生物脫氮除磷原理及工藝#精制知識(shí)

1、生物脫氮除磷原理及工藝摘要:闡述了生物除磷和反硝化脫氮的機(jī)理,針對(duì)常規(guī)生物脫氮除磷技術(shù)和工藝中存在的問(wèn)題，研究開發(fā)出從不同類型污水中去除氮和磷的SBR工藝、CAST 工藝、MSBR 工藝、工藝和立體循環(huán)一體化氧化溝等。這些技術(shù)和工藝發(fā)揮了不同微生物菌群的優(yōu)勢(shì)，使其分別處于各自最佳狀態(tài)，可提高處理效率、簡(jiǎn)化操作、降低處理費(fèi)用。關(guān)鍵詞: 脫氮除磷；SBR工藝；CAST 工藝；MSBR工藝；立體循環(huán)一體化氧化溝 1 引言氮和磷是生物的重要營(yíng)養(yǎng)源，隨著化肥、洗滌劑和農(nóng)藥普遍使用，天然水體中氮、磷含量急劇增加，水體中藍(lán)藻、綠藻大量繁殖，水體缺氧并產(chǎn)生毒素，使水質(zhì)惡化，對(duì)水生生物和人體健康產(chǎn)生很大的危害。

2、然而, 我國(guó)現(xiàn)有的城市污水處理廠主要集中于有機(jī)物的去除,污（廢）水一級(jí)處理只是除去水中的沙礫及懸浮固體；在好氧生物處理中，生活污水經(jīng)生物降解，大部分的可溶性含碳有機(jī)物被去除。同時(shí)產(chǎn)生、和和，其中25%的氮和19%左右的磷被微生物吸收合成細(xì)胞，通過(guò)排泥得到去除；二級(jí)生物處理則是去除水中的可溶性有機(jī)物，能有效地降低污水中的和, 但對(duì)N、P 等營(yíng)養(yǎng)物只能去除10% 20% , 其結(jié)果遠(yuǎn)不能達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。因此研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的, 適于現(xiàn)有污水處理廠改造的脫氮除磷工藝顯得尤為重要。2 生物脫氮除磷機(jī)理2.1 生物脫氮機(jī)理污水生物脫氮的基本原理就是在將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的基礎(chǔ)上，先利用好氧段經(jīng)硝化作

3、用，由硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的協(xié)同作用，將氨氮通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，即，將轉(zhuǎn)化為和。在缺氧條件下通過(guò)反硝化作用將硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓?，將（?jīng)反亞硝化）和（經(jīng)反硝化）還原為氮?dú)猓绯鏊驷尫诺酱髿?，參與自然界氮的循環(huán)。水中含氮物質(zhì)大量減少，降低出水的潛在危險(xiǎn)性，達(dá)到從廢水中脫氮的目的1。硝化短程硝化：硝化全程硝化（亞硝化+硝化）： 反硝化反硝化脫氮： 反硝化厭氧氨氧化脫氮： 反硝化厭氧氨反硫化脫氮：廢水中氮的去除還包括靠微生物的同化作用將氮轉(zhuǎn)化為細(xì)胞原生質(zhì)成分。主要過(guò)程如下：氨化作用是有機(jī)氮在氨化菌的作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。硝化作用是在硝化菌的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。其中亞硝酸菌和硝酸

4、菌為好氧自養(yǎng)菌，以無(wú)機(jī)碳化合物為碳源，從或的氧化反應(yīng)中獲取能量。其中硝化的最佳溫度在純培養(yǎng)中為25-35 ，在土壤中為30-40 ，最佳pH 值偏堿性。反硝化作用是反硝化菌（大多數(shù)是異養(yǎng)型兼性厭氧菌，DO0.5 mg/L）在缺氧的條件下，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機(jī)物為電子供體進(jìn)行厭氧呼吸，將硝酸鹽氮還原為或,同時(shí)降解有機(jī)物2。2.2 生物除磷原理磷在自然界以2 種狀態(tài)存在：可溶態(tài)或顆粒態(tài)。所謂的除磷就是把水中溶解性磷轉(zhuǎn)化為顆粒性磷，達(dá)到磷水分離。廢水在生物處理中,在厭氧條件下,聚磷菌的生長(zhǎng)受到抑制,為了自身的生長(zhǎng)便釋放出其細(xì)胞中的聚磷酸鹽,同時(shí)產(chǎn)生利用廢水中簡(jiǎn)單的溶解性有機(jī)基質(zhì)所需的能量,稱

5、該過(guò)程為磷的釋放。進(jìn)入好氧環(huán)境后,活力得到充分恢復(fù),在充分利用基質(zhì)的同時(shí),從廢水中攝取大量溶解態(tài)的正磷酸鹽,從而完成聚磷的過(guò)程。將這些攝取大量磷的微生物從廢水中去除,即可達(dá)到除磷的目的3。2.2.1厭氧釋放磷的過(guò)程聚磷菌在厭氧條件下，分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽產(chǎn)生ATP，利用ATP以主動(dòng)運(yùn)輸方式吸收產(chǎn)酸菌提供的三類基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)合成PHB。與此同時(shí)釋放出于環(huán)境中1。2.2.2 好氧吸磷過(guò)程聚磷菌在好氧條件下，分解機(jī)體內(nèi)的PHB和外源基質(zhì)，產(chǎn)生質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力將體外的輸送到體內(nèi)合成ATP和核酸，將過(guò)剩的 聚合成細(xì)胞貯存物：多聚磷酸鹽（異染顆粒）。3 生物脫氮除磷工藝從生物脫氮除磷的機(jī)理分析來(lái)看，生物脫氮除磷

6、工藝基本上包括厭氧、缺氧、好氧3 種狀態(tài)，這3個(gè)不同的工作狀態(tài)可以在空間上進(jìn)行分離，也可以在時(shí)間上進(jìn)行分離。近年來(lái)，隨著對(duì)生物脫氮除磷的機(jī)理研究不斷深入，以及各種新材料、新技術(shù)、新設(shè)備的不斷運(yùn)用，衍生出了許多新的生物脫氮除磷工藝，其中典型的幾種處理工藝如下。3.1 SBR工藝SBR工藝是一種新近發(fā)展起來(lái)的新型處理廢水的工藝，即為序批式好氧生物處理工藝，其去除有機(jī)物的機(jī)理在于充氧時(shí)與普通活性污泥法相同，不同點(diǎn)是其在運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水及空載5個(gè)工序，依次在一個(gè)反應(yīng)池中周期性運(yùn)行，所以該法不需要專門設(shè)置二沉池和污泥回流系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行及污泥培養(yǎng)、馴化均比較容易。該法處理焦化廢水有著獨(dú)有

7、的優(yōu)勢(shì)：一是不要空間分割，時(shí)序上就能創(chuàng)造出缺氧和好氧的環(huán)境，即具有AO 的功能，十分有利于氨氮和COD的去除。二是該法的沉淀是一種靜止的沉淀，對(duì)污泥沉淀性能不好的廢水，固液分離效果非常明顯。三是該法可以省去二沉池，其占地面積相對(duì)要小一些。自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善，為SBR工藝的應(yīng)用提供的物質(zhì)基礎(chǔ)。但因?yàn)镾BR是間歇運(yùn)行的，為了解決連續(xù)進(jìn)水問(wèn)題，至少需要設(shè)置兩套SBR設(shè)施，進(jìn)行切換運(yùn)行。SBR工藝流程圖見圖14。3.2 CAST 工藝CAST 實(shí)際上是一種循環(huán)SBR 活性污泥法，應(yīng)器中活性污泥不斷重復(fù)曝氣和非曝氣過(guò)程，生物反應(yīng)和泥水分離在同一池內(nèi)完成，與SBR 同樣使用潷水器。污水首先進(jìn)入選擇器

8、，污水中溶解性的有機(jī)物通過(guò)生物作用得到去除，回流污泥中硝酸鹽也此時(shí)得到反硝化；然后進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，此時(shí)為微生物釋磷提供條件；第三區(qū)為主曝氣區(qū)，主要進(jìn)行BOD 降解，同時(shí)硝化反硝化。CAST 選擇器設(shè)置在池首，防止了污泥膨脹。33 MSBR 工藝 連續(xù)流序批式活性污泥法工藝（ModifiedSequencing Batch Reactor，簡(jiǎn)稱MSBR）。首先，污水進(jìn)入?yún)捬醭兀亓骰钚晕勰嘀械木哿拙诖顺浞轴屃?，然后混合液進(jìn)入缺氧池反硝化。反硝化后的污水進(jìn)入好氧池，有機(jī)物在好氧條件下被降解，活性污泥充分吸磷后再進(jìn)入起沉淀作用的SBR，澄清后上清液排放。此時(shí)另一邊的SBR 在1.5Q 回流量的條件下進(jìn)

9、行反硝化、硝化或靜置預(yù)沉?；亓魑勰嗍紫冗M(jìn)入濃縮池濃縮，上清液直接進(jìn)入好氧池，而濃縮污泥進(jìn)入缺氧池。這樣，一方面可以進(jìn)行反硝化，另一方面可先消耗掉回流濃縮污泥中的溶解氧和硝酸鹽，為隨后進(jìn)行的厭氧釋磷提供更為有利的條件。CAST 綜合了以往除磷脫氮工藝的優(yōu)點(diǎn)，保證了各污染物質(zhì)降解的最大速率環(huán)境，去除有機(jī)污染物效率更高，脫氮除磷效果更好3.4 工藝3.4.1 傳統(tǒng)工藝工藝或稱AAO工藝，在一個(gè)處理系統(tǒng)中同時(shí)具有厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)，能夠同時(shí)作到脫氮、除磷和有機(jī)物的降解，其工藝流程見圖2。圖2 生物脫氮除磷工藝流程 污水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)區(qū)，同時(shí)進(jìn)入的還有從二沉池回流的活性污泥，聚磷菌在厭氧條件下釋磷，同

10、時(shí)轉(zhuǎn)化易降解COD、VFA為PHB，部分含氮有機(jī)物進(jìn)行氨化。污水經(jīng)過(guò)第一個(gè)厭氧反應(yīng)器以后進(jìn)入缺氧反應(yīng)器，本反應(yīng)器的首要功能是進(jìn)行脫氮。硝態(tài)氮通過(guò)混合液內(nèi)循環(huán)由好氧反應(yīng)器傳輸過(guò)來(lái)，通常內(nèi)回流量為24倍原污水流量，部分有機(jī)物在反硝化菌的作用下利用硝酸鹽作為電子受體而得到降解去除?；旌弦簭娜毖醴磻?yīng)區(qū)進(jìn)入好氧反應(yīng)區(qū)，混合液中的COD濃度已基本接近排放標(biāo)準(zhǔn)，在好氧反應(yīng)區(qū)除進(jìn)一不降解有機(jī)物外，主要進(jìn)行氨氮的硝化和磷的吸收，混合液中硝態(tài)氮回流至缺氧反應(yīng)區(qū)，污泥中過(guò)量吸收的磷通過(guò)剩余污泥排除。該工藝流程簡(jiǎn)潔，污泥在厭氧、缺氧、好氧環(huán)境中交替運(yùn)行，絲狀菌不能大量繁殖，污泥沉降性能好5。它將厭氧段、缺氧段放在工藝

11、的第一級(jí), 充分發(fā)揮了厭氧菌群承受高濃度、高有機(jī)負(fù)荷能力的優(yōu)勢(shì), 處理效果較好, 產(chǎn)生的污泥較一般的生物法少。可用于處理工業(yè)廢水比重較大城市污水, 另外, 由于它是在普通活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 因而也較容易用于生物法處理的老污水廠的改造。3.4.2 改良工藝改良工藝是中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院提出的，工藝綜合了A/O 工藝和改良UCT 工藝的優(yōu)點(diǎn)，即在厭氧池之前增設(shè)厭氧/缺氧池。首先回流污泥和10%的污水進(jìn)入?yún)捬?缺氧池進(jìn)行反硝化以去除回流污泥中的硝酸鹽。90%的污水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)與回流污泥混合，在兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下將部分易生物降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA；聚磷菌釋磷，同時(shí)吸收VFA

12、以PHB 的形式貯存于胞內(nèi)。在缺氧區(qū)，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物和經(jīng)混合液回流而帶來(lái)的硝酸鹽進(jìn)行反硝化，同時(shí)去碳脫氮；在好氧區(qū)，有機(jī)物濃度相當(dāng)?shù)停欣谧责B(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)行硝化反應(yīng)，同時(shí)聚磷菌過(guò)量攝磷。通過(guò)沉淀、排除剩余污泥達(dá)到除磷的目的。該工藝降低回流污泥中硝態(tài)氮對(duì)后續(xù)厭氧池的不利影響，有利于厭氧池的聚磷菌釋磷，改善了泥水分離性能6。35 UCT 改良工藝改良的UCT 工藝（University of Cape Town）脫氮除磷工藝由厭氧池、缺氧1 池、缺氧2 池、好氧池、沉淀池系統(tǒng)組成，有2 個(gè)缺氧池。缺氧1 池只接受沉淀池的回流污泥，同時(shí)缺氧1 池有混合液回流至厭氧池，以補(bǔ)充厭氧池

13、中污泥的流失?；亓魑勰鄶y帶的硝態(tài)氮在缺氧1 池中經(jīng)反硝化被完全去除。在缺氧2池中接受來(lái)自好氧池的混合液回流，同時(shí)進(jìn)行反硝化，缺氧1 池出水中的 帶進(jìn)厭氧池使之保持較為嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，從而提高系統(tǒng)的除磷效率7。3.6 立體循環(huán)一體化氧化溝氧化溝是一種經(jīng)濟(jì)而有效的污水處理技術(shù)，具有穩(wěn)定的處理效果，是污水生物處理技術(shù)之一。特別是用于污水脫氮，氧化溝比其它生物脫氮工藝費(fèi)用低、TN去除效率高。然而，與活性污泥法相比，氧化溝占地面積較大，在土地緊張的城市或地區(qū)，氧化溝的應(yīng)用受到限制8。針對(duì)常規(guī)氧化溝存在的問(wèn)題，成功地研究出立體循環(huán)一體化氧化溝。其特點(diǎn)是： 氧化溝采用立體循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中完成降解有機(jī)物和脫

14、氮過(guò)程。與現(xiàn)有氧化溝相比，占地面積可減少約50%。 沉淀區(qū)與氧化溝合建，沉淀的污泥可自動(dòng)回流到氧化溝內(nèi)，可節(jié)省投資和能耗。 結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行操作簡(jiǎn)便。新型立體循環(huán)一體化氧化溝既保留氧化溝設(shè)備和運(yùn)行操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，又可減少占地面積。試驗(yàn)研究和應(yīng)用的結(jié)果表明，能夠同時(shí)有效地去除污水中的有機(jī)污染物和氮。COD去除率達(dá)到95%，BOD 去除率為98%。NH3-N去除率達(dá)到99%，總氮去除率90%以上。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果見圖3 圖5。 圖3立體循環(huán)一體化氧化溝對(duì)COD的去除效果圖4 立體循環(huán)一體化氧化溝內(nèi)氨氮的去除圖5立體循環(huán)一體化氧化溝對(duì)總氮的去除4 結(jié)語(yǔ)污水生物脫氮除磷是當(dāng)今水處理的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。新的脫氮除磷

15、理論的提出，為生物脫氮除磷工藝指引了方向。如：SND （同時(shí)硝化反硝化工藝）、SHARON工藝、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。但是，生物脫氮除磷工藝的發(fā)展已不僅僅要求對(duì)N，P 去除率，而且要求處理效果穩(wěn)定，可靠的運(yùn)行工藝。今后對(duì)此技術(shù)的研究應(yīng)集中在以下方面：第一、加深除磷機(jī)理的研究。反硝化聚磷菌的出現(xiàn)解決了硝化菌與聚磷菌爭(zhēng)奪碳源，污泥齡不同等主要矛盾。為新型同步脫氮除磷工藝提供了理論依據(jù)。但是對(duì)于反硝化聚磷菌的了解還不夠全面，尤其是其除磷機(jī)理還待于進(jìn)一步研究。應(yīng)突破傳統(tǒng)理論，從微生物的角度來(lái)調(diào)控工藝。第二、隨著脫氮除磷工藝的進(jìn)一步發(fā)展，許多研究者在進(jìn)行小試時(shí)，都馴化出顆粒污泥，而顆粒污泥的出現(xiàn)改善了污泥膨脹這一難題。同時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒污泥對(duì)N，P 的去除要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絮狀污泥。今后在對(duì)顆粒污泥的研究上應(yīng)更加深入，研究了解顆粒污泥外部的胞外聚合物是否對(duì)N，P 有吸附作用，并進(jìn)一步研究顆粒污泥的形成機(jī)理，調(diào)整現(xiàn)有反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)，從而加速顆粒污泥的形成，提高脫氮除磷效率。參考文獻(xiàn)1 周群英，王士芬. 環(huán)境工程微生物學(xué)M. 北京：高等教育出版社，2008.2 郝曉地. 歐洲城市污水處理技術(shù)新概念可持續(xù)生物除磷脫氮工藝(上) J . 給水排水,2002.3 張潔, 胡衛(wèi)新, 張雁秋 .城市污水生物脫磷除氮工