生物脱氮除磷新技术的发展及应用

淮阴工学院环境生物技术大作业作者:承豪学号：1101602118学院:生化学院专业:生物110（1或2班）题目:生物脱氮除磷新技术的发展及应用任课教师：王朝宇摘要随着国家经济的快速发展，水体污染也越来越严重。调查显示，我国的大部分湖泊水体富营养化。大量的研究已经证明，污水中的氮和磷是导致水体富营养化的主要原因之一。脱氮除磷已迫在眉睫。经过实验和工程经验表明，生物脱氮除磷工艺是消除水体富营养化的有效方法。本文概述了脱氮除磷的原理，脱氮除磷的内在矛盾，以及详细说明了反硝化除磷中的双泥反硝化生物脱氮除磷工艺及其改进型工艺和改进型双泥工艺的处理效果。最后，阐述了对该工艺的分析与讨论。关键词生物脱氮除磷，反硝化除磷，DEPHANOX工艺，改进型双泥工艺1引言近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高，合成洗涤剂、化肥和农药的广泛使用使得大量氮、磷营养物进入水体。大量的研究结果表明污水中的氮和磷是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。为此，许多发达国家对日常排放的污水中的氮和磷的含量都做了限定,并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求[1]。而且对于中国这么一个水资源本来就十分短缺的国家来说，严格控制含氮、磷污水的超标排放是十分必要的。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。这些我们暂且不管，现在着重介绍现在已经逐渐趋于成熟的一些生物脱氮除磷新技术。要了解生物脱氮除磷技术，首先我们需要了解生物脱氮除磷原理。2生物脱氮除磷机理[2]2.1生物脱氮机理生物脱氮通过硝化和反硝化完成。硝化和反硝化方程式如下：HOHNOONH22242332221NOONOOHNOHNO2232OHOHNHNO2222213硝化过程是指作为化能自养型的硝化细菌在好氧条件下(一般0D＞2mg/L)，利用无机碳化合物作为碳源，把水中的3NH,4NH,2NO氧化成3NO，并且从中获取能量。反硝化是指异养型的反硝化细菌在缺氧条件下(一般0D＜0.5mg/L)，以NNO--3为电子受体，有机碳源为电子供体，在降解有机物的同时将硝酸氮还原为氮气释放出来，这一过程也称为异步反硝化。实际反应中还有一部分硝酸氮被转化为NNH-3用以合成新细胞，被称为同步反硝化，但其转化量相对较少。要使生物脱氮达到良好的效果，足量的碳源非常重要。一般认为COD/TN＞8时，才可以达到良好的反硝化效果。2.2生物除磷原理一些研究者从微生物生理生化的角度，对生物除磷的生化模式进行了深入的探讨，但到目前为止生物除磷机理还没有被彻底研究清楚。现在一般认为，在生物除磷过程中，生物聚磷菌(PAO)这一类特殊的微生物在没有溶解氧和硝态氮存在的条件下，将部分有机物转化为挥发性脂肪，生物聚磷菌吸收挥发性脂肪，并同化成为胞内碳能源贮物(PHB/PHV)，并释放磷酸盐；而生物聚磷菌存好氧条件下能够过量地，超过其生理需要地从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合的形态贮存在菌体内，形成高磷污泥，将这些含磷量高的污泥排出系统，就可以达到从污水中除磷的目的。3脱氮除磷的内在矛盾3.1泥龄的矛盾硝化菌作为整个硝化过程的主体,其比增长率比异养型细菌的比增长速率要小1个数量级[3],繁殖速度较慢,世代时间长,因此为了保证硝化菌的数量以及性能的稳定,一般应将泥龄控制在3到5天以上，有的则高达10到15天[4]。而反硝化作为脱氮的必要过程,其主体菌种的泥龄则相对较短[5]。显然硝化菌和聚磷菌在泥龄上存在着矛盾,如果泥龄太高,不利于磷的去除;但若泥龄太低,则硝化细菌无法存活,且泥量过大也会影响后续污泥处理。3.2碳源的矛盾在城市污水生物脱氮除磷的系统中,在释磷和反硝化之间,存在着争夺生物降解低分子有机化合物的矛盾,而硝化过程中又存在着对碳源的排斥作用,在整个处理系统中,就形成了碳源供需不平衡的矛盾关系。3.3硝酸盐的矛盾由于污泥回流将不可避免的将一部分硝酸盐带入到厌氧区,严重影响了聚磷菌的释磷效率,尤其是当进水中挥发性有机物较少,污泥负荷较低时,硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌直接吸磷。3.4溶解氧的矛盾传统的脱氮除磷工艺使厌氧、缺氧、好氧处理过程同处一个活性污泥系统,而活性污泥絮体对气泡又有很强的吸附作用,这样就不可避免的将溶解氧(DO)带入了缺氧段和厌氧段。4生物脱氮除磷新技术4.1反硝化除磷技术反硝化除磷是指一些聚磷菌在缺氧的条件下，以硝酸盐作为它电子受体，过度摄磷，以此实现除磷目的的脱氮除磷过程[6]。影响反硝化除磷技术的主要因素有混合液悬浮固体浓度、碳氮比、溶解氧浓度、亚硝酸盐浓度、碳磷比、硝酸盐浓度、污泥停留时间和pH值。4.2DEPHANOX工艺(双泥反硝化生物脱氮除磷工艺)针对单污泥系统中存在的问题,利用磷可以在厌氧和缺氧环境中实现聚磷的这一现象,Wanner和Jenicek首次提出了双泥脱氮除磷工艺——DEPHANOX工艺[7,8]。DEPHANOX工艺是BortoneG等[9]于1996年提出的一种工艺。它实质上是Wanner工艺的另一种称谓，Wanner工艺是1992年捷克的Wanner等[10]首次采用交替的厌氧和缺氧条件并结合单独的固定生物膜，从而实现生物除磷的思想，并将其运用到了反硝化除磷工艺中。DEPHANOX工艺是目前国内外研究较多的反硝化除磷工艺之一。该工艺在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池，污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多上清液进入固定膜反应池进行硝化，而污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧池，完成反硝化除磷[11]。工艺流程图如下图[12]。该工艺的优点在于能解决除磷系统中反硝化碳源不足的问题并且能够降低系统的能源消耗，而且还可以缩小曝气池的体积以降低剩余污泥量[13]。但是，该工艺在实际应用中仍然面临一些问题。首先，大量研究表明，缺氧条件下的除磷效率要低于好氧条件下的效率。而且磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺氧段硝酸盐量不足时，磷的过量摄取会受到限制；反之，硝酸盐又会随回流污泥而进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体PHB的合成[14]。实际应用时，进水中的氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系统的控制带来了困难。此外，目前聚磷菌反硝化试验研究中都不同程度的添加乙酸来作为碳源，因为乙酸是诱导聚磷菌释磷的最佳碳源，所以就很难真实的模拟城市污水的处理情况，因此对于反硝化聚磷菌的筛选以及富集具有十分重要的意义。4.3改进型双泥工艺4.3.1改进型双泥工艺简介在前人的研究基础上,对现有的双泥工艺进行改进,进一步解决了单泥系统中的氮磷矛盾。如图,废水进入系统后，首先与回流污泥混合实现快速吸附,在沉淀池中将上清液和吸附有大量有机质的污泥分离开，然后含有大量有机质的污泥进入厌氧段来实现厌氧释磷，而上清液进入副流程即独立硝化段从而实现快速硝化。经过硝化后的上清液与厌氧释磷后的污泥在缺氧段再次混合，此时，反硝化聚磷菌利用硝酸盐来实现反硝化聚磷和反硝化脱氮，再经过吹脱池将释放的氮气吹脱出来，以防影响二沉池的沉淀效果，进而影响出水效果，最后进入二沉池，沉淀后的上清液排出。为了增强吸附效果，将沉淀的活性污泥作为回流污泥全部回流到系统的首端，吸附分离后再排放剩余的污泥。从工艺形式上来看，可分为主流程:吸附→快沉→厌氧→缺氧→吹脱→二沉；副流程:硝化→沉淀。主副流程的微生物之间互不干扰，相互独立故称其为双泥系统。与DEPHANOX工艺相比,改进过的双泥工艺将吸附段从厌氧吸附段中分离出来并置于首端,这样设置不仅有利于创造低有机负荷的硝化环境，而且为聚磷和反硝化提供了充足的碳源。聚磷菌在厌氧条件下摄入易生物降解的有机物,将它以PHB的形式储存,为后续缺氧区中超量吸收磷提供能量。可以推断,若为聚磷菌在厌氧区创造吸收有机物的良好条件,使其在体内能贮存更多的PHB,将有利于缺氧区中超量磷的吸收。因此设置停留时间少于30min的吸附分离区,在此将回流污泥与进水迅速的混合,混合液中基质的浓度将会很高,局部提高了F/M值以及基质的浓度梯度，使得聚磷菌在后续的厌氧段中强化了对有机物的提取，为充分放磷提供了条件[15]。另一方面,独立硝化段要求较低的C/N，一般情况下，认为进水有机负荷较低水平下,能够发生良好的硝化作用,也有资料[16]表明吸附能促进提高工艺的稳定性,使得硝化菌能良好生长来提高硝化能力。4.3.2改进型双泥工艺的处理效果查阅资料，根据别人所做的实验，得到如下的结果。选用SBR反应器模拟工艺流程[17],取居民小区污水处理厂初沉池的污水作为进水,控制系统泥龄16d,MLSS在3500到4000mg/L，吸附排水比为70%，运行结果列入下表。5讨论总的来看，实验研究基本达到了预期的效果，除了总磷处理效果不是太理想，其他的指标均达到国家一级排放标准。我认为主要原因是污泥驯化时间相对较短，反硝化聚磷菌没有在活性污泥中占得绝对优势，而且为了实现快速驯化和便于实验分析，反硝化聚磷菌大多存在于磷浓度相对较高的环境当中,对低磷浓度缺乏适应性；与此同时，反硝化聚磷菌本身比常规聚磷菌的聚磷效果来得差也是一个很重要原因；再者，回流硝酸盐和厌氧环境也可能会对除磷效果产生影响。结论双泥反硝化生物脱氮除磷工艺是一种完全颠覆传统脱氮除磷工艺的新工艺。为目前解决水体普遍富营养化的问题提供了新的思路。且这种新工艺可以大幅度的减少COD和氧气的消耗量，从而被誉为适合可持续发展的绿色工艺。随着后人的不断努力和改进，相信脱氮除磷将会出现越来越多的新绿色工艺，使得这一问题得到更好的解决。参考文献[1]P.G.PiekemaandS.B.Gaastra,UpgradingofawastewatertreatmentplantintheNetherlands:combinationofseveralnutrientremovalprocesses,EuropeanWaterPollutionControl,1993:21-26.[2]高廷耀,水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,1996.[3]李军,杨秀山,彭永臻.微生物与水处理工程.北京:化学工业出版社,2002.361-378.[4]华光辉,张波.城市污水生物除磷脱氮工艺中的矛盾关系及对策.给水排水,2000,26(12):1-2.[5]张波.生物脱氮除磷工艺系统的几个重要问题.青岛建筑工程学院学报,1998,19(1):16.[6]邹华,阮文权,陈坚.反硝化除磷工艺研究[J].食品与生物技术学报,2007,26(2):71-75.[7]BortoneG,SaltarelliR,AlonsoV,etal.Biologicalanoxicphosphorusremoval-thedephanoxprocess.Wat.Sci.Tech.,1996,34(1-2):119-128.[8]BortoneG,LibelliSM,TilcheA,etal.AnoxicphosphateuptakeintheDEPHANOXprocess.Wat.Sci.Tech.,1999,40(425):177-185[9]BORTONEG.BIOLOGICALAnoxicPhosphorusRemovaltheDephanoxProcess[J].WatSciTech,1996,34(1-2):119-128.[10]WANNERJ.NewProcessDesignforBiologicalNutrientRemoval[J].Wat.Sci.Tech.,1992,25(4/5):445-448.[11]KUBAT,MCM,VanLoosdrecht.PhosphorusandNitrogenRemovalwithMinimalCODRequirementbyIntergrationofDenitrifyingDephosphatationandNitrif