生物脫氮技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用及工藝優(yōu)化

張海軍，王榮鋼，楊大衛(wèi)，康彥濤，邢浩然

(中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100142)

隨著改革開(kāi)放帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)，我國(guó)居民生活水平有了明顯的改善，伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)隨之而來(lái)的問(wèn)題就是許多城市的污水、排水設(shè)備和設(shè)施不夠完善，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐乃廴厩闆r嚴(yán)重。城市的生活廢水中含有大量的氮、磷有機(jī)物，會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。水體的富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)使水中的藻類(lèi)植物過(guò)度生長(zhǎng)，使得水中的生物缺氧導(dǎo)致死亡。另一方面，當(dāng)這些富營(yíng)養(yǎng)化的水再次利用的時(shí)候也會(huì)因?yàn)樗w富營(yíng)養(yǎng)化促進(jìn)儲(chǔ)水設(shè)備中的微生物繁殖，造成微生物腐蝕，導(dǎo)致堵塞輸水管道和儲(chǔ)水設(shè)備，還會(huì)影響熱效率。因此，目前亟待解決的問(wèn)題就是如何經(jīng)濟(jì)、有效地降低污水中的氮、磷等有機(jī)物。在對(duì)廢水進(jìn)行脫氮處理方面，有傳統(tǒng)的物化脫氮法，還有生物脫氮處理技術(shù)。傳統(tǒng)的物化脫氮處理方法起效快，作用時(shí)間短，脫氮率高；但缺點(diǎn)是工業(yè)成本較高，而且還會(huì)對(duì)水體造成再次污染。生物脫氮法因?yàn)槠涞统杀竞蜔o(wú)二次污染，被認(rèn)為是目前廢水脫氮處理的最有發(fā)展前途的方法。本文擬采用生物脫氮處理技術(shù)中的A/O工藝法處理廢水廠污水，在反硝化系統(tǒng)中確保一定數(shù)量的微生物接種，使得厭氧池中的厭氧菌可以達(dá)到最佳狀態(tài)來(lái)獲得更好的脫氮除磷效果。采用A/O工藝的處理方法不僅可以提升脫氮除磷的效率，同時(shí)還減少一套回流系統(tǒng)以減少處理成本。

1 生物脫氮法處理污水處理廠的廢水

1.1 污水處理廠污水的來(lái)源與成分

城市生活污水指的是在整個(gè)城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的生活污水，工程廢水和地表污染水。生活污水的源頭主要是由城鎮(zhèn)居民家庭，以及企業(yè)單位、大型商場(chǎng)、初高中和普通高校等等用水。城鎮(zhèn)生活污水的主要污染源包括有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物，以及病毒和細(xì)菌。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展使得我國(guó)的工業(yè)也有了翻天覆地變化，這也導(dǎo)致工廠企業(yè)廢水的總量越來(lái)越大，廢水成分越來(lái)越復(fù)雜，處理起來(lái)也越來(lái)越困難。所以，污水處理一直被國(guó)家所重視，還對(duì)我國(guó)的中大型污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)作出了明確的規(guī)定，具體如表1所示。

表1 污水處理廠排入地表水體的水污染物排放限值Tab.1 Discharge limits of water pollutants discharged into surface water bodies from sewage treatment plants

廢水中氮、磷含量超標(biāo)會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水中溶解氧的濃度過(guò)低，造成赤潮現(xiàn)象和水體的黑臭現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的生物法脫氮技術(shù)已經(jīng)不能有效地解決赤潮現(xiàn)象和水體黑臭，所以必須發(fā)展無(wú)機(jī)物和有機(jī)物共同去除的生物處理技術(shù)，即對(duì)廢水處理廠的廢水進(jìn)行硝化處理和反硝化處理。隨著廢水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)研究出了很多種廢水脫氮辦法，可以更好地解決廢水中氮磷含量超標(biāo)的問(wèn)題。在污水處理廠處理廢水時(shí),選擇合適的脫氮除磷技術(shù)可以更好地降低工業(yè)成本。

1.2 根據(jù)污水處理廠污水特點(diǎn)選取生物填料

各地的污水處理廠一般都處在城市的邊緣，隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和工業(yè)的發(fā)展，自來(lái)水用量的增加，生活污水也不斷地增加，傳統(tǒng)的污水處理廠的廢水處理技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)有的城市規(guī)劃需求和生態(tài)環(huán)境需求。因此，必須要對(duì)傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。本文在傳統(tǒng)生物處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段污水處理廠廢水現(xiàn)狀，提出了一種新的脫氮除磷效果更好廢水處理技術(shù)。工程造價(jià)相對(duì)低，結(jié)合污水處理廠的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了污水的二次利用。

本文對(duì)污水處理廠的初步改造工作是采用卡魯塞爾氧化溝技術(shù)。因?yàn)槊刻斐鞘兴a(chǎn)生的污水量很大，而且每天的廢水質(zhì)量也有很大的波動(dòng)，特別是當(dāng)?shù)暮枯^高時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)辦法正常的運(yùn)行，所以必須對(duì)廢水進(jìn)行水質(zhì)處理。新工藝下的水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 Design indexes of water quality of inlet and outlet of sewage treatment plant mg/L

1.3 生物法脫氮技術(shù)

生物法脫氮技術(shù)就是在微生物的作用下，通過(guò)復(fù)雜的氧化-還原反應(yīng)將廢水中的有機(jī)氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程。本文中采用的生物法脫氮技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 生物法脫氮技術(shù)處理工藝Fig.1 Treatment process of biological denitrification technology

圖2為本文改進(jìn)后的生物脫氮技術(shù)工藝流程。

圖2 改進(jìn)生物脫氮技術(shù)工藝流程Fig.2 Improved process flow of biological denitrification technology

由圖2可知，改進(jìn)后的工藝分別為硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌提供了合適的反應(yīng)條件，減少了2種細(xì)菌在反應(yīng)條件上產(chǎn)生沖突的情況，提高了生物脫氮技術(shù)的脫氮除磷效率。從圖2還可以看出，虛線框內(nèi)的工藝是倒置 A/O處理工藝，在倒置 A/O處理工藝中，厭氧區(qū)可以選擇聚磷菌。聚磷菌可以在厭氧區(qū)聚集碳的同時(shí)釋放磷，這可以進(jìn)一步加速厭氧池磷的吸收。采用本工藝處理的廢水，不僅可以有效地去除廢水中的氮、磷等，還可以使污水處理廠的出水水質(zhì)達(dá)到三級(jí)處理標(biāo)準(zhǔn)。

2 A2 /O處理技術(shù)的原理和影響因素分析

A/O處理技術(shù)又稱(chēng)為厭氧-缺氧-好氧技術(shù)，該污水處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同步的脫氮除磷效果。在污水處理廠實(shí)際工作環(huán)境中，污水首先進(jìn)入?yún)捬醭睾突亓鞯奈勰喾磻?yīng)，兼性厭氧菌分解反應(yīng)污水中的大分子有機(jī)物，同時(shí)回流污泥帶來(lái)的聚磷菌開(kāi)始工作并釋放出磷。在缺氧反應(yīng)池中，反硝化細(xì)菌將污水中的有機(jī)物作為碳源，將回流的混合溶液中帶來(lái)足夠的硝酸根離子和亞硝酸根離子，并還原為無(wú)污染的清潔氮?dú)忉尫诺娇諝庵小Ｕ麄€(gè)A/O處理技術(shù)的反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，總水力停留時(shí)間也短；3種反應(yīng)池的輪流運(yùn)行限制了絲狀菌的生長(zhǎng)，可以控制污泥的膨脹效果。而且在A/O工藝運(yùn)行之中不需要額外的填料，相對(duì)于其他物化處理技術(shù)成本較低，減少了污水處理廠的工程投入。

在污水處理廠實(shí)際工作中，當(dāng)污泥濃度較高的時(shí)候，消耗的資金相對(duì)于普通情況較高，為了減少資本消耗，反硝化反應(yīng)中應(yīng)提供更多的碳源。當(dāng)A/O處理技術(shù)中回流工藝調(diào)整為外回流體積的30%～65%的時(shí)候，二沉池混合硝化液回曝氣沉砂池的比例可以達(dá)到 15%～35%，TN的去除率也可以到達(dá)60%以上，出水的品質(zhì)達(dá)到了國(guó)家一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)。而在降解、脫氮和除磷3個(gè)氧化-還原反應(yīng)中，影響反應(yīng)的因素就有很多，而且各個(gè)影響因素之間的關(guān)聯(lián)程度也十分復(fù)雜，所以就要求在實(shí)際的污水處理時(shí)，要想達(dá)到穩(wěn)定的處理效果，必須對(duì)各因素靈活調(diào)整。下面是需要注意的幾點(diǎn)；

(1)污水中的有機(jī)物對(duì)脫氮除磷都有很大的影響，因有機(jī)物中碳源是脫氮除磷反應(yīng)過(guò)程中必不可少的元素，所以為達(dá)到最佳的污水處理效果，必須要充分利用污水中的碳源，讓其發(fā)揮最大功效；

(2)在A/O處理技術(shù)中各反應(yīng)階段細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)是回流污泥中的微生物。當(dāng)污水中有機(jī)物濃度高，就利于異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，這樣會(huì)造成自養(yǎng)細(xì)菌不能奪取更多的溶解氧，導(dǎo)致生長(zhǎng)繁殖速度緩慢；好氧細(xì)菌的生長(zhǎng)也不能順利進(jìn)行，這樣微生物的硝化反應(yīng)速度就會(huì)下降；

(3)A/O處理技術(shù)中混合液回流是影響硝化反應(yīng)的主要因素，泥齡取決于硝化細(xì)菌出現(xiàn)的時(shí)間。以前的研究表明硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度決定了硝化細(xì)菌的出現(xiàn)時(shí)間，并且硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度受溫度的影響。當(dāng)溫度較高時(shí)，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率可以達(dá)到B級(jí)；當(dāng)氣溫低于0 ℃時(shí)，硝化速率下降到較高的水平，其根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算：

=(1 +)

式中：為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率；為溫度；為總脫氮率。從式中可以看出硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率隨溫度的增大而增大。但考慮到過(guò)多的泥齡還會(huì)導(dǎo)致回流污泥中的磷二次釋放，所以A/O處理技術(shù)中泥齡一般要小于20 d。

除了上述提到的幾個(gè)A/O處理技術(shù)的影響因素，在污水處理廠實(shí)際工況下還有很多要考慮到的外界因素的影響。為了達(dá)到最佳的脫氮、除磷效果，必須要靈活掌握工藝，還要及時(shí)調(diào)整參數(shù)以達(dá)到污水處理的標(biāo)準(zhǔn)。

3 A2 /O處理技術(shù)實(shí)際工況研究

本研究采用A/O處理技術(shù)，需要處理的廢水選自某地實(shí)際污水處理廠的一沉池，同時(shí)也會(huì)設(shè)置二沉池。好氧池到缺氧池的回流比設(shè)置為200%，二沉池到厭氧池前段的污泥回流比分別設(shè)置為30%和50%，此工藝流程的試運(yùn)行周期為7 d。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要考慮接種污泥的生長(zhǎng)繁殖情況還有接種污泥對(duì)系統(tǒng)造成的負(fù)荷，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要設(shè)置污泥回流體積分?jǐn)?shù)為100%, 還要使得DO的質(zhì)量濃度在好氧段為3 ～ 4 mg/L。

污水中的溶解氧濃度對(duì)反硝化作用和硝化作用都有很大的影響，污水中的溶解氧濃度可以通過(guò)改變供氧量去改變整個(gè)的反應(yīng)速率還有氮的負(fù)荷。圖3給出了具體的函數(shù)關(guān)系——氮濃度和供氧量函數(shù)關(guān)系曲線。

圖3 氮濃度和供氧量函數(shù)關(guān)系曲線Fig. 3 The relationship curve between nitrogen concentration and oxygen supply

由圖3可知，當(dāng)氨態(tài)氮的濃度增加，供氧量也隨著其增加而增加，整個(gè)反應(yīng)的反硝化速率也會(huì)隨之增加。在普化期，當(dāng)氨態(tài)氮的濃度處于較低水平的時(shí)候，可以選擇提高脫硝率，這樣可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

本實(shí)驗(yàn)A/O處理技術(shù)的工藝參數(shù)設(shè)置為；水力停留時(shí)間(HRT)為 8.5 h，厭氧階段和缺氧階段都設(shè)置為2 h，好氧階段的時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷分別為6 h和0.15，厭氧階段的有機(jī)負(fù)荷設(shè)置為0.07，厭氧階段、缺氧階段和好氧階段的溶解氧含量分別設(shè)置為0.2、0.5和2 mg/L。根據(jù)上述的工藝參數(shù)運(yùn)行A/O處理技術(shù)7 d，獲得的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 A2 /O處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)氮磷數(shù)據(jù)Tab.3 Nitrogen and phosphorus data with A2 /O treatment technology

由表3可知，在污水處理廠廢水A/O工藝處理過(guò)程中，廢水的進(jìn)水各元素的含量波動(dòng)不大，所以每天的進(jìn)水情況相差不大，較為穩(wěn)定。這樣就利于A/O處理技術(shù)工藝參數(shù)的選擇和控制，脫氮、除磷都可以有明顯的效果。

由表3的7 d平均值可知，本實(shí)驗(yàn)A/O工藝的脫氮率約為85.7%，除磷率約為62.7%，可以看出脫氮率要明顯地高于除磷率。對(duì)于M/O而言，當(dāng)好氧階段時(shí)間設(shè)置為2 h時(shí)，只要保證水中的溶解氧含量充足，廢水中的氨氮大部分都可以完成硝化反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在生物法脫氮、除磷工藝中，應(yīng)當(dāng)把脫氮作為首要目標(biāo)；同時(shí)，活性污泥對(duì)生物法脫氮技術(shù)也十分重要，活性污泥一定程度上可以減少污水在生物池中的停留時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用A/O處理技術(shù)處理后的廢水脫氮率約為85.7%，除磷率約為62.7%。未來(lái)的生物法脫氮技術(shù)還需要關(guān)注有機(jī)物碳源的問(wèn)題，雖然外碳源可以有效地提高脫氮、除磷效果，但會(huì)增加運(yùn)行成本和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷。所以亟待解決的一個(gè)問(wèn)題就是如何提高碳源含量的同時(shí)還要降低污水處理廠廢水處理的工業(yè)成本。