低碳源污水脫氮除磷工藝的研究

近年來，隨著水體富營養化的日益突出，污水排放的標準仍然很嚴格。廢水處理進入了從單一去除有機物到脫氮去除磷的深度處理階段。另外,我國城鎮污水C/N值普遍較低,加上運行過程中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在泥齡方面存在的矛盾以及其他諸多因素,導致95%以上的城鎮污水廠的出水水質難以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級A排放標準。如何提高低C/N值污水的脫氮除磷效果,成為當今研究的一個熱點。在污水脫氮除磷工藝中,A2/O及其改良工藝的應用比例較大[3~5],但是A2/O工藝的硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭,很難在同一系統中同時獲得氮、磷的高效去除。針對A2/O工藝固有的缺陷和低碳源城市污水的特點,在總結前人研究的基礎上提出了新的改良A2/O工藝,以期解決現在城市污水處理廠的脫氮除磷難題。1良2c/o工藝針對近年來不同的水質特點以及脫氮除磷的日益嚴格要求,研究者們在傳統A2/O工藝的基礎上探索研究了多種改良A2/O工藝,其中比較突出和有影響的包括倒置A2/O、UCT、VIP、BCFS等。這些工藝針對一定的水質特點和出水水質要求,也表現出了較好的處理效果,解決了傳統A2/O工藝存在的一些突出問題。但是針對目前普遍存在的低C/N值城市污水,這些工藝并不能從根本上解決脫氮除磷的矛盾問題,而且各自也出現了新的問題。1.1工藝應用分析A2/O工藝簡單,但很難在同一生化系統中同時取得良好的脫氮除磷效果。曝氣生物濾池的優點是具有靈活的模塊化設計、占地面積小、硝化效果穩定等,但其工作周期短、反沖洗頻率高、容易發生堵塞等?；贏2/O與曝氣生物濾池的優缺點,陳永志等研究了如圖1所示的A2/O—BAF工藝。A2/O工藝的主要功能是反硝化及除磷,通過縮短A2/O單元的泥齡,將硝化過程分離出去;利用曝氣生物濾池硝化效果穩定的優點,在曝氣生物濾池中主要完成硝化過程,成功解決了傳統工藝中聚磷菌、反硝化菌與硝化菌的競爭性矛盾。A2/O單元在短泥齡條件下運行,可以增加系統的污泥活性,有利于除磷及反硝化;曝氣生物濾池在長泥齡條件下運行,有利于硝化效果的穩定和高效;以低C/N值實際生活污水為研究對象考察了A2/O—BAF生化系統的脫氮除磷特性,研究表明該生化系統可以實現對有機物、氮和磷的同步去除。但是該工藝的最大缺點在于曝氣生物濾池的水頭損失大,直接帶來能耗的增加,由于硝化液回流在二沉池后,所以也增大了二沉池的水力負荷,導致基建費用大大增加,使其很難在大型污水處理廠推廣應用,不過該工藝對于小型污水處理廠的升級改造具有重要的參考價值。1.2調與協同工作對于低碳源城市生活污水,特別是南方部分城市夏季污水有機物含量甚至低于50mg/L,而氮磷的含量卻相對很高,這樣僅僅依靠常規的污水處理工藝不可能達到理想的處理效果,出水水質難以達到排放水體的承受標準。因此,要解決此類城市污水的脫氮除磷問題,就需要多種處理工藝的協調與協同工作。針對低碳源生活污水以及南方高溫的氣候特點,陳秀榮等進行了生物與生態協同處理低碳源城市生活污水的試驗研究,其工藝流程見圖2。該處理系統的生物段采用A2/O工藝,主要去除COD,完成部分脫氮除磷及主要的硝化過程,出水1經過消毒后可滿足回用作為綠地和農業灌溉用水、工業冷卻水、市政雜用水、建筑用水等的要求;沉淀出水進入生態段后,可完成反硝化脫氮、氨氮硝化、有機物降解、磷吸收等生化過程,還可以完成植物對污染底物的吸收、物化吸附以及共沉淀等去除過程,生態段出水水質可達到《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)的Ⅳ類標準,完全可以用于城市河道生態、湖泊河流水體的補充、基流維護、富營養化水體修復等。該組合工藝在處理城市低碳源生活污水方面顯示了其優化組合的特點,能夠實現處理水達標排放以及回用的目標,能耗增加不明顯。其缺點就是生態段受季節影響嚴重,在北方冬季寒冷地區其推廣應用受限。1.3a-2/o生物池為了消除傳統A2/O工藝回流污泥中硝態氮對厭氧釋磷的影響,周愛姣等在傳統A2/O前設置了污泥反硝化區(選擇池),回流污泥全部回流至此,并研究了該工藝對低碳源城市污水的脫氮除磷效果。由于回流污泥中含有大量的硝酸鹽氮,將部分進水與回流污泥在選擇池中混合,反硝化菌利用進水中的碳源和其他營養物在此進行缺氧反硝化,將硝態氮還原為N2,可以大大降低進入厭氧區的硝酸鹽氮含量,減小硝態氮對厭氧段釋磷的影響,同時還可以起到生物選擇,抑制絲狀菌生長的作用。A-A2/O工藝流程如圖3所示。A-A2/O生物池中,厭氧區、缺氧區和好氧區是相對獨立的系統,各自的溶解氧濃度、污泥濃度及營養物比例等保持適當的平衡,有利于具有不同功能微生物的生長繁殖。在進水BOD5/TN<4的情況下,出水各項指標均能達到國家一級A排放標準,表現出了良好的脫氮除磷及去除有機物的功能。針對南方低濃度生活污水的特點,樊杰研究了A-A2/O好氧池階式曝氣對低濃度生活污水的脫氮除磷效果,將好氧池分格,曝氣量沿水流方向遞減。結果表明,階式曝氣可以從整體上增加反應動力,有效減小反應器容積,具有較好的脫氮除磷效果。2新2.2w工藝2.1預處理+填料針對傳統A2/O工藝存在的固有缺陷,在前人研究成果的基礎之上,提出了如圖4所示的改良A2/O工藝,根據對脫氮除磷的要求,原水按一定比例分配給厭氧池和缺氧池,厭氧池和缺氧池的出水都直接進入好氧池。好氧池末端的混合液回流至缺氧池,污泥回流至厭氧池。根據污水的水質特點和工藝的實際需要,可在好氧池(特別是好氧池末端)和缺氧池中分別投加部分填料。該改良A2/O工藝具備了傳統A2/O工藝的優點,構造簡單、水力停留時間短、控制復雜性小,還可以從很大程度上解決脫氮與除磷所固有的矛盾。原水按一定的比例分配給厭氧池和缺氧池,這樣可以根據水質特點以及對污水脫氮除磷的要求,對進水分配比進行靈活調整,同時兼顧脫氮和除磷。在好氧池中投加部分懸浮填料,使得該工藝兼有傳統的生物膜法和懸浮污泥法的優點。懸浮填料有利于細菌和微生物的富集,增加吸附面積,提高氧的傳遞及利用效率,且還可以增強系統的穩定性。Lai等的研究結果表明,用懸浮填料生物膜反應器對原有A2/O反應器進行改良,不僅可以提高污水處理量,縮短水力停留時間,還可以有效提高對COD、TN和TP的去除效果。Artiga等認為復合系統中,在生物膜上主要生長硝化細菌(約60%的硝化能力來自于生物膜),懸浮污泥中主要生長異養菌,生物膜對硝化反應的貢獻更大。也有研究表明生物膜對硝化起主要作用,而懸浮污泥對除磷所作的貢獻更大。通過填料的固定作用,系統就可以實現穩定的硝化效果。由于填料上生物相比較豐富,同時生物膜易形成不同的溶解氧環境,由此系統中更易發生同時硝化反硝化、短程硝化反硝化等。由于硝化細菌在填料上實現了固定生長,使得系統可以根據除磷的需要確定泥齡,因此可以解決硝化細菌與聚磷菌之間存在的泥齡矛盾問題。缺氧池中填料的投加,可以提高缺氧池的微生物量,提高反硝化作用,保證系統脫氮的穩定性。呂絳等考察了缺氧池填料投配比對A2/O-MBR工藝反硝化除磷的影響,研究表明在缺氧池中投加部分填料,更有利于系統實現反硝化除磷。Rogalla等通過研究對比生物膜系統和復合生物膜系統中氮磷的去除情況,發現生物膜系統及復合生物膜系統出水中的氮磷含量均很低,證明生物膜系統具有良好的脫氮除磷效果。2.2試驗過程及效果以實際城市污水為原水,考察了該工藝的脫氮除磷效果。試驗環境溫度為19~28℃,厭氧池、缺氧池和好氧池的體積比為1∶1∶3,厭氧池和缺氧池的進水分配比為5∶5,污水總的停留時間控制在11h,好氧池末端溶解氧保持在2mg/L左右,污泥回流比和硝化液回流比分別為50%和200%,好氧池的污泥濃度保持在3000~4000mg/L,泥齡控制在15d左右。試驗過程中,進水COD=182~326mg/L,NH3-N=23.0~38.1mg/L,TN=36.0~50.7mg/L,TP=3.99~5.08mg/L,進水C/N值平均為6.2,屬于典型的低碳源污水,經過改良A2/O工藝的處理,對NH3-N的去除率能夠達到90%以上,對TN的去除率為67%~76%,對總磷的去除率>89%,出水COD=24.5~35.8mg/L,NH3-N<0.67mg/L,TN=10.2~13.4mg/L,TP=0.35~0.48mg/L,出水水質能夠滿足一級A排放標準,該工藝對低碳源城市污水具有良好的脫氮除磷效果。基于以上試驗結果和分析,該改良A2/O工藝可以從很大程度上解決脫氮和除磷的矛盾,具有良好的脫氮除磷效果,特別是填料的投加不但提高和穩定了系統的脫氮效果,而且可以從很大程度上解決硝化細菌與聚磷菌之間的泥齡矛盾問題。3次脫氮除磷工藝針對現有A2/O工藝的固有缺陷及其對低C/N值城市污水氮、磷去除不能達標的問題所在,科研工作者開發和研究了多種A2/O的改良工藝,針對不同的水質特點也取得了明顯的效果,但并不能從根本上解決低碳源城市污水對脫氮除磷的要求,或者有些工藝雖然取得了理想的脫氮除磷效果,但卻難以推廣應用,如BCFS過于復雜,失去了A2/O作為目前最簡單的脫氮除磷工藝的優點?；谠蠥2/O及其改良工藝存在的問題,提出了新的改良A2/O工藝,根據對脫氮和除磷的要求,原水按一定比例分別進入厭氧池和缺氧池;在缺氧池和好氧池中分別投加部分填料來提高系統的反硝化和硝化效果,填料的投加在提高脫氮的同時也降低了脫氮對泥齡的限制,解決了硝化細菌與聚磷菌之間的泥齡矛盾問題,使系統可以根據除磷的需要確定泥齡;同時投加填料使系統中更易發生短程硝化反硝化以及反硝化除磷。對實際生活污水的試驗研究表明,該工藝對NH3-N的去除率