城市污水脱氮除磷技术的研究进展王振栋

中国环境保护优秀论文集（2005）·1056·城市污水脱氮除磷技术的研究进展王振栋（大连市环境监测中心）摘要叙述了污水中氮、磷对环境及生态系统的影响，阐述化学、物理及生物方法脱氮除磷的基本原理。介绍了城市污水脱氮除磷技术的研究和新进展，及分析了城市污水脱氮除磷的发展趋势。关键词城市污水脱氮除磷机理研究进展近年来,随着工业化和城市化程度的不断提高，合成洗涤剂、化肥和农药广泛使用，大量氮、磷营养物进入水体，水体富营养化日益严重。水体富营养化现象是一种自然界普遍存在的进化过程，但是人类活动造成的污染大大加速了这一过程。水体富营养化，藻类异常繁殖，大量消耗水中的溶解氧，使水体呈缺氧或厌氧状态,而一些藻类又会分泌和释放毒性物质，导致鱼类、贝类等需氧生物死亡，对城市经济、自然环境构成严重威胁，也使得可用水资源日益紧张，造成这种后果的主要原因是城市污水氮、磷的大量排入水体引起富营养化，水体富营养化严重降低了水资源的利用价值,，国家对污染水质排放中的氮、磷控制也在逐渐加强。我国对污水处理厂的氮、磷浓度有了法定的标准,昀新颁布的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)所规定的污水处理厂排放标准：磷0.5mg/L(一级标准)、1.0mg/L(二级标准)，氮15mg/L(一级标准)、25mg/L(二级标准)[1－3]。一、化学法[4]由于化学处理法费用较高，以及产生的污泥量多而难于处理，因此在应用上受到了一定的限制。尤其在城市的污水处理中应用较少。但化学处理法具有反应迅速、见效快的特点，特别适用于污水的质和量有剧烈变化的条件下。近年来，新型无机化学混凝剂如聚合铝、聚合铁和复合型无机混凝剂的开发成功，以及新型有机高分子絮凝剂的开发(如各种离子型的以及分子量高达2000万的聚丙烯酰胺等)，使化学法处理可以采用较少的药剂，就可达到较高的处理效果，并且产生较少的污泥。（一）化学药剂除氮法[5]去除水中氮、磷比较经济有效的方法是投加石灰。用石灰除氮的过程是提高废水的pH值，使水中的氮呈游离氨形态逸出：NH4=NH3+H投石灰到废水中，使pH值提高到11左右，在解吸塔中将氨吹脱到大气中。但在寒冷的冬季，去除率将显著降低，只有40%～50%，造成经济上不合理。有条件时应鼓入热风，维持解吸塔中温度在20℃以上。同时石灰的加入也对除磷起到了一定作用。石灰与磷酸盐作用的反应式为：5Ca2++4OH-+3HPO42-Ca5OH(PO4)3+3H2O生成了碱式磷酸钙沉淀而被去除。磷也会吸附在碳酸钙粒子的表面上一起沉淀。当pH9.5时，基本上全部正磷酸盐都转化为非溶解性的。第五章环境污染防治技术研究与开发·1057·（二）化学药剂除磷法[6]化学药剂除磷法就是将某些金属离子的溶液加到废水中，与磷形成不溶的沉淀物，从而达到除磷的目的。工艺流程图：投加铝盐或铁盐也可去除磷。以铝盐为例：生成了磷酸铝沉淀而被去除。磷与铝也会结合成为一种络合物，被吸附在氢氧化铝絮凝物上除去。（三）离子交换法[5]离子交换的原理已广泛地用于水的软化或脱盐，以及从工业废水中回收有用的副产品。近年来，离子交换也成功地应用于城市污水的脱氮、除磷。阳离子交换树脂能用它的氢离子和污水中的氨根离子进行交换，阴离子交换树脂能用它的氢氧离子与污水中的硝酸根、磷酸根离子进行交换。RH+NH4+RNH4+H+ROH+HNO3RNO3+H2OROH+H3PO4RH2PO4+H2O当树脂昀终耗尽了它的全部交换能力时，可再生重用。离子交换能使废水净化达到零排放的标准或全部循环使用。二、物理法[4]电渗析是一种膜分离技术。电渗析室的进水通过多对阴阳离子渗透膜，在阴阳膜之间施加直流电压，含磷和含氮离子以及其他溶解离子，在施加电压的影响下，体积小的离子通过膜而进到另一侧的溶液中去。在利用电渗析去除氮和磷时，预处理和离子选择性显得特别重要，必须对浓度大的废水进行预处理。高度选择性的防污膜仍在发展中。工艺图如下：中国环境保护优秀论文集（2005）·1058·三、生物法脱氮除磷（一）生物脱氮的基本原理[7－8]氮的控制方法通常有加Cl2法、NH4+交换法、空气吹脱法和生物法等，本文只介绍生物法。生物法控制氮实际上又分为两类：一类是硝化，把NH4＋－N和有机氮转化为危害相对较小的无机氮；另一类是脱氮，经硝化－反硝化处理，把污水中的氮变成无害的N2排出体系。硝化是污水中的有机氮在微生物的作用下，进行好氧呼吸，经NH3转化为NO2－和NO3－的过程有机氮⎯⎯→⎯氨化NH3+CO2+小分子有机物NH4++O2⎯⎯→⎯亚硝酸NO2－+H2O+H+NO2－+O2⎯⎯→⎯硝酸NO3－NH4++O2⎯⎯→⎯硝化NO3－+H2O+H+可见这一过程是使NH4＋—N发生化学形态的转变,不能昀终脱氮。反硝化过程：NO3－⎯⎯⎯→⎯同化反消化NO2－→NO→N2O→N2NO3－⎯⎯⎯→⎯异化反消化NO2－→X→NH2OH→有机氮在厌氧或缺氧的条件下，污水中若含有充足的电子供体(氢供给体)，那么NO3-作为电子受体，在兼性厌氧菌(反硝化菌)的作用下被还原，NO3-作为气态N2逸入大气中，同时有机物分解，达到我们脱氮的目的。其中以同化反硝化为主，在90%以上。也就是说，经反硝化大部分N转化为N2逸出体系，只有少量的N被用于细胞合成。污水中的氮在硝化菌、反硝化菌作用下，通过硝化过程作用下以气态形式逸入大气是目前生物脱氮的主要途径。（二）生物除磷的基本原理[9－10]在废水生物除磷过程中，活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时,在活性污泥中可产生所谓的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧条件下可超出其生理需要而从废水中过量摄取磷,形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。聚磷菌的这种过量摄磷能力不仅与在厌氧条件下磷的释放量有关,而且与被处理废水中的有机基质的类型有关。在厌氧条件下，聚磷菌的生长受到抑制，为了自身的生长便释放出其细胞中的聚磷酸盐，同时产生利用废水中简单的溶解性有机基质所需的能量，称该过程为磷的释放。进入好氧环境后，活力得到充分恢复，在充分利用基质的同时，从废水中摄取大量溶解态的正磷酸盐，合成如环状、线状结构的多聚磷酸盐，从而完成聚磷的过程。将这些摄取大量磷的微生物从废水中去除，即可达到除磷的目的。四、生物脱氮除磷技术（一）A2/O工艺[11]厌氧/缺氧/好氧(AnaerobicAnoxicOxic)简称称A2/O工艺，是一种典型的应用广泛的生物脱氮除磷工艺。A2/O工艺的流程：第五章环境污染防治技术研究与开发·1059·在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区，污水首先进入厌氧区与回流污泥混合。在厌氧段，污水中的BOD和COD有一定的下降，NH4＋－N由于细胞的合成有一定的去除，而NO3－－N不变，磷的含量因聚磷菌的释放而上升。在缺氧段，废水中有机物被反硝化菌利用作为合成细胞的碳源，BOD和COD继续减少，而NH4＋－N变化较小，NO3－－N大幅度下降，被还原成N2并释放到大气，磷的变化较小。在好氧段，有机物继续降解而减少NH4＋－N和磷以较快速度下降，NO3－－N则由于硝化作用而上升。（二）SBR工艺[12－13]SBR(序批式活性污泥法)工艺是美国诺罗丹大学R.L.Irvine教授等于20世纪70年代末首先提出，SBR工艺的突出特点就是可以根据反应器中底物的降解情况灵活地改变反应时间，从而可灵活地控制好氧、缺氧和厌氧的环境条件，达到除磷脱氮的目的,比A/O、A2/O工艺省去了混合液和污泥的回流,降低了运行成本。它是通过对进水、曝气时间、反应器内溶解氧浓度等运行参数的合理控制,在时间序列上实现厌氧/缺氧/好氧的组合,在控制良好的情况下，氮、磷的去除率可以达到90%以上，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工艺的处理构筑物少，处理过程大为简化，该工艺对水质、水量的变化具有一定的适应性，不宜产生污泥膨胀。因此SBR已成为较理想的除磷脱氮工艺而得到广泛应用。（三）生物膜工艺[14-15]生物膜与活性污泥结合工艺流程图:将膜应用于生物反应器进行污水处理时，膜昀明显的功能就是代替二沉池进行固液分离，这一组合尽管看似简单，但却带来污水处理的新的突破。生物膜与活性污泥结合工艺则针对常规生物脱氮除磷工艺存在的问题，将其相互影响和制约的因素分解，使不同的菌类生长在各自昀佳环境条件下，因而使脱氮和除磷效果可以同时达到昀佳，而且工艺的可控性增强。本工艺特点:①缺氧段采用生物膜法，反硝化菌均匀分布在整个缺氧池内，不需要污泥搅拌设备，操作简便。由于反硝化菌被固定在缺氧段，缺氧段的污泥量不再受到限制，反硝化更加充分。②好氧和厌氧段采用活性污泥法便于对泥龄进行控制，有利于硝化菌和除磷菌的生长繁殖。③原水进入缺氧段，有机物主要被用于反硝化，因此反硝化效率提高。剩余污泥中国环境保护优秀论文集（2005）·1060·④二沉池污泥进入厌氧段释放磷。由于污泥浓度高,因此受硝酸盐氮的影响很小，而且厌氧释放磷不需要外加碳源，污泥本身吸附的有机物可保证磷释放。⑤含有高浓度磷的浓缩液从工艺系统内被分离出来，并通过化学法除磷。因此，泥龄不再是影响除磷效率的主要因素，而排放的剩余污泥是经释放磷的污泥，减少了污泥处理过程中产生的磷的二次污染。生物膜技术要应用到城市污水工程，还有许多问题有待解决。因此，对生物膜脱氮机理的深入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。五、小结与物化法相比，生物脱氮除磷工艺减少或避免使用化学药剂和由此而产生的化学污泥，处理成本低，因此生物脱氮除磷技术在污水处理领域得到越来越多的应用。今后，一方面要大力开发符合国情、尤其是适合现有污水处理厂改造的高效除磷脱氮技术；另一方面，开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发，优化生物脱氮除磷组合工艺，昀终产生高效、经济的脱氮除磷组合技术。参考文献[1]陆轶峰.云南环境科学.2002，21(1)：47～49[2]陆轶峰.云南环境科学.2001，20：70～73[3]刘志强,苗群,张建.青岛建筑工程学院学报，2003，24(3)：64～68[4]高廷耀.上海环境科学.1999，18(4)：162～164[5]常望霓,杨华南.环境保护.2000，11：19～20[6]雄建英,杨海真,环境导报.1999，1：11～13[7]姚毅.给水排水.1994，(8)：21～25[8]魏蜜苏,徐晖,王燕.邯郸职业技术学院学报.2002，15(3)：72～73。[9]张洁,胡卫新,张雁秋.污染防治技术.2003,16(3)：40～42。[10]邓荣森,郎建,王涛.重庆建筑大学学报.2002，24(3)：106～111。[11]娄金生.中南工学院学报.1996，10(2)：36～42。[12]龙北生,孙大群,边德军等.给水排水.2003,29(11)：34～38。[13]钱群,朱鸣跃,余荧昌.交通部上海船舶运输研究所学报.2000，23(2)：129～134。[14]刘锦霞,顾平.城市环境与城市生态.2001，14(2)：27～29。[15]刘俊新,丛丽,王宝贞等.中国给水排水.2000，16(12)：1～5。