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关于生物脱氮除磷的发展历史

关于生物脱氮除磷的发展历史

生物脱氮除磷是指用生物处理法去除污水中营养物质氮和磷的工艺。水体的富营养化问题是20世纪中期提出来的。含氮和磷的污水无限制地排放,以致受纳水体中藻类过度繁殖,水质变坏。原水受氮和磷的污染,水处理的困难加大,费用增加。

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一、生物脱氮除磷的发展

1932年,祖师Wuhrmann提出内源呼吸反硝化脱氮理论,这也是最早的脱氮工艺,被称为Wuhrmann工艺。(见图2)该工艺在好氧池中进行有机物的氧化及氨氮的硝化反应,在缺氧池中利用活性污泥内源呼吸进行反硝化。但由于以微生物内源呼吸代谢物质作为碳源,反硝化速率很低,所以需要扩大缺氧池的容积,同时在缺氧池中微生物内源呼吸将有机氮和氨氮释放到水中,降低脱氮效率,导致该工艺在工程上并不实用,但该工艺为以后的脱氮除磷工艺的发展奠定了基础。

1962年,Ludzack和Ettinger首次提出利用进水中的可生物降解有机物作为碳源的前置反硝化工艺,解决了碳源不足的问题,但由于两个反应器间的液体交换缺乏控制,影响脱氮效果。(该工艺缺少描述,笔者也不知道具体的工艺流程)

1973年,Barnard在开发Bardenpho(音译为:巴登福)工艺是提出改良型Ludzack-Ettinger脱氮工艺,即广泛应用的A/O工艺(见图3)(题外话,这个工艺至今已经47年了,现今绝大部分的脱氮工艺都是在这个工艺的基础之上进行改进,而非创新)。A/O工艺中,大量的硝氮通过内回流(别名:硝化液回流、好氧回流、混合液回流)回流到缺氧区后,利用原水中的有机物进行反硝化。但A/O工艺不能达到完全脱氮,因为好氧池总流量的一部分硝化后的硝氮没有回流到缺氧池而是直接随出水排放(这是目前二级生物脱氮的一个硬伤)。

1973年为克服A/O工艺不完全脱氮的缺点,Barnard提出把此工艺与祖师级别的Wuhrmann工艺联合,并称之为Bardenpho工艺,(见图4)。具体机理后文再述。

Bardenpho工艺在理论上虽然有完全去除硝酸盐的潜力,但实际上是不可能的。

1976年,Barnard通过对Bardenpho工艺进行中试研究发现在Bardenpho工艺的初级缺氧反应器前增加一厌氧反应器就能有效的除磷(见图5)。该工艺在南非称5阶段Phoredox工艺(音译为:福列德克斯)或简称为Phoredox工艺。在美国称之为改良型Bardenpho工艺。

1980年,Rabinowitz和Marais对Bardenpho工艺的研究中,选择3阶段的Bardenpho工艺,即所谓的传统A2/O工艺(见图6)。至此最为常用的脱氮除磷工艺正式登场(距今已经整整40年,目前还在大量使用)。

二、生物脱氮除磷工艺合集(顺序不分先后)

说明:以下工艺简介仅从原理方面进行解析,不涉及土建成本和设备投资。

1、A2/O工艺

1)厌氧池

图6为传统的A2/O工艺流程,首段为厌氧池,本池的主要作用为释放磷(具体反映机理看前面),其次在本池中也可发生水解酸化反应。原水与同步进入的二沉池回流的含磷污泥二者混合后再兼性厌氧发酵菌的作用下部分易生物降解的大分子有机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸(VFA),聚磷菌将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐,释放到水中,释放的能量可供转型好氧的聚磷菌在厌氧的压抑环境下维持生存,同时吸收水解后的小分子有机物合成PHB并储存在体内。另外,NH4+-N因细胞的合成而被去除一部分,同时回流污泥的稀释作用使污水中的NH4+-N浓度下降;另外回流污泥中的NO3--N进入厌氧池后迅速利用原水中的快速降解有机物而被还原为氮气释放,会部分去除进水中的有机物,该池出水几乎不含NO3--N。

影响因素:对于高氨氮废水,污泥回流中携带有大量的NO3--N,当硝氮浓度≥4mg/L时,将减少了据邻居释放所获得的溶解性有机物的量,不能是该池形成较好的兼性厌氧环境,不仅不利于据邻居的释磷反应,而且也不利于大分子的厌氧发酵为小分子有机物,对释磷反应不利。

2)缺氧池

废水经过厌氧池进入缺氧池,该池首要功能为反硝化脱氮,硝氮通过内循环由好氧池进入缺氧池,回流比通过总氮去除率进行计算(见公式1)。混合液进入缺氧段后,反硝化菌利用污水中的有机物将回流液中的硝态氮还原为氮气释放到空气中,因此有机物浓度和硝态氮浓度都会大幅度降低。其次,该段可能发生磷的释放和吸收(反硝化除磷)反应,或者两者同时存在。另外,生活污水处理过程中,缺氧池末端的COD基本在50以下甚至更低,在不考虑好氧池同步硝化反硝化的情况下TN浓度和出水基本相同

3)好氧池

混合液从缺氧池进入好氧池,曝气池的这一反应单元室多功能的,去除BOD、硝化、吸收磷等反应都在本反应器内进行。混合液有机物浓度已经很低,聚磷菌主要是靠分解体内储存的PHB来获取能量供自身生长繁殖,同时超量吸收水中的溶解性正磷酸盐以聚磷(Poly-P)的形式储存在细胞内,经过沉淀排出剩余污泥,达到除磷的效果。有机氨被氨化继而被硝化,氨氮浓度显著下降。随着硝化过程的进行,硝氮浓度增加,碱度降低(对于高氨氮废水,需在好氧池中大量投加碱才能维持硝化反应的进行)。

4)A2/O工艺的优缺点

优点:同时脱氮除磷;反硝化过程为硝化提供碱度;释磷及反硝化过程同时除去有机物;污泥沉降性能好,SVI值一般均小于100。

缺点:①回流污泥含有硝酸盐进入厌氧区,对除磷效果有影响;②脱氮受内回流比影响;③聚磷菌和反硝化菌都需要易降解有机物。

A2/O这是一个很成熟的脱氮除磷工艺,后续介绍的其他脱氮处理工艺基本上是为克服A2/O工艺的缺点而进行改动的,从而在节能的基础之上满足出水要求。

在A2/O工艺运行中经常一些问题,如:丝状菌膨胀、污泥老化、SVI值过高、厌缺氧池表面出现黑色或者黄色浮泥、曝气池表面出现白色泡沫或者粘稠的黄色泡沫、二沉池跑泥等等。出现这些问题,除进水指标的波动、设计缺陷外,其他均为工艺参数没有控制好所导致的。关于工艺参数的控制,这个在书本上仅仅给出了一个参考值,比如:

DO:2-4mg/L污泥龄:10-15dC:N:P=100:5:1反硝化碳氮比:(4-6):1碳磷比:20:1MLSS:3000-4000mg/L混合液回流比:200-300%污泥回流比:50-100%厌、缺氧池搅拌功率:4-8W/m³(我是根据水质、池体类型进行选型)HRT:6-8h(针对市政污水,实际经验告诉我,这个停留时间谁用谁哭)厌氧:缺氧:好氧停留时间:1:1:(3-4)(这也是谁用谁哭)

甚至有些半吊子设计人员根据这些工艺参数去设计工业废水,对于这点,我真的很佩服设计人员的胆大、业主的抠门。

这些工艺参数只是参考,运行参数需要针对自己的污水厂/污水站的实际情况进行调整,从而达到良好的处理效果。所以,在运行中各位污师需要针对问题进行分析,找到问题的根本所在,而不是盲目的排泥、投加碳源、投加营养、增加/减少曝气等等。在自我分析问题之后可以到污托邦社区或者污托邦群里面进行讨论,而不是出现问题第一时间问别人,每个人运行的污水厂/污水站的情况都不一样,别人给你的只会是他遇到过的情况,但不一定适用于你运营的污水厂,甚至有时候同样一个现象,在不同污水厂发生的机理是完全相反的。

2、倒置A2/O工艺

与常规的A2/O工艺相比,倒置A2/O工艺(见图7)从前往后以此为缺氧-厌氧-好氧,该工艺的设计初衷是为了降低污泥回流中硝态氮对厌氧释磷的影响,特别是对于高氨氮废水污泥回流中携带有大量的硝氮,抑制厌氧释磷反应。同时,为了解决碳源分配的问题,采用两点进水的方式来提供厌氧释磷中有机物的消耗。

该工艺由于硝态氮在前端的缺氧池中完全反硝化,消除了硝氮对厌氧释磷的不利影响,从而保证厌氧释磷的稳定进行,并且聚磷菌释磷后直接进入生化效率比较高的好氧环境,使其在厌氧条件下形成的吸磷动力得到了更有效的利用。

有些设计人员在设计倒置A2/O工艺时省去了混合液回流,通过增大二沉池的污泥回流来满足反硝化需求。增大污泥回流虽然不改变二沉池的比表面积负荷率,但是在一定程度上降低了二沉池的沉淀时间,不建议采用。

厌氧释磷的实际停留时间(含回流量)一般要求在0.5-2h,倒置A2/O虽然满足了硝氮对厌氧释磷的影响,但是需要增加厌氧池的池容,从而满足厌氧释磷实际停留时间的要求,增加了土建成本。同时多点进水需要很好的进行控制,以此来调整厌、缺氧池的碳源配比达到良好的脱氮除磷效果。

该工艺适合原水中TN含量比较高的废水,只要缺氧池的容积设计的合理可以完全反硝化,从而为厌氧释磷提供良好的厌氧环境。

3、A+A2/O工艺与JHB工艺

A+A2/O工艺(见图8)与A2/O工艺相比,在厌氧池的前段增加了一个预脱硝池,主要是为了解决污泥回流中携带的硝酸盐对厌氧释磷的影响。该工艺与UCT工艺的目的是相同的。

在进水TN含量较高的情况下,该工艺不太适用,因为污泥回流中携带有大量的硝氮,预脱硝池因设计停留时间过短(一般在0.5-0.8h)无法进行完全的反硝化反应,从而影响厌氧释磷。

1991年,Pitman等人提出Johannesburg(JHB)工艺,该工艺是在A2/O工艺到厌氧区污泥回流路线中增加了一个缺氧池(见图9),来自二沉池的污泥可利用33%左右(进水分配可调)进水中的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮,以消除硝酸盐对厌氧池厌氧释磷的不利影响。

其实这两个工艺是一样的,只是叫法不同。在设计中A+A2/O工艺也会设计多点进水,毕竟碳源的有效分配是关键。

4、UCT工艺

A2/O工艺的回流污泥中很难保证不含有硝氮,为了彻底排除在厌氧池中硝氮的干扰,南非开普敦大学于1983年开发了UCT工艺(见图10),将污泥回流至缺氧区,并增加了从缺氧段至厌氧段的缺氧混合液回流,使污泥经缺氧反硝化后再回流至厌氧区,减少了回流污泥中的硝酸盐含量,尽量的避免了硝态氮对厌氧释磷的影响,同时在该工艺总存在反硝化除磷现象。但当进水碳氮比较低时缺氧池不能实现完全反硝化,仍有一部分硝氮回流到厌氧区对厌氧释磷产生不利影响。

书本上给出的设计参数:厌氧区HRT 1-2h;缺氧区HRT 2-4h;好氧区HRT 4-12h;污泥回流比80%-100%;缺氧回流比200%-400%;硝化液回流比100%-300%。(以上数据仅为参考,在设计时需要根据实际水质进行设计。)

5、MUCT工艺

与A2/O工艺相比,UCT工艺在适当的COD/KTN比例下,缺氧池的反反硝化可使厌氧池回流液中的硝氮含量接近于零。当进水COD/KTN较低时,缺氧池无法实现完全的脱氮,导致有一部分硝氮随缺氧回流进入厌氧池,因此又产生了改良型UCT工艺—MUCT工艺(见图11)。

MUCT工艺有两个缺氧池,第一个缺氧池接受二沉池回流污泥,后一个缺氧池接受好氧池硝化液回流,使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开,进一步减少硝酸盐进入厌氧池的可能性。

该工艺的主要目的是优化除磷效果,第二个缺氧池进水中含有一定量的碳源,该部分碳源反硝化速率较高,在该部分碳源消耗殆尽后,还可进行内源呼吸反硝化,虽然反硝化速率较低,但可进一步提高TN的去除率。

6、Bardenpho工艺系列

6.1 Bardenpho工艺(两级AO工艺)

Barnard(1974)开发的Bardenpho工艺属于早期生物脱氮(除磷)工艺,其目的是不投加外部碳源的情况下脱氮率达到90%以上。如图12所示,在第一个缺氧段,来自硝化段的混合液内回流中含有大量的硝氮,在第一个缺氧段中利用原水中的碳源作为电子供体,进行反硝化,在该段去除的硝氮约占70%(根据设计停留时间的不同,去除率也不相同)。BOD去除、氨氮氧化和磷的吸收都是在硝化(第一个好氧池)段完成的。第二缺氧段提供足够的停留时间,通过混合液的内源呼吸进一步去除残余的硝氮。最终好氧段为混合液提供短暂的曝气时间,以降低二沉池出现厌氧状态和释磷的可能性。

6.2 五段Phoredox工艺(简称为Phoredox工艺)

由于发现Bardenpho工艺中混合液回流中的硝氮对生物除磷有非常不利的影响,通过Bardenpho工艺的中试研究,Barnard(1976)提出真正意义上的生物脱氮除磷工艺流程(见图13),即在Bardenpho工艺前段增设一个厌氧区。这一工艺流程在南非称为五段Phoredox工艺(简称为Phoredox工艺),在美国称之为改良型Bardenpho工艺。改良型Bardenpho工艺通常按低污泥负荷(较长污泥龄)方式设计和运行,目的是提高脱氮效率。

五段Phoredox工艺使用的SRT比A2/O工艺更长(10-20d),其他设计参数为:厌氧区 HRT=0.5-1h;第一缺氧区HTR=1-3h;第二缺氧区HRT=2-4h;第一好氧区HRT=4-12h,第二好氧区HRT=0.5-1h;污泥回流比为50%-100%;混合液回流比为200%-400%。(以上数据仅供参考,具体设计请根据水质进行变动。)

6.3 3段改良Bardenpho工艺(或A2/O工艺)

测试表明,五段Phoredox工艺并不能将硝酸盐含量降低至零,与第一缺氧区相比,第二缺氧池因为采用内源呼吸反硝化导致单位容积反硝化速率相当低。第二缺氧池的低效促使Simpkins和McLaren(1978)提出,在某些情况下可取消第二缺氧池,适当加大第一缺氧池,以获得最大的反硝化处理效果和最低的回流污泥硝酸盐浓度,即3段改良Bardenpho工艺(见图13),也就是目前常用的A2/O工艺

7、约翰内斯堡(Johannesburg)工艺

本工艺源自南非约翰内斯堡,为UCT变型工艺,该工艺(见图14)的主要目的是尽量减少污泥回流中的硝氮进入厌氧池,提高较低进水浓度废水德尔处理效率(其实脱氮工艺就是碳源的合理分配问题,在不考虑反硝化除磷的情况下,低COD废水,除磷量越多,反硝化脱氮越差,关键是看操作人员如何取舍)。回流活性污泥直接进入缺氧池,该池有足够的停留时间利用内源呼吸去还原污泥中携带的硝氮,然后再进入厌氧区进行释磷反应。(题外话,这个工艺在有些资料上给归为JHB工艺,我认为知道工艺的原理就行,有些问题没必要去纠结。)

8、PASF工艺

针对A2/O工艺中各菌群间污泥龄需求矛盾的问题,近年来有很多研究提出将活性污泥法和生物膜法相结合(非泥膜共存工艺)以缓解这一矛盾。这时系统中就存在两类菌群:短泥龄悬浮活性污泥和长龄生物膜上附着的菌群,这样能很好的解决硝化细菌与聚磷菌间的泥龄矛盾。在此基础之上发展的工艺为PASF工艺,(见图15)。该工艺分为前后两段,前段采用活性污泥法,主要包括厌氧、缺氧、好氧、二沉等;后段采用生物膜法,主要采用曝气生物滤池或者加装填料的生物膜池。

该工艺中硝化作用主要集中在曝气生物滤池内,大量的硝化反应在二沉池之后完成,避免了污泥回流携带硝氮对厌氧释磷的影响。另外硝化菌和聚磷菌的分开更有利于营造最适宜各类菌群生长的环境。该工艺中,菌群分开专性较强,可以缩短各反应器的停留时间。同时,在前段活性污泥工艺中释磷菌在缺少好氧除磷的情况下,反硝化除磷菌(DPB)可以大量富集从而产生反硝化除磷反应,节省碳源、节省能耗。

该工艺在设计中,好氧池起到降低污泥沉降比、进一步降低BOD(不影响硝化反应)的功能,几乎不参与硝化反应,所以该池停留时间可以很短(1-2h)。

9、Dephanox工艺

Wanner(1992)首次提出Dephanox双污泥反硝化脱氮除磷工艺雏形(见图16)。

所谓双污泥系统就是硝化菌独立于反硝化除磷菌(DPB)而单独存在于固定膜生物反应器中。该工艺解决了聚磷菌和反硝化菌竞争碳源的问题(参照反硝化除磷原理),同时也巧妙的解决了活性污泥系统培养硝化菌需要的较长SRT这一不利条件。

在该工艺中,含DPB回流污泥首先在厌氧池完成释磷和储存PHB,经过快沉池分离后,富含DPB的污泥超越固定膜反应器至缺氧池,含氨氮的上清液直接进入固定膜反应器,进行好氧硝化,产生的硝化液流入缺氧池后与DPB污泥接触,完成反硝化除磷反应。由于DPB污泥没有经过好氧池,所以它体内的PHB几乎全用于反硝化吸磷作用。因DPB每吸收1份的正磷酸盐就需要7份的NO3--N,故而在污水中N/P低于7时,就意味着缺氧池中硝氮含量不足导致不能彻底除磷,因此需要在缺氧池后增加再曝气池,从而保证TP的稳定达标。

其实该工艺还有一定的缺陷,比如:①厌氧池中无法完全吸附有机物,导致固定膜反应器进水中携带有BOD,一方面抑制硝化反应,另一方面造成有机物的浪费和能耗的增高;②在进水氨氮偏高时,缺氧池中反硝化除磷菌不能彻底的去除硝氮,导致出水TN的升高。

3、总结

以上工艺是比较常规的脱氮除磷工艺,一些衍生工艺或者不常见的工艺就不在此一一列举了,如果有兴趣的话,可以自己查一下资料。如:VIP、BCFS、Enbnras、OCO、A2N-SBR、SBR、MSBR、CAST以及A2/O工艺衍生的工艺等等,这些工艺都是基于脱氮除磷原理产生的。

笔者认为脱氮除磷前文所述的工艺,可归结为碳源的分配(除反硝化除磷工艺外),每个工艺都有其优点,所以不能说哪个工艺最好,就看其适不适应进水水质(不考虑操作水平)。

现在环保要求越来越严,对于不少污水厂因为TN问题,给生化池中投加大量的碳源,来满足出水TN的要求,针对于这种污水厂来说,可以不用考虑生物除磷,毕竟生物除磷的成本比化学除磷的高的太多。


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