生物脫氮除磷新工藝及發(fā)展趨勢(shì)

1、生物脫氮除磷新工藝及開展趨勢(shì)摘要：環(huán)境污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化問題的鋒利化迫使越來越多的國(guó)家和地區(qū)制定嚴(yán)格的氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)，這也使污水脫氮除磷技術(shù)一度成為污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，研究和開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷工藝成為當(dāng)前城市污水處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：生物脫氮除磷環(huán)境污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化問題的鋒利化迫使越來越多的國(guó)家和地區(qū)制定嚴(yán)格的氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)，這也使污水脫氮除磷技術(shù)一度成為污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，研究和開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷工藝成為當(dāng)前城市污水處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。1生物脫氮新技術(shù)污水生物脫氮的根本原理是：在好氧條件下通過硝化反響先將氨氮氧化為硝酸鹽，再通過缺氧條件下的反硝

2、化反響將硝酸鹽異化復(fù)原成氣態(tài)氮從水中去除。由此而開展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區(qū)和好氧區(qū)分開，形成分級(jí)硝化反硝化工藝，以便硝化與反硝化可以獨(dú)立進(jìn)展。近年來，一些研究者在研究中陸續(xù)觀察到一些超出傳統(tǒng)生物脫氮理論的新現(xiàn)象。比方將好氧硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，然后在缺氧條件下直接反硝化的亞硝酸型生物脫氮；在一定的條件下,硝化和反硝化可以在同一個(gè)反響器內(nèi)同時(shí)完成；異養(yǎng)硝化以及厭氧氨氧化等。這些現(xiàn)象可以從微環(huán)境理論和生物學(xué)角度進(jìn)展解釋。微環(huán)境理論主要從物理學(xué)角度研究活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種物質(zhì)(如D、有機(jī)物、N3-N和N2-N等)傳遞的變化、各類微生物的代謝活動(dòng)及其互相作用，從而導(dǎo)致的微環(huán)境中

3、物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的改變。在宏觀環(huán)境中微好氧狀態(tài)時(shí)，由于氧擴(kuò)散的限制，微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生了溶解氧梯度，也就形成了不同的微環(huán)境。生物學(xué)角度的解釋不同于傳統(tǒng)理論，微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌，它們甚至可在完全厭氧的條件下發(fā)生硝化作用。有些好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)型硝化菌，它們可以在好氧條件下直接將氨轉(zhuǎn)化為最終的氣態(tài)產(chǎn)物。以上這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為研究者研究新的生物脫氮理論和開發(fā)新的生物脫氮工藝指引了方向，使他們不斷開發(fā)出了許多新型脫氮工藝。如：SND(同時(shí)硝化反硝化工藝)、SHARN(Singlereatrhighativityaniarevalvernitrite，亞硝化反響器)工藝

4、、LAND(xygen-liitedauttrphinitrifiatin-denitrifiatin，氧限制自氧硝化反硝化)工藝、厭氧氨氧化工藝以及短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝等。1985年，Rittann等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)硝化和反硝化，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了反硝化反響可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)連續(xù)進(jìn)展。通過控制D濃度可實(shí)如今同一反響器內(nèi)的SND，后來的Daigger、Rit-tann以及國(guó)內(nèi)的高廷耀、呂錫武等都對(duì)SND進(jìn)展了大量的研究工作。近年來國(guó)內(nèi)外有不少實(shí)驗(yàn)和報(bào)道都證明了SND現(xiàn)象，尤其是在有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如生物轉(zhuǎn)盤、SBR、氧化溝、AST

5、等，但對(duì)SND的機(jī)理及工程應(yīng)用的可行性尚有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。LAND工藝是由比利時(shí)GENT微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。該工藝的技術(shù)關(guān)鍵是控制溶解氧濃度，使硝化過程僅進(jìn)展到N2-N階段。由于亞硝酸菌對(duì)溶解氧的親和力較硝酸菌強(qiáng)，亞硝酸菌氧飽和常數(shù)那么比硝酸菌低，LAND工藝就利用了這兩類菌動(dòng)力學(xué)特性的差異，實(shí)現(xiàn)了在低溶解氧狀態(tài)下淘汰硝酸菌，積累大量亞硝酸菌的目的。但對(duì)于懸浮系統(tǒng)來說，低氧狀態(tài)下活性污泥易解體和發(fā)生絲狀膨脹。目前該工藝還停留在實(shí)驗(yàn)室探究階段，面臨的主要問題是自養(yǎng)型亞硝酸菌的活性較低，污泥氨氧化速率只有2g/gd。SHARN工藝是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的脫氮新工藝。該工藝的核心是

6、利用亞硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高溫(3035)下亞硝酸菌的生長(zhǎng)速率明顯高于硝酸菌的生長(zhǎng)速率的特性來控制系統(tǒng)的SRT在硝酸菌和亞硝酸菌的最小SRT之間，從而使亞硝酸菌具有較高的濃度而硝酸菌被自然淘汰，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的溫度和pH進(jìn)展嚴(yán)格控制，維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARN工藝主要用于處理城市污水二級(jí)處理系統(tǒng)中污泥消化的上清液和垃圾濾出液等廢水。荷蘭已建成兩座利用該工藝的廢水生物脫氮處理廠，證明了亞硝酸型生物脫氮的可行性(見圖1)。由于這些廢水本身溫度較高，屬高氨高溫水，有利于進(jìn)展短程硝化反硝化，可使硝化系統(tǒng)中亞硝酸的積累達(dá)100%。但大量的城市污水，一般都屬于低氨低溫水，要使水溫升高并

7、保持在3035很難實(shí)現(xiàn)。1990年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出厭氧氨氧化工藝，即在厭氧條件下，微生物直接以NH4+做電子供體，以N2-為電子受體,將NH4+或N2-轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程。由于厭氧氨氧化過程是自養(yǎng)的，因此不需要另加D來支持反硝化作用，與常規(guī)脫氮工藝相比可節(jié)約100%的碳源。而且，假如把厭氧氨氧化過程與一個(gè)前置的硝化過程結(jié)合在一起，那么硝化過程只需要將局部NH4+氧化為N2-N，這樣的短程硝化可比全程硝化節(jié)省62.5%的供氧量和50%的耗堿量。Sharn-Anax(亞硝化厭氧氨氧化)工藝被用于處理厭氧硝化污泥別離液并首次應(yīng)用于荷蘭鹿特丹的Dkhav

8、en污水處理廠，其工藝流程如圖2所示。由于剩余污泥濃縮后再進(jìn)展厭氧消化，污泥別離液中的氨濃度很高(約12002000g/L)，因此，該污水處理廠采用了Sharn-Anax工藝，并獲得了良好的氨氮去除效果。2生物除磷新工藝污水生物除磷是通過厭氧段和好氧段的交替操作，利用活性污泥的超量吸磷特性，使細(xì)胞含磷量相當(dāng)高的細(xì)菌群體可以在處理系統(tǒng)的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，剩余污泥的含磷量為3%7%。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)了一種“兼性厭氧反硝化除磷細(xì)菌(DPB)，它可以在缺氧條件下利用N3-作為電子受體氧化細(xì)胞內(nèi)貯存的PHA，并從環(huán)境中攝磷，實(shí)現(xiàn)同時(shí)反硝化和過度攝磷。兼性反硝化菌生物攝/放磷作用確實(shí)認(rèn)，不僅拓寬了除磷

9、的途徑，而且更重要的是這種細(xì)菌的攝/放磷作用將反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)地合二為一。該工藝具有處理過程中D和2消耗量較少、剩余污泥量小等特點(diǎn)，并且利用DPB實(shí)現(xiàn)生物除磷，能使碳源得到有效利用，使該工藝在D/(N+P)值相對(duì)較低的情況下仍能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，并使除磷的化學(xué)藥劑量大大減少，同時(shí)除磷器內(nèi)可獲得富含磷的污泥，使磷的循環(huán)利用成為可能。目前，在不同環(huán)境條件下DPB的誘導(dǎo)增殖與代謝途徑變化規(guī)律以及系統(tǒng)中DPB菌群演化數(shù)量的斷定和調(diào)控方式等都是亟待研究的課題。反硝化除磷菌應(yīng)用的代表性工藝是荷蘭DelfT大學(xué)開發(fā)的BFS(Bilgish-heishe-Fsfaat-StikstfVervijde

10、ring，反硝化及生物化學(xué)沉淀除磷組合工藝)工藝(見圖3)。據(jù)報(bào)道，該工藝中50%的磷均由DPB去除。該工藝由5個(gè)功能相對(duì)專一的反響器組成，通過控制反響器之間的3個(gè)循環(huán)來優(yōu)化各反響器內(nèi)細(xì)菌的生存環(huán)境。其充分利用了DPB的缺氧反硝化除磷作用，實(shí)現(xiàn)了磷的完全去除和氮的最正確去除；充分利用了磷細(xì)菌對(duì)磷酸鹽的親和性，將生物攝磷與富磷上清液(來自厭氧釋放)離線化學(xué)沉淀有機(jī)結(jié)合，使系統(tǒng)在穩(wěn)定的SVI(SVI120L/g)下能獲得良好的出水水質(zhì)(總磷0.2g/L,總氮5g/L)。3生物脫氮除磷技術(shù)的開展趨勢(shì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格是目前世界各國(guó)的普遍開展趨勢(shì)，以控制水體富營(yíng)養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除技術(shù)開發(fā)已成為世界各國(guó)主要的奮斗目的。我國(guó)對(duì)生物脫氮除磷技術(shù)的研究起步較晚，投入的資金也非常有限，研究程度仍處于開展階段。目前在生物脫氮除磷技術(shù)根底理論沒有重大革新之前，充分利用現(xiàn)有的工藝組合，開發(fā)技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)高效且符合國(guó)情的工藝應(yīng)是今后我國(guó)脫氮除