污废水生物脱氮除磷技术研究进展.docx

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1、污废水生物脱氮除磷技术研究进展 摘要：总结了目前城市污水生物脱氮除磷技术探讨及应用进展，分析了脱氮除磷工艺机理及其特点，探讨了城市污水生物脱氮除磷工艺深化探讨的方向。 关键词：脱氮除磷；城市污水；污水处理 中图分类号：X3文献标识码：A文章编号1017-037305-0067-03 随着经济的发展，城市规模的扩大，水资源供需冲突日趋激化。对污废水处理后回用成了一个迫切须要解决的问题，而我国现有的城市污水处理厂主要是针对碳源污染物如COD等的去除，而对氮、磷的去除率很低，氮、磷又是导致水体富养分化的主要养分物。传统的脱氮除磷工艺制约了工艺的高效性与稳定性，且较多的流程中包含多重污泥和混合液的回流

2、，增加了系统的困难性，提高了基建和运行费用，因此开发和探讨高效、经济的生物脱氮除磷工艺已成为当前污水处理工艺探讨的热点。本文系统的概述了生物脱氮除磷的机理，分析了国内生物脱氮除磷技术的现状，探讨了生物脱氮除磷技术的发展趋势。 1 生物脱氮除磷机理 1.1生物脱氮机理 传统生物脱氮理论认为：生物脱氮是通过设置厌氧区或通过过程限制形成厌氧环境，发生硝化、反硝化作用达到脱氮目的。近年来的一些探讨中视察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象：厌氧反应器中NH3 - N的削减1；好氧条件下的同时硝化反硝化作用2；异养菌也可以参与硝化过程3。可以从微环境理论和生物学角度进行说明这些现象。微环境理论认为：微生物

3、絮体内存在溶解氧梯度，即絮体表层溶解氧浓度较高，以好氧菌、硝化菌为主；由于溶解氧传递受阻和絮体外层微生物消耗大部分溶解氧，使内部形成兼氧、厌氧环境，有利于反硝化菌繁殖。加之曝气过程的搅动和溶解氧的限制使微环境是不断改变的，有利于微环境中的微生物处于厌氧、兼氧、好氧交替的环境中，产生硝化反硝化作用。从生物学角度说明不同于传统的理论，微生物学家已经发觉了异养硝化菌和好氧反硝化菌，甚至在完全厌氧条件下发生的硝化作用。已有探讨表明，在亚硝化菌的作用下，以NO2-作为电子受体，将氨转化为N24。以上发觉为探讨新的生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向。 1.2 生物除磷机理 生物除磷主要由聚磷菌在

4、厌氧条件下释放磷，有氧条件下摄取磷，通过解除富磷污泥达到除磷目的。聚磷菌属于兼性异养型细菌，在厌氧环境中，在没有DO和大量NO3- 存在的前提下，聚磷菌通过将细胞中聚磷水解成正磷酸盐获得能量，并利用污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸，合成贮能物质聚羟基丁酸存于细胞中；在好氧环境中，聚磷菌以游离氧为电子受体，氧化细胞内贮存的PHB，并利用该反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸盐，合成高能物质ATP，其中一部分转化为聚磷，作为能量物质贮存于细胞中。由于好氧环境下磷的摄取量远大于厌氧环境下的释放量，所以通过排放富磷污泥可以达到高效生物除磷的目的。探讨表明，在废水生物除磷中，聚磷菌厌氧释放磷是好氧

5、汲取和除磷的前提条件，但厌氧条件下聚磷菌释放磷水平的充分与否，并不是确定除磷实力的必要条件。而聚磷菌在厌氧条件下能否有效释放磷，与水中有机物的类型和NO3-含量亲密相关5。 近年来，探讨者发觉了一种兼性厌氧反硝化除磷细菌6，可以在缺氧条件下利用NO3- 作为电子受体氧化胞内贮存的PHA，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和过度摄磷。与传统好氧生物除磷相比，系统对COD的需求削减50%。该工艺目前虽处于试验探讨阶段，离生产应用尚有一段距离，但为生物除磷工艺供应了新的思路。 2 生物脱氮除磷技术 2.1 生物脱氮技术 污水生物脱氮技术是通过反应器和限制手段实现时间或空间上的好氧/缺氧环境，达到硝化反硝

6、化脱氮的目的。依据污水处理工艺的不同分为活性污泥脱氮工艺和生物膜脱氮工艺。 2.1.1 生物膜脱氮工艺 生物膜脱氮工艺大多数处于小试、中试及半生产性试验阶段，生物转盘、生物滤池、生物流化床等生物膜法反应器均可以设计成具有脱氮功能的反应器。目前，已开发了浮动床生物膜反应器脱氮系统、浸没式生物膜反应器脱氮系统、三级生物滤池脱氮系统。这些生物膜脱氮系统相对于活性污泥脱氮系统具有更好的稳定性、污泥浓度高、产泥量少，但能耗大。 生物膜脱氮技术要应用到城市污水工程，还有很多问题有待解决。因此，对生物膜脱氮机理的深化探讨和开发新型经济、高效生物膜反应器将是今后污水生物膜脱氮技术探讨的主要方向。 2.1.2

7、活性污泥脱氮工艺 活性污泥脱氮工艺从过去的试验室阶段发展到目前生产性探讨和应用阶段，是目前普遍采纳的生物脱氮技术。在工程上应用较多的活性污泥脱氮工艺有A/O工艺、A2/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺。A/O工艺通过构筑物设置缺氧区和好氧区，在好氧区发生含氮有机物的氨化、硝化反应，缺氧区发生反硝化反应，从而达到去除有机物和脱氮的目的。该工艺的特点是流程简洁，占地少，反硝化时无须外加碳源，易于限制污泥膨胀，但脱氮效率较低，耐冲击负荷实力差。 A2/O工艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区，污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧菌的作用下，将污水中生物能降解的大分子有机物转化为小分子，

8、在缺氧区，反硝化菌利用污水中的基质对好氧区回流液中NO3- 进行反硝化脱氮，进入好氧区的有机物浓度较低，有利于该区自养硝化菌的生长，从而达到较好的脱氮效果7。 氧化沟工艺同时具有完全混合型反应器和推流型反应器的特点，由于曝气设备的作用，使溶解氧呈现分区现象，在曝气区发生硝化反应，非曝气区实现反硝化脱氮。 SBR工艺是美国诺罗丹高校R. L. Irvine教授于20世纪73年头末首先提出，该工艺具有投资少，耐冲击负荷，污泥不易膨胀，能够有效去除N、P的特点。近年来，随着电子学技术和限制机械的发展，程控装置和电子计算机以及检测仪表的性能大幅提高，使得SBR工艺操作、限制更加便利牢靠。SBR工艺可以

9、通过限制曝气或半限制曝气等运行工况在时间上实现缺氧/厌氧/好氧组合，并通过各个过程的时间限制，达到脱氮的目的，比A/O、A2/O工艺省去了混合液和污泥的回流，降低了运行成本。 传统活性污泥脱氮技术目前已大量应用到城市污水工程，积累了很多实际阅历，但仍存在一些问题急需解决。因此，对传统活性污泥脱氮工艺过程限制和生物脱氮机理的进一步深化探讨，将是今后污水生物脱氮探讨的主要方向之一。 2.1.3生物脱氮新工艺 最近的探讨表明，生物脱氮过程出现了超出传统脱氮理论的现象1-3，探讨者对此绽开了探讨，提出了一些新的脱氮工艺，如SHARON工艺、ANAMMOX工艺、De - ammonification工艺

10、、OLAND工艺。 SHARON工艺是荷兰Delft技术高校开发的脱氮新工艺8，其基本原理是将氨氮氧化限制在亚 硝化阶段，然后进行反硝化，达到脱氮目的。该工艺具有以下特点：硝化与反硝化在同一反应器中完成，简化工艺流程；节约反硝化过程须要外加的碳源，以甲醇为例，NO2-反硝化比NO3-反硝化节约40%的碳源；削减25%左右的供气量，节约动力消耗。 ANAMMOX工艺是荷兰Delft技术高校Kluyver生物技术试验室于11010年开发的脱氮新工艺9，其原理是在厌氧的条件下，以NO3-、NO2-为电子受体，将氨氧化还原为N2。De-ammonification工艺由Hippen等人开发适合处理高浓

11、度含氮废水的新工艺10，该工艺脱氮过程不须要根据化学计量式消耗电子供体，其机理目前还不清晰。OLAND工艺是比利时Gent微生物生态试验室开发的脱氮新工艺，其原理是通过限制溶解氧，使硝化过程限制在NO2-阶段，通过NO2-氧化NH4+ 形成N2，达到脱氮目的。杨红等人以消化污泥脱水液为基质，采纳悬浮填料床反应器进行OLAND工艺脱氮探讨，达到73%的脱氮率11。 新近开发的这些脱氮新工艺为污水处理设计供应了新的设计理论和设计思路，开创了生物脱氮的新篇章。今后，加强新工艺的脱氮机理和工艺过程限制深化探讨将成为污水生物脱氮技术探讨的新热点。 2.2生物除磷技术 污水生物除磷技术源于20世纪60年头

12、Srinath等人在生产运行过程中视察到超量吸磷现象6，通过基础性探讨、生产性试验探讨以及工程运行实践，生物除磷技术在理论和实践上都取得了重大突破。目前，用于工程实践的生物除磷技术有A2/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、Phost rip工艺、改良Bardenpho工艺、改良的UCT工艺等。 A2/O工艺通过设置厌氧/缺氧/好氧环境，实现聚磷菌厌氧环境中有效释磷、好氧环境中聚磷。同济高校的高廷耀、张波等人对A2/O工艺进行环境倒置效应试验探讨5，认为缺氧/厌氧/好氧的布置形式除磷效果更好，其缘由在于：降低了厌氧区硝酸盐负荷，有利于聚磷菌有效释磷；聚磷菌厌氧释磷后，干脆进入好氧环境，有利于充分利

13、用厌氧条件下形成的吸磷动力。氧化沟工艺是通过曝气系统在反应器实现空间上厌氧/缺氧/好氧环境，为除磷创建条件。SBR工艺是通过曝气限制系统在反应器内实现时间上厌氧/缺氧/好氧环境，为聚磷菌有效释磷和聚磷过程创建条件，并通过排放富磷污泥实现除磷目的。Phost rip工艺通过在污泥回流系统中设置厌氧区进行生物除磷，并且与化学除磷法进行组合，可以达到很好的除磷效果。改良Bardenpho工艺通过进水与回流污泥在厌氧池混合接触，促进厌氧发酵和有效释磷，再进入后续构筑物聚磷，通过排泥达到除磷目的。改良的UCT工艺是基于回流污泥中硝酸盐进入厌氧区不利于聚磷菌有效释磷的事实，将回流污泥干脆回流到缺氧区，提高

14、除磷效果。 上述生物除磷技术都具备两个基本特征：为聚磷菌有效释磷创建真正的厌氧环境；使聚磷菌在与其它微生物竞争中占有优势，实现有效除磷。生物除磷技术已从试验室探讨发展到工程实践，并在实践中积累了不少阅历，但是对除磷机理还有待进一步深化探讨，因此加强对生物除磷机理和聚磷菌生物特性探讨是今后生物除磷技术发展方向之一。 2.3生物脱氮除磷技术 自从Bardnard首先发觉了硝化/反硝化过程中除磷现象，已开发出很多具有同时脱氮除磷功能生物处理技术，如A2/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、Phost rip工艺、改良Bardenpho工艺、改良的UCT工艺等。 这些工艺均来源于传统的污水处理技术，又超越

15、了传统污水处理技术，一方面满意传统污水处理工艺去除有机物、悬浮物的要求；另一方面满意除磷脱氮要求。通过限制系统的污泥龄、流态及回流方式、充氧、配套设备与检测仪表等，实现厌氧、缺氧、好氧三种环境空间或时间上交替改变，达到高效脱氮除磷的目的。 污水同时生物脱氮除磷技术已大量应用到生产实践中，取得了较好的效果，但仍有一些问题急待解决，应通过加强脱氮除磷机理和生物过程限制的深化探讨，开发出高效、经济的脱氮除磷生物处理技术。 3结语 污水生物脱氮除磷的目的是将氮、磷从废水中去除，防止引起受纳水体的富养分化，以工程手段从源头限制水体富养分化。从我国目前的实际状况动身，无论是单独的生物脱氮技术、生物除磷技术

16、，还是同时生物脱氮除磷技术，探究简便、节能、高效、技术成熟的生物脱氮除磷技术是目前当务之急，为今后从源头解决水体富养分化问题，供应必要而有效的技术保障。 参考文献 1 王建龙. NH4+ 的厌氧氧化J. 生命的化学， 19101， 17： 37-38. 2 Munch E V， et al. Simultaneous nitrification and denitrification in bench - scale sequencing batch reactionsJ. Wat. Res.， 11016， 302： 277-284. 3 Kuenen J G， Robertson L A.

17、 Combined nitrification - denitrification processJ. FEMS Microbiol. Rev.， 11014， 15： 109-117. 4 Van de Graff A A， Kuenen J G. Anaerobic oxidation of ammonium is a biologically mediated processJ. Appl. Environ. Microbiol.， 11015， 61： 1246-1251. 5 张波，高廷耀. 生物脱氮除磷工艺厌氧/缺氧环境倒置效应J. 给水排水， 19101， 13： 7-13. 6

18、 王春英，隋军等. 反硝化聚磷机理试验J. 环境污染治理技术与设备， 2002， 3： 65-68. 7徐亚同. 废水中氮磷的处理M. 上海： 华东师范高校出版社， 11016. 8 Jetten M S M ，et al. Towards a more sustainable municipal wastewater treatment systemJ. Wat. Sci. Tech.， 19101， 35： 173-180. 9Straous M， et al.， Ammonium removal from concentrated waste streams with the anaer

19、obic ammonium oxidation process in different configurationsJ. Wat. Res.， 19101， 31： 1955-1962. 10 Hippen A， et al.， Aerobic deammonification： a new experience in the treatment of wastewaterJ. Wat. Sci.Tech.， 19101， 35： 111-120. 11 杨红，李道棠等. 全程自养脱氮新技术处理污泥脱水液的探讨J. 环境科学， 2001， 22： 105-107. 收稿日期：2022-02-28 作者简介：刘启承，男，湖北监利人，工程师，硕士探讨生，从事环境及资源探讨. 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页