城市污水生物脱氮除磷工艺研究进展葛丽英

皿市污水生翔胶氮略麟工艺研究进展葛丽英季俊杰何成达(杨州大学环境工程系,江苏扬州,225以〕9)摘要本文综述了城市污水生物脱氮除磷技术研究及应用进展,分析了目前应用的脱氮除磷工艺机理及共特点,探讨市污水生物脱氮除磷工艺深入研究的方向。关扭词脱氮除碑城市污水污水处理bAsatret:hTis那ePrerviewshteadvancesinhetbioloig司int。罗n朋dph胎户ousrer二ovaltechnol哈esfi切n~ei问切.时吧wa-ter.hTemeehanismandehaareteirsnieofnitorgenandPhosphousrermovalp砚essesaeranalyzed,andidrecitonsOfstudyi飞thebioloigealnitm罗nandphosphorusremov目technolioges。司即discu肠目inthispa详r.Ke州ords:removalofnit印genandphosPhorus,muineialPwastewater,WastewaterT爬arment目前,水资源日趋紧张,水体富营养化现象使人类面临更加严峻的水环境问题,而氮、磷是引起水体富营养化的主要因素。因此,世界各国为保护有限的水资源,对氮、磷排放标准越来越严格,研究和开发高效、经济的污水生物脱氮除磷工艺成为当前研究的热点。本文系统的概述了污水生物脱氮除磷的机理,分析了生物脱氮除磷技术的现状,探讨了污水生物脱氮除磷技术的发展趋势。1.污水生物脱氮除磷的机理1.1污水生物脱氮机理在城市生活污水中,氮以有机态氮、氨态氮、亚硝酸氮、硝酸氮以及气态氮存在,并在一定的条件下可以相互转化。上个世纪,已研究和开发出多种脱氮工艺,如氨吹脱、电渗析、反渗透、折点加抓等物理化学脱氮技术和生物脱氮技术。由于物化脱氮技术存在工艺复杂、成本高的缺点,在实际应用中受到限制。因此,生物脱氮技术越来越受到重视。传统的生物脱氮理论认为:生物脱氮技术主要是通过设置厌氧区或通过过程控制形成厌氧环境,发生化、反硝化作用,达到脱氮的目的。即好氧条件下的有机氮,在氨化菌的作用下,分解、转化成氨态氮;在亚硝化菌、硝化菌的作用下,发生硝化反应,由氨态氮转化为亚硝酸氮、硝酸氮;在厌氧条件下,反硝化菌将亚硝酸氮、硝酸氮还原为气态氮,达到生物脱氮的目的。近年来,一些研究者在研究中观察一些超出传统生物脱氮理论的新现象:厌氧反应器中NH,一N减少;好氧条件下同时进行硝化反硝化作用;异养菌也可以参加硝化过程’。对于这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论认为在微生物絮体内存在溶解氧梯度,即在絮体表层溶解氧浓度较高,以好氧菌、硝化菌为主:而絮体内部由于溶解氧传递受阻和絮体外层微生物消耗大部分溶解氧,使内部形成兼氧、厌氧环境,有利于反硝化菌繁殖。加之曝气过程的搅动和溶解氧的控制使微环境是不断变化的,有利于微环境中的微生物处于厌氧、兼氧、好氧交替的环境中,产生硝化反硝化作用。从生物学角度解释不同于传统的理论,微生物学家已经发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌,甚至在完全厌氧的条件下发生硝化作用。已有研究表明,在亚硝化菌的作用下,以NO:一作为电子受体,将氨转化NOZ。以上这2002年第3期北方妹晚envil,,p.”母叫t些现象的发现为研究者研究新生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向。1.2污水生物除磷机理生物除磷主要通过聚磷菌在厌氧的条件下释放磷,在有氧的条件下摄取磷,并排除富磷污泥达到除磷的目的。聚磷菌属于兼性异养细菌,在厌氧环境中,在没有DO和大量NO3一存在的前提下,聚磷菌通过将细胞中聚磷水解成正磷酸盐获以能量,并利用污水中易降解的有机物,如挥发性脂肪酸(vFA),合成贮能物质聚p经基丁酸(PHB)存于细胞中;在好氧环境中,聚磷菌以游离氧为电子受体,氧化细胞内储藏的PHB,并利用该反应产生的能量,过量地从污水中摄取磷酸盐,合成高能物质ATP,其中一部分转化为聚磷,作为能量物质贮存于细胞中。由于好氧环境下摄取的磷远大于厌氧环境下释放的量,所以通过排放富磷污泥以达到高效生物除磷。研究表明,在废水中生物除磷中,聚磷菌厌氧释放磷是好氧吸收和除磷的前提条件下,但厌氧条件下聚磷菌释放磷水平的充分与否,并不是决定除磷能力的必要条件。研究表明,聚磷菌要在厌氧条件下能否有效释放磷,与水中有机物的类型和NO,一含量密切相关。2.污水生物脱氮除磷技术2.1污水生物脱氮技术污水生物脱氮技术是通过反应器和控制手段实现时间或空间上的好氧/缺氧环境,达到硝化反硝化脱氮的目的。根据污水处理工艺的不同分为活性污泥脱氮工艺和生物膜脱氮工艺。2.1.1活性污泥脱氮工艺活性污泥脱氮工艺从过去的实验室阶段发展到目前生产性研究和应用阶段,是目前普遍采用的生物脱氮技术。在工程上应用较多的活性污泥脱氮工艺有A/0工艺、AZ/0工艺、氧化沟工艺、SBR工艺。A/0工艺通过构筑物设置缺(厌)氧区和好氧区,在好氧区发生含氮有机物的氨化、硝化反应,缺氧区发生反硝化反应,从而达到去除有机物和脱氮的目的。该工艺的特点是流程简单,占地少,反硝化时无须外加碳源、易于控制污泥膨胀,但脱氮效率较低,耐冲击负荷能力差。A,/o工艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区,污水首先进人厌氧区与回流污泥混合,在兼性厌氧菌的作用下,将污水中的生物能降解的大分子有机物转化为小分子(如vFAs)。在缺氧区,反硝化菌利用污水中的基质对好氧区回流液中N03进行反硝化脱氮,而进人好氧区的有机物浓度较低,有利于好氧区的自养硝化菌的生长,从而达到较好的脱氮效果。氧化沟工艺同时具有完全混合型反应器和推流型反应器的特点,由于曝气设备的作用,使溶解氧呈现分区现象,即在曝气区发生硝化反应,在曝气区(处于缺氧状态)实现反硝化脱氮。研究表明,通过曝气设备的调节控制充氧量形成有效的缺氧区,提高脱氮效率。SBR(序批式活性污泥法)工艺是美国诺罗丹大学R.L.Ivrine教授于20世纪70年代未首先提出,该工艺具有投资少,耐冲击负荷,污泥不易膨胀,能够有效去除N、P的特点。近年来,随着电子学技术和控制机械的发展,程控装置和电子计算机以及检测仪表的性能大幅提高,使得SBR工艺操作、控制更加方便可靠。SBR工艺可以通过限制曝气或半限制曝气等运行工况在时间上实现缺氧/厌氧/好氧组合,并通过各个过程的时间控制,达到脱氮的目的,比北方抹吮endornme爪2002年第3期A/O、AZ/0工艺省去了混合液和污泥的回流,降低了运行成本。传统活性污泥脱氮技术目前已大量应用到城市污水工程,积累了许多实际经验,但仍存在一些问题急需解决。因此,对传统活性污泥脱氮工艺过程控制和生物脱氮机理的进一步深人研究将是今后污水生物脱氮研究的主要方向之2.1.2生物膜脱氮工艺生物膜脱氮工艺大多数处于小试、中试及半生产性实验阶段,生物转盘、生物滤池、生物流化床等生物膜法反应器均可以设计成具有脱氮系统、三级生物滤池脱氮系统。这些生物膜脱氮系统相对于活性污泥脱氮系统具有更好的稳定性、污泥浓度高、产泥量少,但能耗大。生物膜脱氮技术要应用到城市污水工程,还有许多问题有待解决。因此,对生物膜脱氮生物脱氮理的深人研究和开发新型经济、高效生物膜反应器将是今后污水生物膜脱氮技术研究的主要方向。2.1.3生物脱氮新工艺最近的研究提出了一些新脱氮工艺,如SHARON工艺、ANAMMOX工艺、De一ammoniifc二tionl艺、OLAND工艺。SHARON(SingleeraetorforHighaetiviytAm-moniaRemovaloverNitirte)工艺是荷兰neirt技术大学开发的脱氮新工艺,其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后进行反硝化,达到脱氮目的。该工艺具有以下特点:硝化与反硝化在同一反应器中完成,简化工艺流程,节省反硝化过程需要外加的碳源。以甲醇为例,NO:一反硝化比N03-反硝化节省40%的碳源,减少25%左右的供气量,节省动力消耗。ANAMMOX(nAaeorbi。AMMoniumOxidation)工艺是荷兰Delft技术大学Kluyven生物技术实验室于1990年开发的脱氮新工艺,其原理是在厌氧的条件下,以N伪、N压一为电子受体,将氨氧化为NoZ。De一axmnoniifeationl艺由iHpePn等人开发适合处理高浓度含氧废水的新工艺,该工艺脱氮过程不需要按照化学计量式消耗电子供体,其机理目前还不清楚。0LAN(D0xygenLimitedAuto如phieNiitrifearionDein城ifeation)工艺是比利时eGin微生物生态实验室开发的脱氮新工艺,其原理是通过控制溶解氧,使硝化过程控制在NOZ一阶段,通过N02一氧化NHN04+形成NO:,达到脱氮目的。杨红等人以消化污泥脱水液为基质,采用悬浮填料床反应器进行OLAND工艺脱氮研究,达到70%的脱氮率。新近开发的这些脱氮新工艺为污水处理设计提供了新的设计理论和设计思路,开创了生物脱氮的新篇章。今后,加强新工艺的脱氮机理和工艺过程控制深人研究将成为污水生物脱氮技术研究的新热点。2.2污水生物除磷技术污水生物除磷技术源于O2世纪60年代irS-nath等人在生产运行过程中观察到超量吸磷现象。过基础性研究,生产性实验研究以及工程运行实践,生物除磷技术在理论和实践上都取得了重大突破,目前用于工程实践的生物除磷技术有AZ/01艺、氧化沟工艺、sBR工艺、hPostirpl艺、改良B耐enpho工艺、改良的UCT工艺等。AZ/0工艺通过设置厌氧/缺氧/好氧环境,实现聚磷菌厌氧环境中有效释磷、好氧环境中聚磷。同济大学的高廷耀、张波等人对AZ/0工艺进行环境倒置效应实验研究,认为缺氧/厌氧/好氧的布置形式除磷效果更好,其原因在于:降低了厌2002年第3期社方抹境envi均nment氧区硝酸盐负荷,有利于聚磷菌有效释磷;聚磷菌厌氧释磷后,直接进人好氧环境,有利于充分利用厌氧条件下形成的吸磷动力。氧化沟工艺是通过曝气系统在反应器实现空间上厌氧/缺氧/好氧环境,为除磷创造条件。SBR工艺是通过曝气控制系统在反应器内实现时间上厌氧/缺氧/好氧环境,为聚磷菌有效释磷和聚磷过程创造条件,并通过排放富磷污泥实现除磷目的。hPositrp工艺通过在污泥回流系统中设置厌氧区进行生物除磷,并且与化学除磷法进行组合,可以达到很好除磷效果(,`mg/)L。改良BardenPh。工艺通过系统进水与回流污泥在厌氧池混合接触,促进厌氧发酵和有效释磷,进人后续构筑物聚磷,通过排泥达到除磷目的。改良的UCT工艺是基于回流污泥中硝酸盐进人厌氧区不利于聚磷菌有效释磷的事实,将回流污泥直接回流到缺氧区,提高除磷效果。上述生物除磷技术都具备两个基本特征:为聚磷菌有效释磷创造真正的厌氧环境;使聚磷菌在与其它微生物竞争中占有优势,实现有效除磷。生物除磷技术已从实验室研究发展到工程实践,并在实践中积累了不少经验,但是对除磷机理还有待进一步深入研究,因此加强对生物除磷机理和聚磷菌生物特性研究是今后生物除磷技术发展方向之一。2.3污水同时生物脱氮除磷技术自从Badrnard首先发现了硝化/反硝化过程中除磷现象,已开发出许多具有同时脱氮除磷功能生物处理技术,如AZ/0工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、phostirpl艺、改良Bardenph。工艺、改良的UCT工艺等。这些工艺均来源于传统的污水处理技术,又超越了传统污水处理技术,一方面满足传统污水处理工艺去除有机物、悬浮物的要求,另一方面满足除磷脱氮要求。通过控制系统的污泥龄、流态及回流方式、充氧、配套设备与检测仪表等,实现厌氧、缺氧、好氧三种环境空间时间上交替变化,达到高效脱氮除磷的目的。污水同时生物脱氮除磷技术已大量应用到生产实践中,取得了较好的效果,但仍有一些间题急待解决。3结语污水生物脱氮除磷的目的是从废水中将氮、磷去除,防止污水排人受纳水体后,引起水体富营养化问题,从源头控制水体富营养化。无论是单独的生物脱氮技术和生物除磷技术,还是其同时生物脱氮除磷技术,对于我