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前沿:反硝化脱氮除磷工艺发展及调控

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近年来,国内外学者研究确认了兼性反硝化细菌的生物摄/放磷作用,并冠名为“反硝化除磷菌”(Denitrifying Phosphorus-Removal Bacteria, DPB),其在缺氧条件下能够以硝酸盐氮取代氧作为电子受体,通过代谢作用同时完成过量吸磷和反硝化过程,达到脱氮除磷的双重目的。比较传统的专性好氧除磷菌的除磷工艺,分别减少约50%的COD耗量和30%的氧的消耗量,相应减少50%的剩余污泥量,有效避免COD单一的氧化稳定至CO2,使释放到大气的CO2量明显降低,被视为一种可持续发展的污水处理技术。8 p* v: J3 a1 G8 e- Y© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]& f' u; a  s+ j4 T8 W+ z1  反硝化除磷工艺研究进展2 H2 f. J6 Z7 Z, p3 G, j- E© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]% z% r- D0 w9 j( `5 c7 _1.1 单污泥系统脱氮除磷工艺, W7 U5 M) m( t+ E1 g© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]% ]" `& E2 i! Q' E1) UCT工艺及MUCT工艺/ p7 m& h6 S1 ~9 F© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]/ M4 `9 d& |+ D" L% @1 I南非Cape Town大学于八十年代在传统脱氮除磷的基础上,开发出了UCT工艺及MUCT工艺(图1和图2)。与传统A2O工艺不同的是,污泥回流首先回流至缺氧池,并增加了缺氧池至厌氧池的混合液回流,这有效地避免了污泥回流中硝酸盐氮对厌氧释磷的不利影响,提高了生物除磷的效果。+ c) J7 [4 g2 `8 @# z& i© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]' a4 V7 r1 b5 k! j; w; E- D 环保之家.JPG ( n" ~, Z  f2 A/ r# r© 2tech.cn
图1 UCT工艺流程图; ?) @+ \9 t* Q4 v3 p( O# ~4 D# A3 Q© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]: N2 O* j2 a2 j: Y9 U7 f荷兰Delft科技大学Kuba等分别对Genemuiden和Holten污水厂UCT工艺运行结果进行对比研究,Holten污水厂活性污泥中约有30%~50%的聚磷菌,而50%聚磷菌具有反硝化吸磷能力,系统出水总磷浓度为0.1 mg/L,系统除磷效果很好。曾薇等分别采用A2O工艺和MUCT工艺处理生活污水研究发现,设置预缺氧区的A2O工艺和MUCT工艺均表现出较好的反硝化除磷性能,提高了碳源的利用效率。' E% a, X9 y, c4 s2 g© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]5 B* Q, I, B- n* v  g 环保之家1.JPG 0 P9 _, ~  Z8 j5 F/ J. K- T© 2tech.cn
图2 MUCT工艺流程图, M8 d9 Q% J2 E( d0 m  V© 2tech.cn
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2) BCFS工艺* `- ?% u$ Y) _2 x5 z+ Q9 C# r© 2tech.cn
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为最大程度地建立反硝化除磷菌富集环境,1996年荷兰Delft科技大学开发了BCFS工艺,其工艺流程如图3所示。BCFS工艺被认为是改良的UCT工艺,强化生物除磷的同时,在厌氧段增设化学除磷单元,提高了整体工艺的除磷效率。
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© 环保之家[2tech.cn]; f4 }) g7 P. u4 _# y; B8 b! y 环保之家2.JPG 3 L  _8 L+ z9 E' {) ]© 2tech.cn
图3 BCFS工艺流程图# ~4 k1 ]) R3 @$ J1 \© 2tech.cn
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与UCT工艺相比具有以下不同:回流污泥与厌氧段混合液在接触池进行接触,反硝化异养菌利用厌氧释磷剩余的有机物,将回流污泥中的部分硝酸盐氮还原为氮气,剩余的硝酸盐氮与富含硝酸盐氮的污水回流(QB)进入缺氧池,在DPB作用下同时进行反硝化脱氮和超量吸磷,在充分降低缺氧池回流混合液(QA)中的硝酸盐氮浓度后,保证了厌氧池的绝对厌氧状态,避免PAOs与反硝化异养菌对底物的竞争。
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1.2双污泥系统脱氮除磷工艺
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1) Dephanox工艺
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© 环保之家[2tech.cn]4 m; `" @' F7 q) W0 D1992年Wanner研究开发的Dephanox工艺是典型的双污泥系统,在低有机底物的条件下同时进行脱氮除磷,其工艺流程如图4所示。# D$ d5 _% d) C) m  e© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]6 m  e3 U8 C  ?# Z 环保之家3.JPG - V) w0 _% [+ i/ `, {% K; P© 2tech.cn
图4 Dephanox工艺流程图! r6 p5 K" R% `. `© 2tech.cn
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Dephanox工艺具有以下工艺特性:
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1)厌氧池出水进行泥水分离,富含氨氮的上清液进入生物膜反应器进行硝化反应,为后续反应提供充足的电子受体;4 c9 p. ~1 F. h9 D2 P© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]. H# c2 i/ I$ j  c+ L4 C- _/ R2)厌氧释磷后的污泥则超越至缺氧池,以硝酸盐氮作为电子受体进行反硝化吸磷反应;* u, b! ]) S7 b# T/ X* s' g© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]( z$ d, H' G- v0 i2 I: B6 ~3)后置二次氧化池短时曝气,作为辅助吸收剩余的磷。
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因此,Dephanox工艺实现了在消耗较少的COD的条件下,同步去除氮磷。
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邹海明等将Dephanox工艺进行改进,将厌氧沉淀后增加结晶磷回收柱实现磷的回收,降低污泥产量,同时将污水中的磷结晶在晶种上回收再利用,具有潜在的市场价值。# c' o2 S) j# ~& [9 P© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]( [1 g$ n1 S& s% q2) A2N-SBR工艺% }' P5 {4 t. `( T) l© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]6 i8 ?5 r1 V, ZA2N-SBR工艺是将双污泥系统与序批式反应器进行有机结合开发而成,主要由厌氧/缺氧序批式反应器(Anaerobic/aerobic SBR)和硝化序批式反应器(SBR for Nitrification)构成,工艺流程如图5所示。A2N-SBR工艺具有以下工艺特性:& G. G+ x9 ]+ j0 `, R. \  c3 o© 2tech.cn
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1)实现硝化菌与DPB相互独立,满足了硝化反应所需的最小泥龄;
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2)采用后置反硝化,避免了反硝化菌和DPB对有机底物的竞争,理论上除磷效率可以达到100%。* W# S- U% O% N5 Y/ o© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]# t/ D: t5 ?7 E( E6 H图5 A2N-SBR工艺流程图- W9 _  C4 s0 P: g/ }2 Y© 2tech.cn
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1.3 工艺存在的问题7 |$ J& b* `- l; M, v9 Y, _' R8 R© 2tech.cn
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反硝化除磷工艺历经了从单污泥到双污泥系统的发展与探索。单污泥系统大多基于传统脱氮除磷工艺的改造与优化,因此存在以下缺陷:8 i# Z, P. a8 N, z$ f© 2tech.cn
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①低温条件下(一般低于15℃),为满足完全硝化反应需要很长的污泥停留时间,一般大于15d,系统污泥负荷较低,构筑物体积较大,投资成本较高;
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© 环保之家[2tech.cn]# N7 d/ ?, K0 P" o3 f2 }②聚磷菌、反硝化聚磷菌、硝化菌和反硝化异养菌共生于一个体系中,反硝化聚磷菌对基质和营养物的竞争力不强;
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③为满足聚磷菌在厌氧条件下充分释磷,污泥和混合液回流次数多、回流量大,控制较复杂,操作要求较高。
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© 环保之家[2tech.cn]; U5 {& x) j, k  w/ \" i; j1 O0 Z! @双污泥系统虽然解决了聚磷菌和反硝化异养菌对基质和营养物竞争的问题,同时为硝化细菌创造了最佳生长环境,但工艺还需解决以下问题:" N2 t0 M5 {! K3 x! F5 l* T) ~© 2tech.cn
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①污泥具有较强的吸附性能,存在有机物被污泥吸附后带入缺氧段,进而影响缺氧吸磷的可能。5 p  w" v0 L) `& Q5 V' B5 I5 c© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]' v- N" V; z& L* i, K. ?' D②活性污泥中丝状细菌的过度繁殖会导致污泥沉降性变差,无法满足厌氧释磷后的泥水分离效果。( R3 H( o, f4 P3 h1 n© 2tech.cn
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2 反硝化除磷工艺的调控因素# \' f' m1 v) F+ L/ S- A© 2tech.cn
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2.1 进水C/N和C/P比
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© 环保之家[2tech.cn], e* ~" T: ~8 j' p7 a3 C- x废水反硝化除磷工艺中,厌氧段有机基质的含量、种类及其与微生物营养物之间的比例关系是影响聚磷菌释磷、缺氧吸磷效果的重要条件。首先进水COD应满足反硝化除磷工艺厌氧释磷的要求,其含量越充足则释磷越充分,后续缺氧吸磷能力也越强。在实际工程中,大多无法满足电子供体和电子受体不能共存的理想除磷环境,所以在满足厌氧段充足碳源及缺氧段足量硝酸盐的同时,应控制进水的C、N和P符合最佳比例关系,以达到最佳的处理效果。
© 环保之家[2tech.cn]4 c& h" e; ?7 X2 m" R2 L  W0 n+ T5 P. T0 i" z" |) x© 2tech.cn
表1 C/N、C/P对反硝化除磷工艺的影响
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反硝化除磷工艺
C:N
C:P
脱氮率(%)
除磷率(%)
A2NSBR
3.4
20~30
80.2
100
A2O
2.44~3.45
33~46
74.4
84.5%~100
A2N双污泥系统
3.94~7

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80.99~92.70
87.03~92.95
SBR
6.7
28.5
98.4
90
SBR
3
42
77
95
AAO-BAF
4~7
78
90
7 ?5 z# K* U7 M% K  B© 2tech.cn
由表1可知,上述反硝化除磷工艺在低碳源的条件下,均保持较高的同步脱氮除磷效率,而各工艺的最佳C/N比和C/P比不尽相同,分析原因可能是各工艺中采用的进水碳源不同,导致活性污泥中反硝化除磷菌(DPB)所占比例不同,因此在实际工程中应深入分析进水水质,确定最佳C/N比和C/P比。考虑进水水质的变化,为保证出水水质,应设置碳源投加装置及硝酸盐投加装置作为备用碳源和硝酸盐氮源。
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© 环保之家[2tech.cn]  ?, Q0 B9 u/ \- Q1 E0 k6 H( w2.2 固体停留时间(SRT)
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© 环保之家[2tech.cn]% i- Y+ v8 b1 Y. L固体停留时间(SRT)反映了活性污泥系统中微生物生长状态、生长条件及世代周期等基本特性,是反硝化脱氮除磷设计、运行和研究的一项重要技术参数。罗亚红等采用一种改良A2O工艺富集反硝化除磷菌过程中发现,反应器在SRT=19.6d时,系统脱氮除磷效果最好,同时DPAO占比最高。一般情况下,反硝化除磷最佳的SRT应控制在10~14d。2 U1 y) S- |% m' P: V, B* X© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]: c2 ^. |. A: ]0 ]; D  O5 z2 N2.3 水力停留时间(HRT)0 Q6 i4 P$ Z- Y© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]' p! R% r' A& _5 l" M" B; ~+ {厌氧段HRT太长,反硝化除磷菌无效释磷,太短又不能满足将进水COD完全转化为PHB,影响系统脱氮除磷效率。一般情况下,厌氧段HRT宜控制在2h。缺氧段HRT太短,反硝化聚磷效果不充分,使缺氧后磷酸盐和硝酸盐的浓度均较高,而HRT过长,则反硝化吸磷结束,系统由吸磷转为二次释磷。研究表明,缺氧时间设定为4.5h时,脱氮除磷效果最好。2 k9 K1 @( \6 M1 D© 2tech.cn
! P. Q7 }" T" p. N& m0 f' U& V' r© 2tech.cn
2.4 硝态氮(NO3-、NO2-)
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氮元素的存在形态及所处生化阶段对生物除磷工艺有重要的影响。若进水中含有NO3-或NO2-,则反硝化异养菌优先利用碳源进行反硝化,而抑制聚磷菌的释磷和PHB的合成。而缺氧阶段反硝化吸磷的效果又与硝酸盐氮的含量有关。研究表明,在一定条件下(NO3-<30 mg/L时),缺氧吸磷速率与NO3-呈正相关。而NO3-含量过低,电子受体缺乏,反硝化吸磷受到限制,甚至会引起“二次无效释磷”。
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亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化吸磷一直备受关注,亚硝酸盐对反硝化除磷的抑制影响各不一致。侯红勋等研究发现NO2-对反硝化除磷抑制影响与pH值有关,这为反硝化除磷工艺的进一步研究提供了新的研究方向。' w6 R0 q$ A5 j8 R( Q9 E) {! w* F© 2tech.cn
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2.5 其他影响因素( C7 f. q, o" i5 F6 H8 [# Q6 b/ R© 2tech.cn
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1) 溶解氧DO。厌氧池中溶解氧的存在,对聚磷菌释磷及合成PHB产生严重影响,因此,厌氧段溶解氧应严格控制在0.2 mg/L以下,即ORP在-200~-300 mV。实际运行中,可设置前置厌氧段脱氧或封闭运行厌氧段消除回流污泥夹带溶解氧的问题。( f; j% ?/ p- ^9 f' Z; v© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]5 X) z4 A; w# f0 T& @/ ^2) pH值。pH值对DPB厌氧释磷影响较大,随着pH值增大则P/C值也随之提高(即消耗单位乙酸将会有更多的磷释放),但当pH值过高时,将引起磷酸盐沉淀而除去,干扰反硝化除磷,P/C会有所降低,厌氧段pH值一般应低于8.0。
© 环保之家[2tech.cn]+ S. c1 C5 i6 E- ]+ W, b  x+ B# {/ M% g/ [* S" K- j© 2tech.cn
3) 污泥浓度(MLSS)的影响。研究认为污泥浓度和系统的除磷效果成正比,而单位污泥的反硝化速率变化趋势则相反。污泥浓度增加的同时,增大了水的粘度,降低了氧气、营养物质的传质速率,因此,在工艺设计中应设置适宜的污泥浓度。' R, a% k& T: X- r© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]1 }- J( C/ [9 L' Z6 H3  结 论& V: ?( y& o: V$ W© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]' p! f$ W6 d1 A! Y+ b/ J6 ]: s反硝化除磷工艺较好地将脱氮和除磷有机结合,是一种节能减排、低能耗高效的水处理技术,对于我国低碳源的城市污水具有良好的应用前景。目前反硝化除磷工艺今后的研究应集中在以下三个方面:! z" Q: i! n: e+ T- p) R© 2tech.cn
. \# m. j2 N+ U, s4 ~' W( B© 2tech.cn
1) 目前国内外在多种工艺中已成功富集出DPB,然而对DPB种群研究目前报道较少,通过对DPB微生物的理化特性及机理进行深入研究和探索,促进高效反硝化除磷工艺的开发及推广。3 [5 @* E2 e- O) @: d1 t© 2tech.cn
( E3 O* F$ {0 l- \© 2tech.cn
2) DPB的数量占比及DPB反硝化除磷速率最终决定着工艺整体的脱氮除磷的效果。要开发高效可靠的生物除磷工艺技术的基本因素就是最大限度地实现PHB的合成和缺氧吸磷利用。因此,如何控制碳源、硝酸盐氮源和停留时间,将是反硝化除磷运用到实际工程中需要解决的问题。
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3) 开发高效可靠的生物除磷工艺,应考虑与现有污水处理厂的结合,通过原位升级改造,优化工艺参数,在稳定达标排放的同时,降低工程投资。作者: ​张 杰
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