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養(yǎng)化;二是影響水源水質(zhì)， 增加給水處理成本;三是對人和生物產(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，對水質(zhì)的要求也越來越高。為了達(dá)到較好的脫氮除磷效果，環(huán)境工作者對一些傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改進(jìn)或設(shè)計(jì)出新工藝，本文簡單介紹一些脫氮除磷工藝。

2 生物脫氮原理

一般來說， 生物脫氮過程可分為三步: 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， 能夠過量地從外部環(huán)境攝取磷， 在數(shù)量上超過其生理需要， 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。

生物除磷過程可分為3 個(gè)階段，即細(xì)菌的壓抑放磷、過渡積累和奢量吸收。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，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，不設(shè)初沉池，A、B兩段嚴(yán)格分開，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，對氮、磷的去除量有限，出水中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，容易引起水體的富營養(yǎng)化。AB法工藝對氮、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- 缺氧工藝上開發(fā)出來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。其流程簡圖見圖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)展起來的一種污水處理工藝形式，因其構(gòu)造簡單、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)過程相同的過程，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)器中活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段不斷重復(fù)。 將生物反應(yīng)過程和泥水分離過程結(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 工藝見圖2，它是由丹麥Puritek A/S 公司經(jīng)過多年研究與實(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、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

隨著環(huán)境保護(hù)工作者對脫氮除磷機(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。