傳統生物脫氮除磷理論與技術(shù)

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，水資源供需矛盾日趨激化，對污廢水處理后回用成為了亟待解決的問(wèn)題。我國現有的城市污水處理廠(chǎng)主要是針對以BOD5為主的碳源污染物的去除，對氮、磷的去除率很低，而氮、磷又是導致水體富營(yíng)養化的主要營(yíng)養物。本文概述了生物脫氮除磷機理，分析了生物脫氮除磷技術(shù)的研究現狀，介紹了可持續污水處理技術(shù)和碳中和運行技術(shù)，希望給您帶來(lái)思考與幫助。

　　一、傳統生物脫氮除磷理論與技術(shù)

　　1.傳統生物脫氮原理

　　污水經(jīng)二級生化處理，在好氧條件下去除以BOD5為主的碳源污染物的同時(shí)，在氨化細菌的參與下完成脫氨基作用，并在硝化和亞硝化細菌的參與下完成硝化作用;在厭氧或缺氧條件下經(jīng)反硝化細菌的參與完成反硝化作用。

　　2.傳統生物除磷原理

　　在厭氧條件下，聚磷菌體內的ATP進(jìn)行水解，放出H3PO4和能量形成ADP;在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地放出能量，聚磷菌在透膜酶的催化作用下利用能量、通過(guò)主動(dòng)運輸從外部攝取H3PO4，其中一部分與ADP結合形成ATP，另一部分合成聚磷酸鹽(PHB)儲存在細胞內，實(shí)現過(guò)量吸磷。通過(guò)排除剩余污泥或側流富集厭氧上清液將磷從系統內排除，在生物除磷過(guò)程中，碳源微生物也得到分解。

　　3.常用工藝及升級改造

　　具有代表性的常用工藝有A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝、SBR工藝、Bardenpho工藝、生物轉盤(pán)工藝等，這些工藝都是通過(guò)調節工況，利用各階段的優(yōu)勢菌群，盡可能的消除各影響因素間的干擾，以達到適應各階段菌群生長(cháng)條件，實(shí)現水處理效果。近年來(lái)隨著(zhù)研究的深入，對常用工藝有了一些改進(jìn)，目前應用最廣泛、水廠(chǎng)升級改造難度較低的是分段進(jìn)水工藝。

　　與傳統A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等相比，分段進(jìn)水工藝可以充分利用碳源并能較好的維持好氧、厭氧(或缺氧)環(huán)境，具有脫氮除磷效率高、無(wú)需內循環(huán)、污泥濃度高、污泥齡長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。分段進(jìn)水工藝適用于對A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等的升級改造，通過(guò)將生化反應池分隔并使進(jìn)水按一定比例分段進(jìn)入各段反應池，以充分利用碳源，解決目前污水處理廠(chǎng)普遍存在的碳源不足和剩余污泥量過(guò)大的問(wèn)題。分段進(jìn)水工藝雖然對提高出水水質(zhì)有較好的效果，但該工藝并不能提高處理能力，當水廠(chǎng)處于超負荷運行時(shí)，分段進(jìn)水改造也不能達到良好的處理效果。

　　二、新型生物脫氮除磷理論與技術(shù)

　　近年來(lái)，科學(xué)研究發(fā)現，生物脫氮除磷過(guò)程中出現了超出傳統生物脫氮除磷理論的現象，據此提出了一些新的脫氮除磷工藝，如：短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、反硝化除磷工藝。

　　1.短程硝化反硝化工藝

　　傳統生物脫氮理論為全程硝化反硝化過(guò)程，即以NO3-為反硝化過(guò)程的電子受體;而短程硝化反硝化利用NO2-為反硝化過(guò)程的電子受體。

　　短程硝化反硝化相對全程硝化反硝化節省了25%的曝氣量、節省了40%的有機碳源并縮短了反應時(shí)間，因此實(shí)現與維持短程硝化反硝化具有實(shí)際工程應用價(jià)值。實(shí)現短程硝化反硝化的關(guān)鍵在于硝化反應過(guò)程中氨氧化菌相對于亞硝酸鹽氧化菌優(yōu)勢增殖，即氨氧化菌積累。短程硝化反硝化的影響因素主要有溫度、pH、溶解氧(DO)濃度、游離氨(FA)濃度、污泥齡(SRT)、有機物濃度等。

　　具有代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，該工藝利用高溫(30-36℃)抑制亞硝酸鹽氧化菌增殖、實(shí)現氨氧化菌積累，從而控制硝化反應維持在NO2-階段，隨后進(jìn)行反硝化。

　　2.同步硝化反硝化工藝

　　同步硝化反硝化工藝是指硝化和反硝化過(guò)程在同一個(gè)反應器中進(jìn)行，系統不需要明顯的缺氧時(shí)間或缺氧區域而能將總氮去除的工藝。利用固定化微生物技術(shù)將包埋有硝化細菌的微生物載體投入好氧池，氨氮去除率達到90%以上，處理效果有明顯提高。硝化細菌載體投加方便、抗沖擊負荷能力較強、運行管理方便、成本較低、處理效果較好，具有良好的應用前景。

　　3.厭氧氨氧化工藝

　　厭氧氨氧化工藝是指在厭氧條件下，以NO2-作為電子受體，將NH3轉化為N2的工藝，反應過(guò)程中無(wú)需有機碳源和O2的介入。從工程角度看，厭氧氨氧化工藝較傳統生物脫氮工藝有明顯優(yōu)勢，這一過(guò)程可以擺脫對傳統電子供體(有機碳源)的束縛，又可以省去硝化過(guò)程的需氧量，從而減少了剩余污泥，又節約了能源。此外，將厭氧氨氧化菌以顆粒污泥的形式富集于反應器中，可以充分利用垂直空間，減少占地。當然，厭氧氨氧化工藝的反應器形式不僅可以是顆粒污泥形式，也可以是SBR、生物轉盤(pán)、移動(dòng)床等。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　雖然厭氧氨氧化技工藝有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其工程應用受限于厭氧氨氧化菌極低的生長(cháng)率(世代時(shí)間10d左右)，反應器啟動(dòng)時(shí)間極長(cháng)。目前，該工藝主要針對高NH4+、低COD且有一定余溫的污廢水，如厭氧消化液、垃圾滲濾液等。

　　4.反硝化除磷工藝

　　反硝化除磷的機理與傳統生物除磷機理類(lèi)似，其反應主要依靠反硝化除磷菌，該類(lèi)微生物以O2或NO3-為電子受體吸磷，并以聚磷酸鹽形式儲存在細胞內，同時(shí)NO3-轉化為N2。利用反硝化除磷菌實(shí)現生物除磷，對氮、磷的去除率高，同時(shí)可以減少剩余污泥，降低有機碳源的需求。

　　三、可持續生物脫氮除磷與碳中和運行

　　傳統的污水處理理論將水作為主要產(chǎn)品，其他物質(zhì)作為處理廢物以廢氣和污泥的形式排出，存在著(zhù)能源浪費和資源浪費等問(wèn)題，同時(shí)傳統的水處理工藝會(huì )占用大量土地。污水處理碳中和運行的實(shí)質(zhì)是實(shí)現處理過(guò)程所需能源的自給自足，從而解決“以能消能”和“污染轉嫁”的問(wèn)題。在這一過(guò)程中，不僅是能源的“開(kāi)源”，更要考慮處理工藝的“節流”。污水處理的可持續性和碳中和運行是大勢所趨。

　　1.可持續生物脫氮除磷

　　可持續生物脫氮除磷工藝的技術(shù)基礎是反硝化除磷技術(shù)和厭氧氨氧化技術(shù)。利用兼性反硝化細菌，將反硝化脫氮和生物除磷合二為一，降低有機碳源和O2的消耗量，相比傳統專(zhuān)性好氧除磷菌能節約50%的有機碳源和30%的O2，同時(shí)減少50%的剩余污泥量。厭氧氨氧化菌使得NH4+以NO2-為電子受體而被直接轉化為N2，這一過(guò)程無(wú)需有機碳源和O2，相比傳統全程硝化反硝化工藝最大限度的減少了有機碳源和O2的消耗。通過(guò)在生物脫氮除磷過(guò)程中對有機碳源的節約，為剩余COD不經(jīng)過(guò)傳統的氧化穩定(至CO2)而進(jìn)行甲烷化并產(chǎn)生能量創(chuàng )造條件;同時(shí)，對O2的消耗量的減少，降低了曝氣量，間接地減少了為污水處理提供能源而燃燒化石能源排放的CO2。

　　基于上述技術(shù)基礎，研究提出了一種可持續生物脫氮除磷工藝，該工藝以A/B為基礎架構并結合了BCFS@工藝和CANON工藝，突出了COD甲烷化(能源化)、磷酸鹽回收和處理水回用等可持續性目標的實(shí)現。進(jìn)水經(jīng)格柵、沉沙預處理后進(jìn)入AB法的A段，采用很短的污泥齡使細菌快速增值，原水中70%-80%的COD合稱(chēng)為細菌細胞;經(jīng)A段沉淀池分離后，上清液進(jìn)入BCFS@工藝進(jìn)行脫氮除磷處理;BCFS@工藝排出的高磷含量污泥與A段排出的污泥一起進(jìn)入污泥消化池，產(chǎn)生CH4和高磷、高NH4+的污泥消化液，消化液通過(guò)投加鎂化物形成磷酸按鎂化合物沉淀后分離并回收磷;磷回收后的消化液采用CANON工藝脫除高濃度的NH4+; CANON工藝出水與BCFS@工藝出水混合后排放。經(jīng)此工藝處理的生活污水僅需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的深度處理即可達到中水回用標準。

　　可持續生物脫氮除磷工藝與傳統生物處理工藝相比，氧消耗量減少了約45 %，節約了約70%的有機碳源，減少了25%的剩余污泥量，減少了18%的CO2釋放量，同時(shí)每公斤COD產(chǎn)生了0.28ka的CH4并回收了49%的磷。

　　2.碳中和運行

　　研究表明，受限于我國市政污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD較低，剩余污泥厭氧消化回收的CH4(能量)僅能提供污水處理廠(chǎng)50%的能量消耗，間接減少了50%的CO2排放量。這一限制決定了我國污水處理碳中和運行必須走“開(kāi)源”、“節流”并重的道路，除了通過(guò)研究、開(kāi)發(fā)新型的污水處理理論、工藝，還需要利用水源熱泵、空氣源熱泵、風(fēng)能、太陽(yáng)能、微生物燃料電池等非傳統能源。(來(lái)源：工業(yè)水處理 作者：馬智明)