城市污水處理脫氮除磷新工藝特性探討

荊建剛，張金鴻，李震海，周永純

（1．天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191；2．天津市市容環(huán)衛(wèi)建設(shè)發(fā)展有限公司，天津 300192；3．云南城投碧水源水務(wù)科技有限責(zé)任公司，云南 昆明 650106）

城市污水處理脫氮除磷新工藝特性探討

荊建剛1，張金鴻1，李震海2，周永純3

（1．天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191；2．天津市市容環(huán)衛(wèi)建設(shè)發(fā)展有限公司，天津 300192；3．云南城投碧水源水務(wù)科技有限責(zé)任公司，云南 昆明 650106）

闡述了4種城市污水處理脫氮除磷新工藝的原理及其工藝流程特點(diǎn)，通過(guò)其與傳統(tǒng)工藝的比較，對(duì)新工藝的特性進(jìn)行了探討；指出隨著設(shè)備的開(kāi)發(fā)及工程化應(yīng)用，新工藝將較好解決傳統(tǒng)脫氮除磷中存在的不足，提高城市污水處理系統(tǒng)的氮磷去除率。

城市污水；脫氮除磷；新工藝

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷加快，城市排放的污水中氮和磷的含量日益升高，造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題愈顯突出。排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮磷的排放要求愈來(lái)愈嚴(yán)格，常規(guī)污水處理的活性污泥法對(duì)于廢水中氮和磷的去除率卻只有10%～30%，處理后的出水氮磷含量與國(guó)家及地方的排放標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的新型脫氮除磷工藝，成為了目前水污染控制領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象和研究熱點(diǎn)。

1 脫氮除磷工藝原理

脫氮除磷工藝方法主要包括物化法和生物法。物化法是利用氮磷自身的化學(xué)特性及高效除氮、磷藥劑與水中的氮、磷發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)并形成化合物，去除污水中的氮、磷的方法。生物法脫氮除磷工藝主要是指利用微生物本身具有對(duì)氮磷生物代謝的特性，使不同形態(tài)的氮磷在水、污泥、大氣之間的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)污水中的氮磷進(jìn)行有效去除的方法。

1.1 生物脫氮機(jī)理

生物脫氮的基本原理主要包括含氮有機(jī)物碳化作用、硝化作用和反硝化作用3個(gè)生物作用過(guò)程。污水生化處理過(guò)程中，有機(jī)物碳化生成水和二氧化碳，同時(shí)有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)氨態(tài)氮；氨態(tài)氮在好氧狀態(tài)下，由硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌協(xié)同作用，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在缺氧狀態(tài)下，由反硝化細(xì)菌作用，將硝態(tài)氮還原成氮?dú)?，釋放到大氣中。以上的作用過(guò)程完成了水中氮元素遷出的過(guò)程，達(dá)到污水脫氮的目的

1.2 生物除磷原理

生物除磷過(guò)程主要包括厭氧環(huán)境磷釋放過(guò)程和好氧環(huán)境聚磷過(guò)程。污水生物處理過(guò)程中，在厭氧條件下，聚磷菌的生長(zhǎng)受到抑制，在菌體代謝有機(jī)基質(zhì)所需能量時(shí)，釋放出細(xì)胞中的聚磷酸鹽，完成磷釋放過(guò)程；進(jìn)入好氧環(huán)境后，菌體活力得到充分的恢復(fù)，利用有機(jī)基質(zhì)合成細(xì)胞能量從污水中攝取大量的溶解態(tài)正磷酸鹽，完成聚磷過(guò)程。這些微生物菌體作為系統(tǒng)的剩余污泥排除即達(dá)到了污水除磷的目的。

2 脫氮除磷新工藝

傳統(tǒng)的生物處理工藝如SBR工藝、CAST工藝、MSBR工藝、A2O工藝及立體循環(huán)一體化氧化溝工藝等都具有一定的脫氮除磷功能。城市污水處理脫氮除磷新工藝是在傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝的基礎(chǔ)上，突出發(fā)揮傳統(tǒng)工藝的脫氮除磷優(yōu)勢(shì)并超越傳統(tǒng)工藝方法開(kāi)發(fā)的組合新工藝。新工藝是對(duì)傳統(tǒng)工藝方法的提升，提高了生物處理的氮磷去除率，其將在今后的城市污水處理的脫氮除磷方面發(fā)揮重要作用。

2.1 雙污泥-誘導(dǎo)結(jié)晶工藝

雙污泥-誘導(dǎo)結(jié)晶工藝是使用雙污泥系統(tǒng)，利用化學(xué)結(jié)晶進(jìn)行磷的回收，把誘導(dǎo)結(jié)晶和生物脫氮除磷相互結(jié)合。在厭氧的條件下，通過(guò)生物方法產(chǎn)生富磷上清液，并利用化學(xué)結(jié)晶法進(jìn)行上清液中磷的回收［1］。這是與傳統(tǒng)除磷工藝的不同之處。通過(guò)生物方法和化學(xué)方法之間的相互補(bǔ)充，從而提高污水脫氮除磷的效率，同時(shí)進(jìn)行資源回收，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。雙污泥-誘導(dǎo)結(jié)晶工藝流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 雙污泥—誘導(dǎo)結(jié)晶工藝

雙污泥-誘導(dǎo)結(jié)晶工藝的特性是脫氮除磷效果極佳，對(duì)總氮、總磷和氨氮的去除率達(dá)到了71．2%、95．7%和85．1%，城市污水處理的出水基本達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。在厭氧池的處理工藝中，碳源被反硝化聚磷菌以PHB的形式固定在了胞內(nèi)，而中沉池1進(jìn)行了污泥超越系統(tǒng)的設(shè)置，反硝化聚磷菌就越過(guò)了好氧段直接進(jìn)入到了缺氧池中，被反硝化聚磷菌固定的PHB幾乎被全部用于反硝化吸磷，從而降低了碳源的損耗。雙污泥回流系統(tǒng)的設(shè)置，讓反硝化聚磷菌和硝化菌都得到了合適的生長(zhǎng)環(huán)境，進(jìn)一步解決了在傳統(tǒng)同步脫氮除磷工藝中的泥齡矛盾。對(duì)于污水中所含磷的去除主要是依靠化學(xué)結(jié)晶法，與傳統(tǒng)的排放含磷污泥有著很大的區(qū)別。設(shè)置了測(cè)流系統(tǒng)，既保證污水中磷的高效結(jié)晶，又讓生物處理系統(tǒng)得以正常地運(yùn)行，中沉池1排出的污水一部分在進(jìn)入誘導(dǎo)結(jié)晶反應(yīng)器時(shí)，通過(guò)測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于N和P比例變化大的污水有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.2 CDPR-BAF工藝

CDPR-BAF工藝是把活性污泥法和BAF生物膜法相互結(jié)合，理論基礎(chǔ)是反硝化聚磷菌缺氧吸磷的理論，在這個(gè)工藝中進(jìn)行了雙污泥系統(tǒng)的設(shè)置，將硝化作用段與除磷作用段分裝置運(yùn)行。將硝化菌保持在生物載體上，提高了硝化菌的生物量和硝化效率；同時(shí)將厭氧污泥進(jìn)行超越，直接進(jìn)入缺氧段，強(qiáng)化了脫氮除磷效果。該工藝的流程示意見(jiàn)圖2。

圖2 CDPR—BAF工藝

CDPR-BAF工藝的特性是能夠很大程度地去除COD、總磷、總氮和氨氮，效率分別達(dá)到了90．5%、92．3%、81%和89%。在進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)的污水當(dāng)中，超過(guò)了1/2的COD會(huì)被反硝化聚磷菌以PHB的形式封閉到胞內(nèi)，這就為缺氧的反硝化吸磷過(guò)程提供了充足的碳源。BAF生物膜具有良好的硝化性能［2］，因?yàn)槌轿勰嘞到y(tǒng)的設(shè)置，進(jìn)入污水中的異養(yǎng)微生物和碳源的量比較少，從而讓屬于自養(yǎng)型的硝化菌有著良好的生長(zhǎng)環(huán)境，也為后續(xù)的反硝化吸磷過(guò)程提供了良好的環(huán)境。同時(shí)，因?yàn)楹笃貧獬氐脑O(shè)置，能夠讓出水的水質(zhì)質(zhì)量更加穩(wěn)定。但是，這個(gè)工藝脫氮除磷的效果受到缺氧池中N和P比例的影響較大，因此如何做好缺氧池中N和P的比例控制還需進(jìn)一步研究。

2.3 SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝

SHARON工藝的基本原理是硝化-反硝化作用的原理，由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的脫氮新工藝。這種工藝是把氨氮氧化過(guò)程控制在亞硝化階段，然后開(kāi)始反硝化過(guò)程的進(jìn)行。這個(gè)工藝的核心是利用硝化細(xì)菌以及亞硝化細(xì)菌之間存在的生長(zhǎng)速率的不同，在30～35℃下進(jìn)行操作，亞硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率相比硝化細(xì)菌要高出很多［3］，而在停留時(shí)間上亞硝化細(xì)菌卻明顯要小于硝化細(xì)菌的特性，再通過(guò)控制系統(tǒng)讓水力停留時(shí)間介于亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的最小停留時(shí)間之間，從反應(yīng)器中把硝化細(xì)菌淘汰出去，讓亞硝化細(xì)菌在反應(yīng)器中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從而把氨氮的氧化過(guò)程控制在了亞硝化階段，同時(shí)再利用缺氧環(huán)境，進(jìn)行反硝化過(guò)程。ANAMMOX工藝的基本原理是在厭氧的條件下，微生物直接用銨離子作為電子供體，用亞硝酸離子和硝酸離子作為電子的受體從而把銨離子轉(zhuǎn)變成氮?dú)獾倪^(guò)程。這是與傳統(tǒng)除氮工藝的不同之處。在這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)閰捬醢毖趸鷮儆谧责B(yǎng)菌，因此通過(guò)有機(jī)物的添加來(lái)進(jìn)行反硝化的維持。厭氧氨氧化優(yōu)點(diǎn)：①能夠讓硝化反應(yīng)中的充氧能耗大幅度降低；②在反硝化反應(yīng)的過(guò)程中不需要外加碳源；③能夠有效地節(jié)省在傳統(tǒng)的硝化和反硝化反應(yīng)中用到的中和試劑；④產(chǎn)泥量少。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝，其工藝示意見(jiàn)圖3。

圖3 SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝

通過(guò)以上設(shè)備實(shí)現(xiàn)硝化-反硝化過(guò)程。SHARON工藝在反硝化的過(guò)程中，需要有機(jī)碳源的消耗，并且在出水中擁有較高的亞硝酸鹽濃度，這個(gè)工藝就作為了硝化反應(yīng)器。用ANAMMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器，進(jìn)行兩相組合。污水中一定濃度的亞硝酸離子與銨離子相互作用，產(chǎn)生氮?dú)鈴乃幸绯?，有效地提高了污水中的脫氮效率。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝的特性，比較適合進(jìn)行高濃度氨氮廢水的處理，而且在處理過(guò)程中不需要添加碳源。與傳統(tǒng)的脫氮工藝原理不同，能夠節(jié)約50%的耗氧量，同時(shí)能夠有效地減少排放的CO2。污泥產(chǎn)量比較小，能夠有效地減少對(duì)于環(huán)境的污染，擁有良好的應(yīng)用前景。據(jù)報(bào)道在垃圾滲瀝液處理中已經(jīng)得到應(yīng)用［4］。

2.4 接觸氧化-強(qiáng)化混凝組合工藝

此工藝將生物接觸氧化法和化學(xué)混凝法進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。生物接觸氧化法具有很高的生物膜活性，有很好的抗沖擊能力，同時(shí)操作方便，處理后所剩的污泥也較少。而化學(xué)混凝法則有很高的處理效率，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)新型、高效的混凝劑進(jìn)行常規(guī)藥劑的改變，避免常規(guī)藥劑中的缺點(diǎn)。工藝開(kāi)發(fā)者研制出的混凝藥劑是1種鋁鐵/高錳酸鉀復(fù)配藥劑，具有吸附、氧化和混凝等功能，改變了以前使用傳統(tǒng)混凝藥劑時(shí)出現(xiàn)的用量大、剩余大量污泥的缺點(diǎn)。通過(guò)與強(qiáng)化混凝法的相互結(jié)合也讓生物處理法在低水溫環(huán)境下處理效果不好的問(wèn)題得到了改善。

接觸氧化-強(qiáng)化混凝組合工藝可有效降低污水中的有機(jī)物，COD含量可達(dá)到50 mg/L以下。接觸氧化池出水的氨氮含量也能夠達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)化學(xué)混凝后，能夠進(jìn)一步的降低氨氮濃度總磷濃度，從而達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。采用新型、高效的混凝藥劑，出水的濁度也能夠滿足污水排放的要求。此工藝對(duì)于較低氮磷濃度的廢水處理也能夠達(dá)到很好的氮磷去除效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

污水生物脫氮除磷是當(dāng)今水處理的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，正在得到人們的重視。新的脫氮除磷理論及方法的提出為脫氮除磷工藝的發(fā)展指明了方向新工藝方法的應(yīng)用正在起步階段，比傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)有待于進(jìn)一步實(shí)踐和摸索普遍應(yīng)用具有一定的難度。對(duì)現(xiàn)有污水處理設(shè)施要從實(shí)際出發(fā)，改進(jìn)和創(chuàng)新現(xiàn)有的處理工藝，實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的升級(jí)改造，改善出水水質(zhì)，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］李亞峰，謝新立，王欣．雙污泥反硝化脫氮除磷工藝的影響因素及析［J］．水處理技術(shù)，2011（8）：19-21．

［2］趙寧寧．污水處理廠生物脫氮除磷工藝選擇［J］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，201（21）：296-298．

［3］王海波，武周虎．膜生物反應(yīng)器在脫氮除磷方面的應(yīng)用研究［J］．西南排水，2009（1）：19-22．

［4］付麗霞，吳立波，宮玥，等．垃圾滲濾液中有機(jī)污染物對(duì)厭氧氨氧的影響研究［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010（3）：25-29．

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Removal Technologies in Municipal Wastewater Treatment

Jing Jiangang1,Zhang Jinhong1,Li Zhenhai2,Zhou Yongchun3
（1．Tianjin Academy of Environmental Sciences,Tianjin 300191;2．Tianjin City Appearance and Environmental Sanitation Construction Development Co．,Ltd,Tianjin 300192;3．Yunnan Origin Water and Water Industry Technology Co．,Ltd,Kunming Yunnan 650106）

The principles and process characteristics of four technologies of nitrogen and phosphorus removal i municipal wastewater treatment were expounded．Comparing with traditional technology,the characteristics of the ne technologies were discussed．With equipment development and their engineering applications,the new technologies can solv the defects of traditional technology for nitrogen and phosphorus removal,improve removal rate of nitrogen and phosphorus i municipal wastewater treatment system．

municipal wastewater；nitrogen and phosphorus removal；new technology

X703．5

B

1005-8206（2012）03-0043-03

2012-03-20

荊建剛（1974—），工程師，主要從事水污染控制技術(shù)研究。E-mail：jingjg900@sohu．com。

（責(zé)任編輯：張藝