新型污水生物脫氮除磷工藝研究進(jìn)展

魏春飛

（沈陽環(huán)境科學(xué)研究院 遼寧省城市生態(tài)重點實驗室，遼寧 沈陽 110167）

氮元素、磷元素作為自然界中的基本元素，也是藻類等微生物生長繁殖所必需的營養(yǎng)元素之一。由于過量的排放污水，導(dǎo)致水中氮元素與磷元素的含量急劇增長，使得藻類等微生物過量生長繁殖，進(jìn)而造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體污染[1-3]。目前，污水廠所采用的生化工藝多數(shù)為傳統(tǒng)的污脫氮除磷工藝（如A/O工藝、A/A/O工藝），傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝雖然能夠削弱水中氮元素、磷元素的含量，緩解水體富營養(yǎng)化，但其去除效率較低，而且運行費用和能源消耗較高。因此，國內(nèi)外學(xué)者不斷研發(fā)新型脫氮除磷工藝，提高污水廠生化工藝的脫氮除磷效率，進(jìn)而實現(xiàn)高效的水體凈化[4-5]。

1 新型脫氮除磷工藝

1.1 倒置A/A/O工藝

倒置A/A/O工藝作為目前較為常見的A/A/O改造工藝之一，廣泛應(yīng)用于各大城市的污水廠，其工藝流程圖如圖1所示。污水首先進(jìn)入到最前置的缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，微生物（反硝化細(xì)菌）能夠充分利用水中的有機物作為碳源，從而將水中的氮元素（硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮）轉(zhuǎn)換成氮氣釋放到空氣中，完成氮元素的去除；隨后污水進(jìn)入到厭氧池進(jìn)行磷元素的釋放；最后污水進(jìn)入到好氧池，進(jìn)行磷元素的吸收及有機物的進(jìn)一步降解[6-7]。與傳統(tǒng)的A/A/O工藝相比，好氧池發(fā)生硝化反應(yīng)所生成的硝態(tài)氮直接回流至最前置的缺氧池，反硝化細(xì)菌能夠充分地利用水中的有機物作為碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，避免了在厭氧池有機物被降解利用，從而降低反硝化的影響，實現(xiàn)更高的氮素去除效果[8]。此外，由于污水先進(jìn)入缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，降解了水中硝態(tài)氮，因此有效地削弱了硝態(tài)氮對磷元素釋放的干擾。

圖1 倒置A/A/O工藝流程圖

李易寰[9]等通過分析正在運行的無錫某城市污水處理廠的運行數(shù)據(jù)，研究了CAST工藝以及倒置A/A/O工藝的區(qū)別。結(jié)果顯示，污水經(jīng)倒置A/A/O工藝處理后，其出水效果明顯優(yōu)于CAST工藝。當(dāng)進(jìn)水氨氮、總氮和COD質(zhì)量濃度僅為25 mg·L-1、35 mg·L-1和600 mg·L-1時，CAST工藝也無法有效地去除水中的污染物，出水效果僅能滿足國家一級B標(biāo)準(zhǔn)，出水中的總氮、氨氮和總磷都存在超標(biāo)的風(fēng)險。該污水廠經(jīng)升級改造采用倒置A/A/O工藝進(jìn)行處理污水后，其出水效果能夠滿足國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，脫氮除磷的效果明顯提升。即使進(jìn)水氨氮、總氮和COD質(zhì)量濃度達(dá)32 mg·L-1、40 mg·L-1和400 mg·L-1，經(jīng)倒置A2/O工藝進(jìn)行處理后出水氨氮、總氮和COD平均質(zhì)量濃度低于0.445 mg·L-1、7.69 mg·L-1和26.1 mg·L-1。此外，李易寰[9]等還發(fā)現(xiàn)在冬季溫度較低時，倒置A/A/O工藝即使未額外投加有機碳源，并降低曝氣池末端DO含量，僅通過適當(dāng)?shù)卦黾佣脸匚勰嗷亓髁?，仍然能夠有效地去除水中的污染物，保證出水水質(zhì)。這就表明倒置A/A/O工藝不僅能夠提高出水效果，削弱冬季低溫對微生物的抑制作用，而且能夠降低運行費用，減少能源消耗。徐波[10]等也通過實驗研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)A/A/O工藝相比，倒置A/A/O工藝能夠更好地處理豬場消化液。當(dāng)進(jìn)水COD、氨氮的質(zhì)量濃度為1 520 mg·L-1和625 mg·L-1時，經(jīng)工藝處理后，兩種工藝（常規(guī)A/A/O工藝、倒置A/A/O工藝）的COD和氨氮的出水質(zhì)量濃度分別為359 、127 mg·L-1和288、97 mg·L-1。而且在總HRT均設(shè)為124 h、消化液回流體積比和污泥回流體積比分別為300%和50%的相同條件下，倒置A/A/O工藝對豬場消化液中的COD和氮的平均去除率比常規(guī)A/A/O工藝高約8.16%和10.83%。此外，在不外加碳源的條件下，倒置A/A/O工藝的反硝化速率能夠達(dá)到0.34 g·g-1·d-1，并且比常規(guī)工藝反硝化速率提升了54.54%。

1.2 改良A/A/O工藝

與傳統(tǒng)A/A/O工藝相比，改良A/A/O工藝即在厭氧池前面增設(shè)了一個預(yù)缺氧池。改良A/A/O工藝的流程圖如圖2所示。污水首先進(jìn)入預(yù)缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，去除水中大部分的氮元素。隨后污水流入?yún)捬醭剡M(jìn)行磷元素的釋放，污水再進(jìn)入到厭氧池，通過反硝化反應(yīng)將水中剩余的氮元素轉(zhuǎn)變成氮氣釋放到空氣中[11]。最后。污水進(jìn)入好氧池進(jìn)行磷元素的吸收。與傳統(tǒng)A/A/O工藝相比，改良A/A/O工藝能夠更好地去除水中氮元素。此外，傳統(tǒng)A/A/O工藝中的好氧池需要投加堿度維持系統(tǒng)pH值，缺氧池也需要投加有機碳源（如甲醇等）保證厭氧微生物的生長繁殖[12]，然而改良A/A/O工藝無需額外投加有機碳源以及堿度，有效降低了運行費用和能耗。

圖2 改良A/A/O工藝流程圖

趙蓉[13]等以沈陽得利滿 AO（SDAO）工藝作為主體工藝處理進(jìn)水量為2.0×105t·d-1的生活污水，將原SDAO主體工藝升級改造為改良A/A/O工藝，并考察了改良A/A/O工藝的處理效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在低溫條件下，采用升級后的改良A/A/O工藝也能夠有效地處理污水。當(dāng)進(jìn)水CODCr、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為 200 mg·L-1、35.9 mg·L-1和3. 05 mg·L-1，進(jìn)水溫度為12.2±0.5 ℃條件下，污水經(jīng)改良A/A/O工藝處理后，其出水CODCr、總氮和總磷質(zhì)量濃度能夠降低至11.8 mg·L-1、1.34 mg·L-1和0.17 mg·L-1。與原AO（SDAO）工藝相比，改良A/A/O工藝對總氮的去除率提高了32.3%。此外，原AO（SDAO）工藝無法有效去除水中磷元素，而改良A/A/O工藝能夠有效降解水中磷元素，其對總磷的去除率能夠達(dá)到94.3%?？吕宋牡萚14]也發(fā)現(xiàn)改良A/A/O工藝能夠在避免外加碳源的條件下實現(xiàn)污水凈化?？吕宋腫14]等以某污水處理廠的實際低碳源廢水作為研究對象，在區(qū)域環(huán)境為亞熱帶季風(fēng)氣候的條件下，考察了改良A/A/O工藝的運行效果。結(jié)果顯示，當(dāng)改良A/A/O工藝的污泥齡為19天、內(nèi)回流率穩(wěn)定在130%、外回流率為80%時，改良A/A/O工藝能夠有效地處理污水。進(jìn)水COD、氨氮和總氮質(zhì)量濃度為220～250 mg·L-1、20.03 mg·L-1和31.08 mg·L-1時, 經(jīng)改良A/A/O工藝處理后，COD氨氮和總氮的出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定在12～13 mg·L-1、0.39 mg·L-1和11.48 mg·L-1。

1.3 改良SBR工藝

SBR工藝作為常見的污水廠脫氮工藝之一，能夠去除水中氮元素，處理污水，但SBR工藝仍具有相應(yīng)的缺點，例如由于SBR工藝性質(zhì)，其間歇排水時排水時間較短，并且SBR工藝排水時不能攪動污泥，因此SBR工藝需要專門的排水設(shè)備（潷水器）[15]。此外，SBR工藝對于后續(xù)的深度處理設(shè)備要求較高，需要體積較大的消毒設(shè)備，增加基建費用。針對SBR工藝的缺點，國內(nèi)外學(xué)者對SBR工藝不斷改進(jìn)，目前較為常見的改良SBR工藝有：UNITANK工藝、CASS工藝、ICEAS工藝和MSBR工藝[16-17]。MSBR工藝是改良SBR工藝中應(yīng)用較為廣泛的一種工藝，該工藝有效地利用了傳統(tǒng)SBR工藝以及活性污泥法的特點[18]。MSBR工藝不僅不設(shè)置初沉池和二沉池，而且反應(yīng)器能在恒定液位下連續(xù)進(jìn)水運行。MSBR工藝在保證脫氮效果的同時，有效地降低了基建費用和運行費用。

雷英春[19]等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)改良SBR工藝（厭氧折流板反應(yīng)器 (ABR) 與改良序批式反應(yīng)器(MSBR) 聯(lián)合工藝）能夠有效地處理畜禽養(yǎng)殖廢水。雷英春等發(fā)現(xiàn)回流比、沉淀時間、水力停留時間以及循環(huán)周期能夠顯著影響改良SBR工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的效率。在一定范圍內(nèi)，氨氮去除率隨著沉淀時間、回流比以及水力停留時間的提高而明顯提高。當(dāng)回流比為200%, 循環(huán)周期組成為曝氣175 min、沉淀時間為60 min以及水力停留時間為8 h時，改良SBR工藝對畜禽養(yǎng)殖廢水的去除率達(dá)到最大，氨氮去除率能夠達(dá)到74.02%。

2 結(jié)束語

與傳統(tǒng)脫生物脫氮除磷工藝相比，新型生物脫氮除磷工藝能夠顯著提升出水水質(zhì)，提高脫氮除磷去除效率，滿足國家的排放標(biāo)準(zhǔn)，并有效地降低運行費用和能源消耗。不同類型的脫氮除磷工藝其進(jìn)水方式、處理效果不盡相同，污水廠選擇處理工藝時需要綜合考慮進(jìn)行篩選。