污水生物脫氮除磷改良技術(shù)

趙維妍 駱康 王天陽(yáng) 寇長(zhǎng)春 劉秉濤

摘 要：隨著科技的發(fā)展，節(jié)能降耗的改良的脫氮除磷技術(shù)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展。文章闡述了污水生物脫氮除磷的改良的技術(shù)，介紹了UCT技術(shù)、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、SBR改良工藝及CASS工藝等脫氮除磷技術(shù)，這些工藝運(yùn)行靈活、費(fèi)用低，解決因碳源不足、含NO2-或NO3-污泥回流等問(wèn)題而影響脫氮除磷效果的新型技術(shù)，是今后污水脫氮除磷發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：生物脫氮除磷；同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；改良

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0168-03

Abstract： With the development of science and technology， the improved nitrogen and phosphorus removal technology of saving energy and reducing consumption is developing rapidly at home and abroad. In this paper， the improved technologies of biological nitrogen and phosphorus removal from wastewater are introduced， such as UCT technology， simultaneous nitrification and denitrification， short-cut nitrification and denitrification， improved SBR process and CASS process. These processes are flexible in operation and low in cost， able to solve problems such as insufficient carbon source and NO2- or NO3- sludge backflow， which impact the effect of nitrogen and phosphorus removal， therefore it is the development direction of wastewater nitrogen and phosphorus removal in the future.

Keywords： biological nitrogen and phosphorus removal； simultaneous nitrification and denitrification； Short-cut nitrification and denitrification； improvement

近年來(lái)我國(guó)水環(huán)境遭受了不同程度的污染，其中水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象最為嚴(yán)重。造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因是氮、磷元素的超標(biāo)排放，氮、磷元素主要來(lái)自未經(jīng)處理或處理不完全的工業(yè)廢水、城市生活污水、有機(jī)垃圾和家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥。氮、磷是水中生物的重要營(yíng)養(yǎng)元素，但超過(guò)生物所需時(shí)，就會(huì)使水體中的藻類(lèi)及浮游生物過(guò)量繁殖，大量消耗水體中溶解氧（DO），使水體中魚(yú)類(lèi)及其他水生生物因缺氧而大量死亡，生物多樣性降低，水的透明度下降，水質(zhì)惡化[1]。與化學(xué)法和物理化學(xué)法相比，具有脫氮除磷功能的生物污水處理工藝因?qū)τ袡C(jī)物、氮和磷均有較高的去除效率、其運(yùn)行費(fèi)用低、污泥沉降性能良好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛受到污水處理工程界的重視和青睞，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，生物脫氮、除磷技術(shù)有了重大的發(fā)展。在傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝，如A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝工藝的基礎(chǔ)上，間歇曝氣、節(jié)省能耗的改良的脫氮除磷技術(shù)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展。

1 UCT工藝（MUCT工藝）

UCT工藝是A2/O工藝的一種改造，是南非開(kāi)普敦大學(xué)研究提出的脫氮除磷工藝，為了防止二沉池中的NO2-或NO3-進(jìn)入?yún)捬醭?，破壞厭氧池的厭氧狀態(tài)而影響系統(tǒng)的除磷效率，該工藝將二沉池污泥回流到缺氧區(qū)而不是回流到厭氧池，同時(shí)增加從缺氧池到厭氧池的缺氧池混合液回流。由于缺氧池中反硝化作用已經(jīng)降低了NO2-或NO3-濃度，進(jìn)而缺氧池混合液不會(huì)破壞厭氧池的厭氧狀態(tài)。許文峰等采用UCT工藝處理高濃度氨氮生活污水，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，脫氮除磷效果較好，出水水質(zhì)基本達(dá)到GB 18918-2002中的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)[2]；韓琪等采用UCT工藝處理城鎮(zhèn)污水，試驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，COD去除率大于80 %，NH3-N去除率大于90%，出水水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有良好的脫氮除磷效果[3]。

MUCT工藝是在UCT工藝的基礎(chǔ)上，在厭氧池和好氧池之間又填加一個(gè)缺氧池，第一個(gè)缺氧池接受二沉池回流污泥，第二個(gè)缺氧池接受好氧池硝化的混合液，使污泥的脫氮與硝化混合液的脫氮分開(kāi)去除，以減少NO2-或NO3-進(jìn)入到厭氧區(qū)的可能性。

2 同步硝化反硝化工藝

同步硝化反硝化（SND）是指硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)在同一反應(yīng)器進(jìn)行，從而達(dá)到生物脫氮的目的[4-5]。同步硝化反硝化現(xiàn)象有兩種說(shuō)法：第一種是物理學(xué)，是DO在傳遞過(guò)程中，由于微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原因，使DO呈濃度梯度，造成好氧和缺氧狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化；第二種是生物學(xué)，好氧條件下，存在異氧硝化微生物和好氧反硝化微生物，從而使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)在同一反應(yīng)器進(jìn)行。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，同步硝化反硝化可以在同一反應(yīng)器發(fā)生，使硝化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)可以成為反硝化反應(yīng)的底物，加快硝化反應(yīng)速率；而且，反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的堿度可以中和硝化反應(yīng)中所消耗的堿度，不需要向反應(yīng)器中另加物質(zhì)，來(lái)調(diào)節(jié)pH值。

好氧條件下反生同步硝化反硝化現(xiàn)象存在各種不同的生物處理系統(tǒng)中，如于靜潔等在氧化溝工藝應(yīng)用研究進(jìn)展中，闡明氧化溝可以發(fā)生同步硝化反硝化反應(yīng)[6]；Liu等在氧化溝內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化DO濃度等運(yùn)行參數(shù)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化[7]。

3 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是利用亞硝化菌和硝化菌在動(dòng)力學(xué)上的差異，將氨氮硝化反應(yīng)控制生成NO2-，然后將NO2-直接反硝化生成N2，從反應(yīng)系統(tǒng)中去除。短程硝化反硝化優(yōu)于傳統(tǒng)的生物脫氮在于：NH3直接氧化到NO2-，沒(méi)有進(jìn)一步氧化，消耗的O2低，節(jié)省能耗；NO2-生成速率比較快，反應(yīng)迅速，可以減少反應(yīng)時(shí)間[8]。由于NO2--N不穩(wěn)定，很難累積，所以為了實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，王淑瑩等通過(guò)使pH控制在7.7-8.0之間，同時(shí)縮短曝氣時(shí)間實(shí)現(xiàn)了亞硝態(tài)氮積累[9]。但由于控制過(guò)程比較繁瑣，操作要求嚴(yán)格，所以很難在實(shí)際污水處理廠中應(yīng)用。

4 SBR工藝及其改良工藝

SBR工藝是20世紀(jì)70年代初由美國(guó)Notre dame大學(xué)R. L. Irvine教授等初次提出的 [10]，是傳統(tǒng)活性污泥的一種變形，不同于傳統(tǒng)污水處理工藝，該工藝將生物降解、生化反應(yīng)、沉降、排水集于一個(gè)反應(yīng)器，屬于間歇式運(yùn)行，通過(guò)調(diào)控運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。SBR工藝具有如下特點(diǎn)：（1）SBR工藝將生物降解、生化反應(yīng)、沉降、排水集于一個(gè)反應(yīng)器，節(jié)省構(gòu)建物，費(fèi)用低；（2）SBR工藝運(yùn)行靈活，可以根據(jù)水質(zhì)調(diào)整各個(gè)階段的反應(yīng)時(shí)間及條件狀況；（3）反應(yīng)池內(nèi)厭氧、好氧處于交替狀態(tài)，處理效果好；（4）污水在反應(yīng)器內(nèi)屬于靜止?fàn)顟B(tài)下沉淀，所需時(shí)間短，處理效率高，出水水質(zhì)好；（5）耐沖擊負(fù)荷，反應(yīng)池內(nèi)，在排水階段時(shí)，有剩余的清水用來(lái)進(jìn)行下一次進(jìn)水的稀釋?zhuān)瑢?duì)污水有緩沖的作用，有效的抵抗污水中有機(jī)物的沖擊；（6）反應(yīng)池內(nèi)存在DO濃度梯度，有效防止活性污泥膨脹。

SBR工藝由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用和研究，但該工藝也存在一定的局限性。比如，SBR工藝適用于間歇式的進(jìn)出水處理系統(tǒng)，若需處理連續(xù)流的進(jìn)水，SBR工藝就不再適用；若對(duì)出水水質(zhì)要求嚴(yán)格或有特殊要求，如需要脫氮除磷則需要對(duì)SBR工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)；若進(jìn)水流量大，則需要調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)，從而增大投資費(fèi)用。傳統(tǒng)或經(jīng)典的SBR工藝逐漸衍生出各種新的變形，以解決如上述的不足。如， ICEAS工藝：該工藝是將SBR反應(yīng)器進(jìn)水端增加一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)，起到調(diào)節(jié)水流的作用，后面為主反應(yīng)區(qū)，主要是曝氣和沉淀。該工藝是采用連續(xù)進(jìn)水的運(yùn)行方式，反應(yīng)階段、沉淀和潷水階段均進(jìn)水。污水進(jìn)入預(yù)反應(yīng)區(qū)，通過(guò)隔墻底部的連接口以平流流態(tài)進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，在主反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行間歇曝氣和沉淀潷水，成為連續(xù)進(jìn)水、間歇出水的SBR反應(yīng)池，使配水大大簡(jiǎn)化，運(yùn)行更加靈活。劉杰等對(duì)城市住宅區(qū)生活污水處理工程采用ICEAS工藝作技術(shù)說(shuō)明。得出，ICEAS工藝適用于污水流量變化大，短時(shí)間有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷沖擊較大，水質(zhì)的均勻性較差的城市住宅區(qū)生活污水[11-12]。

5 CASS（CAST）工藝

CASS工藝或CAST工藝，又稱(chēng)循環(huán)活性污泥工藝。該工藝在進(jìn)水端增加一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)，后面是主反應(yīng)區(qū)，但該工藝的預(yù)反應(yīng)區(qū)是生物選擇器。在預(yù)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，反應(yīng)器的微生物通過(guò)酶的快速轉(zhuǎn)移機(jī)理迅速吸附污水中大部分可溶性有機(jī)物，經(jīng)歷一個(gè)高負(fù)荷的基質(zhì)快速積累過(guò)程，這對(duì)進(jìn)水水質(zhì)、水量、pH和有毒有害物質(zhì)起到較好的緩沖作

用，同時(shí)抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，有效防止污泥膨脹。

黃瑾針對(duì)處理城市污水的研究，選擇采用CASS工藝處理城市污水，通過(guò)優(yōu)化CASS工藝的操作參數(shù)，觀察其處理效果。運(yùn)行結(jié)果顯示，CASS工藝可以有效去除有機(jī)物，通過(guò)硝化和反硝化作用，可以去除大量的氮，同時(shí)也能去除磷，出水氮、磷濃度都比較低；同時(shí)發(fā)現(xiàn)曝氣階段結(jié)束后，NH3、NO2-和NO3-濃度較低，說(shuō)明該工藝具有同步硝化反硝化功能[13]。他的研究也為今后類(lèi)似工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行提供了新的模式。CASS工藝適用范圍比較廣，可應(yīng)用于大型、中型及小型污水處理工程。

生物脫氮除磷過(guò)程中，影響生物脫氮除磷效率的因素眾多，通過(guò)選取幾個(gè)關(guān)鍵影響因素，在不同因素的范圍內(nèi)，觀察生物脫氮除磷的效率，選取生物脫氮除磷效果最佳的因素范圍，借助分子生物學(xué)技術(shù)，研究生物脫氮除磷工藝中的微生物群落結(jié)構(gòu)及功能變化，不斷優(yōu)化工藝運(yùn)行條件，提高脫氮除磷效率。

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