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生物脱氮除磷新工艺运行及影响因素分析 环境工程 080009236 许伟 摘 要：本文主要从生物脱氮除磷的机理，常用工艺, 新工艺和影响因素等几个方面进行了综述，探讨了生物脱氮除磷的发展前景。关键词：生物脱氮除磷; 新工艺; 运行 ; 影响前言 城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝 城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如 残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物 氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生物，引起水体的质，能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养化，影响饮用水水源。特别是含氮、 磷等植物营养型污染物的超标排放 ,导致中国水体富营养化现象越来越严重 ,对于中国水资源本来就十分短缺的国家 ,严格控制含氮、磷污水的超标排放是十分必要的.生物脱氮除磷技术相对其他方法的脱氮除磷技术有着很强的优势 ,因此生物脱氮除磷技术成为当前研究的热点.l 生物脱氮除磷机理11 生物脱氮机理1.1.l 传统生物脱氮机理1传统生物脱氮理论认为生物脱氮主要包括硝化过程和反硝化过程2个生化过程，并由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。氨化作用是将有机氮在生物处理稳定化过程中氧化为氨氮。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。蛋白质可以作为微生物的基质，它在蛋白质水解酶的催化作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用使有机氮转化为氨氮。硝化作用是由2组自养型好氧微生物通过2个过程来完成。第一步是亚硝酸菌(包括硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属)将氨氮氧化成亚硝酸盐氮，第二步是硝酸菌(包括硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属)将亚硝酸盐转化为硝酸盐。这2组菌统称为硝化菌。反硝化作用由异养兼性微生物完成。在有分子氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体；无分子氧存在时以硝酸根、亚硝酸根为电子受体、02-为受氢体生成H0和OH一，有机物作为碳源和电子供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化过程中硝酸根和亚硝酸根的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用共同完成，同化作用是硝酸根和亚硝酸根被还原为NH3用以新细胞的合成。异化作用是硝酸根、亚硝酸根被还原为N：或NO、No等气态物，主要为N22。1.1.2 其它生物脱氮机理( 1 )短程硝化/反硝化 传统硝化工艺中将氨彻底氧化成硝酸盐(全程硝化)，其主要目的是根除氮素的耗氧能力并避免亚硝酸盐对生物的毒害作用。对于生物脱氮来说，硝化过程中从NO2-转化为NO3-与反硝化过程中NO3-转化为N02-这2个过程是一段多走的路程，完全可以省去。从微生物水平上来说，氨氮被氧化成硝酸氮是由2类独立的细菌催化完成，对于反硝化菌无论是硝酸氮还是亚硝酸氮均可以作为最终受氢体。试验证明，整个生物脱氮过程也可以经NH4+NO2-)N2这样的途径完成，这个途径就叫做短程硝化/反硝化(Shortcut NitrificationDenitrification) 。这降低了硝化所需的充氧能耗，减少了外加碳源，省去了中和硝化产酸带来的药剂耗【3】。( 2 )厌氧氨氧化(ANAMMOX) 1977年，奥地利化学家Broda预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，并认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌【4】。直到 20世纪 8 0年代末，荷兰Delft工业大学Mulder等在研究三级生物处理系统中才发现了这种隐藏于自然界的自养型细菌，并于1990年由该校Kluyver生物技术实验室开发了ANAMMOX(Anaerobic Ammonium Oxidation)5。其原理即在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮转化为氮气，或者是以氨氮为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气。该工艺中亚硝酸盐是一个关键的电子受体。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子供体3。 1.2 生物除磷机理1.2 .1 传统生物除磷机理 对废水生物除磷过程中的除磷机理曾有2种不同机理：一是生物诱导化学沉淀作用，二是生物过量聚磷作用，目前普遍认可的生物除磷理论是聚磷菌(Polyphosphate Accumulating Organisms)的摄磷释磷原理【6】。在厌氧区(无分子氧和硝态氮)兼性菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为乙酸盐等低分子挥发性有机物(VFAs)。在厌氧条件下，聚磷菌吸收了这些或来自原污水的VFAs将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源储存物(PHB/PHV)，所需能量来源于聚磷的水解及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。在好氧条件下，这些专性好氧的聚磷菌(PAOs)活力得到恢复，以O2为电子受体，氧化胞内贮存的PHB及利用产生的能量过量地从环境中摄磷，在聚磷菌细胞内合成多聚磷酸盐加以积累，以聚磷酸高能键的形式存储最后通过排放过量摄磷的富磷活性污泥，将磷除去。1.2 .2 反硝化除磷机理 反硝化除磷细菌(DPBDenitrifying Phosphor US Removing Bacteria)能在缺氧(无O2但存在NO3-；)环境下摄磷。D P B的生物摄放磷作用被荷 兰代尔夫特工业大学(TU Delft)和日本东京大学 ( U T )研究人员所证实【7,8】，它具有同 P A O s极为 相似的除磷原理，只是氧化细胞内贮存的 P H A时 电子受体不同而已(PAO为O2，而D P B为NO3-；)。这使得摄磷和反硝化 ( 脱氮)这2个不同的生物 过程借助同一个细菌在同一个环境中完成，反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这2个原本认为彼此独立的作用合二为一【9】。摄磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要；而且摄磷在缺氧内完成可缩小曝气区的体积(亦节省能源)；产生的剩余污泥餐也有望降低。2 传统的生物脱氮除磷工艺 根据传统生物脱氮除磷原理发展的生物脱氮除 磷工艺有 A2O工艺， A2O工艺，巴颠甫 ( Bardenpho )工艺， UCT、 MUCT工艺,VIP工艺,氧化沟工艺等，这些工艺一般都是根据厌氧、缺氧、好氧等池子的排列数量及混合液循环和回流方式的变化开发出的。此外，还有通过对曝气供氧的控制， 在空间和时间上形成厌氧与缺氧环境的C A S T工艺和氧化沟工艺。这些工艺都是尽可能将除磷和脱氮过程分开以排除除磷和脱氮过程的相互干扰，如硝酸盐对释磷的影响；反硝化与释磷对碳源的竞争，硝化菌和聚磷菌的泥龄不同等矛盾。2. 1 A 2/ O工艺 A2/ O工艺是流程最简单、应用最广泛的脱氮除磷工艺(图 1) 。污水首先进入厌氧池 ,兼性厌氧菌将污水中易降解有机物转化为VFAs ,回流污泥带入的聚磷菌将体内贮存的聚磷分解 ,所释放的能量一部分可供好氧的聚磷菌在厌氧环境下维持生存 ,另一部分能量供聚磷菌主动吸收 VFAs ,并在体内储存 PHB。进入缺氧区 ,反硝化菌就利用混合液回流带入的硝酸盐以及进水中的有机物进行反硝化脱氮,接着进入好氧区 ,聚磷菌除了吸收利用污水中残留的易降解 BOD 外主要分解体内贮存的 PHB 产生能量供自身生长繁殖, 并主动吸收环境中的溶解磷 ,以聚磷的形式在体内贮积。污水经厌氧、缺氧区有机物分别被聚磷菌和反硝化菌利用后浓度已很低 ,有利于自养的硝化菌的生长繁殖。为了避免A2/ O工艺回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的影响,在厌氧池之前设置厌氧/缺氧调节池, 回流污泥与10 %左右的进水进入该池, 微生物利用10 %进水中的有机物对回流污泥的硝酸盐反硝化, 从而保证厌氧池的厌氧环境, 该工艺称为改良A2/ O工艺(图2)。2. 2 B ardenpho工艺四阶段Bardenpho 工艺(图 3) 中污水首先进入第一缺氧池完成反硝化脱氮 ,第一好氧池完成含碳有机物氧化、含氮有机物氨化及硝化 ,同时吹脱氮气。此段除氮可占总去除量的70 %左右。第二缺氧池反硝化菌利用混合液中的内源代谢物进一步反硝化脱氮 ,第二好氧池吹脱反硝化产生的氮气从而改善污泥沉降性能。四阶段Bar2denpho 工艺脱氮效率很高(大于 90 %) , 但缺氧池内释磷受抑制 ,除磷效果不明显。在四阶段Bardenph o 工艺前增设厌氧池形成五阶段Bardenpho工艺,该工艺具有良好的脱氮除磷功能。污泥回流至厌氧池, 混合液回流至第一缺氧池, 因而厌氧池硝酸盐浓度很低,聚磷菌在此顺利完成释磷,所以五阶段Bardenpho 工艺效果好、流程长、 构筑物多、管理复杂。2. 3 UCT、 MUCT工艺 UCT工艺(图4)的不同之处在于污泥回流至缺氧池而非厌氧池,在缺氧池和厌氧池之间增加缺氧回流。由于缺氧池的反硝化作用使得缺氧混合液回流带入厌氧池的硝酸盐浓度很低, 污泥回流中有一定浓度的硝酸盐, 但其回流至缺氧池而非厌氧池,因而厌氧池的功能得到充分发挥。UCT工艺的最大成就是排除了回流液硝酸盐进入厌氧池对除磷产生的不利影响, 从而使除磷效果大大提高。 MUCT工艺(图 5)的改进是在厌氧池和缺氧池之间又增加一个缺氧池。第一缺氧池利用污水中含碳有机物作碳源对污泥回流带入缺氧池中的硝酸盐进行反硝化 ,第二缺氧池对好氧池回流第二缺氧池中的硝酸盐进行反硝化。 2. 4 VIP工艺 VIP工艺与 UCT工艺类似 ,差别在于池型构造和运行参数方面 ,VIP 工艺采用反应池分格方式 ,将一系列体积较小的完全混合反应格串联在一起构成一个反应池形成有机物的梯度分布 ,充分发挥除磷菌的作用 ,提高厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速率 ,因而比单个大体积的完全混合反应池具有更高的除磷效率。缺氧池分格使大部分反硝化反应发生在前几格 ,有助于缺氧池的完全反硝化 ,这样缺氧池最后一格硝酸盐量极少 ,甚至没有硝酸盐回流入厌氧池 ,保证厌氧池严格厌氧环境。VIP 采用高负荷运行 ,混合液中活性微生物比例高 ,泥龄短 ,所以除磷效果好 ,反应池容积也较小。2. 5 氧化沟工艺 氧化沟严格地说不属于专门的生物脱氮除磷工艺, 但随着新型氧化沟的不断出现, 氧化沟技术已远远超出早先的实践范围, 具有多种多样的工艺参数和功能选择以及构筑物形式和操作方式, 氧化沟特有的技术经济优势和脱氮除磷的客观需求使两者以不同的方式相结合成为必然, 从而产生了一系列具有脱氮除磷功能的氧化沟处理工艺, 最为典型的是厌氧池加氧化沟。也有采用三沟式氧化沟工艺, 厌氧池还可与氧化沟结合为一体, 如 Car2rousel 2000工艺(图6) 2. 6 SBR工艺系列 与A2/ O、Bardenpho、UCT、MUCT、VIP、工艺不同 ,SBR是在同一反应器内完成脱氮除磷。它通过对进水、 曝气、 沉淀、 排水、 等待、 排泥等的灵活操作 ,在时间序列上实现厌氧、 缺氧、 好氧的组合。通过改变运行方式、 合理分配曝气和非曝气的时间 ,创造交替厌氧、 缺氧、 好氧条件实现脱氮除磷。Unitank脱氮除磷工艺 Unitank 工艺是 SBR法的变形和发展 ,Unitank 主体是被间隔成数个单元的矩形反应池 ,典型的是三池 ,池间水力相连 ,每池均设有曝气系统 ,中间池始终作为曝气池 ,两侧边池交替作为曝气池和沉淀池 ,污水可以进入三池中任意一个 ,连续进水 ,周期交替运行 ,通过对系统进行灵活的时间和空间控制 ,可以实现BOD去除和脱氮除磷。每个运行周期包括两个主体运行段 ,污水交替进入左侧池和中间池 ,左侧池作为缺氧搅拌反应器 ,进行脱氮、释磷 ,中间池曝气去除有机物、硝化和吸磷。 进水由左向右推进 ,右侧池进行泥水分离 ,排放含磷污泥。第二个主体段进水流向与前一个主体段对称。各池的厌氧、 缺氧、 好氧状态可根据需要灵活控制。3 生物脱氮除磷新工艺3.1 ECOSUNIDE 工艺 本工艺是以张雁秋等人提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论为依据，创造出在特殊工艺条件下，提高了活性污泥中的硝化菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢，实现了短时高效脱氮，最终研发出城市污水高效脱氮处理新工艺。该工艺与传统生物处理工艺比较，主要是根据统一动力学理论发现了生物因子非线性反应增长现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度之间呈非线性关系，增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌在生物相中所占的比例。根据以上提出的几种理论 ，可以归纳出：高污泥浓度对硝化有利；控制动力学负荷可以控制硝化微生物与脱碳微生物之间的营养竞争关系，造成低底物浓度环境，进一步促进硝化；依据回流比影响回流污泥浓度及系统内底物浓度理论 ，通过计算机寻优找出最佳回流比；通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。该工艺的最大特点是通过分点一 多点特殊配水造成的高污泥浓度，生物系统长期处在高污泥浓度及低营养状态下工作，使硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖处于生长优势，提高了脱氮效率，同时使得生物反应池总停留时间减短，减少生化池的总容积，进而缩短占地面积，与传统工艺相比可减少投资2 0 。该工艺结合了节能集成技术、高效曝气技术、无内回流技术、高污泥浓度梯度污泥减量技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术，池内无搅拌器、无回流泵、污泥减量使脱水系统设备减少3 0 ，节约了运行费用。 E C O S UN I D E 工艺在实际中也有广泛高效的应用。张雁秋等人通过该工艺对临沂市污水处理厂原先的氧化沟工艺进行改造，比使用传统工艺改造节约了2 7 o o 万元 ，以较低的投资和运行费用，实现了高效脱氮除磷。排水水质由原先的仅达到城镇污水处理厂排放标准二级标准到改造后的达到一级标准，一些主要指标达到了一级标准。 3. 2厌氧氨氧化 ANAMM0x工艺是由荷兰D e l f t 技术大学生物技术实验室研究开发的，是指在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮转化为氮气。由于无需外加有机物作电子供体，因此节省酸碱中和试剂，无二次污染，节省供氧能耗，运行费用较低，成为该领域研究的热点。厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需要投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低，是目前已知的最简洁和最经济的生物脱氮途径。此外还可以改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗 ，防止可能出现的二次污染具有重大意义。 V a n 等研究小组将ANAMMOX工艺与SHARONI艺 (该工艺也是由荷兰开发的新工艺，其核心是应用在高温下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被自然淘汰，反应器中亚硝酸菌占优势，使氨氧化控制在亚硝化阶段)结合，对污泥消化出水进行了研究。试验结果表明，氨态氮的去除率达到8 3 。联合工艺氧气需要量仅为1 7 k g O2/ k g N，且几乎不需要外加碳源。可见在氧气需要量和外加碳源上，该联合工艺明显优于传统的生物脱氮工艺。这种联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念，从 一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题，但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。由于厌氧氨氧化生物脱氨技术在经济方面的独特优势，将会成为未来污水生物脱氮技术发展的主流，但厌氧氨氧化菌的生长速度非常缓慢，世代期约为l 1 天，对氧非常敏感，因此该工艺尚难应用到实际工程中。目前国内外学者的研究重点是在特定厌氧反应器中如何实现并维持足够的生物量，提高厌氧氨氧化菌的活性和脱氮效率，以及厌氧氨氧化反应器接种污泥的来源问题。 3.3 生物倍增工艺 生物倍增污水处理工艺是德国恩格拜环保技术公司在多年来的科学研究和实践经验基础上开发出的一项先进的污水处理技术。该工艺主要是通过特殊材料制成的可防止堵塞的曝气系统、生物除磷系统、空气提升系统及快速澄清装置 ，将生物脱氮除磷、有机物的氧化去除、污泥的硝化稳定等各工艺全部协调在同一反应池内同时进。此工艺把现有污水生物处理工艺的优点理想地结合起来，把曝气池与二沉池组合在单池内，池内各部分顺次完成污水处理的各个工艺过程，包括有机物的需氧降解、同时硝化反硝化生物脱氮、使用特殊设计的斜管实现泥水分离、控制低氧环境实现污泥低增长低产出、反硝化生物除磷、使用碱性物质强化对污染物的去除。该工艺把功能微生物去除过程集中在单一池内协同进行 ，并在池内设澄清区 ( 相当于二沉池 )。采用连续进水，连续运行。由于工艺是在同一反应器中进行，可以为同步硝化反硝化创造了有利的环境。因为在低溶解氧条件下培养驯化的活性污泥颗粒小，污泥活性相对较低，异养菌生长缓慢，因此，活性污泥外表不易形成隔离膜，活性污泥可与氧气及可溶性有机物直接接触，实现氨氮的硝化。避免过程中硝态氮积累而对硝化反应产生抑制，加速硝化反应的速度；而且反硝化反应中所释放出来的碱可部分补偿硝化反应所消耗的碱，使系统中pH值相对稳定。4生物脱氮除磷影响因素4.1 影响生物脱氮主要因素【10-12】( 1 )溶解氧( DO) 硝化反应，DO浓度一般应在2.0 mgL以上，最低极限是0.5 07mgL而对于反硝化，反硝化菌是异养型兼性厌氧菌，需要缺氧的环境，DO一般在0.5mgL以下。 ( 2 ) 温度 硝化反应的温度范围为540，适宜温度为 2 03 0，反硝化的适宜温度为 2040，低于15，硝化反硝化速率极低。 ( 3 ) 有机碳 硝化菌是自养型,其生存率远小于氧化有机物的异养菌，当好氧池中有机物浓度较高时，硝化菌为劣势菌种，当 BOD5小于 20m gL，硝化反应才不受影响。而反硝化则需要充足碳源为能源，否则反硝化不彻底。 ( 4 ) p H值 亚硝酸菌最适 p H值为8.08.4，硝酸菌的最适 p H值为6.57.5，反硝化最适宜的p H值为6.5 7.5。当p H低于6.0或高于9.6，硝化反硝化将受到影响，甚至反应将停止。 ( 5 ) 泥龄( SRT) 硝化菌属于自养菌，生长缓慢，世代时间较长。要保持硝化菌群在活性污泥系统中的比例，就必须保证 SRT大于最短的世代时间。一般SRT应大于10d。( 6 ) 有毒有害物质 许多物质对硝化菌有毒害作用，如某些重金属、复合阴离子和有机化合物等，会干扰细胞的新陈代谢， 破坏细菌最初的氧化能力。另外，过高的氨氮浓度对硝化反应会产生基质抑制作用。4.2影响生物除磷过程主要因素【10，11,13】( 1 ) 溶解氧 在释磷区，应保持严格厌氧，DO小于0.2mgL；吸磷过程，要保持充足的DO，一般DO应控制在2.0mgL以上。 ( 2 ) 温度 温度范围为530，厌氧释磷和好氧吸磷受温度的影响十分明显，在152O，好氧吸磷速度达到最大。 ( 3 ) p H值 生物除磷 pH值为78，pH值低于5.2，会引起细胞结构和功能的破坏，造成无效释磷。一般厌氧区的pH在 68 。 ( 4 ) 硝态氮 一方面，厌氧区的聚磷菌主要是以VFA为碳源完成聚磷的水解和释放，如有硝态氮存在，气单胞菌就不会产酸，聚磷菌所能获得的VFA就少；另一方面，气单胞菌会利用硝态氮进行反硝化，消耗水中的碳源有机物，硝态氮与聚磷菌争夺碳源，这对聚磷菌的厌氧释磷是非常不利的，厌氧区的硝态氮浓度应控制在1.5m gL以下。 ( 5 ) 有机负荷和有机质类型 较高的有机负荷对除磷有利，一般认为，进水中BODT P应大于20，才会获得较好的除磷效果。有机质的类型对厌氧释磷有重要影响，分子量较小的有机物易于被聚磷菌利用。( 6 ) 泥龄 生物除磷主要通过排出剩余污泥实现的，因此，SRT越短，排放的污泥量越多，除磷的效率越高。SRT一般为3.57.0d。总结： 综合以上的研究，可看出生物脱氮除磷工艺获得了长足的发展，新技术有了一定的突破，前景良好。参考文献：1 郑兴灿。李亚新污水除磷脱氯技术 M北京中国建 筑出版社。1998 2 汪大翠。雷乐成水处理新技