脱氮除磷污水处理工艺

脱氮除磷污水处理工艺生物法脱氮的理论基础:废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等四种形态存在。其中有机氮占生活污水含氮量的40%~60%，氨氮占50%~60%，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮仅占0%~5%。因此在传统的生物处理中将氨化菌硝化菌↓↓有机氮—→氨氮—→亚硝态氮、硝态氮↓←反硝化菌氮气生物法除磷的理论基础: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，从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态储藏在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从污水中除磷的效果。有机磷ADPATP无机磷无机磷ATPADP有机磷释放聚磷聚磷菌→聚磷菌合成降解溶解质ATPADPPHBPHBADPATP无机物厌氧段好氧段聚磷菌的作用机理短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷理论的工艺：SHARON工艺、ANAMMOX工艺、CANON工艺、SHARON与ANAMMOX联合工艺、PHOREDOX工艺、BCFS工艺中温亚硝化(SHARON)SHARON工艺又叫短程硝化-反硝化。SHARON工艺是荷兰Delft技术大学开发的一种新型的脱氮工艺。其基本原理可用方程式(1)表示,即碱度充足的条件下,污水中50%的氨氮被亚硝化菌氧化为ＮＯ2---Ｎ。因仅一半氨氮被氧化且硝化作用仅进行到亚硝化阶段,SHARON常又称为半硝化。0.5ＮＨ4++0.75Ｏ2→0.5ＮＯ2-+Ｈ++0.5Ｈ2Ｏ(1)该工艺的本质是通过控制环境温度造成两类细菌不同的增长速率,利用该动力学参数的不同造成“分选压力”。使用无需污泥停留(以恒化器方式运行,其SRT=HRT)的单个CSTR反应器来实现,在较短的HRT(即SRT)和30~40℃的条件下,可有效地通过种群筛选产生大量的亚硝酸盐氧化菌,并使硝化过程稳定地控制在亚硝化阶段,以ＮＯ2-为硝化终产物。SHARON工艺适用于含高浓度氨(500ｍｇ/Ｌ)废水的处理工艺,尤其适用于具有脱氮要求的预处理或旁路处理,如污泥消化池上清夜的处理。目前荷兰已有两家污水处理厂采用了此工艺。ＳＨＡＲＯＮ工艺主要有2个反应条件,一是碱度,另一是温度。从式(1)中可看出1ｍｏｌＮＨ+4需要1ｍｏｌＨＣＯ-3,若碱度供应不足,ｐＨ会迅速下降,若降至64以下,反应将停止,这与传统的硝化反应相似。另一方面温度要求25℃以上。温度是用以使亚硝化菌占优势从而控制硝化过程。图1显示了温度对亚硝化菌和硝化菌的最小泥龄的影响。当温度高于15℃时,亚硝化菌的最小泥龄低于硝化菌的最小泥龄,因此在高温度条件下(图中为35℃)通过控制泥龄,可将长泥龄的硝化菌清洗出系统,保证硝化过程停留在半硝化(ＮＯ-2)阶段。除磷脱氮DOKHAVEN污水处理厂在它1987年投入运行后已升级多次。除经济利益的驱动外，主要是因为环境标准的不断提高。出水对磷的限制早在1995年便已非常严格，要求出水磷的浓度最高标准为1mgP/L。这意味着原始设计不能满足排放要求，处理工艺必须升级。因受场地限制，一种精心设计的化学方法被选择在A段曝气池进行除磷，这是因为若在B段曝气池实施化学除磷会影响硝化过程。一种铁盐、一种混凝剂、一种絮凝剂被结合在一起用于化学除磷，这种方法称为“三药剂”方法。这种特殊的方法比传统化学方法能节省40%的运行费用。因此，可做到环境与经济效益上的双赢。[KG)]从2006年起对出水氮的限制将由现在的TKN改为总氮控制。显然，原始设计不能满足新的要求，不得不寻求适合该处理厂特点的新方法。SHARON和ANAMMOX这两项最新的现代技术因此成了单独处理污泥消化液的首选。根据SHARON技术原理，带余温的污泥硝化液刚好满足中温亚硝化对温度的需要。SHARON技术除节省1/4供氧量的特点外，还具有低的投资费用、低的运行费用、不产生化学副产品、运行维护简单、启动容易、对高进水SS浓度不敏感、无异味等运行优势。图3为一SHARON工艺的现场图片。图3SHARON工艺实际构筑物SHARON反应器使一半的氨氮氧化至亚硝酸氮（无需控制pH），剩余一半氨氮与转化而来的亚硝酸氮（进水总氨氮的一半）刚好形成1∶1ANAMMOX所需的摩尔关系，使氨氮和亚硝酸氮自养直接转化为氮气。与传统的硝化/反硝化过程相比，SHARON/ANAMMOX过程可使运行费用减少90%，CO2排放量减少88%，不产生N2O有害气体，无需有机物，不产生剩余污泥，节省占地50%，具有显著的可持续性与经济效益特点。图4显示了气体循环ANAMMOX反应塔现场实物图片（利用一废弃浓缩池改建而成）。经SHARON/ANAMMOX对污泥消化液单独进行脱氮处理可使整个处理厂出水氮浓度下降至少5mgN/L，与原始设计相比出水刚好能满足未来出水标准。SHARON反应器使一半的氨氮氧化至亚硝酸氮（无需控制pH），剩余一半氨氮与转化而来的亚硝酸氮（进水总氨氮的一半）刚好形成1∶1ANAMMOX所需的摩尔关系，使氨氮和亚硝酸氮自养直接转化为氮气。与传统的硝化/反硝化过程相比，SHARON/ANAMMOX过程可使运行费用减少90%，CO2排放量减少88%，不产生N2O有害气体，无需有机物，不产生剩余污泥，节省占地50%，具有显著的可持续性与经济效益特点。图4显示了气体循环ANAMMOX反应塔现场实物图片（利用一废弃浓缩池改建而成）。经SHARON/ANAMMOX对污泥消化液单独进行脱氮处理可使整个处理厂出水氮浓度下降至少5mgN/L，与原始设计相比出水刚好能满足未来出水标准。图4ANAMMOX反应塔现场实物ANAMMOX随着氮素污染的加剧，除氮技术的研究和应用引起了人们的关注.在氮素污染物的控制中，目前国内外主要采用生物脱氮技术，研究的热点集中在如何改进传统的硝化-反硝化工艺.从微生物学的角度看，硝化和反硝化是两个相互对立的生化反应.前者借助硝化细菌的作用，将氨氧化为硝酸，需要氧的有效供给；而后者则是一个厌氧反应，只有在无氧条件下，反硝化细菌才能把硝酸还原为氮气.此外，在环境中存在有机物时，自养型硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力劣于异养型微生物，其生长速度很容易被异养型微生物超过，并因此而难以在硝化中发挥应有的作用；但要使反硝化反应顺利进行，则必须为反硝化细菌提供合适的电子供体(通常为有机物如甲醇等).最近发现，氨可直接作为电子供体进行反硝化反应，即所谓的厌氧氨氧化(ANAMMOX，AnaerobicAmmoniaOxidation).这一重大的新发现为改进传统的生物脱氮技术提供了理论依据.若能开发利用厌氧氨氧化进行生物脱氮，不仅可以大幅度地降低硝化反应的充氧能耗，免去反硝化反应的外源电子供体，而且还可改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的状况.其中后两项对控制化学试剂消耗，防止可能出现的二次污染具有重要作用.厌氧氨(氮)氧化(ANAMMOX)氨氮厌氧氧化(ANAMMOX)是1995年荷兰Delft技术大学Mulder等在研究生物反硝化时发现氨氮和硝酸盐同时消失的现象后开发的一种新的处理工艺。研究表明，化能自养型细菌可以在无分子态氧的条件下以CO2(CO32-)作为碳源、NO2-为电子受体、NH4+作为电子供体，将NH4+和NO2-共同转化为N2。这一反应过程的发现为利用生物法处理高氨、低BOD的废水找到了一条最优的途径。理论上利用这一原理将比传统工艺节省62.5%的O2［如式(1)、(2)所示］,同时不需任何外加碱度和有机物(反硝化菌的碳源和电子供体)。ANAMMOX反应过程如式(3)，该反应是一个自发的过程。传统脱氮过程：NH4++2O2+0.83CH3OH→0.5N2+3.17H2O+H++0.83CO2(1)亚硝酸盐型硝化+氨的厌氧氧化过程:NH4++0.75O2→0.5N2+1.5H2O+H+(2)NH4++NO2-→N2+2H2O(ΔG＝-358kJ/mol)(3)该反应的微生物属自养型厌氧细菌，生长速率非常低，但将氨氮厌氧转化能力非常高，可以达到4.8kgTN/(m3·d)，最佳运行条件：温度为10～43℃，pH值为6.7～8.3。自养型氨厌氧氧化菌生长慢，启动时间非常长，为使ANAMMOX污泥保留在反应器中并得到足够的生物量，需要有效的污泥截留(由此建议用生物膜反应器)。另外ANAMMOX过程的营养需求，是否出现羟胺、肼类化合物，二氧化氮等代谢中间产[HJ]物和二次污染问题等都是新工艺实际运行中要解决的问题。前景ANAMMOX工艺的出现为工业污水或生活污水以较可持续方式脱氮处理创造了新的技术条件［2，33，34］。ANAMMOX与一亚硝化工艺相结合，氨氮能够被直接自养转换到氮气。以此种方式脱氮，传统上需以有机电子供体(COD)支持反硝化的问题便被完全避免。因此，污水中较多的COD便有可能被分离而转化为甲烷。进言之，一半以上的曝气量(为硝化)被节约。与ANAMMOX相结合的亚硝化工艺可以SHARON方式或者在生物膜内实现。图1ANAMMOX流化床反应器装置1.污水2.亚硝酸盐溶液3.4.5.泵6.取样口7.ANAMMOX流化床反应器8.恒温水浴9.水封10.湿式气体流量计11.出水BCFS工艺BCFS(Biologisch—Chemische—Fosfaat—StikstofVerwijdering)工艺是由荷兰DELFT科技大学的Mark教授在Pasveersloot和UCT工艺及原理的基础上开发的，它充分利用DPB(反硝化除磷菌)的缺氧反硝化除磷作用以实现磷的完全去除和氮的最佳去除，对于城市污水在最近，荷兰BDG咨询公司在此基础上开发了BCFS的新型反应器。该反应器由5个同轴圆环组成，依次构成功能相对专一的5个独立反应器。这些同轴圆环使水流具有活塞流与完全混合流的优点，采用预制混凝土建造这种一体化构筑物减少了工程投资，同时使污水厂的布置简洁，节约了工程投资及建设用地。BCFS工艺是在帕斯韦尔氧化沟（Pasveersloot）与UCT工艺及原理的基础上开发的生物除磷脱氮新工艺，它由5个功能相对专一的反应器组成，通过控制反应器之间的3个循环来优化各反应器内细菌的生存环境，具有污泥产率低、除磷脱氮效率高（均大于90％）等特点，其出水总氮5mg/L，正磷酸盐含量几乎为零。工艺流程BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间分隔开来，并通过不同的循环系统BCFS工艺流程如图1由图1可见，BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器(厌氧池、选择池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循环系统构成，各循环的作用如表1所示。BCFS工艺的主要特点①对氮、磷的去除率高，可使出水中总氮＜5mg/L，正磷酸盐含量几乎为零。②SVI值低(80～120mL/g)且稳定(夏季为80mL/g，冬季为100mL/g，最大值为120mL/g)，从而可有效地减少曝气池及二沉池的容积。③控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳④与常规污水厂相比，其污泥产量减少了10%，从而进一步减少⑤利用DPB实现生物除磷(测定结果表明，约50%的磷是由DPB去除的)，使碳源(COD)能被有效地利用，从而使该工艺在COD/(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态，同时使除磷所需的化学⑥使用生物除磷器获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可⑦与Pasveer氧化沟的污泥负荷相同。前景BCFS工艺在荷兰的应用已有10例，目前正在规划处理规模相当于10×104m3/d的Rotterdam污水处理表2为3座采用BCFS工艺的城市污水厂的设计及运行情况。SHARON与ANAMMOX联合工艺ANAMMOX又叫厌氧氨氧化,原理用式(2)表示,在自养菌的作下,1mol氨氮作为电子供体,1molＮＯ2----Ｎ作为电子受体,最终产物为Ｎ2。ＮＨ4++ＮＯ2-→Ｎ2+2Ｈ2Ｏ(2)实现ANAMMOX的先决条件是在同一反应器中同时存在氨和ＮＯ2-,且反应器处于无氧状态。产生ＮＯ2-的途径有二:一是限制反应器的供氧,以有利于ＮＯ2-的生成并抑制ＮＯ3-的生成;二是限制反应器中反硝化所需的电子供体(如硫化物或有机物等)的数量,以限制反硝化的发生。此外,废水中高浓度的氨与