城镇污水脱氮除磷处理工艺适用性分析

西北大学学报(自然科学网络版)2008年5月，第6卷，第3期ScienceJournalofNorthwestUniversityOnlineMay.2008，Vol.6，No.3_______________________收稿日期：2008-01-18审稿人：赵剑强，男，长安大学环境科学与工程学院教授城镇污水脱氮除磷处理工艺适用性分析阎韩生1，刘宏斌2，李卓2(1.西北工业大学新校区建设指挥部,陕西西安710068;2.西安市环境保护研究所,陕西西安710054）摘要:综述分析目前城市污水脱氮除磷处理的必要性，探讨4种处理工艺技术脱氮除磷的适用性。通过对A2/O工艺、氧化沟工艺、A/B法工艺及CAST工艺处理城镇污水脱氮除磷各自工艺特点归纳分析和实例总结，比较分析其适用性。4种处理工艺技术均具有脱氮除磷处理效果，A2/O工艺脱氮除磷效率较高，CAST工艺便于分期实施，4种工艺技术投资及运行成本略有差异。城镇污水生物除磷脱氮处理工艺的选用，要依据处理规模并结合当地技术经济与社会发展和土地利用状况及施工进度合理确定。关键词：城镇污水；脱氮除磷；处理工艺；比较分析中图分类号：X506文献标识码：A文章编号：1000-274X(2008)0345-07污水处理系统对水中主要污染物处理程度是确定污水处理工艺选择设计的根本依据，目前我国城市污水排放水质指标相差不大，而城镇污水处理出水指标依据GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级（B标准）要求需要进行脱氮除磷处理。目前我国城市污水排放水质及控制指标见表1。表1城市污水处理厂控制指标Tab.1Urbansewagetreatmentplantcontrolindicators项目进水/mg•L-1出水/mg•L-1去除效率/%BOD5CODSSNH3-NTP120-200250-450200-25025-403-5≤20≤60≤20≤8（15）≤1.5＞90＞85＞92＞62＞701工艺技术可行性分析城市污水常规且成熟的处理工艺是普通活性污泥法，而按现行的污水处理厂排放标准要求，传统的生物处理法无法满足出水对氮和磷的要求。因此，城镇污水厂设计应选择具备生物除磷脱氮处理工艺技术，根据国内外的运行经验，而具有较高除磷脱氮效率的生物处理工艺有A2/O工艺、氧化沟工艺、A/B法工艺及CAST工艺，本文通过技术经济对以上的工艺进行比较分析，以便为城镇污水处理工程建设提供借鉴。能否采用生物除磷脱氮工艺（即能否保证生物除磷脱氮过程的有效进行），主要取决于生物处理过程中国城镇水网中的自身营养能否平衡「1,2」，一般生物除磷脱氮处理工艺要求污水的相关指标见表2。表2生物除磷脱氮处理工艺相关指标Tab.2BiologicalNPremovalprocessrelatedindicators项目BOD5:N:PBOD5/CODBOD5/TNBOD5/TP指标100:5:10.453201）BOD5/COD「1,2」该指标是评价污水可生化性的昀简单易行和昀常用的方法，一般认为指标值0.45时可生化性好，适合采用生化处理法。2）BOD5/TN「5」该指标是鉴定能否采用生物脱氮的主要参数。由于生物脱氮系统主要依靠原污水中的基质作为反硝化的氢供体，该值越大反硝化进行的越快。理论上，BOD5/TN2.86反硝化过程才能进行，可采用生物脱氮工艺，实际运行资料表明，BOD5/TN3才能使反硝化过程正常进行，BOD5/TN=4～5时，氮的去除率60%。3）BOD5/TP「5,10」该指标是鉴别能否采用生物除磷的主要依据，一般认为比值应大于20，方可采用生物除磷工艺，其比值越大，除磷效果越明显。2工艺特性现将4种生物脱氮除磷工艺分述如下。2.1A2/O工艺「1,9」A2/O工艺是生物脱氮除磷效果较稳定的一种工艺，工艺流程由厌氧段、缺氧、好氧段串联而成。污水首先进入厌氧段，兼性厌氧的发酵细菌将废水中可生物降解大分子有机物转化为小分子VFA类产物，积磷细菌可将菌体内积贮的聚磷盐分解、释放，同时所释放的能量部分供专性好氧的积磷细菌在厌氧环境下维持生存，另一部分供积磷菌主动吸收环境中的VFA一类小分子有机物，并以PHB形式存贮在菌体内。随后废水进入缺氧区，反硝化菌利用来自好氧区回流混合液而带来的硝酸盐做为电子接受体进行反硝化，将硝态氮还原成氮气释放出来，达到同时去磷脱氮目的。废水进入好氧曝气区，磷积磷菌除了吸收利用废水中残留的可生物降解有机物外，主要是分解体内积聚的PHB,并释放出供自生生长繁殖所需的能量，吸收周围环境中的磷，并以聚磷盐的形式在体内贮存，通过剩余污泥排放将磷排出系统。在好氧区有机物进一步降解，氨氮进一步硝化，同时A2/O系统好氧区的部分混合液回流至缺氧段以提供足够的硝酸盐利于反硝化作用进行，二沉池部分污泥回流至厌氧及缺氧段。A2/O工艺系统具有以下特点：1）除磷脱氮和有机物生化降解过程巧妙地结合起来，在厌氧段和缺氧段分别为除磷和脱氮提供了相中国城镇水网应的反应条件。2）基建投资和运行费用与常规二级处理相当的条件下，处理出水可达到常规生物处理加脱氮除磷的三级处理工艺水平。3）运行管理简便，耐冲击负荷能力强（水力负荷及有机负荷），便于自动化控制。2.2氧化沟工艺「3,5,6」氧化沟工艺属于延时曝气活性污泥法的一种类型，将连续环形反应池作为生物反应池，混合液在反应池中连续循环，污水进入氧化沟完全混合，因此氧化沟工艺能够承受水量和水质的负荷冲击。在氧化沟中曝气装置并不是沿池长均匀布置而只是装在某几处，在曝气器下游附近，水流搅动激烈，溶解氧浓度高，远离曝气器处，水流搅动缓慢，溶解氧含量降低，可能出现缺氧区，这种水流搅动方式与溶解氧浓度沿池长变化的特征，有利于污泥的生物凝聚，有利于生物硝化、反硝化作用进行，实现生物脱氮的功能。在氧化沟之前设置生物选择池及厌氧池，其作用一是可拟制丝状菌的增长，防止污泥膨胀，改善污泥的沉降性能；二是有利于细菌在厌氧段把磷从合状态下释放出来，在好氧过程中细菌吸收释放的磷和原污水中的磷，形成富含磷污泥，利用排除剩余污泥达到磷的去除目的。采用厌氧池加DE型氧化沟工艺，氧化沟由相同容积的A、B二池串联运行，交替地作为好氧池和缺氧池（通过控制曝气方式），以达到除磷脱氮和降解有机物的目的。目前，氧化沟工艺在城市污水处理中广泛应用，它具有以下特点：1）处理系统不需要设置初次沉淀池，污水仅经格栅与沉砂池后即可直接流入氧化沟。2）氧化沟中污泥总量较普通曝气池污泥量高10多倍，在供氧充足条件下，氧化沟中污水污染物被完全净化，处理效果好。3）氧化沟中活性污泥处于高度矿化状况，排出的污泥比较稳定，无臭味、脱水快，不需要经过污泥消化，可省去消化池。4）与其它活性污泥法相比，维护管理简单、发生机械故障的可能性相对减少。5）氧化沟是一种经济节省的处理系统，一般情况下，传统曝气池系统的污水处理成本是氧化沟系统的1.5倍。6）与其它生物法相比，氮磷的去除率较高。氧化沟工艺「7」对磷去除效率较高，处理出水总磷含量一般可降低到0.5－l.0mg/l。2.3A/B法工艺「6」A/B法工艺又称吸附生物降解法，利用了活性污泥中不同微生物群落的代谢特性，采取了A、B段不同的生物环境来发挥各自微生物种类的优势。与传统的活性污泥法相比，A/B法具有下列特征:1）无需设初次沉淀池，由吸附池和中间沉淀池组成的A段为一级处理系统。2）B段由曝气池和二次沉淀池组成。中国城镇水网）A、B两段完全分开，各有独立的污泥回流系统和独立的微生物种群，有利于脱氮除磷功能发挥。在A段利用了污泥微生物对有机污染物高效吸附的特性，在低供氧、高负荷的条件下进行吸附降解处理，减少动力消耗与基建投资。在B段利用原生动物和菌胶团，在好氧环境中进行生物降解，使净化功能得以充分发挥，处理出水水质比较稳定。AB工艺中有A段的超高负荷运行，为B段的硝化作用创造了有利条件。污水A段吸附处理后，出水BOD大为降低，减轻了B段污泥的有机负荷，创造了硝化菌在微生物群体中存活的条件。在B段设计上亦有厌氧一好氧周期地或同时地存在的时空条件，很方便地形成了厌氧一好氧活性污泥法脱氮工艺。由于A段的有效功能使B段的处理效果得以提高，不仅能进一步去除BOD、COD，而且提高了硝化效果。AB工艺对BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率，一般均高于常规活性污泥法，且可节省基建投资约20%，节省能耗15%左右。由于A段的净化机理是以吸附去除为主，因此污染物未被彻底氧化分解随剩余污泥排入污泥处理系统，含有大量未被降解的有机污染物的生污泥极不稳定，污泥必须经过稳定处理，才能脱水外运。2.4CAST工艺「4,5」CAST工艺为循环式活性污泥法是SBR的一种新的型式。该工艺将主反应区中部分剩余污泥回流至选择器中，在运行方式上使出水稳定性得到保障。CAST池一般分为3个反应区：一区为生物选择器，二区为缺氧区，三区为好氧区。各区之比一般为1:5:30。CAST预反应区（生物选择器）设置和污泥回流的措施，保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个高絮体负荷阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长，并可提高污泥活性，使其快速地去除废水中溶解性易降解基质，进一步有效地仰制丝状菌的生长和繁殖，在沉淀阶段不进水，保证了污泥沉降在静止环境中进行，系统有良好的分离效果。以上这些特点使CAST系统的运行不受进水水质的影，反应器在完全混合条件下运行而不发生污泥膨胀。CAST方法的主要优点：1）工艺流程简单，基建及设备投资低，无初沈池和二沈池及较大规模回流污泥泵站；2）能很好地适应进水水质、水量的波动，运行灵活；3）在进行生物除磷脱氮操作时，整个工艺运行可得到良好的控制，处理出水水质尤其是除磷脱氮效果显著优于传统活性污泥法；4）运行简单，无需进行大量的污泥回流和内回流；基于上述优点，近几年CAST在国内外得到广泛的应用，处理规模从几千m3/d到几十万m3/d，均运行良好。3工艺适用性根据上述工艺特征分析，在满足污水处理脱氮除磷要求与水质达标排放的前提下，从技术、经济、环境影响、运行管理、工程实施及社会、环境效益等方面就上述四种工艺的适用性及优缺点，根据工程运行中国城镇水网工艺氧化沟工艺A/B法CAST工艺技术可行性工艺先进、成熟先进开发史70年代美国开发有几十年历史70年代美国开发80年代美国开发国内用80年代用在广州80年代开发应用80年代开发应用近年逐渐推广国外用广泛应用规模适用性适用各种规模耐冲击除磷氮负荷高适于中小规模抗冲击除磷氮能力强适于较大规模可同时去除磷氮适于中小规模抗冲击强磷氮去除率高处理程度BOD5/%去除率90～95NH3-N/%去除率70～80去除率60～70去除率65～70TP/%去除率≤85去除率≤80去除率≤85出水指标出水水质好出水水质较好出水水质较稳定出水水质稳定运行管理运行稳定，单元功能划分清楚，便于操作管理，对工艺系统的控制有较高要求。运行稳定，处理流程与机械设备较简单，无初沉池和鼓风机房，便于操作管理。工艺流程复杂，处理单元多，污水污泥回流系统比较复杂，管理难度较大。处理单元较少易维护管理，运行稳定，无需进行大量污泥回流和内回流。社会环境效益出水可作为中水利用，污泥稳定无害。污染治理程度高，出水可作为中水利用，能耗低，污染小，污泥需稳定化处理。出水可作为水资源利用,污泥产量较少环境影响污泥量较大臭味较小鼓风设备噪音大臭味较小，设备噪音小，产泥量少污泥产量较大且不稳定臭味较小，噪音较小，产泥量少基建投资/元•m-31800175016501700单位处理成本/元•m-30.620.710.800.60耗电量/Kwh•m-3