污水生物脱氮除磷新工艺研究

随着经济的快速发展,环境污染问题越来越突出,特别是含氮、磷等植物营养型污染物的超标排放,导致水体富营养化问题日益严重。而常规活性污泥工艺对总氮、总磷的去除率仅在10%～30%之间,远不能达到国家排放标准[1]。因此,研究开发高效、经济的生物脱氮除磷工艺已成为当前水污染控制领域的研究重点和热点。最近的一些研究表明,生物的脱氮除磷过程出现了一些超出人们传统认识的新发现,如某些异养菌也可以参与硝化作用;某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用。这些现象的发现以及各个不同工艺之间的组合,都为设计处理工艺提供了新的理论和思路。

1传统的生物脱氮除磷技术

1.1原理

1.1.1生物脱氮机理

生物脱氮理论认为生物脱氮主要包括硝化和反硝化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。

氨化作用即水中的有机氮化合物在氨化细菌分解作用下转化为氨氮。一般氨化过程与微生物去除有机物同时进行,氨化作用进行得很快,有机物去除结束时,氨化过程也已完成,故无需采取特殊的措施。

硝化作用即在供氧充足的条件下,水中的氨氮首先在亚硝化细菌的作用下被氧化成亚硝酸氮,然后再在硝化细菌的作用下进一步氧化成硝酸氮。由于亚硝化细菌和硝化细菌的生长速率低,所以要求较长的污泥龄。

反应方程式如下:

(1)氨化反应:

RCHNH2COOH+O2※NH3+CO2←+RCOOH

(2)硝化反应

NH4++1.5O2※NO2-+H2O+2H+NO2-+1.5O2※NO3-

硝化反应总反应式为:

NH4++2O2※NO3-+H2O+2H+

(3)反硝化反应

NO3-+2H(电子供体—有机物)※NO2-+H2O

NO2-+2H(电子供体—有机物)※0.5

N2+2H2O+OH-

硝化菌(亚硝酸菌、硝酸菌)为化能自养菌,所需的生长环境温度为20℃～30℃。反硝化菌为异养型兼性厌氧菌,其生长环境要求DO<0.5mg/L。

1.1.2生物除磷机理

污水中磷的去除主要由聚磷菌等微生物来完成:在好氧条件下,聚磷菌不断摄取并氧化分解有机物,产生的能量一部分用于磷的吸收和聚磷的合成,一部分则使ADP与H3PO4结合,转化为ATP而储存起来。细菌以聚磷(一种高能无机化合物)的形式在细胞中储存磷,其能量可以超过生长所需,这一过程称为聚磷菌磷的摄取。污水处理过程中,通过从系统中排除高磷污泥以达到去除磷的目的[3]。

在厌氧和无氮氧化物存在的条件下,聚磷菌体内的ATP进行水解,放出H3PO4和能量,形成ADP。这一过程为聚磷菌磷的释放。

1.2传统的脱氮除磷工艺

几种典型的脱氮除磷工艺:

生物除磷:A/O,A2/O、Bardenpho、UCT、Phoredox、AP等除磷工艺。

生物脱氮:A/O、A2/O、Bardnpho、UCT、Phoredox、改进的AB、TETRA深床脱氮、SBR、2000型氧化沟等脱氮工艺[4]。

1.2.1A2/O工艺

此工艺中,厌氧池进行磷的释放和氨化,缺氧池进行反硝化脱氮,好氧池用来去除BOD、吸收磷以及硝化。A2/O工艺是较早用来脱氮除磷的方法,但是它的脱氮除磷效果难于进一步提高。工艺流程见图1。

1.2.2phoredox工艺

在此工艺中,厌氧池可以保证磷的释放,从而保证在好氧条件下有更强的吸磷能力,提高除磷效果。由于有两极A2/O工艺串联组合,脱磷效果好,则回流污泥中挟带的硝酸盐很少,对除磷效果影响较少,但该工艺流程较复杂。工艺流程见图2。

1.2.3UCT工艺

此工艺是对上述工艺的改进,将沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厌氧池,避免回流污泥中的硝酸盐对除磷效果的影响,增加了缺氧池到厌氧池的混合液回流,以弥补厌氧池中污泥的流失,强化除磷效果。工艺流程见图3。

上述工艺都是研究者们根据厌氧、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一系列工艺。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SBR(序批间歇式活性污泥法)工艺和氧化沟工艺。这些工艺中存在多种问题,制约了工艺的高效性和稳定性。

1.3传统工艺中存在的问题

1.3.1微生物的混合培养

传统的生物脱氮除磷工艺一般都采用单一污泥悬浮生长系统,在该系统中有多种差别较大的微生物,不同功能的微生物对营养物质和生长条件的要求都有很大的不同,要保证所有的微生物都达到最佳生长条件是不可能的,这就使得系统很难达到高效运行。

1.3.2泥龄问题

由于硝化菌的世代期长,为获得良好的硝化效果,必须保证系统有较长的泥龄。而聚磷菌世代期较短,且磷的去除是通过排除剩余污泥实现的,所以为了保证良好的除磷效果,系统必须短泥龄运行。这就使得系统的运行,在脱氮和除磷的泥龄控制上存在矛盾。

1.3.3碳源问题

在脱氮除磷系统中,碳源主要消耗在释磷、反硝化和异养菌的正常代谢等方面。其中,释磷和反硝化的反应速率与进水碳源中易降解的部分,尤其是挥发性有机脂肪酸的含量关系很大。一般说来,城市污水中所含的易降解的有机污染物是有限的,所以在生物脱氮除磷系统中,释磷和反硝化之间存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。

1.3.4回流污泥中的硝酸盐问题

在整个系统中,聚磷菌、硝化细菌、反硝化细菌及其它多种微生物共同生长,并参与系统的循环运行。常规工艺中,由于厌氧区在前,回流污泥不可避免地将一部分硝酸盐带入该区,一旦聚磷菌与硝酸盐接触,就导致聚磷效果下降。这主要是由于反硝化细菌与聚磷菌对底物形成竞争,其脱氮作用造成碳源无法满足聚磷菌的充分释磷所致。

2生物脱氮除磷新工艺

2.1反硝化除磷

2.1.1原理

20世纪70年代末,在对UCT工艺的研究中发现,除APB外,还存在一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”—DPB(denitrif-yingphosphorusremovingbacteria)还能在缺氧(无O2,存在NO3-)环境下摄磷。DPB和APB有相似的原理,只是在氧化细胞内储存的PHA时电子受体是NO3-。这可使吸磷和反硝化脱氮这2个不同的生物过程借助同1种细菌在同一个环境下完成。

因此,反硝化菌和聚磷菌之间可相互交叉,其交叉点是反硝化聚磷菌DPB。由细菌完成的生物脱氮与生物除磷是2个既相对独立又相互交叉的生理过程,其交叉点是同时拥有硝酸盐还原性和超量吸磷这两种生化特性的细菌(DPB)进行的反硝化吸磷脱氮生化反应[7]。

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