城市污水处理厂排放标准升级处理的技术研讨杨雷

68水工业市场2010年第10期COMMUNION经验交流城市污水处理厂的排放标准，随着国家经济实力的增强和人民生活水平的提高，对环境质量的要求越来越严格。早期的污水处理厂一般按照二级排放标准设计，偏重于含碳有机物的去除（要求CODcr100mg/L）。近年来，国家对污水处理厂的建设加大了资金的投入，对于处理后的水质也从严要求，达到一级B或一级A的标准，主要的控制指标是除CODcr外，又增加TN及TP等。一、剩余有机物的去除二级生化后剩余有机物CODcr的去除，由低基质浓度（100mg/L以下）再进一步降低，通过一般的生化处理，难度是很大的。另一方面二级生化处理后的出水，可生化的有机物已去除了绝大部分，剩余的有机物，基本上是不可生化的，为进一步去除CODcr，使其降至60mg/L或50mg/L以下，需对二级生化处理后的出水中的有机物提高可生化性。提高可生化性的手段，常采用厌氧处理或化学氧化处理。厌氧处理将不可生化的高分子有机物分解为低分子，才能进一步好氧生化。但是，厌氧处理在有机物浓度很低时，生物体的增长更慢，这时必须考虑提高基质浓度，才能体现厌氧分解的优势及其技术的合理性和经济性。同时为提高好氧生化的速率，提高基质浓度也很有必要。化学氧化处理将消耗大量的药剂，并产生更多的污泥，也势必将污染质转移到污泥中，为污泥的减量化、无害化及综合利用增加了困难。膜组件过滤也是污染质转移过程，不能将其无害化。节能减排的要求是污染质在无害化后排出。膜法通过加压消耗大量电能，污染质只是从水中转移到污泥中，还有膜的更换，几年一次，是很麻烦和不经济的。基于上述认识，用给水工程除浊度的净化方法去除CODcr也是不可取的。除浊的一套方法是通过投药、混凝、沉淀、过滤的吸附和截留过程，只能去除20%左右的CODcr，而且浪费大量的药剂，将污染质转移的过程。但污水处理除磷，采用投加药剂化学混凝的补充处理，作为生化处理的辅助手段，还是必要的。总之，强化生化处理去除二级生化处理的剩余CODcr，仍是发展方向。我们也不妨参考一下美土木学会杂志曾刊载的信息；生化处理和物化处理通过耗能方面的方案比较，在有机物无机化的过程中，生化处理的耗能仅为物化处理的35%左右。二、要强化生物除磷化学混凝用于除磷在当前是城市污水处理厂排放标准升级处理的技术研讨文/杨雷　苏君　吴彦增　徐景颖（中国市政工程东北设计研究总院）　　摘要：本文表明城市污水处理厂二级生化处理后的出水，可通过选择研制合适的生物载体来富集剩余有机物的浓度并提高其可生化性，才能有效地进一步升级净化处理。关于除磷脱氮问题，要强化生物除磷，首先进行生物选择，并解决厌氧释磷与脱氮过程争夺碳源的矛盾。化学除磷仅为辅助处理，不但药耗大为降低，也使污泥减量。脱氮主要是控制亚硝酸菌在生物载体中的同步硝化反硝化作用，以节省氧和有机物的消耗，不必投加甲醇，并可简化处理工艺流程。　　　关键词：悬浮床　生物酶催化　生物载体的优选69水工业市场2010年第10期必不可少的辅助处理技术。生化处理后除磷的污水，再补充少量的药剂化学处理，出水中TP可达到0.5mg/L。《室外排水设计规范》（GB50014-2006）中指出：“污水经二级处理后，其出水总磷不能够达到要求时，可采用化学处理”。污水经二级生化处理，若采取适当的措施，能实现生物除磷。生物除磷是通过剩余污泥的排出而实现的。一般活性污泥法排出的剩余污泥中TP含量占2~3%。如果在厌氧区能正确解决污泥回流水中的NO3-N及O2对厌氧释磷的不利影响，并且进行生物选择，则在排出的剩余活性污泥中TP的含量可提高到6~7%。当前流行的A/O及A2/O污水处理工艺的厌氧区，在生产运行的实践中，已发现污泥回流水中的NO3-N及O2在厌氧阶段产生反硝化，而且这一反应并强于厌氧释磷过程，消耗了大量的碳源有机物，而影响了聚磷菌对碳源的吸收，使磷在水中的溶解释放功能减弱，而在好氧段就不能完成活性污泥对磷的富集，使除磷效果受到影响。如正确处理好厌氧区中，反硝化和厌氧释磷争夺碳源的矛盾，则经过生物除磷的污水中，TP可由4~5mg/L降为1mg/L左右（此过程已经过工程实际生产验证）。这样，能节省混凝药剂70~80%。在设计中，如不能充分利用生物除磷，而一味的依靠化学除磷，则污水处理厂的运行及管理成本将大为提高，这不是应该推荐的设计方案。德国及北欧专家，通过对水体富营养化及水微生物增长N/P比的研究，以及空气中的N2在水和土壤中固氮菌的作用下，也可以产生微生物所需的NH3-N。脱氮过程是很复杂的，为此，关于除磷脱氮污泥负荷的确定，以除磷为主，提高污泥负荷，并开发设计出专门除磷的污水处理厂。除磷也容易控制。三、脱氮过程污水中总氮（TN）的去除过程比较复杂。但弄清楚脱氮机理和基本概念后，不必在设计中人为地一再降低污泥负荷（现阶段BOD5Kg/MLSS·d达到0.08以下），无谓的增加处理构筑物的容积，增大基建投资。为使反硝化脱氮过程增加碳源有机物，在污水处理厂的工程设计中，将国外处理事故投加甲醇的应急措施，作为设计经验而采用，是值得研究的。污水中氮的来源和去除的反应过程是很复杂的，含氮有机物是人、畜排泄物和动植物腐败产生的蛋白质由生物分解而成。有机氮主要是尿素CO(NH2)2、氨基酸R·CHNH2COOH等。这是污水中有机氮的主要来源。有机氮在好氧和厌氧菌的作用下，继续分解为铵离子，这一转化为氨氮的过程，称为氨化作用。氨化后通过硝化反硝化过程昀终生成N2。1、硝化及反硝化硝化及反硝化，包括常规传统的和短程的硝化反硝化以及同步硝化反硝化，这一复杂的过程在水和土壤中由厌氧好氧菌的作用，在不同反应条件下发生。氨化过程如尿素的水解反应可用下式表示：式中，NH4+为铵离子，在常温和碱性条件下，很容易分解为NH3-N，易溶于水和以气态的游离形式存在，如：氨基酸氨化好氧反应以下式表示：厌氧反应式表示如下：可见有机氮中的尿素、氨基酸等，还有无机的NH4+昀终均生成NH3-N。所以城市污水中TN有80~90%是NH3-N。氨化生成的各类有机酸昀终被氧化为CO2和H2O。含氮有机物氨化后，在曝气池中进行硝化过程。硝化反应主要是无机自养型亚硝酸菌和硝酸菌属，在中性与碱性环境中，缺乏有机化合物的好氧条件下，利用无机化合物作碳源，由NH3-N变为HNO2及HNO3的反应过程。如:硝化反应首先是亚硝酸菌发挥其活性，其世代期在温度较高时（10℃以上）比硝酸菌短，生长速率较快，很快使NH3-N变为HNO2。（1）式除有机物缺乏外其它的反应条件是a)、氨氮比较充足，一般NH35mg/L；b)、PH7.5~8.0偏碱性；c)、溶解氧较低0.5~1mg/L；d)、温度15~35℃时，亚硝酸菌比硝酸菌活性强。（2）式的反应条件是a)、水中的NH3介于1~5mg/L；b)、PH6.75~7.4的中性环境；c)、溶解氧1~2mg/L或更高；d)、温度在10℃以下也具有一定的活性，温度提高时，硝化反应同样增强。从（1）式和（2）式的反应条件分析，便明确了在污70水工业市场2010年第10期COMMUNION经验交流水中首先发生亚硝酸菌硝化。在曝气池中氧化时间过长，O2值提高及PH值降低，HNO2绝大部分变为HNO3，已充分完成传统的硝化过程。近年来，为提高脱氮效果和更加经济，减少硝化所需溶解氧的耗量和反硝化电子供体含碳有机物的消耗以及减少处理构筑物的容积，而注意到了短程硝化反硝化的问题。实际上在60年代之前，对这一问题没有引起重视，称为“间接的反硝化作用”，并认为此作用对直接的反硝化，也就是传统的反硝化有不利影响。说明短程反硝化早已被发现，是与传统的反硝化相关同时并存。2、短程硝化反硝化短程硝化反硝化是NO2-菌在一定条件下，使NH4+，直接变为N2，不经常规传统的NO3-菌的作用进行反硝化而脱氮。如：反硝化的条件是缺氧时，O20.5mg/L，PH7，有充足的碳源有机物。常规的反硝化要求BOD5/TKN4，而短程的反硝化BOD5/TKN2即可。温度在15℃以上反应速率更快。传统的反硝化反应式：从(4)式可见反硝化产生碱度为OH-。而从（1）、（2）式可知，硝化产生HNO2和HNO3，消耗碱度是很大的。还有在去除BOD5的生物氧化过程中，也产生部分碱度。所以，硝化反硝化过程必须考虑整个生化反应系统消耗和产生以及进水碱度的平衡计算。此外，反硝化将消耗含碳有机物，因为硝化过程是化能自养菌的作用，以无机碳CO2等为碳源。水中有机物的含量须尽可能的降低，要求BOD5/TKN0.5以下。而反硝化是兼性异养菌，以有机物为碳源。生物好氧处理后的水中，经过硝化反应，有机物浓度已很低，一般在20mg/L以下。反硝化要求比较充足的碳源，但注意的是如反硝化以投加甲醇为碳源，若TKN按照30mg/L计算，需投加67mg/L的甲醇。一个10万吨/日规模的污水处理厂，每天需投加6.7吨。甲醇售价3500元/吨，则每年需800多万元，污水处理成本大为提高。污水处理厂本来就无直接的经济效益，这一设计理念是难以接受的。四、同步硝化与反硝化关于同步硝化反硝化的问题，实际二者是不会同时发生的。同步过程是依赖生物膜的存在，发现了同步硝化反硝化。活性污泥的生物絮体和生化反应池中的填料载体表面，都生长着生物膜。较厚的生物膜的表面外层是好氧的，内层是厌氧的。外层除完成水中可生化有机物氧化以外，也完成内层富集的高分子有机物在厌氧条件下分解的扩散到外层的低分子有机物的氧化，以及外层的硝化反应。生物膜内层由于生物胞外酶的催化，将不可生化的有机物分解为低分子，向外层传质扩散。因生物载体能富集有机物，形成的生物膜内层又处于厌氧环境，而起到了反硝化作用，从而提高了剩余基质的可生化性。所以生物载体的优化和开发研制，不仅要求能同时硝化反硝化，而且能够有效地去除CODcr。活性污泥絮体，附着在载体上，除延长菌体世代期外，也提高生化反应的稳定性。选择开发生物载体要求需具备如下的功能：1、生物载体应有巨大的比表面积和孔隙容积，可吸附富集高分子有机物，在孔隙中局部提高基质浓度，强化厌氧生物反应；2、载体表面形成比较厚的生物膜，使水中的溶解氧不致很快的渗透到内层，使内层保持缺氧环境；3、生物载体内能吸收储存生物酶和生化反应放出的热能，以克服低温生化的问题；4、具备优良的多相传质性能，保持生物的新陈代谢和再生。中国市政工程东北设计研究总院，正进行这方面的生产性试验研究。主要是对现有处理工艺进行挖潜改造，是在传统的曝气池后端加装改性载体填料，并使载体通过充氧曝气处于悬浮状态，以提高传质过程。实验将经受北方低温的考验。五、硝化反硝化的控制硝化反硝化的控制，由于水质的变化和处理工艺运行状态上的不同，尚难以规范操作。特别是在当前对于同步和短程硝化反硝化运营控制已引起广泛的注意。该项技术之所以引起重视，是因为节能减排的要求在工程实践中急待应用，为建立低炭经济必须通过试验和工程实践来提高认识。通过下面的逐项分析，以求得更加深入的理论研讨及掌握可操作性。1、传统的硝化过程，NH3-N71水工业市场2010年第10期首先生成亚硝酸盐，昀终产物是硝酸盐。就是说，不经亚硝酸的阶段是不会产生硝酸盐。因亚硝酸菌的世代期短，生长速率快。实践经验表明，泥龄θC及生长速率u与污水水质、水温和污泥浓度等变化因素有关，很难通过计算确定。一般来说，水温为15℃左右，硝酸菌和亚硝酸菌的世代期相近。10℃以下亚硝化菌生长速率降低。水温在15℃以上，亚硝酸菌的活性占有优势，不但世代期短，且生长速率为硝酸菌的1.2~2.0倍之多。主要原因是NH3-N转化为NO2-N，亚硝酸化所产生的能量（大卡）为NO2-N转化为NO3-N的3倍之多。如反应式（3），（4）：这样，亚硝化菌在合成生物体时，便得到足够的能量，为其生长繁殖提供了优越条件，发挥其短程硝化反硝化的作用。2、硝化过程硝酸化反应耗氧量较大，而亚硝酸化的耗氧量仅为前者的3/4。如反应式（5）、（6）：3、亚硝化菌脱氮的短程反硝化作用，不仅能从氨化后产生的NH4+开始反应，即NH+4+NO2-→N2+2