1、污水生物脫氮除磷新工藝污水生物脫氮除磷新工藝污水生物脫氮除磷新工藝污水生物脫氮除磷新工藝 一、脫氮除磷的傳統(tǒng)工藝一、脫氮除磷的傳統(tǒng)工藝 二、脫氮除磷的新工藝二、脫氮除磷的新工藝一、脫氮除磷的傳統(tǒng)工藝一、脫氮除磷的傳統(tǒng)工藝 1、 脫氮的傳統(tǒng)工藝脫氮的傳統(tǒng)工藝 2 、除磷的傳統(tǒng)工藝除磷的傳統(tǒng)工藝 1、 脫氮的傳統(tǒng)工藝脫氮的傳統(tǒng)工藝 自然界中氮一般有四種形態(tài)：自然界中氮一般有四種形態(tài)： 有機(jī)氮、有機(jī)氮、 氨氮、氨氮、 亞硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮和 硝酸鹽氮等。硝酸鹽氮等。 生活污水中的氮主要形態(tài)是有機(jī)氮和氨生活污水中的氮主要形態(tài)是有機(jī)氮和氨氮。氮。 有機(jī)氮占生活污水含氮量的有機(jī)氮占生活污水含氮量的40-

2、60%40-60%， 氨氮占氨氮占50-60%50-60%， 亞硝酸鹽和硝酸鹽氮僅占亞硝酸鹽和硝酸鹽氮僅占0-5%0-5%。圖圖1 污水生物脫氮的可能途徑污水生物脫氮的可能途徑 傳統(tǒng)上，通過兩步生物反應(yīng)，即硝化傳統(tǒng)上，通過兩步生物反應(yīng)，即硝化(NH+4 NO-3)與反硝化與反硝化(NO-3N2)，實(shí)，實(shí)現(xiàn)污水的生物脫氮。現(xiàn)污水的生物脫氮。 硝化反應(yīng)可表示為硝化反應(yīng)可表示為: 亞硝化反應(yīng)亞硝化反應(yīng) NHNH4 4+ + + O+ O2 2 + HCO+ HCO3 3- - NONO2 2- - + H + H2 2O + HO + H2 2COCO3 3 + + 亞硝酸菌亞硝酸菌 硝化反應(yīng)硝化反

3、應(yīng) NONO2 2- - + NH+ NH4 4+ + + H+ H2 2COCO3 3 + HCO + HCO3 3- -+ O+ O2 2 NONO3 3- - + H + H2 2O + O + 硝酸菌硝酸菌總反應(yīng)總反應(yīng) NHNH4 4+ + + O+ O2 2 + HCO+ HCO3 3- - NONO3 3- - + H+ H2 2O + HO + H2 2COCO3 3 + + 微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞反硝化反應(yīng)如下：反硝化反應(yīng)如下： NONO3 3- - + + CHCH3 3OHOH + H + H2 2COCO3 3 N N2 2+H+H2 2O + HCOO + HCO3 3-

4、 -+ +微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞 生物脫氮工藝生物脫氮工藝傳統(tǒng)生物脫氮存在問題傳統(tǒng)生物脫氮存在問題? 首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，要消耗要消耗大量能源大量能源(因?yàn)槠貧庖驗(yàn)槠貧?； 其次，還需要有其次，還需要有足夠碳源足夠碳源(COD)來還原來還原硝酸氮到氮?dú)狻Ｏ跛岬降獨(dú)狻?1.2除磷傳統(tǒng)工藝除磷傳統(tǒng)工藝磷最常見的形式有：磷最常見的形式有：無機(jī)磷無機(jī)磷: 磷酸鹽（磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-、PO43-）；）；聚磷酸鹽；聚磷酸鹽；有機(jī)磷。有機(jī)磷。 生活污水中的含磷量一般在生活污水中的含磷量一般在10-15mg/L左右，其中左右，其中70%是可溶性的

5、。是可溶性的。 活性污泥在活性污泥在好氧、厭氧交替條件好氧、厭氧交替條件下時，下時，活性污泥中可產(chǎn)生所謂的活性污泥中可產(chǎn)生所謂的“聚磷菌聚磷菌”。 聚磷菌在好氧條件下從廢水中聚磷菌在好氧條件下從廢水中過量攝取過量攝取磷，形成多聚磷酸鹽作為貯藏物質(zhì)磷，形成多聚磷酸鹽作為貯藏物質(zhì)。 排放的剩余污泥排放的剩余污泥中的中的含磷量在含磷量在6%左左右（污泥干重）。右（污泥干重）。 除磷機(jī)理的作用過程除磷機(jī)理的作用過程 A/O除磷工藝系統(tǒng)除磷工藝系統(tǒng) 厭氧池厭氧池好氧池好氧池二沉池二沉池進(jìn)水進(jìn)水剩余污泥剩余污泥出水出水 污泥回流（污泥回流（0.5Q） 為防止水體富為防止水體富營養(yǎng)化，一般營養(yǎng)化，一般污水處

6、理既需污水處理既需要脫氮要脫氮,也需要也需要除磷，是否可除磷，是否可以把兩者結(jié)合以把兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)氮磷起來實(shí)現(xiàn)氮磷同時去除？同時去除？A2/O工藝工藝 生物除磷脫氮生化代謝模型生物除磷脫氮生化代謝模型二、脫氮除磷的新工藝二、脫氮除磷的新工藝 2.1 脫氮新工藝脫氮新工藝 2.2 除磷新工藝除磷新工藝2.1脫氮新工藝脫氮新工藝 2.1.1中溫亞硝化中溫亞硝化 2.1.2厭氧氨厭氧氨(氮氮)氧化氧化 2.1.3 SHARON與與ANAMMOX結(jié)合工藝結(jié)合工藝 2.1.1中溫亞硝化中溫亞硝化 (Single reactor for High Ammonium Removal Over Nitrit

7、e，簡稱為，簡稱為SHARON) 亞硝化亞硝化/反硝化脫氮反硝化脫氮 即即(NH+4NO-2) ， (NO-2 N2) 硝化作用硝化作用 NH+4 + 1.5O2 NO-2 + H2O + 2H + NH+4 + 2O2 NO-3 + H2O + 2H+ 節(jié)約節(jié)約O2 25% 脫氮作用脫氮作用 6 NO-2 + 3CH3OH + 3CO2 3N2 + 6HCO3- + 3H2O 6 NO-3 + 5CH3OH + CO2 3N2 + 6HCO3- + 7H2O 節(jié)約節(jié)約 CH3OH 40%圖圖3 亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的最小污泥齡與溫度關(guān)系最小污泥齡與溫度關(guān)系0.8d0.4

8、d SHARON工藝的基本工作原理便是利用工藝的基本工作原理便是利用溫度高有利于亞硝化細(xì)菌增殖這一特點(diǎn)，溫度高有利于亞硝化細(xì)菌增殖這一特點(diǎn)，使硝化細(xì)菌失去競爭。使硝化細(xì)菌失去競爭。 2.1.2 厭氧氨厭氧氨(氮氮)氧化氧化 (Anaerobic Ammonium Oxidation，簡簡稱為稱為ANAMMOX)。 氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直接氧化至成氮?dú)猓矗航友趸脸傻獨(dú)猓矗?NH+4 + NO-2 N2 + 2H2O NH+4 + 1.5O2 NO-2 + H2O + 2H+ （G = -275kjmol-1） NH+4 + 2O2 NO-3 +

9、 H2O + 2H+ （G = -349kjmol-1） N H+4 + N O-2 N2 + 2 H2O （G = -357kjmol-1） 從這一反應(yīng)中所產(chǎn)生的從這一反應(yīng)中所產(chǎn)生的Gibbs自由能甚自由能甚至比產(chǎn)生于好氧氨至比產(chǎn)生于好氧氨(氮氮)氧化氧化(硝化硝化)的能量的能量還高，所以，能夠支持還高，所以，能夠支持自養(yǎng)細(xì)菌自養(yǎng)細(xì)菌生長。生長。 早在早在20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期，年代中期，Broda便從自便從自由能理論計算中預(yù)測到自然界應(yīng)該存在由能理論計算中預(yù)測到自然界應(yīng)該存在著著ANAMMOX現(xiàn)象，但它的現(xiàn)實(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，但它的現(xiàn)實(shí)發(fā)現(xiàn)是在理論預(yù)測是在理論預(yù)測10年之后。年之后。 荷蘭人荷蘭

10、人Mulder首先在用于反硝化的流化床中首先在用于反硝化的流化床中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。 起起ANAMMOX作用的微生物已被成功作用的微生物已被成功地分別在實(shí)驗(yàn)室地分別在實(shí)驗(yàn)室流化床流化床與與SBR反應(yīng)器反應(yīng)器中中培養(yǎng)、富集到一定濃度，合成培養(yǎng)基為培養(yǎng)、富集到一定濃度，合成培養(yǎng)基為氨氮與亞硝酸氮的混合物。氨氮與亞硝酸氮的混合物。 ANAMMOX微生物的微生物的增長率與產(chǎn)率增長率與產(chǎn)率是是非常低的。非常低的。 但是但是氮的轉(zhuǎn)換率氮的轉(zhuǎn)換率卻為卻為0.25mgN/(mgSSd)，這與傳統(tǒng)好氧硝化的轉(zhuǎn)換率相當(dāng)。這與傳統(tǒng)好氧硝化的轉(zhuǎn)換率相當(dāng)。 ANAMMOX反應(yīng)反應(yīng)在在1043的溫度范的溫度

11、范圍圍內(nèi)具有活性，適宜的內(nèi)具有活性，適宜的pH為為6.78.3。 ANAMMOX無需有機(jī)碳源無需有機(jī)碳源存在，存在，碳酸碳酸鹽鹽/二氧化碳二氧化碳是是ANAMMOX微生物生長微生物生長所需的無機(jī)碳源。所需的無機(jī)碳源。 2.1.3 SHARON與與ANAMMOX結(jié)合工藝結(jié)合工藝 SHARON與與ANAMMOX結(jié)合主要針對結(jié)合主要針對高濃度氨氮污水。高濃度氨氮污水。 進(jìn)水首先進(jìn)入一懸浮、無污泥停留的進(jìn)水首先進(jìn)入一懸浮、無污泥停留的SHARON單元，運(yùn)行最佳溫度為單元，運(yùn)行最佳溫度為35。 SHARON與與ANAMMOX相結(jié)合的相結(jié)合的自養(yǎng)脫氮工藝流程自養(yǎng)脫氮工藝流程 目前，世界上目前，世界上SHA

12、RON工藝的首例工程應(yīng)用工藝的首例工程應(yīng)用已在荷蘭鹿特丹的已在荷蘭鹿特丹的Dokhaven污水處理處理廠污水處理處理廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)；它被用于污泥消化液內(nèi)實(shí)現(xiàn)；它被用于污泥消化液(含有含有10001500mgN/L)反硝化的前處理反硝化的前處理(亞硝化亞硝化)。 這個這個SHARON亞硝化單元以實(shí)驗(yàn)室亞硝化單元以實(shí)驗(yàn)室2L小試反小試反應(yīng)器為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)模擬直接放大到現(xiàn)場應(yīng)器為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)模擬直接放大到現(xiàn)場1500m3處理構(gòu)筑物。處理構(gòu)筑物。 幾年實(shí)際運(yùn)行情況表明，這個亞硝化處理單幾年實(shí)際運(yùn)行情況表明，這個亞硝化處理單元性能良好，亞硝化率幾乎可達(dá)元性能良好，亞硝化率幾乎可達(dá)100%(需控需控制制pH

13、)。 SHARON與與ANAMMOX結(jié)合自養(yǎng)脫氮結(jié)合自養(yǎng)脫氮小試氮平衡小試氮平衡 根據(jù)根據(jù)ANAMMOX的計量式，在的計量式，在SHARON反反應(yīng)器中應(yīng)器中57%的氨氮亞硝化，在的氨氮亞硝化，在ANAMMOX反反應(yīng)器中全部去除氨氮與亞硝酸氮。應(yīng)器中全部去除氨氮與亞硝酸氮。 NH+4 + 1.32NO-2 + 0.066HCO3- + 0.13H+ 0.066CH2O0.5N0.15 + 1.02N2 + 0.26NO-3 + 2.03H2O 試驗(yàn)表明，在試驗(yàn)表明，在SHARON反應(yīng)器中氨氮的亞硝反應(yīng)器中氨氮的亞硝化率完全受化率完全受pH(在在6 57 5間間)控制。所以，要控制。所以，要想得到

14、一個理想的亞硝化率可以靠控制想得到一個理想的亞硝化率可以靠控制pH來來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 * * 生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝( (CANON)CANON) 如果在生物膜系統(tǒng)內(nèi)如果在生物膜系統(tǒng)內(nèi)ANAMMOX微生物也能微生物也能同時生長，那么生物膜內(nèi)一體化的完全自養(yǎng)同時生長，那么生物膜內(nèi)一體化的完全自養(yǎng)脫氮工藝便可以實(shí)現(xiàn)。脫氮工藝便可以實(shí)現(xiàn)。 這種生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝被稱為這種生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝被稱為CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite)。CANON工藝生物膜反應(yīng)模型工藝生物膜反應(yīng)模型 在支持同時硝化與在支持同時硝化與

15、ANAMMOX的生物膜系統(tǒng)的生物膜系統(tǒng)中，通常存在中，通常存在三三種不同的自養(yǎng)微生物：種不同的自養(yǎng)微生物： 亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、厭氧氨氧化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、厭氧氨氧化細(xì)菌。 這這三三種細(xì)菌相互間競爭氧、氨氮與亞硝酸氮。種細(xì)菌相互間競爭氧、氨氮與亞硝酸氮。 由于亞硝化細(xì)菌與硝化細(xì)菌間對氧的親和性由于亞硝化細(xì)菌與硝化細(xì)菌間對氧的親和性不同，以及傳質(zhì)限制等因素，亞硝酸氮在生不同，以及傳質(zhì)限制等因素，亞硝酸氮在生物膜表層的聚集是可能的。物膜表層的聚集是可能的。 當(dāng)氧向內(nèi)擴(kuò)散到被全部消耗后，厭氧層出現(xiàn)，當(dāng)氧向內(nèi)擴(kuò)散到被全部消耗后，厭氧層出現(xiàn)，厭氧氨氧化細(xì)菌便有可能在此生長。厭氧氨氧化細(xì)菌便有可

16、能在此生長。 隨著未被亞硝化的氨氮與亞硝化后的亞硝酸隨著未被亞硝化的氨氮與亞硝化后的亞硝酸氮擴(kuò)散至厭氧層，氮擴(kuò)散至厭氧層，ANAMMOX反應(yīng)便能進(jìn)行。反應(yīng)便能進(jìn)行。 雖然目前雖然目前CANON工藝在世界范圍內(nèi)仍處于工藝在世界范圍內(nèi)仍處于研發(fā)階段，還沒有真正的工程應(yīng)用，但是它研發(fā)階段，還沒有真正的工程應(yīng)用，但是它必將會給污水脫氮技術(shù)帶來革命性的變革。必將會給污水脫氮技術(shù)帶來革命性的變革。 2.2 除磷新工藝除磷新工藝 2.2.1 反硝化除磷細(xì)菌反硝化除磷細(xì)菌 2.2.2反硝化除磷反硝化除磷工藝工藝 2.2.1 反硝化除磷細(xì)菌反硝化除磷細(xì)菌 脫氮要經(jīng)歷好氧脫氮要經(jīng)歷好氧(硝化硝化)/厭氧厭氧(反硝

17、化反硝化), 除磷要經(jīng)歷除磷要經(jīng)歷厭氧厭氧(釋放磷釋放磷)/好氧好氧(積聚磷積聚磷). 如果能使反硝化細(xì)菌同時具有生物攝如果能使反硝化細(xì)菌同時具有生物攝/放放磷作用則可以將反硝化脫氮與生物除磷磷作用則可以將反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)地合二為一。有機(jī)地合二為一。 在在缺氧缺氧(無氧但存在硝酸氮無氧但存在硝酸氮)條件下，反條件下，反硝化除磷細(xì)菌硝化除磷細(xì)菌DPB (Denitrifying Phosphorus removing Bacteria) 能夠能夠象在好氧條件下一樣，利用硝酸氮充當(dāng)象在好氧條件下一樣，利用硝酸氮充當(dāng)電子受體，產(chǎn)生同樣的生物攝磷作用。電子受體，產(chǎn)生同樣的生物攝磷作用。在生物攝

18、磷的同時，硝酸氮被還原為氮在生物攝磷的同時，硝酸氮被還原為氮?dú)狻狻?事實(shí)上，在早先應(yīng)用的事實(shí)上，在早先應(yīng)用的UCT(University of Cape Town)等生物脫氮除磷工藝中等生物脫氮除磷工藝中存在著一定數(shù)量的反硝化除磷細(xì)菌存在著一定數(shù)量的反硝化除磷細(xì)菌DPB(圖圖5)，只不過當(dāng)時沒有被人們認(rèn)識，只不過當(dāng)時沒有被人們認(rèn)識而已。而已。圖圖5 UCT工藝流程圖工藝流程圖 在實(shí)際工程中，為最大程度地從工藝角在實(shí)際工程中，為最大程度地從工藝角度創(chuàng)造度創(chuàng)造DPB的富集條件，一種變型的的富集條件，一種變型的UCT工藝工藝BCFS 在荷蘭應(yīng)運(yùn)而生在荷蘭應(yīng)運(yùn)而生(圖圖6)。 圖圖6 BCFS工藝流

19、程工藝流程 BCFS工藝將每一種屬不同功能的細(xì)菌用空間工藝將每一種屬不同功能的細(xì)菌用空間分隔開來，并通過不同的循環(huán)系統(tǒng)來控制其分隔開來，并通過不同的循環(huán)系統(tǒng)來控制其生長環(huán)境。生長環(huán)境。 BCFS工藝由工藝由5個功能相對專一的獨(dú)立反應(yīng)器個功能相對專一的獨(dú)立反應(yīng)器及及3路循環(huán)系統(tǒng)路循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。構(gòu)成。 各循環(huán)的作用如下表所示。各循環(huán)的作用如下表所示。 BCFS中各循環(huán)的主要作用中各循環(huán)的主要作用厭氧池厭氧池厭氧池的厭氧條件通過進(jìn)水及從缺氧池厭氧池的厭氧條件通過進(jìn)水及從缺氧池回流的缺氧混合液回流的缺氧混合液(其中其中NO3-N0.1mg/)來維持來維持。污水中的揮發(fā)性脂肪酸污水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)只被用于只被用于生物除磷生物除磷。 接觸池接觸池(選擇器選擇器) 控制污泥膨脹。控制污泥膨脹。 接觸池中氧濃度為零，二沉池回流污泥中的接觸池中氧濃度為零，二沉池回流污泥中的微量硝酸鹽能很快地被去除。微量硝酸鹽能很快地被去除。 在這種環(huán)境下，絲狀菌生長非常緩慢，可保在這種環(huán)境下，絲狀菌生長非常緩慢，可保持較低的污泥指數(shù)持較低的污泥指數(shù)(SVI)。 反硝化除磷菌反硝化除磷菌在接觸池中也同樣發(fā)揮作