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生物脱氮除磷的发展简史!

北极星水处理网  来源:环保工程师  作者:曹佩  2020/12/30 10:22:18  我要投稿  
所属频道: 太极环保  关键词:生物脱氮除磷 脱氮工艺 碳源

北极星水处理网讯: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。

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。

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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)。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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