段，微生物利用被氧化分解所獲得的能量，大量吸收在厭氧階段釋放的磷和原污水中的磷，完成磷的過(guò)渡積累和最后的奢量吸收，在細胞體內合成聚磷酸鹽而儲存起來(lái)，從而達到去除BOD 和磷的目的。反應方程式如下:

( 1) 聚磷菌攝取磷:

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O

( 2) 聚磷菌的放磷:

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量

4.脫氮除磷工藝

4.1 AB法

AB法污水處理工藝是一種新型兩段生物處理工藝，是吸附生物降解法的簡(jiǎn)稱(chēng)。該工藝將高負荷法和兩段活性污泥法充分結合起來(lái)，不設初沉池，A、B兩段嚴格分開(kāi)，形成各自的特征菌群，這樣既充分利用了上述兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了兩者的缺點(diǎn)。所以AB法工藝具有較傳統活性污泥法高的BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率。但AB法工藝不具備深度脫氮除磷的條件，對氮、磷的去除量有限，出水中含有大量的營(yíng)養物質(zhì)，容易引起水體的富營(yíng)養化。AB法工藝對氮、磷的去除以A段的吸附去除為主。污水中的部分有機氮和磷以不溶解態(tài)存在，在A(yíng)段生物吸附絮凝的作用下通過(guò)沉淀轉移到固相中，同時(shí)生物同化也可以去除一部分以溶解態(tài)存在的氮和磷。剩余的磷進(jìn)入B段用于B段的微生物的合成而得到進(jìn)一步去除。這樣AB法工藝整體顯示出了比傳統活性污泥法高的氮、磷的去除效果。但是AB法由于自身組成上的特點(diǎn)，決定了其對氮、磷的去除量是有限的。

4.2 A²/O 工藝

4.2．1 傳統A²/O 法

A²/O 是20世紀70年代在厭氧- 缺氧工藝上開(kāi)發(fā)出來(lái)的同步除磷脫氮工藝，傳統A²/O 法即厭氧→缺氧→好氧活性污泥法。污水在流經(jīng)三個(gè)不同功能分區的過(guò)程中，在不同微生物菌群作用下，使污水中的有機物、氮和磷得到去除。其流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。原污水的碳源物質(zhì)(BOD)首先進(jìn)入厭氧池聚磷菌優(yōu)先利用污水中易生物降解有機物成為優(yōu)勢菌種，為除磷創(chuàng )造了條件，然后污水進(jìn)入缺氧池，反硝化菌利用其它可利用的碳源將回流到缺氧池的硝態(tài)氮還原成氮氣排入到大氣中， 達到脫氮的目的。

4.2．2 改良型A²/O 法

為了克服傳統A²/O 工藝的一個(gè)缺點(diǎn)，即由于厭氧區居前， 回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區產(chǎn)生不利影響，改良A /O工藝在厭氧池之前增設厭氧/ 缺氧調節池， 來(lái)自二沉池的回流污泥10%左右的進(jìn)水進(jìn)入調節池，停留時(shí)間20～30min，微生物利用約10%進(jìn)水中有機物去除回流污泥中的硝態(tài)氮，消除硝態(tài)氮對厭氧池的不利影響，從而保證厭氧池的穩定性改良A/O 工藝雖然解決了傳統A/O工藝中厭氧段回流硝酸鹽對放磷的影響，但增加調節池，占地面積及土建費用需相應增加。

4.3  氧化溝法

氧化溝工藝是20世紀50年代初期發(fā)展起來(lái)的一種污水處理工藝形式，因其構造簡(jiǎn)單、易于維護管理，很快得到廣泛應用。主要 有Passveer單溝型、Orbal同心圓型、Carrousel循環(huán)折流型、D型雙溝式和Ｔ 型三溝式等。傳統Passveer單溝型和Carrousel型氧化溝不具備脫氮除磷功能，但是在Carrousel氧化溝前增設厭氧池，在溝體內通過(guò)曝氣裝置的合理設置形成缺氧區和好氧區，形成改良型氧化溝，便具備生物脫氮除磷功能。但Carrousel氧化溝缺氧區要求的充足碳源和缺氧區條件不能很好的滿(mǎn)足，因此，脫氮除磷效果不是很好。為了提高脫氮效果，在溝內增加了一個(gè)預反硝化區，就成了Carrouse2000型氧化溝工藝。氧化溝池型具有獨特之處，兼有完全混合和推流的特性，且不需要混合液回流系統，但氧化溝采用機械表面曝氣，水深不易過(guò)大，充氧動(dòng)力效率低，能耗較高，占地面積較大。

4.4 SBR 法

SBR 法是間歇式活性污泥法，降解有機物，屬循環(huán)式活性污泥法范圍，主要是好氧活性污泥，回流到反應池前部的污泥吸附區，回流污泥中硝酸鹽得以反硝化在充分條件下可大量吸附進(jìn)水中的有機物達到脫氮除磷的效果。

其去除機理如下：

a.脫氮是在適當條件下進(jìn)行的和自然界中氮循環(huán)過(guò)程相同的過(guò)程，即含氮化合物在氨化菌作用下首先進(jìn)行氨化，然后在硝化菌作用下進(jìn)行硝化，最后經(jīng)反硝化菌進(jìn)行反硝化，將NO3- N、NO2- N還原為N2 進(jìn)入大氣中。

b.除磷是利用聚磷菌能過(guò)量地從外部攝取磷并以聚合物形式貯藏于菌體內形成高磷污泥，從而通過(guò)定期除泥而去除磷。SBR工藝在去除有機物的同時(shí)，可以完成脫氮除磷。從常規測定數據可以得到很好的證實(shí)，只要掌握合理的SBR 運行參數，就會(huì )收到更理想的脫氮除磷效果。

4.5 CAST 工藝(循環(huán)活性污泥法)

CAST( Cyclic Activated Sludge Technology) 工藝實(shí)質(zhì)上是可變容積活性污泥法過(guò)程和生物選擇器原理的有機結合， 整個(gè)工藝為一間歇式反應器， 主反應器前端有一個(gè)生物選擇器， 在主反應器中活性污泥法過(guò)程按曝氣和非曝氣階段不斷重復。 將生物反應過(guò)程和泥水分離過(guò)程結合在一個(gè)池子中進(jìn)行. CA ST 方法是一種“充水和排水”活性污泥法系統， 廢水按一定的周期和階段得到處理，是SBR(Sequencing Batch Reactor)工藝的一種變型。

4.6 OCO 工藝

OCO 工藝見(jiàn)圖2，它是由丹麥Puritek A/S 公司經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐推出的，它實(shí)際上是集BOD、N、P 去除于一池的活性污泥法。原水經(jīng)過(guò)格柵、沉砂池的物理處理后，進(jìn)入OCO 反應池的1 區，在厭氧區污水與活性污泥混合，混合液流入缺氧區2，并在缺氧區和好氧區3之間循環(huán)一定時(shí)間后流入沉淀池，澄清液排入處理廠(chǎng)出口，污泥一部分回流到OCO反應池，另外一部分作為剩余污泥予以處理。OCO工藝的特點(diǎn)在于：集厭氧－缺氧－好氧環(huán)境于一池，占地少，土建投資低；利用水解作用和反硝化作用，降解有機物時(shí)對充氧量要求低，使運行維護費用降低；污泥濃度高，有機負荷低，污泥絮凝沉降好，且沉降污泥穩定，剩余污泥少。

圖2 OCO 工藝流程圖

4.7 Dephanox 工藝

Dephanox 脫氮除磷工藝(圖3) Kuba 等人提出的，它具有硝化和反硝化除磷兩套污泥系統(一套是完成硝化的生物膜系統，另一套是懸浮生長(cháng)的反硝化脫氮除磷污泥系統)，將不同的微生物種群控制在各自最佳的泥齡條件下。此工藝滿(mǎn)足了兼性厭氧反硝化除磷細菌(DPB)所需環(huán)境，解決了除磷系統反硝化碳源不足的問(wèn)題，具有低能耗、低污泥產(chǎn)量且COD 消耗量低的特點(diǎn)。初沉池直接為缺氧段提供反硝化所需的碳源(富含PHB的污泥) ，為好氧段富含氨氮的上清液。中沉池可盡量保證硝化菌泥齡長(cháng)、溶解氧濃度高的特點(diǎn)，而且使供氧僅用于硝化和厭氧后剩余有機物的氧化，從而節省了曝氣能耗。

Sorm等通過(guò)將厭氧段和初沉池合建，改進(jìn)了Dephanox 工藝設置，證明優(yōu)化后的系統能夠有效地抑制污泥膨脹并且證實(shí)了同時(shí)反硝化脫氮除磷現象。

圖3 Dephanox 工藝流程圖

5.結語(yǔ)

隨著(zhù)環(huán)境保護工作者對脫氮除磷機理的深入探究，新工藝的不斷出現及其可行性， 為水處理工藝提供了新的理論和思路。但社會(huì )的可持續發(fā)展給污水脫氮除磷處理提出了越來(lái)越高的要求，污水處理已不僅限于滿(mǎn)足排放標準，更要考慮污水的資源化和能源化的問(wèn)題，必須朝著(zhù)最小的COD 氧化、最低的氮磷排放量、最少的剩余污泥排放等可持續污水處理工藝的方向發(fā)展。而生物學(xué)及其技術(shù)的發(fā)展，能使生物脫氮除磷工藝得到更大的發(fā)展。