城市污水除磷脱氮处理工艺综述

城市污水除磷脱氮处理工艺综述城市污水是通过下水管道收集到的所有排水，是各种生活污水、工业废水和城市融雪、雨水的混合污水。城市污水都含有一定量的氮磷污染物，当这些营养物未经去除而直接排入受纳水体后，会导致藻类和其它水生植物的异常生长，消耗水中的氧，使水质恶化，严重影响水体的经济价值和社会效益。随着水资源短缺和水污染的加剧，城市污水在排放前进行脱氮除磷已成为污水处理厂的主要任务。在我国，去除城市污水中的氮磷多采用A/O、A2/O工艺、序批式工艺（包括传统SBR法、CASS工艺、MSBR法等）、氧化沟系列工艺等。以下就城市污水脱氮除磷几种工艺作一些简单的介绍及比较。1、A/O法A/O工艺是Anoxic/Oxic（兼氧/好氧）或Anerabic/Oxic（厌氧/好氧）工艺的缩写，是为污水生物除磷脱氮而开发的污水处理技术。A/O法不能同时脱氮除磷。但只要控制一定的回流比和泥龄，系统便可达到较好的脱氮效果或除磷效果。A/O法在除磷方面的推广受到以下几个因素的制约。第一，生物除磷是将液相中的污染物转移到固相中予以去除。A/O法的特点之一是泥龄短、污泥量多，剩余污泥含磷率高于传统活性污泥法，污泥在浓缩消化过程中会将吸收的磷释放出来，要彻底去除系统中的磷，还需要增加后续处置设施。当温度低、进水负荷低时，微生物代谢能力减弱，污泥生长缓慢，除非污泥含磷量特别高，否则只排少量污泥，磷的去除率必然很低。第二，厌氧池的厌氧条件难以保证。理论计算认为当污泥龄大于5天时，硝化菌便能在系统中停留。当曝气池水力停留时间偏长时，废水中的氨氮在硝化菌的作用下转化成NO2-和NO3-，回流污泥中就不可避免的混入了NOx.原污水和回流污泥混合，反硝化菌优先获得碳源进行脱氮，聚磷菌竞争不到碳源，不能有效释放，因而也不能过量吸收磷，系统除磷能力下降。第三，受水质波动影响大。磷的厌氧释放分有效和无效两部分，聚磷菌在释磷的过程中同时吸收原污水中的低分子有机物，合成细胞内贮物，我们把这一过程成为有效释磷。聚磷菌只有有效释磷后，才能在随后的好氧段过量摄磷。当废水中可供聚磷菌利用的低分子有机物量很少时，聚磷菌便发生无效释磷，即在释磷过程中不合成细胞内贮物。无效释放出来的磷在系统中是不能被去除的。因此，A/O工艺除磷效果受进水水质影响很大，不够稳定。2、A2/O法2.1传统A2/O法传统A2/O法是目前普遍采用的同时脱氮除磷的工艺，它是在传统活性污泥法的基础上增加一个缺氧段和一个厌氧段。污水首先进入厌氧池与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，废水中易生物降解的大分子有机物转化为VFAs这一类小分子有机物。聚磷菌可吸收这些小分子有机物，并以聚β羟基丁酸（PHB）的形式贮存在体内，其所需要的能量来自聚磷链的分解。随后，废水进入缺氧区，反硝化菌利用废水中的有机基质对随回流混合液而带来的NO3－进行反硝化。废水进入好氧池时，废水中有机物的浓度较低，聚磷菌主要是通过分解体内的PHB而获得能量，供细菌增殖，同时将周围环境中的溶解性磷吸收到体内，并以聚磷链的形式贮存起来，经沉淀以剩余污泥的形式排出系统。好氧区的有机物浓度较低，这有利于好氧区中自养硝化菌的生长，从而达到较好的硝化效果。2.2倒置A2/O工艺倒置A2/O工艺即缺氧/厌氧/好氧的工艺流程，是对传统A2/O工艺的改进，其脱氮除磷效果更好，其原因在于：缺氧区位于厌氧区之前，有利于微生物形成更强的吸磷动力，微生物厌氧释磷后直接进入好氧环境充分吸磷；所有参与回流的污泥都经历了完整的释磷、吸磷过程，故在除磷方面具有群体效应优势；缺氧池位于厌氧池前，允许反硝化菌优先获得碳源，因而加强了系统的脱氮能力。常州的城北污水处理厂和清潭污水处理厂均将原设计调整为倒置的A2/O工艺，COD、SS、TN、TP的去除率均有了不同程度的提高，尤以TP去除率提高最多。2.3氮氧化物对A2/O法除磷的影响影响生物除磷效果的因素有很多，其中厌氧池内氮氧化物浓度便是关键因素之一。传统A2/O工艺和环境倒置A2/O工艺都存在氮氧化物的控制问题。传统A2/O工艺中，从沉淀池回流至厌氧池的污泥或多或少地携带了一定量的NOx.我们只能通过调节污泥回流量来控制厌氧池中的NOx，回流量过大、携入的NOx多，会抑制厌氧池中聚磷菌进行磷的释放从而影响整个系统的除磷效果；回流量过小，进入厌氧池的聚磷菌相应少，同样影响系统的除磷能力。因此，需严格控制污泥回流量。国内较多采用的污泥回流量为进水流量Q的0.5倍～1.0倍。环境倒置A2/O工艺中，回流污泥与原污水混合进入缺氧区，反硝化菌利用原污水中的有机物进行脱氮，随后进厌氧池，聚磷菌在该池内进行磷的释放。当NOx在缺氧池内没有完全完成硝化时，就不可避免地进入了厌氧池，从而抑制厌氧释磷，降低系统除磷效果。3、序批式工艺3.1传统的SBR法SBR工艺是间歇性活性污泥法，它由一个或多个曝气反应池组成，污水分批进入池中，经活性污泥净化后，上清夜排出池外即完成一个运行周期。每个工作周期顺序完成进水、反应、沉淀、排放4个工艺过程。SBR法脱氮除磷效果与曝气时率（曝气时率＝每单个周期的曝气时间/周期）有关，时率大则缺氧时间短、反硝化不完全、氮磷的去除率低，当去除率接近1时，磷几乎不被去除[4].表1为某采用SBR工艺的小型污水处理厂的曝气时率和氮磷去除率。SBR工艺的特点是具有一定的调节均化功能，可缓解进水水质、水量波动对系统带来的不稳定性。工艺处理简单，处理构筑物少，曝气反应池集曝气沉淀污泥回流于一体，可省去初沉池、二沉池及污泥回流系统，且污泥量少，容易脱水，控制一定的工艺条件可达到较好的除磷效果，但存在自动控制和连续在线分析仪器仪表要求高的特点。3.2CASS工艺CASS工艺是一种连续进水式SBR曝气系统，不仅具有SBR工艺简单可靠、运行方式灵活、自动化程度高的特点，而且脱氮除磷效果明显。这一功能主要实现于CASS池通过隔墙将反应池分为功能不同的区域，在各分隔中溶解氧、污泥浓度和有机负荷不同，各池中的生物也不同。整个过程实现了连续进、出水。同时在传统的SBR池前或池中设置了选择器及厌氧区，提高了脱氮除磷效果。CASS工艺的特点是对污水预处理要求不高，只设间隙15mm的机械格栅和沉淀池。生物处理核心是CASS反应池，除磷脱氮降解有机物及悬浮物等功能均在该池内完成，出水可达到国家规定的排放标准。3.3MSBR法MSBR工艺是20世纪80年代初期发展起来的污水处理工艺，经过不断地改进和发展，目前较新的是第三代工艺。MSBR工艺的特点是系统从连续运行的单元（如厌氧池）进水，从而加速了厌氧反应速率，改善了系统承受水力冲击负荷和有机物冲击负荷的能力；同时，由于MSBR工艺增加了低水头、低能耗的回流设施，极大地改善了系统中各单元内MLSS的均匀性。因此，MSBR系统汇集了A2/O系统与SBR系统的全部优势，因而出水水质稳定、高效，并有极大的净化潜力。4、氧化沟工艺氧化沟工艺是一种延时曝气的活性污泥法，由于负荷很低，耐冲击负荷强，出水水质较好，污泥产量少且稳定，构筑物少，氧化沟可以按脱氮设计，也可以略加改进实现脱氮除磷。20世纪90年代中期，氧化沟工艺因其良好的脱氮效果并且无需沉淀池开始被推广，此时期建设的大型污水处理厂项目基本上采用氧化沟工艺。近几年来，国内对各种类型氧化沟工艺的除磷脱氮效果、设计、充氧设备及运行控制等方面进行了大量的研究。对多种氧化沟都进行了一定的革新，如carrousel氧化沟由第一代的普通的carrousel氧化沟发展为具有脱氮除磷功能的carrousel2000型氧化沟，后又发展为第三代的carrousel3000型氧化沟。国内许多污水处理厂使用的情况证明，氧化沟工艺是一种工艺流程简单、管理方便、投资省、运行费用低、工艺稳定性高的污水处理技术，目前国内较多采用的氧化沟主要有Orbal氧化沟、Carrousel氧化沟、T型氧化沟、DE型氧化沟、一体化氧化沟等。5、结论随着污水处理事业的发展，已有多种污水处理工艺在我国污水处理厂中得到了应用，其中以A/O，A2/O及其变型工艺、SBR及其变型工艺、氧化沟工艺为主。同时，随着我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施，以及我国污水处理事业所面临的如下问题：如污水处理厂建设与运行费用高的问题、小城镇的水污染问题以及污泥处理问题。使我国的污水处理工艺向着具有脱氮除磷功能、高效低能、成熟可靠、适用于小城镇污水处理厂、污泥量少且能使污泥达到稳定的方向发展。膜生物反应器是将生物处理工艺与膜分离技术相结合而成的一种高效废水处理工艺。该工艺与传统废水生物处理工艺相比,具有工艺流程短、出水水质好、出水可以直接回用、设备占地面积小、活性污泥浓度高、剩余污泥产量低甚至达到零排放和便于自动控制等优点,所以该工艺在废水处理领域具有很广阔的前景。该设备将中空纤维膜组件浸没于反应器混合液中，利用泵的抽吸作用出水，曝气器设置在膜的正下方,混合液随气流向上流动,在膜的表面产生错流,从而在膜表面产生剪切力,在这种剪切力的作用下,胶体颗粒被迫离开膜表面,减轻了膜污染。设备运行采用自动控制，经过合理的运行程序编排和其它措施，使膜生物反应器对有机物、氨氮、总氮、总磷均具有良好的去除作用，实现同时除磷脱氮功能。经城市污水处理中试试验，出水COD40mg/L、总氮去除率在70%以上、总磷去除率85%以上，出水浊度0.5NTU。该项目开发的一体式膜生物反应器可用于污水回用工程、微污染水源水的处理中。由于采用国产膜，投资与运行费用降低。一体式膜生物反应器由于其占地面积小,处理废水效果好,在处理废水特别在中水回用中具有独特的技术优势。6.1主要的二级生物处理(BST)工艺有关水体的污染负荷方面,目前对于污水处理厂去除营养物质效率的要求显著提高了,为达到废水排放标准,防止水体富营养化以及缺水地区的污水回用，对污水的除磷脱氮得到了重视。因此已经在建设具有除磷脱氮功能的新污水处理厂，一些老厂也在改造使其具有除磷脱氮功能。传统的二级生物处理(BST)可对有机物进行有效处理，大量去除废水中的BOD,但除磷脱氮效率低，因此污水处理厂出水排入封闭性和半封闭性水体时，需要提高营养物质的去除效率以防止水体富营养化。在污水除磷脱氮工艺中,将两种已经开发和应用的除磷脱氮工艺简述于后：CAST工艺的评述CAST工艺是近年来在传统SBR工艺上发起来的一种新型工艺，它是利用不同微生物在不同负荷条件下生长速率差异和污水生物除磷脱氮机理，将生物选择器与传统SBR反应器相结合的产物。这种工艺综合了推流式活性污泥法的初始反应条件（具有基质浓度梯度和较高的絮体负荷）和完全活性污泥法的优点（较强的耐冲击负荷能力），无论对城市污水还是工业废水都是一种有效的方法，有效地防止污泥膨胀。另外如果选择器的厌氧的方式运行，则具有生物除磷作用。有资料介绍：由于CAST工艺引入了厌氧选择器，使该系统具有很强的除磷脱氮能力。实际这种说法不完全正确。因为就脱氮而言，CAST系统与传统的SBR没有太多的不同，静止沉淀时的反硝化作用和同时硝化反硝化作用在脱氮过程中起主要的作用。而除磷方面，仅20-30%的回流比，则无法保证选择区内的污泥浓度，举例而言，若反应池内的污泥浓度为6g/L（一般没这么高），回流比为20%时，选择的污泥浓度仅为1g/L。这样低的污泥浓度是很难保证良好的除磷效果的。况且回流是在进水同时进行，这时处在曝气阶段，回流的混合液含有大量的溶解氧和硝态氧，也不利除磷。第三，生物除磷是通过排除富集磷的污泥来实现的，而系统长泥龄低负荷的运行，产泥率很低，同样无法保证良好的除磷效果。实际上，很多实际工程设计中，CAST工艺往往都辅以化学除磷，以保证处理达标。所以，许多资料所介绍的CAST工艺良好的除磷脱氮能力有必要进行进一步的探讨和研究。综上所述，对于小型污水处理厂，传统SBR工艺和CAST工艺是小型污水处理厂的首选工艺。这两种工艺比较而言，CAST工艺有一定的生物除磷效果，而且在进水污染物浓度很低的情况下，CAST工艺可有效的防止污泥膨胀。而传统的SBR工