Orbal氧化沟同时硝化反硝化及生物除磷的机理研究

Orbal氧化沟同时硝化/反硝化及生物除磷的机理研究活性污泥法是一种废水生物处理工艺，它也可设计成除营养即脱氮除磷的构形，通过混合使非曝气段形成缺氧及厌氧环境而达到上述目的。Grady、Daigger及Lim[1]定义了其发生在各段中的功能及获得不同除营养程度的必要条件。采用这些明确定义的缺氧及厌氧段工艺已发展了20年，至今仍在污水处理中广为应用。与此同时，在那些没有很明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中，人们曾多次观察到脱氮除磷现象，在曝气系统中也曾多次观察到氮的消失[2]，这些现象被称为同时硝化/反硝化。另外，人们在同一个曝气池中也观察到生物除磷现象[3、4](其中并没有正式的厌氧段存在)。正如表1所列，同时去除营养(氮及/或磷)即SBNR系统提供了今后降低投资并简化生物除营养(BNR)技术的可行性。然而，对于SBNR的机理至今还没有很深入地认识与了解，它不仅仅是一个设计与运行的简单问题。如果能对其应用机理很好地进行分析，则SBNR的推广应用范围将更广泛，使其能在现有处理设施中更易被采用。表1SBNR的优缺点优点缺点（1）不需加导流板去形成缺氧及/或厌氧段（2）不需单独设置缺氧及/或厌氧段装置（3）不需要液内循环（4）可以在现有设施中实施，不需另设构筑物（1）运行操作机理还没有很好地被认识，因而不知如何推广应用（2）工艺控制可能会更复杂根据对实现SBNR系统的分析表明，三个主要机理是造成发生SBNR的原因：①混合形态由于生物反应池混合形态不均，例如充氧装置的不同，可在生物反应池内形成缺氧及/或厌氧段。此种情况称为生物反应池的大环境，即宏观环境。②菌胶团缺氧及/或厌氧段可在活性污泥菌胶团内部形成，即微环境。③新的专用微生物菌种目前先进的微生物学已在一定范围内展示先前并没有被认识的微生物菌种，其可以在曝气生物反应池中用来去除氮、磷。在生产规模的生物反应池中，整个反应池处于完全均匀混合状态的情况并不存在。就氧化沟及一些通过采用充氧装置来完成大量混合液循环的处理厂而言[1、5]，高度的充氧发生在反应池一端，受限制的充氧发生在反应池的其余部分，混合液在曝气及非曝气段循环。这种生物反应池流态也是BNR系统的特点，定义为好氧、缺氧、及厌氧段。此外，发生在菌胶团内部的溶解氧浓度梯度目前也已被公众认同，从而使实现BNR所必须的缺氧及/或厌氧段可在菌胶团内部形成。因此，SBNR也可在这种非正式的、没有形成明显区别的缺氧及/或厌氧段内被观察到[6～8]。事实上，根据这个机理，目前已对有关达到脱氮的SBNR工艺的运行效果建立了数学模型，并进行了分析。在过去几年中，许多新的氮生物化学菌族被鉴别出来，其中至少部分菌种以组团形式对SBNR起作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌(统称AMANMOX工艺)及起硝化作用的异养菌(即曝气反硝化)[9]。目前对生物化学及生物除磷工艺的微生物学理解还不够完善，对其认识还在发展之中[10]。以上所阐述的关于研究SBNR最基本假设的三个机理可以同时应用于任何系统中实现SBNR，但符合逻辑的每种机理的相对作用可能变化，这取决于系统的设计及运行参数。理解及控制SBNR的关键是要了解工艺设计及运行参数将如何影响SBNR，这也是整个SBNR研究的基本目标。本文对那些具有生产规模的、已知或被认为具备发生SBNR的活性污泥处理厂进行定性分析，以确定SBNR在其中的状况，重点放在采用Orbal构形的污水处理厂。Orbal工艺生物反应池是由3个闭路环形沟道以串联方式组成。其中每个沟道充氧程度不同，因而在各沟道创造了不同的环境[6]。这种变化的空间环境贯穿于整个生物反应池，以使先前描述的第一个混合形态机理得以成立及应用。同时由于3个沟道均处于曝气状态，故液相中溶解氧浓度受到控制，从而造成一种在生物菌胶团内部形成缺氧及/或厌氧微环境的趋势(即第二个机理)，这就使得Orbal构形成为理想的研究SBNR的对象。同时若将重点集中于具体处理厂的有关构形，则可允许对与SBNR有关的其它设计及运行参数的影响因素进一步定性分析。①定性分析发生在所选生产规模的处理厂中同时脱氮、除磷的程度；②定性分析工艺运行参数将如何影响其特性(脱氮、除磷或两者兼有)及对SBNR的限制程度；③记录观察到的任何可能有助于对所选具体处理厂进一步深入研究的现象。1方法及材料1.1Orbal工艺描述图1提供了一个典型的三沟道Orbal处理系统的简图。废水从沟道1(外沟道)进入，然后依次流入沟道2、3(内沟道)。曝气池混合液出水流入二沉池。回流污泥由二沉池打回沟道1。充氧是通过曝气转碟来完成，这种充氧方式同时也使混合液在各自沟道呈悬浮态的循环。象其它闭路循环生物反应池一样，混合液将在其沟道内循环多次再流入下一个沟道，其有趣的是曝气转碟在每个轴承上的安装片数及其转动方向(基点方向、突高点方向)可灵活变化，因而允许每个沟道的供氧量呈变化状态，曝气转碟的转速及浸没深度也可根据充氧要求调整。沟道1约占整个系统体积的50％～55％，沟道2、3各占约30％～35％、15％～20％。典型的Orbal工艺设计及运行策略是使外沟道供氧量低于需氧量。外沟道供氧量通常为计算需氧量的50％～70％，其目的是使硝化、反硝化反应同时在外沟道发生。由于向外沟道充氧，故硝化反应可在其中进行，然而外沟道受限制的充氧使其处于亏氧状态，故由硝化反应产生的含结合氧的硝酸盐氮在此作为补充而被消耗。这里假设异养的微生物对由硝化菌产生的硝酸盐氮进行反硝化，同时利用对氧的控制来实现对硝化及反硝化反应的控制(此将另行讨论)。另也可通过内循环方式将混合液从沟道3打回沟道1，从而将在沟道2及沟道3形成的硝酸盐氮转到沟道1进行反硝化。应用这些操作方式，脱氮效率可达90％以上[6～8]。Orbal工艺也可以分段进料的氧化方式，将原污水全部或部分引入沟道2或3，空余的沟道则可作为贮泥备用，回流污泥也可灵活进入不同沟道。这种运行方式通常是在高峰流量时采用，以减轻二沉池负荷，避免污泥流失，但此种运行方式并不会预期增进SBNR。1.2对污水厂运行的研究表2对几个污水厂的运行进行了研究。这些厂大部分在美国东部，主要接受生活及商业废水，也有少数接受部分工业废水。设计处理能力为6600～45400m3/d(多由1或2个Orbal工艺池组成)，水力停留时间为11～22.6h不等。污泥处理是由好氧贮泥、消化，然后由带式压滤机脱水。这些处理设施全部采用3个沟道的Orbal工艺。表2对污水厂运行的研究概况污水厂地点设计能力（m3/d）反应池数（座）设计HRT（h）转碟数（个）污泥处理ElmwoodWWTP①Evesham,NJ,USA11400222.6356好氧污泥消化，带式压滤机污泥脱水HartfordWWTPMountLaurel,NJ,USA22700114.5270HammontonWWTP①Hammonton,NJ,USA9500119.0308ChalfontWWTPNew,Britain,PA,USA15100114.0336SweetwaterCreekWWTP①GwinnettCounty,GA,USA45400411.0980好氧污泥消化LakeGenevaWWTPLakeGeneva,WI,USA6600115.3132重力浓缩，好氧污泥消化注①出水经过滤1.3工艺模拟技术采用国际水协(IAWQ)活性污泥1号模型(ASMⅠ)对Orbal工艺运行特点进行了分析。它是以一段污泥模拟程序(SSSP)实施的，并以pro2D为工具对其水质特点及污水厂进行模拟。ASMⅠ主要用来确定在什么程序上同时硝化/反硝化可在此工艺中以一个总的模式被接受，并进行特性分析。2结果与讨论2.1污水厂的运行效果表3对6个选定的污水厂的工艺负荷及运行特点进行了总结。这些厂的实际水力负荷只为设计能力的36％～89％，而实际有机负荷在其设计值的47％～115％内变动。除SweetwaterCreek污水厂外，这些厂大多以延时曝气的模式运行，其泥龄在20d以上，污泥浓度在2200～4000mg/L左右。表3污水厂运行参数污水厂平均流量有机负荷泥龄（d）MLSS（mg/L)运行时间（m3/d)占设计（%）[kg/(m3/d)]占设计（%）ElmwoodWWTP7100630.15553331751998年1-9月HartfordWWTP15000660.1647303500HammontonWWTP3400360.18512022001994年7月-1995年6月ChalfontWWTP11400750.20912440001994年1月-12月SweetwaterCreekWWTP40500890.46857-103411LakeGenevaWWTP5700870.28115224000表4对污水厂运行数据进行了总结。正如延时曝气活性污泥法所预期的效果，其出水BOD5效果极好，出水悬浮物一般也低于5mg/L。有些厂同时又提供了砂滤，但这些厂的二沉池出水及砂滤池出水并没有多大区别。硝化反应基本进行彻底，出水氨氮通常小于1mg/L，尽管硝化程度很高，但出水硝酸盐氮也均小于5mg/L。在Elmwood及Hammonton污水厂其总氮的去除可达85％～90％。LakeGeneva出水总氮小于4mg/L。这些数据足以表明Orbal工艺设施的显著脱氮能力。表4污水厂运行数据总结污水厂BOD5TSSTPTKNNH3-NNO3-N出水进水出水进水出水进水出水进水出水进水出水ElmwoodWWTP①②2212.31841.15.40.5332.52.025.01.11.13HartfordWWTP2103.62924.8-----0.12-HammontonWWTP①3532.13904.2-1.7037.02.1-0.242.93ChalfontWWTP1603.215243.20.90--15.81.035.50SweetwaterCreekWWTP①2371.83591.56.00.22--13.00.144.50LakeGenevaWWTP①2034.21966.2---1.3--2.62注①采用混合液内循环②出水经过滤通过4个污水厂出水总磷数据可看出，出水磷在1mg/L以下。Elmwood污水厂磷的去除为0.22mgP/mgBOD,而Hammonton污水厂为0.24mgP/mgBOD。此数据表明磷的去除超过其合成细胞所需的磷(特别对于相对长的泥龄来说)，因而表明有其他的机理造成磷的去除。该数据并没有包括金属盐类的投加，因而说明强化生物除磷可能在该厂发生。以上数据总体表明生物脱氮除磷可能在这些污水厂发生。2.2数据表明同时脱氮的存在对Elmwood污水厂每个沟道的环境进行了分析测试，表5展示了典型的溶解氧沿反应池断面的分布浓度。对每个沟道转碟前后的溶解氧浓度进行了测试，其记录的DO浓度是该点沿池深4个均匀等分的DO平均值，因此它代表该点DO的平均浓度。从这些数据可看出DO值在曝气转碟前后基本一致，其结果对其他污水厂而言都较相似，与Applegate在德克萨斯州Huntsville所得到的研究结论是一致的。这些数据表明在Orbal氧化沟各沟道内并没有明显地形成好氧及缺氧段。表5Elmwood污水厂曝气转碟DO数据地点Orbal1①Orbal2沟道1沟道2沟道3沟道2沟道3曝气转碟前0.20.20.250.250.7曝气转碟后0.20.20.250.40.7注①混合液浓度为3.2mg/L在Elmwood污水厂对其营养沿不同沟道的浓度进行了测试，其中某些典型数据列于表6。其低溶解性TN及氨氮浓度表明显著的硝化反应在外沟道发生，然而由数据所示亚硝酸盐及硝酸盐氮浓度在外沟道并没有大量增加，这就表明硝化及反硝化反应在外沟道同时发生。用国际水协(IAWQ)ASMⅠ模型对Elmwood污水厂脱氮状况进行了分析。首先建立一个简化的模型，即将沟道1模拟为6个同等完全混合的串联单元，沟道2及沟道3模拟为完全混合的独立单元。在沟道1假设两个曝气段代表转碟所处位置，在沟道2及沟道3也同样假设为曝