城市污水脱氮除磷结合工艺评述杜炜锋

第16卷第4期污染防治技术2加3年12月城市污水脱氮除磷结合工艺评述杜炜锋,周增炎(同济大学环境科学与工程学院,国家工程研究中心,上海20(刃92)摘要:城市污水脱氮除磷结合工艺是一种重要的水污染控制技术,根据脱氮与除磷机理之间的冲突,比较分析了目前主流的脱氮除磷结合工艺的优缺点,同时提出了一些建议。关键词:城市污水;脱氮除磷结合工艺;机理冲突中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1《XH一695x(2X()31以一0234一仍Co刃以〔以entsonrPocessesofreRomvalNitrogenadnUSinUrbsnWSStewaterDU双Iei一feng,ZHOUeZn兮yan(aNt必anlnEgineeirgnesRaecrheCnter,石拄创iornlenntalcSic~adnEgnieenirgnoCUege,oTn颜nU沁sriyt,hsa几ghai加的92,hCian)A喊acrt:P阅eessforbioloigealer,valofnit。罗。即dphosPoburs15onefOthemost伪Pular协eihn职es.Basedonhteeonatrdietionbetweenhtesetwobioloigealpcnresses,theehaacrteirstiesofm苗ns流ambioloigealp耽essesofrhteremvoalofnitorgenandPho,phoursaeranalyezdandeomPadr,andsome伴玛onalviews15presented.价ywords:urbanwastewater;pocressofrhteremov以ofin肋罗nanphosphorus;eontradiiton随着我国经济社会的迅速发展,城市污水排放总量也在不断增加,使得水环境污染和水质富营养化问题日益严重。为控制水环境日益恶化的趋势,我国已颁布《污水综合排放标准》(GB8978一1996),明确了所有排污单位磷酸盐和氨氮严格的排放标准。这使得我国大批早期建设的以去除有机物和悬浮固体为目标的城市污水处理厂面临改造,同时,也要求各个中小城市即将兴建的污水处理厂必须具备脱氮除磷的二级处理能力。在这样情况下,对城市污水脱氮除磷处理系统的一些主流工艺进行分析比较,就显得十分有意义。1脱氮与除磷机理上的冲突城市污水中氮的去除,主要有两个生物过程:硝化作用和反硝化作用。硝化作用是由自养型微生物亚硝化菌和硝化菌在好氧条件下进行,而反硝化作用则是异养型微生物反硝化菌在缺氧条件下进行的。要达到良好的硝化效果,反应器中必须有充足的溶解氧,活性污泥的泥龄要长,有机负荷要低(以使硝化菌生长得到竞争优势);而要达到良好的反硝化效果,反应器中又必须保持缺氧状态(DO1160.1mg/)L,同时要有足够的碳源(尤其是vFA)。城市污水中磷的去除主要通过排泥来实现,在系统中也包括两个生物过程:厌氧释磷和好氧吸磷。厌氧释磷是聚磷菌在厌氧条件下,吸收水中的VFA,同时释放出磷酸盐;而好氧吸磷是聚磷菌在好氧条件下,大量吸收污水中的磷酸盐,将液相中的磷转移到污泥中,从而起到去除磷的作用。要达到良好的除磷效果,在释磷阶段必须保证完全的厌氧,同时要有足够的VFA使得释磷充分,而在好氧阶段则要充分曝气,并尽量缩短泥龄,以便大量排出富磷污泥。由于脱氮与除磷是两个不同的生物处理过程,也就决定生物脱氮与除磷结合工艺必须克服以下三个主要矛盾。(l)泥龄矛盾起脱氮主要作用的硝化菌是自养菌,在有机负荷越低,泥龄越长,硝化菌在生物固体中的比例越高,硝化作用进行得就越充分,硝化效果越好。因此,为了达到好的硝化效果,一般要收稿日期:2叨3一08一13;修订日期:2003一的一17作者简介:杜炜锋(1980一),男,在读硕士研究生,主要从事城市污水控制工程研究。第16卷第4期杜炜锋等.城市污水脱氮除磷结合工艺评述2加3年12月使系统的泥龄在15~25d。而生物除磷则是通过大量排放富磷污泥,使得污水中的磷得到去除,因此,如果要达到好的除磷效果,必须加大剩余污泥的排放量,这就必然会使系统的泥龄较短。由此可见,脱氮与除磷的结合工艺要想达到脱氮与除磷的良好效果,必须克服系统中泥龄的矛盾。(2)硝酸盐的影响通过反硝化作用,使氮以气态的形式去除是生物脱氮的最终目标,因此,一般脱氮工艺都将经过硝化的混合液和污泥进行回流。而目前主流脱氮除磷结合工艺,如AZ/O系列的厌氧区通常前置,回流污泥便会带人硝酸盐以至于干扰了厌氧释磷的过程,直接影响了除磷效果。(3)碳源的矛盾在脱氮除磷的结合系统中,碳源大致消耗在释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面。其中,释磷和反硝化的反应速率,与进水中的易降解部分,尤其是挥发性脂肪酸(VFA)的数量关系很大。然而,对于一般生活污水而言,易降解CoD通常较低,VFA值一般在几十mg/L左右,这就导致了释磷和反硝化作用之间由于碳源不足引起的竞争性矛盾。的碳源必然不足,需要外加,设计一r两个曝气池,增加了曝气量,导致实际运行费用的提高,同时构筑物多,流程复杂,工程初始投资加大。因此,虽然可能会提高脱氮除磷效果,但从综合经济效益分析,此类工艺的实际应用仍需改进。与此类似的还有Al/AZ/O一。工艺(如图2)。该工艺在一定程度上缓解了反硝化的碳源问题,但仍然存在与两级A/O工艺同样的缺陷。A,目A,目。目中沉O目二沉2脱氮除磷结合工艺[`一3〕2.1扩/O工艺系列改进的phaerdox工艺,亦称AZ/0工艺,是目前绝大多数生物脱氮除磷结合工艺的出发点。AZ/0工艺由于其流程简单,操作方便,在同一系统中能够进行脱氮与除磷,因而得到了广泛的应用。但由于该工艺不能很好的解决脱氮与除磷在机理上的矛盾,往往造成脱氮与除磷此消彼长的处理效果。基于凡/o工艺的基本思想,研究人员为了解决上述三个矛盾,将其进行了各种改进。(幼解决泥龄矛盾的工艺改进解决泥龄矛盾的对策大致有两类,一是设立中间沉淀池,设立两套污泥回流系统,使不同泥龄的微生物居于前后两级,这就出现了两级A/o工艺(如图1)。O田二沉l一图1两级A/O工艺该工艺的第一级泥龄很短,主要功能是释磷和吸磷,第二级的泥龄较长,主要完成硝化和反硝化作用。该系统的优点在于将不同的微生物分离,从理论上避免了泥龄和硝酸盐的矛盾。但是,由于生活污水的COD值较低,后一系统进行硝化反硝化图ZAI/凡/0一。工艺解决泥龄矛盾的另一种思路,则是在AZ/o工艺好氧区中的适当位置投加填料(投料AZ/0工艺)或设置生物转盘(J玛I工艺),使硝化菌固定在填料和生物膜上,不参与污泥回流,从而在工艺的实际运行中既避免了泥龄矛盾,又保持了AZ/O工艺简洁的特点。这一思路具备了活性污泥和生物膜法的优点,在解决泥龄矛盾的同时,又减少了反应器的容积,投加填料的方式还能改善充氧性能,减少实际运行中的曝气量。但这类工艺目前还没有完全成熟,从相关的研究情况看,投加填料或者设置生物转盘可能出现:由于搅拌强度或转速不够,一导致污泥在填料和转盘表面间大量结团;填料投放量要适中,太少则不能起到作用,太多则可能出现填料对污泥的截流作用;同时还应当给予活性污泥优先增长的机会,以避免M璐S过低的情况出现。(2)解决硝酸盐影响的工艺改进解决硝酸盐问题的关键,在于如何在回流污泥进人厌氧区之前将其携带的硝酸盐消耗掉。一种方法是在回流污泥进人厌氧区之前,先进人一个附设的缺氧池,通过反硝化作用消除硝酸盐的影响(如JHB工艺)。但由于缺乏碳源,要进行反硝化只能是利用污泥本身的内源代谢或外加碳源。而硝酸盐的问题实质就是反硝化和聚磷菌对vFA竞争的外在表现,因此,这种改变并未解决问题的根本,实际处理效果和技术经济分析也并不理想。另一种则是以UCT工艺(如图3)为代表的改进工艺。AAA111图3UCT工艺它将缺氧区分成两部分,同时设置了两个内循117第16卷第4期杜炜锋等.城市污水脱氮除磷结合工艺评述2X()3年12月环,回流污泥先进人缺氧区的前段,进行反硝化以消除污泥中的硝酸盐,然后通过内循环将回流污泥从缺氧区打人厌氧区。这种改进避免了回流污泥对厌氧区的冲击,改善了聚磷菌的释磷环境。但是,由于回流污泥只有一部分通过内循环2进入厌氧区,其余大部分则未经过完整的释磷、吸磷过程,故在实际运行中无法保证除磷的效果。另外,工艺的运行控制也比较复杂,实际操作较为困难。以上的改进均是在r/O工艺的基础上,即保持传统的厌氧、缺氧和好氧的流程进行的。其思路是基于聚磷微生物厌氧释磷水平的高低,对于提高系统的除磷能力具有极端的重要性。厌氧区在前,可以使聚磷微生物优先获得碳源而得以充分释磷。同济大学的张波等4[,,〕,从机理和工艺两方面重新考虑释磷和吸磷的先后顺序问题,并在此基础上提出了一个新的解决硝酸盐问题的思路,即为倒置矛/O工艺。该工艺将传统的矛/O系统中的厌氧和缺氧区倒置,同时取消了内回流,加大污泥回流比来解决硝酸盐问题,提高系统的整体脱氮除磷效果。倒置矛/O工艺在相当程度上解决了除磷脱氮的硝酸盐矛盾,但它同样存在着碳源不足和泥龄矛盾的问题,在提高除磷效果的同时,如何保证良好的脱氮效果仍是一个较大的问题,同时,加大污泥回流比至2的%,在经济上是否合理亦未得到验证。(3)解决碳源问题的工艺改进对于碳源问题相关的改进大致有两条思路:一是通过外加碳源(易降解有机物)来克服厌氧释磷和缺氧反硝化对VFA的竟争性矛盾;另外一种思路,则是取消初沉池,或者将污泥消化液回流至厌氧区,从系统内部满足VFA的需求。2·2其他工艺[6,7](l)生物与化学相结合除磷工艺由于生物脱氮与除磷结合工艺在机理上的矛盾,归根结底是由于试图将脱氮与除磷在一个体系中实现,如果将两种处理过程从一个系统中分开,即通过旁路来去除磷,则上述矛盾便不存在。在分体系脱氮除磷结合工艺中,最具代表性的就是hPositrp工艺。该工艺另一个明显特点,就是将生物法和化学法结合除磷。通过专门的除磷池进行磷的释放,含磷的上清液再通过石灰混凝沉淀处理,大部分磷以磷酸钙的形式沉淀去除。而K.S.iKm等在hPostirp工艺曝气池又设置了反硝化段,强化了脱氮功能,同时也避免了二沉池回流污泥中高浓度硝酸盐对释磷的抑制。该工艺耐冲击负荷,但由于工艺复杂,运行118管理不便。(2)氧化沟工艺8l[氧化沟是活性污泥法的一种改进,它具有完全混合型和推流型两种反应器的特点,也称氧化渠。它把连续环式反应池作为生化反应器,混合液在其中连续循环流动,同时使用一种带方向控制的曝气和搅动装置,向反应器中的混合液传递水平速度,从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。氧化沟工艺对于有机物的去除效率很高8[],COD的去除率可以达到90%以上,而且由于其泥龄很长,一般都能达到完全硝化。但对于普通的氧化沟工艺而言,由于没有反硝化和释磷作用,其NT的去除率一般在30%一40%,PT的去除率在35%一50%。为了提高氧化沟的脱氮和除磷效率,研究者在传统的氧化沟前面加了专门的厌氧和缺氧段,形成类似扩/O的氧化沟系统,如C~se12仪X)型氧化沟。通过这样的改进,NT的去除率可以达到95%以上,出水的P可以控制在1一2拼岁oL总的来说,氧化沟工艺与其他工艺的差别不在于工艺概念和水质处理效果,而在于实现工艺概念的手段,即机械曝气设备及其布置方式所产生的特殊水力学状态、电子供体的供给方式及其时空分布。氧化沟工艺在脱氮和除磷方面的设计同样基于好氧硝化、缺氧反硝化和厌氧释磷、好氧吸磷的脱氮除磷基本原理,它同样存在着AZ/O工艺系列所面临的一些基本矛盾,而在解决这些矛盾方面,氧化沟工艺并不能提供新的解决思路,只能将在扩/0工艺系列研究中获得的思路得以运用。从技术经济分析,氧化沟的污水处理总体效果好,管理方便,运行费用低,污泥排放少且稳定性高,但占地面积大,原始投资费用高。(3)sBR工艺系列SBR工艺系列实现除磷脱氮同样也是基于脱氮除磷的基本理论,只是相对于AZ/0工艺系列在空间上实现厌氧、缺氧、好氧的流程,它是通过时间上改变曝气强度来在一个构筑物中实现厌