生物脱氮除磷新技术

淮阴工学院环境生物技术大作业作者:承豪学号：1101602118学院:生化学院专业:生物1101班题目:生物脱氮除磷新技术任课教师：王朝宇摘要随着国家经济的快速发展，水体污染也越来越严重。调查显示，我国的大部分湖泊水体富营养化。大量的研究已经证明，污水中的氮和磷是导致水体富营养化的主要原因之一。脱氮除磷已迫在眉睫。经过实验和工程经验表明，生物脱氮除磷工艺是消除水体富营养化的有效方法。本文概述了脱氮除磷的原理，介绍了运用反硝化除磷，短程硝化反硝化理论的工艺：DEPHANOX工艺，BCFS工艺，CANON工艺，ECOSUNIDE工艺等高效、经济、低能耗的可持续脱氮除磷工艺的机理和研究进展。关键词生物脱氮除磷，反硝化除磷，短程硝化和反硝化1引言近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高，合成洗涤剂、化肥和农药的广泛使用使得大量氮、磷营养物进入水体。大量的研究结果表明污水中的氮和磷是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。为此，许多发达国家对日常排放的污水中的氮和磷的含量都做了限定,并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求[1]。而且对于中国这么一个水资源本来就十分短缺的国家来说，严格控制含氮、磷污水的超标排放是十分必要的。最近的一些研究表明，生物的脱氮除磷过程出现了一些超出人们传统认识的新发现，如某些异养菌也可以参与硝化作用;某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用。这些现象的发现以及各个不同工艺之间的组合，都为设计处理工艺提供了新的理论和思路。这些我们暂且不管，现在着重介绍现在已经逐渐趋于成熟的一些生物脱氮除磷新技术。要了解生物脱氮除磷技术，首先我们需要了解生物脱氮除磷原理。2生物脱氮除磷机理[2]2.1生物脱氮机理生物脱氮通过硝化和反硝化完成。硝化和反硝化方程式如下：HOHNOONH22242332221NOONOOHNOHNO2232OHOHNHNO2222213硝化过程是指作为化能自养型的硝化细菌在好氧条件下(一般0D＞2mg/L)，利用无机碳化合物作为碳源，把水中的3NH,4NH,2NO氧化成3NO，并且从中获取能量。反硝化是指异养型的反硝化细菌在缺氧条件下(一般0D＜0.5mg/L)，以NNO--3为电子受体，有机碳源为电子供体，在降解有机物的同时将硝酸氮还原为氮气释放出来，这一过程也称为异步反硝化。实际反应中还有一部分硝酸氮被转化为NNH-3用以合成新细胞，被称为同步反硝化，但其转化量相对较少。要使生物脱氮达到良好的效果，足量的碳源非常重要。一般认为COD/TN＞8时，才可以达到良好的反硝化效果。2.2生物除磷原理一些研究者从微生物生理生化的角度，对生物除磷的生化模式进行了深入的探讨，但到目前为止生物除磷机理还没有被彻底研究清楚。现在一般认为，在生物除磷过程中，生物聚磷菌(PAO)这一类特殊的微生物在没有溶解氧和硝态氮存在的条件下，将部分有机物转化为挥发性脂肪，生物聚磷菌吸收挥发性脂肪，并同化成为胞内碳能源贮物(PHB/PHV)，并释放磷酸盐；而生物聚磷菌存好氧条件下能够过量地，超过其生理需要地从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合的形态贮存在菌体内，形成高磷污泥，将这些含磷量高的污泥排出系统，就可以达到从污水中除磷的目的。3生物脱氮除磷新技术与新工艺3.1ECOSUNIDE工艺本工艺是以张雁秋［3-6］等人提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论等为依据，创造出在特殊工艺条件下，提高了活性污泥中的硝化菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢的缺点，实现了短时高效脱氮，而最终研发出的污水高效脱氮处理新工艺。该工艺的最大特点是通过分点—多点特殊配水所造成的高污泥浓度，使生物系统长期处在高污泥浓度及低营养状态下，使硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖始终处于生长优势，提高了脱氮效率，同时使得生物反应池总停留时间缩短，减少生化池的总容积，进而缩小了占地面积。该工艺结合了高污泥浓度梯度污泥减量技术、节能集成技术、无内回流技术、高效曝气技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术等一系列新技术，池内没有搅拌器、无回流泵、污泥减量从而使脱水系统设备减少30%，节约了运行费用。3.2反硝化除磷技术反硝化除磷是指一些聚磷菌在缺氧的条件下，以硝酸盐作为它电子受体，过度摄磷，以此实现除磷目的的脱氮除磷过程。影响反硝化除磷技术的主要因素有混合液悬浮固体浓度、碳氮比、溶解氧浓度、亚硝酸盐浓度、碳磷比、硝酸盐浓度、污泥停留时间和pH值。3.2.1DEPHANOX工艺DEPHANOX工艺是BortoneG等[7]于1996年提出的一种工艺。它实质上是Wanner工艺的另一种称谓，Wanner工艺是1992年捷克的Wanner等[8]首次采用交替的厌氧和缺氧条件并结合单独的固定生物膜，从而实现生物除磷的思想，并将其运用到了反硝化除磷工艺中。DEPHANOX工艺是目前国内外研究较多的反硝化除磷工艺之一。该工艺在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池，污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多上清液进入固定膜反应池进行硝化，而污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧池，完成反硝化除磷[9]。该工艺的优点在于能解决除磷系统中反硝化碳源不足的问题并且能够降低系统的能源消耗，而且还可以缩小曝气池的体积以降低剩余污泥量。但是，该工艺在实际应用中仍然面临一些问题。首先，大量研究表明，缺氧条件下的除磷效率要低于好氧条件下的效率。而且磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺氧段硝酸盐量不足时，磷的过量摄取会受到限制；反之，硝酸盐又会随回流污泥而进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体PHB的合成[10]。实际应用时，进水中的氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系统的控制带来了困难。此外，目前聚磷菌反硝化试验研究中都不同程度的添加乙酸来作为碳源，因为乙酸是诱导聚磷菌释磷的最佳碳源，所以就很难真实的模拟城市污水的处理情况，因此对于反硝化聚磷菌的筛选以及富集具有十分重要的意义。3.2.2BCFS工艺[11-13]BCFS工艺是荷兰代尔夫特工业大学Kluyver生物技术实验室研发的一种改进而来的UCT工艺[14]。在这种改良的UCT工艺脱氮除磷处理系统中，污泥能够利用硝酸盐作为电子受体，在缺氧环境条件下同时进行反硝化作用和超量聚磷。从工艺流程上看，BCFS工艺较UCT工艺增加了2个反应池，第一个增加的反应池位于厌氧池与缺氧池中间，起到选择器的作用。它可以吸附剩余的COD，同时迅速反硝化来自回流污泥的硝酸氮，并可防止丝状菌的生长。第二个反应池是混合池在UCT工艺缺氧池与好氧池之间，目的是形成低氧环境来获得同时硝化与反硝化，以保证出水含有较低的总氮浓度。除此之外，与UCT工艺相比，BCFS工艺增加了QB和QC两个内循环。从好氧池设置内循环QB到缺氧池是十分必要的，可以起到辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮的作用。内循环QC的设置使得好氧池与混合池之间建立循环，以此来增加硝化或同时硝化与反硝化的机会，并为获得良好的出水氮浓度创造条件。此工艺有6个优点：①能有效去除氮和磷；②可以回收磷；③控制较简单，通过对溶解氧和氧化还原电位的控制能有效地实现过程稳定；④利用反硝化聚磷菌来实现生物除磷，使得该工艺能够有效利用碳源，并且能在碳磷比、碳氮比值相对较低的情况下良好地运行；⑤污泥容积指数值低（80~120mL/g）并很稳定；⑥与常规的污水处理厂相比，该工艺的污泥产量减少了近10%。3.3短程硝化和反硝化3.3.1CANON工艺CANON工艺(生物膜内自养脱氮工艺)实质上是通过控制生物膜内溶解氧的浓度实现来短程硝化反硝化，从而使生物膜内聚集的亚硝化菌和ANAMMOX微生物能同时生长，满足生物膜内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。由于硝化细菌与亚硝化细菌对氧气的亲和性的不同以及传质限制等而因素影响了两种微生物在细胞膜内的数量。在低NNODO3/比值的情况下，氧成为限制性的基质，使得硝化细菌与亚硝化细菌展开竞争。竞争的结果是亚硝酸氮在生物膜表层聚集。当氧向细胞膜内扩散并被消耗后，出现厌氧层，厌氧氨氧化细菌便能生长。随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸氮扩散至厌氧层，厌氧氨氧化反应就发生了[15]。CANON工艺目前在世界上还处于研究阶段,没有真正应用到工程实践中。结论随着生物学机理的深入揭示以及人们对生物技术的不断地深入掌握，脱氮除磷领域的技术革新与新工艺层出不穷。现在不仅仅是要求脱氮除磷，更要求工艺朝着高效、经济、低能耗的可持续方向发展。反硝化除磷技术，短程硝化和反硝化等生物脱氮除磷技术都是在突破传统生物脱氮除磷原理基础上所发展起来的新技术，这些技术都是朝着经济、高效、低能耗的可持续方向发展的生物脱氮除磷新技术。现代的学者们对这些新兴技术已经进行了较为深入的研究。而且，有些新兴技术已经运用到了实践中。但这些新技术的原理、工艺有的还不是很成熟。随着对其原理、工艺以及影响因素的进一步研究，相信很快便会取代原来的传统的脱氮除磷技术。参考文献[1]P.G.PiekemaandS.B.Gaastra,UpgradingofawastewatertreatmentplantintheNetherlands:combinationofseveralnutrientremovalprocesses,EuropeanWaterPollutionControl,1993:21~26.[2]高廷耀,水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,1996.[3]张洁,胡卫新,张雁秋,改进型双泥反硝化除磷脱氮工艺——一种渴望从根本上解决脱氮除磷矛盾的新工艺[J].环境污染与防治,2005,27(3):232-235.[4]张雁秋,张结,废水处理生物高效硝化新工艺[J].中国矿业大学学报,1994,23(4):84-87.[5]张雁秋,对废水生物处理一相说与二相说的统一[J].煤矿环境保护,1993,7(6):12-14.[6]ZhangYan-qiu,XUAo-tian,LiRuo-gu,etal.Researchondynamicsdesignforactivesludgesystem[J].JournalofChinaUniversityofMining＆Technology,2002,12(2):148-151.[7]BORTONEG.BIOLOGICALAnoxicPhosphorusRemovaltheDephanoxProcess[J].WatSciTech,1996,34(1-2):119-128.[8]WANNERJ.NewProcessDesignforBiologicalNutrientRemoval[J].Wat.Sci.Tech.,1992,25(4/5):445-448.[9]KUBAT,MCM,VanLoosdrecht.PhosphorusandNitrogenRemovalwithMinimalCODRequirementbyIntergrationofDenitrifyingDephosphatationandNitrificationinaTwosludgeSystem[J].WatRes,1996,30(7):1702-1710.[10]P.Sorm.Phosphorusuptakeunderanoxicconditionandfiredfilmnitrificationinnutrientremovalactiviatedsludge.Wat.Res.,1996,30(7):1573-1584.[11]郝晓地,汪慧贞,MarkVanLoosdrecht.可持续除磷脱氮BCFS工艺[J].给水排水,2002,28(9):7-9.[12]BakerP.S.,DoldPl.Denitrificationbehaviorinbiologicalexcessphosphorusremovalactiviatedsludgesystem.Wat.Res.,1996,30(4):769-780.[13]KubatT.,Van