污水生物脱氮除磷新工艺的研究

2.2同时硝化反硝化

传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行,而反硝化在厌氧条件下完成,两者不能在同一条件下进行。然而,近几年许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象,尤其是有氧条件下的反硝化现象,确实存在于不同的生物处理系统中,如间歇曝气反应器、SBR反应器、Orbal氧化从沟、生物转盘及生物流化床等[12]。其机理一方面认为好氧条件下存在缺氧甚至厌氧的微环境,另一方面微生物的角度为好氧条件下同时存在好氧反硝化菌和异养硝化菌,这一现象将为生物法脱氮除磷指引一个研究方向。

同时硝化反硝化具有以下优点:①能有效保持反应器中pH值稳定,减少碱量的投加;②减少传统反应器的容积,节省基建费用;③对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲,该反应能够缩短硝化、反硝化所需时间;④能节省曝气量,进一步降低能耗。

2.3短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是将硝化控制在NO2-阶段而终止,随后进行反硝化。短程硝化反硝化可节省氧供应量约为25%,降低能耗,节省碳源40%,减少污泥生成量可达50%,减少投碱量,缩短反应时间和减少容积,但短程硝化反硝化的缺点是不能长久稳定地维持NO2-积累[13]。短程硝化反硝化工艺尤其适用于低碳氮比、高氨氮、高pH值和高碱度废水的处理。实现短程硝化和反硝化的关键在于抑制硝酸菌的增长,从而使亚硝酸盐在硝化过程中得到稳定的积累。短程硝化反硝化的典型工艺有SHARON工艺和CANON工艺。

(1)SHARON工艺

SHARON工艺是由荷兰Delft工业大学开发的脱氮新工艺,其基本原理是短程硝化—反硝化。即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后进行反硝化。该工艺核心是应用硝化细菌和亚硝化细菌的不同生长速率,即在操作温度30～35℃下,亚硝化细菌的生长速率明显高于硝化细菌的生长速率,亚硝化细菌的最小停留时间小于硝化细菌这一特性,通过控制系统的水力停留时间使其介于硝化细菌和亚硝化细菌最小停留时间之间,可以将硝化细菌从反应器中淘汰出去,使反应器中亚硝化细菌占据绝对优势,从而使氨氧化控制在亚硝化阶段,同时通过缺氧环境达到反硝化的目的[14]。工艺流程见图6。

(2)CANON工艺

CANON工艺通过控制生物膜内溶解氧的浓度实现短程硝化反硝化,使生物膜内聚集的亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌能同时生长,满足生物膜内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。CANON工艺无需外源有机物质,能够在完全无机的条件下进行。亚硝酸菌需要氧气,而厌氧氨氧化菌对氧气敏感,故CANON工艺必须在低氧环境中实施。CANON工艺目前在世界上还处于研究阶段,没有真正应用到工程实践中。

2.4厌氧氨氧化

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室研究开发。其基本原理是,在厌氧状态下以NO2-、NO3-作为电子受体,将氨转化为氮气。厌氧氨氧化是自养的微生物过程,不需投加有机物以维持反硝化,且污泥产率低,还可改善因硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的情况,对控制化学试剂消耗,防止可能出现的二次污染具有重要意义。因此厌氧氨氧化的优点是:可以大幅度降低硝化反应的充氧能耗;免去反硝化反应的外加碳源;可节省传统硝化反硝化反应过程中所需的中和试剂;产泥量少。

由于SHARON工艺在反硝化过程中需要消耗有机碳源,并且出水亚硝酸盐浓度相对较高,因此以该工艺作为硝化反应器、ANAMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合,可以有效提脱氮效率。将SHARON工艺的出水作为ANAMMOX工艺的进水,将氨氮和亚硝酸盐在厌氧条件下转化为N2和水。工艺流程见图7。

SHARON-ANAMMOX联合工艺适合处理高浓度氨氮废水而不需外加碳源,与传统工艺相比,耗氧量节约50%,同时减少CO2的排放,污泥产量少,与其他工艺相比对环境造成的污染小,具有良好的应用前景。

3生物脱氮除磷技术的发展趋势

污水排放标准的不断严格是目前世界各国的普遍发展趋势,以控制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚,投入的资金也十分有限,研究水平仍处于发展阶段。目前在生物脱氮除磷技术基础理论没有重大革新之前,充分利用现有的工艺组合,开发技术成熟、经济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方向,主要体现在:

(1)生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发,优化生物脱氮除磷组合工艺,开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合工艺。

(2)持续污水处理工艺,朝着节约碳源、降低CO2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。

(3)开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。

4结语

反硝化除磷、同时硝化与反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等生物脱氮除磷技术都是突破传统生物脱氮除磷原理基础上发展起来的新技术,都是朝着经济、高效、低耗的可持续方向发展的生物脱氮除磷新技术。研究者们对这些新技术已进行了较为深入的研究。并且,有些新技术都已经运用于实践中。但这些新技术的原理、工艺还不够成熟,其原理、工艺及其影响因素还有待于进一步的研究。

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