泥膜共生氨氧化污水處理技術(shù)

　　活性污泥法自1912年被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)100多年發(fā)展，已經(jīng)成為了眾多污水處理技術(shù)中應用最為廣泛的方法。20世紀80年代在傳統活性污泥法基礎上發(fā)展起來(lái)的活性污泥—生物膜共生技術(shù)(Integrated Fixed-Film Activated Sludge，IFAS)結合了活性污泥和生物膜的優(yōu)勢，使污水處理效果得到了提升。近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)化和城市化程度地不斷提升，城鎮污水排放量和氮磷污染物不斷增加，導致了生活廢水中低COD質(zhì)量濃度和水體富營(yíng)養化的現狀，而氮磷是引起水體富營(yíng)養化的主要因素。隨著(zhù)國家眾多環(huán)保政策的出臺，給污水處理領(lǐng)域提出了更高要求，越來(lái)越多的水處理廠(chǎng)面臨著(zhù)深度脫氮除磷、脫除重金屬的挑戰，為了滿(mǎn)足需求，只能依賴(lài)價(jià)格高昂的納濾膜或者反滲透膜，然而成本往往無(wú)法承受，因此亟需能夠低成本實(shí)現污水深度處理與回用的新技術(shù)。厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)技術(shù)由于節省能量、剩余污泥產(chǎn)量低、節約投資成本和運行費用的優(yōu)勢，在處理低碳氮比的高氨氮濃度廢水方面廣泛應用。

　　本實(shí)驗結合活性污泥—生物膜共生和厭氧氨氧化污水處理各自的優(yōu)勢，設計了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù)，制成處理能力為0.5t/d的一體化污水處理裝置，對裝置運行過(guò)程中的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等數據進(jìn)行跟蹤分析，最終裝置穩定運行后出水達到了我國GB18918—2002，城市污水處理廠(chǎng)水污染物排放標準一級A處理效果。

　　1、實(shí)驗工藝介紹

　　格柵除渣的生活污水在經(jīng)過(guò)預曝氣之后，進(jìn)入一體化IFASMox污水處理裝置中，一體化污水處理裝置中部格柵上放置經(jīng)過(guò)改性的混合多孔微生物載體，工藝流程如圖1所示。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間微生物馴化富集培養之后，活性污泥在反應器中以懸浮生長(cháng)的狀態(tài)存在，微生物在載體表面及孔隙表面富集成膜，形成類(lèi)顆粒污泥的三維立體生態(tài)結構。在活性污泥作用下，污水中的有機物被逐步降解消耗，達到去除COD的目的。經(jīng)過(guò)預曝氣的污水中富含溶解氧，進(jìn)水流經(jīng)載體所形成的顆粒污泥，在其表面形成具有高濃度溶解氧的好氧層，在載體內部，隨著(zhù)氧氣消耗，逐漸變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，在溶解氧梯度變化的載體微生態(tài)壞境中，能夠實(shí)現亞硝化細菌和厭氧氨氧化細菌協(xié)同共生，促進(jìn)不同微生態(tài)層之間近距離物質(zhì)傳遞，最終形成穩定的厭氧氨氧化反應達到脫氮的目的;另外，隨著(zhù)污水中溶解氧被消耗，沿反應器水流方向的溶解氧濃度逐漸降低，由最初的好氧狀態(tài)轉變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下發(fā)生硝化—反硝化反應脫除氨氮。一體化裝置內活性污泥和生物膜中的亞硝化、硝化、反硝化及厭氧氨氧化菌在協(xié)同作用下，最終達到深度脫氮的效果。多孔載體對污水中的重金屬、磷和難降解有機物還有吸附脫除作用，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。

　　亞硝化反應(亞硝酸菌)：NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+H₂O+2H⁺

　　厭氧氨氧化反應化學(xué)計量學(xué)方程式：NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

　　硝化反應(硝化菌)：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+2H⁺+H₂O

　　反硝化反應(反硝化菌)：6NO₃^-+5CH₃OH→5CO₂+3N₂+7H₂O+6OH^-

　　2、實(shí)驗過(guò)程

　　2.1 微生物載體制備

　　選用多孔的石墨、火山巖、沸石混合物(體積比為1∶1∶1)為本實(shí)驗的生物載體，對其進(jìn)行酸/堿溶液浸泡腐蝕前處理過(guò)程，將多孔材料孔隙中的雜質(zhì)溶解，隨后用蒸餾水沖洗直至水洗液呈中性，最終填料形成了疏松多孔的立體絮狀結構。經(jīng)過(guò)前處理過(guò)程，填料比表面積由2左右增加到5以上，增加了生物膜有效附著(zhù)面積，有利于其微生態(tài)環(huán)境的形成和后續實(shí)驗的順利展開(kāi)。

　　2.2 一體化污水處理裝置

　　設計容積為0.6m3、日處理量為0.5t的一體化污水處理裝置，在裝置中部設置格柵，格柵上放置0.18m3載體。污水在進(jìn)入一體化裝置前，先經(jīng)過(guò)格柵除渣和曝氣處理，使進(jìn)水中富含溶解氧;出水口后設置沉淀池，使泥水分離后出水。

　　本實(shí)驗中，不投加外加碳源及菌種，進(jìn)水為城市生活污水，具有COD濃度低、氨氮濃度高、進(jìn)水污染物濃度波動(dòng)小的特點(diǎn)，在30周的運行過(guò)程中，進(jìn)水懸浮物(SS)濃度200mg/L，COD濃度為200mg/L，NH3-N濃度40mg/L～50mg/L，TP濃度10mg/L。將該污水處理裝置運行30周，期間定時(shí)取水樣采用國家標準方法測定，對運行周期內的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)數據進(jìn)行跟蹤分析。

　　3、裝置運行情況

　　3.1 SS去除效果

　　設備運行30周，懸浮物去除效果如圖2所示，在設備運行穩定后，去除率穩定在95%以上，出水SS濃度小于10mg/L，去除效果好。

　　3.2 COD去除效果

　　COD去除效果如圖3所示。從圖3中可以看出，裝置運行4周后COD去除率基本穩定，均保持在80%以上，后期出水COD濃度小于50mg/L，去除效果良好，達到城市污水處理廠(chǎng)水污染物排放一級A標準。分析本實(shí)驗進(jìn)水中，僅有一次曝氣處理，由于水中溶解氧限制，導致COD濃度進(jìn)一步降低困難。

　　3.3 NH3-N去除效果

　　運行期間，TN和NH3-N去除效果如圖4所示，從圖4中數據可知，設備運行穩定后，TN整體去除率達到80%以上，TN濃度穩定在10mg/L左右。在設備運行前兩周，氨氮去除率較低，僅為20%～40%，之后氨氮去除效果開(kāi)始逐漸好轉，第9周后氨氮去除率達到68.6%，總體去除效果良好。后期裝置穩定運行后，氨氮的平均去除率為90.7%，且出水NH3-N濃度小于5.0mg/L，達到城市污水處理廠(chǎng)水污染物排放一級A標準。從圖4中可以看出，NH3-N去除達到穩定狀態(tài)用時(shí)較長(cháng)，約為11周，這可能是由于厭氧氨氧化菌(在30℃～40℃條件下，其倍增時(shí)間為10d～14d)生長(cháng)緩慢導致的。

　　3.4 TP去除效果

　　設備運行期間，TP去除情況如圖5所示，從圖5中數據可知，在運行的第1周和第2周，TP的去除效果為20%，從第3周開(kāi)始，TP去除率升高，在裝置穩定運行后，去除率達到95%以上，出水TP濃度穩定在0.5mg/L以下，達到城市污水處理廠(chǎng)水污染物排放一級A標準。設備總磷去除效果好，除了填料的吸附作用外，推測在裝置內發(fā)生了“氣化除磷”反應，即磷酸鹽被還原為磷化氫以達到除磷的效果。目前，對磷化氫的產(chǎn)生機理尚未有定論。

　　4、結語(yǔ)

　　研究了將活性污泥—生物膜共生、厭氧氨氧化技術(shù)有機結合起來(lái)的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù)，生活污水經(jīng)過(guò)該技術(shù)處理，達到深度脫除氮磷的效果，裝置穩定運行后，SS，COD，TN，NH3-N及TP去除率均達到了城市污水處理廠(chǎng)水污染物排放一級A標準。該技術(shù)實(shí)現方式簡(jiǎn)單，無(wú)需外加碳源，僅經(jīng)過(guò)一次預曝氣處理、節省能量，且其處理效果良好，使得其在未來(lái)城市生活污水及其他低碳氮比廢水處理領(lǐng)域上應用前景良好。(來(lái)源：福瑞萊環(huán)�？萍�(深圳)股份有限公司，北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，深汕特別合作區環(huán)境與資源事務(wù)中心)