脱氮除磷技术

哈尔滨理工大学学士学位论文1目录第1章脱氮除磷简述-------------------------------------------------------2第2章生物脱氮除磷基本原理-----------------------------------------------32.1生物脱氮过程--------------------------------------------------------------32.2生物除磷过程--------------------------------------------------------------3第3章生物脱氮除磷工艺研究新方向----------------------------------43.1SHARON工艺--------------------------------------------------------------43.2CANON工艺----------------------------------------------------------------53.3DEPHANOX工艺----------------------------------------------------------53.4BCFS工艺-------------------------------------------------------------------63.5厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺-------------------------------------73.6A2NSBR工艺---------------------------------------------------------------7第4章结语-------------------------------------------------------------------9哈尔滨理工大学学士学位论文2简述污水脱氮除磷工艺及研究进展摘要氮、磷去除率不达标造成水体的富营养化是世界各国面临的最大挑战之一，已被各国政府高度重视。传统的脱氮除磷工艺存在许多不足之处，经济、高效、低耗的可持续脱氮除磷工艺已成为污水处理的发展方向。本文简要介绍了生物脱氮除磷的基本原理和工艺：SHARON工艺，CANON工艺，DEPHANOX工艺，BCFS工艺，ANAMMOX工艺，A2NSBR工艺的机理和研究进展。同时指出经济、高效、低能耗的可持续脱氮除磷工艺是污水处理的发展方向。关键词：污水处理；生物脱氮除磷；处理工艺；研究进展第1章脱氮除磷简述近些年来，随着工农业生产的高速发展和人们生活水平的不断提高，含氮、磷的化肥、农药、洗涤剂的使用量不断上升。然而，我国现有的污水处理厂主要集中于有机物的去除，对氮、磷等营养物的去除率只达到10%-20%其结果远达不到国家二级排放标准，造成大量氮磷污染物进入水体，引起水体的富营养化。对我国的26个主要湖泊的富营养调查表明，其中贫营养湖1个，中营养湖9个，富营养湖16个，在16个富营养化湖泊中有6个的总氮、总磷的负荷量极高，已进入异常营养型阶段。其中滇池、太湖、巢湖流域，水体富营养化更为严重。同时，我国沿海地区多次出现赤潮现象。我国新颁布的《污水综合排放标准》（GB8918-1996）对氮、磷都做了严格的规定，其中对氮:15mg/L（一级标准）、25mg/L（二级标准）；对磷：0.5mg/L（一级标准）、1.0mg/L（二级标准）。因此，采用高效、节能、经济的氮磷去除工艺以及构筑物一体化建设必将是我国城市污水处理工艺的一个发展方向。哈尔滨理工大学学士学位论文3第2章生物脱氮除磷基本原理2.1生物脱氮过程生物脱氮通过氨化、硝化、反硝化三个步骤完成。氨化反应：有机氮化合物在氨化细菌的作用下分解，转化为氨态氮。硝化反应：在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化，就此分两个阶段进行。首先，在亚硝化细菌的作用下，使氨转化为亚硝酸氮，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮。反硝化反应：反硝化反应是指硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮的过程。2.2生物除磷过程生物除磷，是利用聚磷菌一类的微生物，能够过量地、在数量上超过其生理需要的、从外部环境摄取磷，并将磷以聚合物的形态贮藏在菌体内，形成富磷污泥。排出系统外，达到废水中除磷的效果。哈尔滨理工大学学士学位论文4第3章生物脱氮除磷工艺研究新方向传统的生物脱氮除磷工艺如：生物除磷：A/O，A2/O，Bardenpho，UCT，Phoredox，AB等除磷工艺。生物脱氮：A/O，A2/O，Bardenpho，UCT，Phoredox，改进的AB，TETRA深度脱氮，SBR，氧化沟等脱氮工艺。现有的生物脱氮除磷组合工艺主要是建立在传统生物脱氮除磷理论基础上进行构架组合的。传统生物脱氮除磷工艺中，具有较大差别的微生物在同一系统中相互影响，制约了工艺的高效性和稳定性；较多的工艺流程中包含多重污泥和混合液的回流，增加了系统的复杂性，提高了基建和运行费用；脱氮除磷过程中对能源（如氧、COD）消耗较多；剩余污泥富含磷，处理量较大。这些都不符合环境的可持续发展的要求。近年来，同时硝化反硝化现象、反硝化除磷现象、短程硝化反硝化脱氮工艺、厌氧氨氧化工艺等的发现和研究，为解决上述问题提供了有效的途径。同时硝化反硝化技术的研究传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化反应在厌氧条件下完成，两者不能在同一条件下进行。然而，近几年许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象，确实存在于不同的生物处理系统中。如氧化沟、SBR工艺、间歇曝气反应器工艺。研究者对此进行了广泛的研究，提出了一些新的见解。其中，认为微生物的存在是其最主要的原因。如某些反应器流态上的特征，为同时硝化反硝化创造了可能的环境条件；另外，从微生物发展的角度看，存在着目前尚未被认识的微生物菌种（如好氧条件下的反硝化细菌）能使同时硝化反硝化现象发生，但对其机理的认识还未统一，尚处于探索阶段。3.1SHARON工艺SHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的新工艺，已经在荷兰鹿特丹的废水处理厂建成并投入运行。该工艺的核心是，应用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在高温（30~35℃）下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被自然淘汰，反应器中亚硝酸菌占优势，使氨氧化控制在亚硝化阶段。SHARON工艺适合于处理具有一定温度的高浓度（〉500mgN/L）氨氮污水。对该工艺来说，温度和pH值（最佳pH值6.8~7.2）都受到严格的控制，因此，低温低氨的城市污水如何实现亚硝酸型硝化值需进一步研究。哈尔滨理工大学学士学位论文53.2CANON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短程硝化反硝化，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。亚硝酸氮在生物膜内的聚集是亚硝化的另一种形式。硝化细菌与亚硝化细菌对氧的亲和性的不同以及传质限制等因素影响两种微生物在细胞膜内的数量。在低DO/NH3-N比值的情况下，氧成为限制性基质，使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，ANAMMOX反应就发生。环境中的氨氮与溶解氧是决定CANON工艺的两个关键因素。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。SHARON工艺和CANON工艺都是经亚硝酸型生物脱氮工艺处理的，出水中可能含有较高的亚硝酸盐，运行时应加以严格的控制。3.3DEPHANOX工艺DEPHANOX工艺是为满足DPB所需的环境要求而开发的一种强化生物除磷工艺。DEPHANOX除磷脱氮工艺流程如图所示。工艺在厌氧池与缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池。固定膜反应池的设置可以避免由于氧化作用而造成有机碳源的损失和稳定系统的硝酸盐浓度。污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离。含氮较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段，完成反硝化和摄磷。工艺的优点在于能解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统的能源（曝气）消耗，而且可缩小曝气池的体积，降低剩余污泥量，尤其适用于处理低COD/TKN的污水。由于进水中氮和磷的比例是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添加乙酸作为碳源，乙酸是诱导聚磷菌释磷的最佳碳源，由于很难真实模拟城市污水的处理情况，因此对于反硝化聚磷茵的筛选富集具有重要意义。该工艺离生产应用尚有一段距离。图1DEPHANOX工艺流程图哈尔滨理工大学学士学位论文63.4BCFS工艺BCFS工艺是荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室研究开发的、为最大程度从工艺角度创造DPB富集条件的一种变型UCT工艺。其工艺流程如图2所示。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工艺创新之处在于：(1)BCFS工艺在主流线上增加了两个反应池：即在UCT工艺的厌氧和缺氧池之间增加一个接触池，在缺氧池和好氧池之间增加一个缺氧/好氧混合池。在主流线中的厌氧池以推流方式运行，相当于一个厌氧选择池，可保持较低的污泥指数（SVI）。增设的接触池可起到第二选择池的作用，所需的容积很小，但可较好地抑制丝状菌的繁殖。增设的第二个反应池混合池，可形成低氧环境以获得同时硝化与反硝化，从而保证出水中含较低的总氮浓度。(2)BCFS工艺增设在线分离、离线沉淀化学除磷单元。BCFS工艺通过增加磷分离工艺，避开了生物除磷的不利条件（因满足硝化而使泥龄过长；进水中COD/P的比值过低）。同时，在线进行磷的化学沉淀会因沉淀剂在污泥中聚集而影响硝化菌活性。因此，该工艺又将厌氧池末端富磷上清液抽出，以离线方式在沉淀单元内投以铁盐和镁盐予以回收。以生物除磷辅以化学除磷这种工艺充分利用了PAOs/DPB对磷酸盐具有很高亲和性的这一特点，很容易获得极低的出水正磷酸盐浓度，并能在保证良好出水水质的前提下，大大降低COD的用量。(3)与UCT工艺相比，BCFS工艺增设了两个内循环QB和QC（见图2）。从好氧池设置内循环QB到缺氧池，能辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮，内循环QC使好氧池与混合池间建立循环，以增加硝化或同时硝化反硝化的机会，为获得良好的出水氮浓度创造条件。BCFS工艺在荷兰已成功运用于工程实践中，除了具有节能低耗的优点外，还能保持稳定的处理水质，使出水总磷≤0.2mg/L总氮≤0.5mg/L。图2BCFS工艺流程图哈尔滨理工大学学士学位论文73.5厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺ANAMMOX工艺由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室研究开发。工艺在厌氧状态下，以NO2-，NO3-作为电子受体，将氨转化为氮气。厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低。此外还可以改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗、防止可能出现的二次污染具有重要意义。该工艺适用于高氨废水和低COD/TKN废水的处理。ANAMMOX工艺与SHARON工艺结合，对污泥消化出水进行了研究。这种联合工艺的自养脱氮工艺流程见图3。试验结果表明，氨态氮的去除率达到83%，并且联合工艺几乎不需要外加碳源。可见在氧气需要量和外加碳源上，该联合工艺明显优于传统的生物脱氮工艺。ANAMMOX及其与SHARON的联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念，从一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题，但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。图3SHAR