全面解析生物脫氮除磷的處理工藝

1 前言：城市污水中的氮、磷主要來(lái)自生活污水和部分工業(yè)廢水。氮、磷的主要危害:一是使受納水體富營(yíng)養(yǎng)化;二是影響水源水質(zhì)， 增加給水處理成本;三是對(duì)人和生物產(chǎn)生毒害。上述危害嚴(yán)重制約了城市水環(huán)境正常功能的發(fā)揮， 并使城市缺水狀況加劇，而且隨著人民生活水體的提高和環(huán)境的惡化，對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。為了達(dá)到較好的脫氮除磷效果，環(huán)境工作者對(duì)一些傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改進(jìn)或設(shè)計(jì)出新工藝，本文簡(jiǎn)單介紹一些脫氮除磷工藝。

2 生物脫氮原理

一般來(lái)說(shuō)， 生物脫氮過(guò)程可分為三步: 第一步是氨化作用， 即水中的有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化成氨氮。在普通活性污泥法中， 氨化作用進(jìn)行得很快， 無(wú)需采取特殊的措施。第二步是硝化作用， 即在供氧充足的條件下， 水中的氨氮首先在亞硝酸菌的作用下被氧化成亞硝酸鹽， 然后再在硝酸菌的作用下進(jìn)一步氧化成硝酸鹽。為防止生長(zhǎng)緩慢的亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌從活性污泥系統(tǒng)中流失， 要求很長(zhǎng)的污泥齡。第三步是反硝化作用， 即硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽和硝酸鹽在反硝化細(xì)菌的作用下被還原成氮?dú)狻＿@一步速率也比較快， 但由于反硝化細(xì)菌是兼性厭氧菌， 只有在缺氧或厭氧條件下才能進(jìn)行反硝化， 因此需要為其創(chuàng)造一個(gè)缺氧或厭氧的環(huán)境( 好氧池的混合液回流到缺氧池) 。反應(yīng)方程式如下:

( 1) 硝化反應(yīng):

硝化反應(yīng)總反應(yīng)式為:

( 2) 反硝化反應(yīng):

另外， 由荷蘭Delft 大學(xué)Kluyver 生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確認(rèn)了一種新途徑， 稱為厭氧氨( 氮) 氧化。即在厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為電子受體，由自養(yǎng)菌直接將氨轉(zhuǎn)化為氮， 因而不必額外投加有機(jī)底物。反應(yīng)式為:NH4+NO2→N2+2H2O

3 生物除磷原理

所謂生物除磷， 是利用聚磷菌一類的微生物， 在厭氧條件下釋放磷。而在好氧條件下， 能夠過(guò)量地從外部環(huán)境攝取磷， 在數(shù)量上超過(guò)其生理需要， 并將磷以聚合的形態(tài)儲(chǔ)藏在菌體內(nèi)， 形成高磷污泥排出系統(tǒng)， 達(dá)到從污水中除磷的效果。

生物除磷過(guò)程可分為3 個(gè)階段，即細(xì)菌的壓抑放磷、過(guò)渡積累和奢量吸收。首先將活性污泥處于短時(shí)間的厭氧狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)磷菌把儲(chǔ)存的聚磷酸鹽進(jìn)行分解，提供能量，并大量吸收污水中的BOD、釋放磷( 聚磷酸鹽水解為正磷酸鹽) ，使污水中BOD 下降，磷含量升高。然后在好氧階段，微生物利用被氧化分解所獲得的能量，大量吸收在厭氧階段釋放的磷和原污水中的磷，完成磷的過(guò)渡積累和最后的奢量吸收，在細(xì)胞體內(nèi)合成聚磷酸鹽而儲(chǔ)存起來(lái)，從而達(dá)到去除BOD 和磷的目的。反應(yīng)方程式如下:

( 1) 聚磷菌攝取磷:

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O

( 2) 聚磷菌的放磷:

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量

4.脫氮除磷工藝

4.1 AB法

AB法污水處理工藝是一種新型兩段生物處理工藝，是吸附生物降解法的簡(jiǎn)稱。該工藝將高負(fù)荷法和兩段活性污泥法充分結(jié)合起來(lái)，不設(shè)初沉池，A、B兩段嚴(yán)格分開(kāi)，形成各自的特征菌群，這樣既充分利用了上述兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了兩者的缺點(diǎn)。所以AB法工藝具有較傳統(tǒng)活性污泥法高的BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率。

但AB法工藝不具備深度脫氮除磷的條件，對(duì)氮、磷的去除量有限，出水中含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，容易引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化。AB法工藝對(duì)氮、磷的去除以A段的吸附去除為主。污水中的部分有機(jī)氮和磷以不溶解態(tài)存在，在A段生物吸附絮凝的作用下通過(guò)沉淀轉(zhuǎn)移到固相中，同時(shí)生物同化也可以去除一部分以溶解態(tài)存在的氮和磷。剩余的磷進(jìn)入B段用于B段的微生物的合成而得到進(jìn)一步去除。這樣AB法工藝整體顯示出了比傳統(tǒng)活性污泥法高的氮、磷的去除效果。但是AB法由于自身組成上的特點(diǎn)，決定了其對(duì)氮、磷的去除量是有限的。

4.2 A²/O 工藝

4.2.1 傳統(tǒng)A²/O 法

A²/O 是20世紀(jì)70年代在厭氧- 缺氧工藝上開(kāi)發(fā)出來(lái)的同步除磷脫氮工藝，傳統(tǒng)A²/O 法即厭氧→缺氧→好氧活性污泥法。污水在流經(jīng)三個(gè)不同功能分區(qū)的過(guò)程中，在不同微生物菌群作用下，使污水中的有機(jī)物、氮和磷得到去除。其流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。原污水的碳源物質(zhì)(BOD)首先進(jìn)入?yún)捬醭鼐哿拙鷥?yōu)先利用污水中易生物降解有機(jī)物成為優(yōu)勢(shì)菌種，為除磷創(chuàng)造了條件，然后污水進(jìn)入缺氧池，反硝化菌利用其它可利用的碳源將回流到缺氧池的硝態(tài)氮還原成氮?dú)馀湃氲酱髿庵校?達(dá)到脫氮的目的。

4.2.2 改良型A²/O 法

為了克服傳統(tǒng)A²/O 工藝的一個(gè)缺點(diǎn)，即由于厭氧區(qū)居前， 回流污泥中的硝酸鹽對(duì)厭氧區(qū)產(chǎn)生不利影響，改良A /O工藝在厭氧池之前增設(shè)厭氧/ 缺氧調(diào)節(jié)池， 來(lái)自二沉池的回流污泥10%左右的進(jìn)水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，停留時(shí)間20～30min，微生物利用約10%進(jìn)水中有機(jī)物去除回流污泥中的硝態(tài)氮，消除硝態(tài)氮對(duì)厭氧池的不利影響，從而保證厭氧池的穩(wěn)定性改良A/O 工藝雖然解決了傳統(tǒng)A/O工藝中厭氧段回流硝酸鹽對(duì)放磷的影響，但增加調(diào)節(jié)池，占地面積及土建費(fèi)用需相應(yīng)增加。

4.3 氧化溝法

氧化溝工藝是20世紀(jì)50年代初期發(fā)展起來(lái)的一種污水處理工藝形式，因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于維護(hù)管理，很快得到廣泛應(yīng)用。主要 有Passveer單溝型、Orbal同心圓型、Carrousel循環(huán)折流型、D型雙溝式和T 型三溝式等。傳統(tǒng)Passveer單溝型和Carrousel型氧化溝不具備脫氮除磷功能，但是在Carrousel氧化溝前增設(shè)厭氧池，在溝體內(nèi)通過(guò)曝氣裝置的合理設(shè)置形成缺氧區(qū)和好氧區(qū)，形成改良型氧化溝，便具備生物脫氮除磷功能。

但Carrousel氧化溝缺氧區(qū)要求的充足碳源和缺氧區(qū)條件不能很好的滿足，因此，脫氮除磷效果不是很好。為了提高脫氮效果，在溝內(nèi)增加了一個(gè)預(yù)反硝化區(qū)，就成了Carrouse2000型氧化溝工藝。氧化溝池型具有獨(dú)特之處，兼有完全混合和推流的特性，且不需要混合液回流系統(tǒng)，但氧化溝采用機(jī)械表面曝氣，水深不易過(guò)大，充氧動(dòng)力效率低，能耗較高，占地面積較大。

4.4 SBR 法

SBR 法是間歇式活性污泥法，降解有機(jī)物，屬循環(huán)式活性污泥法范圍，主要是好氧活性污泥，回流到反應(yīng)池前部的污泥吸附區(qū)，回流污泥中硝酸鹽得以反硝化在充分條件下可大量吸附進(jìn)水中的有機(jī)物達(dá)到脫氮除磷的效果。

其去除機(jī)理如下：

a.脫氮是在適當(dāng)條件下進(jìn)行的和自然界中氮循環(huán)過(guò)程相同的過(guò)程，即含氮化合物在氨化菌作用下首先進(jìn)行氨化，然后在硝化菌作用下進(jìn)行硝化，最后經(jīng)反硝化菌進(jìn)行反硝化，將NO3- N、NO2- N還原為N2 進(jìn)入大氣中。

b.除磷是利用聚磷菌能過(guò)量地從外部攝取磷并以聚合物形式貯藏于菌體內(nèi)形成高磷污泥，從而通過(guò)定期除泥而去除磷。SBR工藝在去除有機(jī)物的同時(shí)，可以完成脫氮除磷。從常規(guī)測(cè)定數(shù)據(jù)可以得到很好的證實(shí)，只要掌握合理的SBR 運(yùn)行參數(shù)，就會(huì)收到更理想的脫氮除磷效果。

4.5 CAST 工藝(循環(huán)活性污泥法)

CAST( Cyclic Activated Sludge Technology) 工藝實(shí)質(zhì)上是可變?nèi)莘e活性污泥法過(guò)程和生物選擇器原理的有機(jī)結(jié)合， 整個(gè)工藝為一間歇式反應(yīng)器， 主反應(yīng)器前端有一個(gè)生物選擇器， 在主反應(yīng)器中活性污泥法過(guò)程按曝氣和非曝氣階段不斷重復(fù)。 將生物反應(yīng)過(guò)程和泥水分離過(guò)程結(jié)合在一個(gè)池子中進(jìn)行. CA ST 方法是一種“充水和排水”活性污泥法系統(tǒng)， 廢水按一定的周期和階段得到處理，是SBR(Sequencing Batch Reactor)工藝的一種變型。

4.6 OCO 工藝

OCO 工藝見(jiàn)圖2，它是由丹麥Puritek A/S 公司經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐推出的，它實(shí)際上是集BOD、N、P 去除于一池的活性污泥法。原水經(jīng)過(guò)格柵、沉砂池的物理處理后，進(jìn)入OCO 反應(yīng)池的1 區(qū)，在厭氧區(qū)污水與活性污泥混合，混合液流入缺氧區(qū)2，并在缺氧區(qū)和好氧區(qū)3之間循環(huán)一定時(shí)間后流入沉淀池，澄清液排入處理廠出口，污泥一部分回流到OCO反應(yīng)池，另外一部分作為剩余污泥予以處理。

OCO工藝的特點(diǎn)在于：集厭氧-缺氧-好氧環(huán)境于一池，占地少，土建投資低;利用水解作用和反硝化作用，降解有機(jī)物時(shí)對(duì)充氧量要求低，使運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用降低;污泥濃度高，有機(jī)負(fù)荷低，污泥絮凝沉降好，且沉降污泥穩(wěn)定，剩余污泥少。

圖2 OCO 工藝流程圖

4.7 Dephanox 工藝

Dephanox 脫氮除磷工藝(圖3) Kuba 等人提出的，它具有硝化和反硝化除磷兩套污泥系統(tǒng)(一套是完成硝化的生物膜系統(tǒng)，另一套是懸浮生長(zhǎng)的反硝化脫氮除磷污泥系統(tǒng))，將不同的微生物種群控制在各自最佳的泥齡條件下。

此工藝滿足了兼性厭氧反硝化除磷細(xì)菌(DPB)所需環(huán)境，解決了除磷系統(tǒng)反硝化碳源不足的問(wèn)題，具有低能耗、低污泥產(chǎn)量且COD 消耗量低的特點(diǎn)。初沉池直接為缺氧段提供反硝化所需的碳源(富含PHB的污泥) ，為好氧段富含氨氮的上清液。中沉池可盡量保證硝化菌泥齡長(zhǎng)、溶解氧濃度高的特點(diǎn)，而且使供氧僅用于硝化和厭氧后剩余有機(jī)物的氧化，從而節(jié)省了曝氣能耗。

Sorm等通過(guò)將厭氧段和初沉池合建，改進(jìn)了Dephanox 工藝設(shè)置，證明優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠有效地抑制污泥膨脹并且證實(shí)了同時(shí)反硝化脫氮除磷現(xiàn)象。

圖3 Dephanox 工藝流程圖

5.結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)境保護(hù)工作者對(duì)脫氮除磷機(jī)理的深入探究，新工藝的不斷出現(xiàn)及其可行性， 為水處理工藝提供了新的理論和思路。但社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展給污水脫氮除磷處理提出了越來(lái)越高的要求，污水處理已不僅限于滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，更要考慮污水的資源化和能源化的問(wèn)題，必須朝著最小的COD 氧化、最低的氮磷排放量、最少的剩余污泥排放等可持續(xù)污水處理工藝的方向發(fā)展。而生物學(xué)及其技術(shù)的發(fā)展，能使生物脫氮除磷工藝得到更大的發(fā)展。