氧化溝工藝脫氮除磷特征影響因素分析

王志康，蘭彬彬，李 凱，張 萍，王 晗

(貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025)

水環(huán)境污染日益成為社會(huì)焦點(diǎn),為了實(shí)現(xiàn)綠色、高效、節(jié)能的污水處理效果,需要對(duì)污水處理工藝做出進(jìn)一步改進(jìn)。氧化溝工藝過程簡(jiǎn)單、方法靈活、經(jīng)濟(jì)性能好、運(yùn)行性能穩(wěn)定,當(dāng)處理規(guī)模為3 785 m3/d時(shí),氧化溝工藝的處理成本僅為活性污泥法的60%,生物濾池的62.5%,生物轉(zhuǎn)盤的40%[1]。然而,目前氧化溝能達(dá)到的最高脫氮效率為90%左右,而除磷的效率僅為80%左右,表明氧化溝同步脫氮除磷效果有待提高[2]。研究認(rèn)為,由于在脫氮除磷過程中起主要作用的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求各不相同,導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)的最適條件產(chǎn)生沖突，不論時(shí)間或空間上都難以達(dá)到平衡,由此影響脫氮除磷的效率[3]。擬綜述氧化溝工藝研究進(jìn)展,總結(jié)分析影響氧化溝脫氮除磷的因素,為氧化溝能更好進(jìn)行脫氮除磷提供科學(xué)和數(shù)據(jù)的支持。

1 氧化溝工藝

如圖1所示氧化溝所采用的運(yùn)行系統(tǒng)為延時(shí)曝氣的活性污泥系統(tǒng),通過將連續(xù)環(huán)式反應(yīng)池作為生化場(chǎng)所,利用可控制的攪動(dòng)與曝氣裝置使空氣進(jìn)入反應(yīng)器,從而促使液體在閉合渠道中循環(huán)流動(dòng),讓氧化溝內(nèi)形成厭氧、缺氧和好氧環(huán)境[4]。

圖1 氧化溝工藝圖Fig.1 Diagram of oxidation ditch process

氧化溝實(shí)現(xiàn)了曝氣設(shè)備最優(yōu)位置布局,因此具備以下特性:①將推流和充分混合相結(jié)合,使其能克服短流和提高緩沖能力[5]；②具備適合硝化反硝化生物處理工藝的溶解氧(DO)梯度[6]；③功率密度的不均勻分配,使得氧傳遞、液體混合及污泥絮凝速率都得到提升[7]；④節(jié)省能量[6]；⑤溝內(nèi)循環(huán)流量使污水被快速稀釋[8],提高了處理效果。

2 氧化溝工藝的發(fā)展

世界上首個(gè)氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭建立,歷經(jīng)幾十年發(fā)展,國外先后開發(fā)了多種多樣的氧化溝工藝[9],其分類及典型工藝類型如表1所示。自 20世紀(jì)60年代以來,該工藝在世界許多地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[17]。據(jù)E2O環(huán)境平臺(tái)公布的數(shù)據(jù)顯示,中國已建成并運(yùn)營的污水處理廠數(shù)量有4 000座左右,其中運(yùn)用的工藝據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)30種左右,而氧化溝工藝占比達(dá)到20%,充分說明其是中國污水處理工藝的主導(dǎo)之一[18]。污水處理廠提標(biāo)改造方案的提出,推動(dòng)了氧化溝工藝的發(fā)展。第1代氧化溝,如Passvee氧化溝,通過在空間上或時(shí)間上形成缺氧區(qū),在去除有機(jī)物同時(shí)還可以反硝化脫氮去除污水中的植物性營養(yǎng)物[19-20]。第2代氧化溝,如Carrousel(卡魯塞爾)2 000氧化溝,通過在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步優(yōu)化,改變曝氣孔的安裝方式，對(duì)厭氧、好氧區(qū)的規(guī)格,進(jìn)出水的裝置進(jìn)行改變,及對(duì)工藝運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整等。使得脫氮除磷的效果相對(duì)第一代氧化溝工藝有了一定的提升[21]。第3代與第4代的氧化溝通過不斷改進(jìn)運(yùn)行工況、裝置、環(huán)境因素等,使氧化溝處理能力有了很大的提升,反應(yīng)過程也更加穩(wěn)定。

3 氧化溝工藝脫氮除磷機(jī)理分析

表1 氧化溝工藝發(fā)展歷程

圖2 硝化、反硝化階段Fig.2 Flowsheet of nitrification and denitrification stages

氧化溝采用兩階段生物法除磷,如圖3所示,好氧環(huán)境吸收磷,厭氧環(huán)境釋放磷。首先在厭氧環(huán)境中,聚磷菌會(huì)吸收發(fā)酵產(chǎn)物和有機(jī)酸,并將所吸收物質(zhì)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi),同化成細(xì)胞內(nèi)能源儲(chǔ)存物質(zhì),此過程所需能量通過聚磷水解及細(xì)胞內(nèi)糖酵解提供。由此導(dǎo)致了磷酸鹽在厭氧環(huán)境中的釋放[27]。然后在好氧環(huán)境中,通過氧化分解獲得能量,聚磷菌活性得到恢復(fù),大量吸收在厭氧階段釋放的磷及原污水中的磷[28],完成磷的積累,在細(xì)胞體內(nèi)合成聚磷酸鹽并儲(chǔ)存起來,形成富磷污泥,并通過剩余污泥排出系統(tǒng)[29-33],達(dá)到除磷目的。

表2 硝化過程反應(yīng)機(jī)理

圖3 生物除磷過程Fig.3 Biological phosphorus removal process

4 氧化溝脫氮除磷效果影響因素

影響脫氮除磷效率的因素分別有環(huán)境因子、工況和運(yùn)行方式[34]。脫氮過程主要由亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌相互協(xié)調(diào)作用,亞硝化菌、硝化菌的生長(zhǎng)會(huì)受溫度、DO、pH的影響,反硝化菌為異養(yǎng)生物,它的生長(zhǎng)除會(huì)受到DO、pH、溫度的影響外還會(huì)受到C/N的影響。此外,對(duì)于生物除磷,在好氧區(qū)吸收磷,厭氧區(qū)釋放磷,所以DO對(duì)除磷效率的影響很大；除磷主要通過污泥排出系統(tǒng),所以污泥齡、水力停留時(shí)間對(duì)它也會(huì)產(chǎn)生影響。因此就環(huán)境因素:DO、pH、溫度和工況因素：C/N、污泥齡、污泥回流比等,及運(yùn)行方式進(jìn)行分析討論。

4.1 DO

DO是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素之一,因此反應(yīng)器內(nèi)維持適宜的DO濃度梯度是脫氮除磷的必要條件。脫氮硝化階段需要在缺氧區(qū)與限制性供氧區(qū)完成,此階段的亞硝化菌與硝化菌適宜生長(zhǎng)的DO濃度范圍分別為0.2～0.4 mg/L、1.2～1.5 mg/L。因此DO濃度過低,對(duì)硝酸菌生長(zhǎng)不利。同理,除磷過程的聚磷階段需要在好氧區(qū)完成,此階段最適DO濃度范圍為2～3 mg/L。如果DO濃度太低,會(huì)影響聚磷菌分解儲(chǔ)存的聚-β-羥丁酸(PHB)類物質(zhì)獲得能量來吸收污水中的溶解性磷酸鹽合成細(xì)胞聚磷。且過低的DO濃度,不能滿足微生物去除COD及氨氮所需的氧,會(huì)使得污泥沉降性變差,污泥變黑。脫氮反硝階段及除磷釋放磷階段需要在厭氧環(huán)境下完成,即DO濃度小于0.2 mg/L[35]。因此DO濃度過高,一方面會(huì)破壞缺氧環(huán)境,使得反硝化受到抑制,脫氮效率降低；另一方面會(huì)消耗PHB,使得吸磷率與釋磷率難以達(dá)到平衡[36],從而降低生物除磷能力[37-38]。綜上,氧化溝中DO濃度會(huì)影響脫氮除磷的效果[36]。各細(xì)菌最適DO濃度范圍如圖4所示。

圖4 不同細(xì)菌適宜的DO濃度范圍Fig.4 Suitable DO range for different bacteria

為了確定最適DO濃度范圍對(duì)氧化溝脫氮除磷產(chǎn)生的影響,黃祖安等[39]對(duì)Carrousel氧化溝研究得到:反應(yīng)系統(tǒng)存在一個(gè)最適DO濃度范圍,當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)DO濃度高于臨界值則能取得較好硝化效果,低于臨界值將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)硝化效果變差,Carrousel氧化溝DO濃度臨界值為0.8～1.2 mg/L。張磊[40]通過研究DO對(duì)脫氮除磷的影響,得出將DO濃度控制在2～2.5 mg/L,總氮的去除率為93%,總磷去除率為78%。但李柏林[41]通過在中試條件下對(duì)氧化溝進(jìn)行研究,將反應(yīng)系統(tǒng)需劃分為主反應(yīng)區(qū)與缺氧區(qū),認(rèn)為同時(shí)滿足硝化與反硝化反應(yīng)時(shí),主反應(yīng)區(qū)DO濃度維持在1.0～1.5 mg/L。然而劉祖文等[42]認(rèn)為主反應(yīng)區(qū)DO濃度為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L 有利于提高同步脫氮除磷效果,實(shí)現(xiàn)節(jié)約碳源和降低能耗。

因此為了提高同步脫氮除磷的效果,將氧化溝主反應(yīng)區(qū)DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L為最優(yōu)DO濃度范圍。

4.2 污泥齡

硝化菌與聚磷菌的污泥齡有較大差異,脫氮泥齡大于10 d,而除磷低于10 d[42-43]。泥齡過高,不利于生物除磷,泥齡太低,硝化菌無法存活,會(huì)影響脫氮的效果[44],且剩余污泥泥量過大會(huì)增加后續(xù)污泥處理的負(fù)荷,對(duì)微生物產(chǎn)生較大影響。所以污泥齡的有效調(diào)節(jié)會(huì)使氧化溝脫氮除磷的效果更好。

孫海梅等[45]研究發(fā)現(xiàn)污泥齡(SRT)達(dá)16～25 d,系統(tǒng)對(duì)總磷的去除量與污泥齡相關(guān)性較好,污泥齡越小,去除量越大。王濤等[46]通過對(duì)復(fù)合式氧化溝進(jìn)行研究得到,在SRT為20 d時(shí),系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行工況。由于溫度的變化會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)速率、生化速率,所以在實(shí)際運(yùn)行控制中,污泥齡的有效控制需要與溫度相結(jié)合考慮,通過調(diào)整溫度的高低及污泥齡的大小來確保微生物的充分生長(zhǎng)和脫氮除磷的效果[36]。張磊[40]根據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整及效果分析,將SRT控制在18 d及對(duì)污泥濃度、回流比、水力停留時(shí)間等進(jìn)行同步控制,可使系統(tǒng)中TP、NOx去除率分別達(dá)到87%和75%。綜上所述,為實(shí)現(xiàn)較好的同步脫氮除磷效果,污泥齡一般控制在16～20 d,然后再通過結(jié)合污水水質(zhì)特征、污泥負(fù)荷及其他因素做進(jìn)一步的控制。

4.3 C/N

C/N大小對(duì)自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的活性影響較大,即對(duì)硝化菌、反硝化菌、聚磷菌會(huì)產(chǎn)生影響,當(dāng)C/N低時(shí),反硝化菌的活性會(huì)受到抑制使得反硝化進(jìn)行不徹底,導(dǎo)致出水含過量的硝酸鹽,硝酸鹽隨著回流污泥回到厭氧池,破壞厭氧環(huán)境從而對(duì)聚磷菌釋放磷產(chǎn)生影響[47],進(jìn)而影響脫氮除磷效率；但當(dāng)C/N較高時(shí),反硝化菌與聚磷菌能獲得充足的碳源進(jìn)行反硝化及釋磷,能獲得較好的脫氮除磷效率。C/N越高,自養(yǎng)生物硝化菌活性就會(huì)受到較大影響,導(dǎo)致污泥層中的硝酸鹽濃度越低,從而以硝酸鹽為基質(zhì)的反硝化菌所需碳源就會(huì)降低,系統(tǒng)中的聚磷菌可利用碳源就越多,就越有利于釋磷[48-49]。

胡國山等[50]研究顯示C/N越大反硝化速率越快,亞硝酸鹽氮積累量越少,脫氮效果更好。在高C/N時(shí),反硝化菌和聚磷菌都可獲得足量的碳源進(jìn)行反應(yīng),TN、TP去除效果較好。研究顯示,氧化溝系統(tǒng)對(duì) TP 的去除效率隨C/N的升高而提高,C/N 由5提升至9的過程中,TP 去除效率由14.99%上升至94.75%,當(dāng)C/N>11時(shí), 出水TP去除率接近100%[51-52]。

C/N在一定范圍內(nèi)的增加會(huì)使氧化溝脫氮效率提高[50-53]。綜上所述,C/N的值對(duì)氧化溝脫氮除磷影響較大,因此當(dāng)脫氮除磷效率較低時(shí),可以從C/N值方面入手考慮。

4.4 pH

一個(gè)穩(wěn)定的酸堿平衡環(huán)境對(duì)硝化菌、聚磷菌的生長(zhǎng)很重要,能使氧化溝脫氮除磷效率得到提高。生物脫氮過程的硝化階段,氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,需要消耗堿度,致使污水的緩沖能力降低,從而對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響脫氮的效果。在除磷過程的釋磷階段,pH會(huì)影響聚磷菌吸收有機(jī)碳源,從而影響聚磷菌的生長(zhǎng)速率,且會(huì)對(duì)聚磷階段產(chǎn)生影響。綜上,pH會(huì)對(duì)氧化溝工藝除磷效率帶來較大的影響,研究表明,當(dāng)pH<6.5時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量磷釋放,因酸堿環(huán)境的改變會(huì)使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其功能受到損壞,細(xì)胞內(nèi)的聚磷將在酸性條件下被水解從而釋放[53]。當(dāng)pH越低,磷的釋放速率及釋放量都會(huì)越大[53-54]。這與磷來自細(xì)胞的酸溶性部分這一早期觀測(cè)結(jié)果是一致的[53]。但當(dāng)6.59時(shí),混合液中的磷大都以難溶的磷酸鹽的形式沉積下來,溶解性的磷酸鹽基本不發(fā)生變化[55-56]。所以導(dǎo)致釋磷和聚磷的效率都低[53]。

圖5 脫氮除磷各階段最適pH濃度范圍Fig.5 The optimal pH range at each stage of nitrogen and phosphorus removal

4.5 污泥回流比

為提高氧化溝脫氮除磷效率,提供微生物生長(zhǎng)足夠的基質(zhì),通常是通過對(duì)污泥回流比(R)的有效控制達(dá)到要求[39]。污泥回流比不僅可以給微生物生長(zhǎng)提供基質(zhì),還可以滿足系統(tǒng)的負(fù)荷要求,對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷有較大的影響。過高及過低的污泥回流比給氧化溝除磷階段帶來的影響具體如表3所示，所以污泥回流比的有效控制能夠使氧化溝脫氮除磷得到更好的效果。

表3 污泥回流比對(duì)氧化溝脫氮除磷各階段影響

廖建勝等[57]通過對(duì)比研究顯示,當(dāng)污泥回流比小于90% 時(shí),生物處理系統(tǒng)對(duì) TP 的去除率有一定的提高,但當(dāng)回流比繼續(xù)下降時(shí)提升作用并不明顯。夏嵐等[58]通過控制單一變量法研究顯示:總氮的去除率會(huì)隨著污泥回流比的增加而有所上升,由于污泥回流比的增大為反應(yīng)提供了足夠的基質(zhì),從而使得總氮的去除效果得到提高[59],該結(jié)論與馬菲菲等[60]研究結(jié)果基本一致。因此將污泥回流比控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷮?duì)脫氮除磷效率會(huì)帶來積極的影響,通常,污泥回流比值控制在80%左右較佳[36]。綜上,氧化溝系統(tǒng)最適污泥回流比為80%～90%。

4.6 溫度

溫度對(duì)氧化溝脫氮除磷的影響體現(xiàn)在以下方面。

(1)氧化溝處理污水是生物處理,利用酶促反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物降解的代謝過程,而溫度對(duì)酶活性影響很大[61]。溫度過高或過低易導(dǎo)致酶活性降低甚至失活,酶促反應(yīng)速率會(huì)大幅下降,使微生物代謝速率下降甚至死亡,所以會(huì)進(jìn)一步影響了生物處理的效果。

(2)脫氮階段的硝化菌、反硝化菌生長(zhǎng)所需的最適溫度也不同,硝化、反硝化作用對(duì)溫度的變化非常敏感[62-63],溫度的高低會(huì)影響生長(zhǎng),從而影響脫氮的效果[64]。

大量研究表明,亞硝酸鹽菌、硝酸鹽菌及硝化反應(yīng)的最適生長(zhǎng)溫度分別為35 ℃、35～42 ℃、4～45 ℃,溫度的大小對(duì)硝酸鹽菌的增長(zhǎng)速率及其活性都會(huì)產(chǎn)生影響[65],進(jìn)而影響脫氮階段。而對(duì)于除磷階段的影響，姜體勝等[54]通過研究得到溫度的增加,對(duì)聚磷菌釋磷和吸磷速率影響都很小,可得溫度對(duì)除磷的影響很小。劉艷臣等[66]研究表明,小試Carrousel 氧化溝在1～11 ℃以下硝化效果很差,溫度在12 ℃以上時(shí),硝化效果得到改善。在生活污水的處理中,為滿足活性污泥系統(tǒng)的正常運(yùn)行,溫度常保持在4～38 ℃的中溫范圍。

5 結(jié)論

(1)氧化溝工藝脫氮除磷環(huán)境因素的最適范圍為:主反應(yīng)區(qū)DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L；pH控制在7～9內(nèi)；將溫度控制在4～38 ℃；工況因素的最適范圍為:在硝化階段，C/N=2～3時(shí)為最佳范圍；對(duì)于反硝化與除磷階段,C/N=5～13,越大越好；污泥齡控制在16～20 d；污泥回流比一般控制在80%～90%。

(2)將影響因素控制在最優(yōu)范圍,脫氮除磷效率能得到提升。但目前氧化溝工藝采用傳統(tǒng)的脫氮除磷方式,效率及成本可以通過以下措施得以改善:①對(duì)氧化溝工藝設(shè)備進(jìn)行一定的改進(jìn),將短程硝化反硝化脫氮方式及反硝化除磷方式應(yīng)用到其中,進(jìn)而改變傳統(tǒng)的脫氮除磷方式,降低成本；②通過微生物生長(zhǎng)特征進(jìn)行工況調(diào)整,而不是傳統(tǒng)的通過調(diào)整工況調(diào)節(jié)微生物的生長(zhǎng)；③將固定化酶分子技術(shù)結(jié)合到脫氮除磷過程中,達(dá)到提高效率的目的。