城市可持續污水生物處理技術(shù)

第30卷第2期水處理技術(shù)Ⅴol.30No.22004年4月TECHNOLOGY OF WATER TREATMENTApr.,2004城市可持續污水生物處理技術(shù)王曉蓮彭永臻王淑瑩馬勇2(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市水環(huán)境恢復重點(diǎn)試驗室北京100022.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱1500000摘要計對傳統污水生物脫氮除磷處理技術(shù)存在旳冋題提岀了可持續污水處理的概念介紹了國內外生物脫氮除磷領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的若干新工藝為水處理工藝選擇提供了新思路、新方法在此基礎上提岀了城市可持續污水生物處理工藝。關(guān)鍵詞污水生物處理河持續生物脫氮除磷反硝化除磷DPB)中圖分類(lèi)號Q085+.413文獻標識碼:A文章編號0037xX200402-0106-041可持續污水處理概念值從氨氮的微生物轉化過(guò)程來(lái)看氮氮被氧化成針對傳統污水生物脫氮除磷處理技術(shù)存在旳問(wèn)硝酸氮是由兩類(lèi)獨立的細菌催化完成的兩個(gè)不同反題我們提出了可持續污水生物處理技術(shù)的概念以應應該可以分開(kāi)。對于反硝化菌無(wú)論是硝酸氮還盡可能的減少能耗、高效節能和污水可回用為目的是亞硝酸氮均可以作為最終受氫體因而整個(gè)生物的新技術(shù)推動(dòng)污水處理技術(shù)不斷前進(jìn)。本概念主脫氮過(guò)程也可以經(jīng)NH-NO2-N2這樣的途徑完成。要包含以下幾個(gè)內容:盡可能減少COD氧化可早在1975年Voet等就發(fā)現在硝化過(guò)程中亞硝酸氮能大的甲烺CH)產(chǎn)量浕可能低的能量消耗相應積累的現象并首次提岀了亞硝酸型生物脫氮(也可盡可能減少CO2釋放盡可能減小剩余污泥產(chǎn)量磷稱(chēng)為不完全或稱(chēng)短硝化/反硝化生物脫氮這種將酸鹽再生汰理水回用。硝化過(guò)程控制在亞硝酸階段的短程生物脫氮工藝具2可持續污水生物脫氮技術(shù)有以下特點(diǎn)對于活性污泥法,可節省氧供應量約25%降低能耗節省反硝化所需碳源40%在C/N2.1短程硝化/反硝化比一定的情況下提高TN去除率減減少污泥生成量長(cháng)期以來(lái),無(wú)論是在污水生物脫氮理論上還是可達50%減少投堿量縮短反應時(shí)間相應反應器在工程實(shí)踐中都認為要實(shí)現污水生物脫氮就必須容積減少節省基建費用。針對這些新發(fā)現開(kāi)發(fā)出使NH經(jīng)歷典型的硝化和反硝化過(guò)程才能完全被多種生物脫氮新工藝去除這條途徑稱(chēng)為全程或完全潲硝化反硝化生物SharON( Single reactor for High activity Ammonia脫氮。最近研究表明生物脫氮過(guò)程中出現了一些 Removal Over nitrite)藝是由荷蘭Delf技術(shù)大學(xué)開(kāi)超出傳統認識的新現象如亞硝酸型硝化硝化不僅發(fā)的脫氮新工藝1其基本原理是將氨氮氧化控制可以由自養菌完成而且異氧菌也可以完成好氧硝在亞硝化階段然后進(jìn)行反硝化。用 SHARON工藝化某些微生物在好氧條件下也可以進(jìn)行反硝化作來(lái)處理城市污水二級處理系統中污泥消化上清液和用。有些研究者在實(shí)驗中發(fā)現在厭氧條件下氨氮減垃圾濾岀液等高氨氮廢水可使硝化系統中亞硝酸少的情況。這些現象的發(fā)現為水處理工作者設計處積累達100%。該工藝核心是應用硝酸菌和亞硝酸理工藝提供了新的理論和思路具有較高的應用價(jià)菌的不同生長(cháng)速率即在高溫(30~35℃)亞硝酸菌的生長(cháng)速率明顯高于硝酸菌的生長(cháng)速率亞硝酸王曉蓮等,城市可持續污水生物處理技術(shù)107菌的最小停留時(shí)間小于硝酸菌這一固有特性通過(guò)者說(shuō)它可以利用硝酸鹽作為電子受體來(lái)氧化氨?？刂葡到y的水力停留時(shí)間使其介于硝酸菌和亞硝酸ANAMMOX工藝基本原理為氨的氧化與NO菌最小停留時(shí)間之間隊從而使亞硝酸菌具有較高的的還原相偶聯(lián)從理論上講并不新穎。本工藝的新濃度而硝酸菌被自然淘汰維持穩定的亞硝酸積累。穎之處在于利用生化原理開(kāi)發(fā)岀切實(shí)可行的生物脫在 SHARON工藝中通過(guò)提高反應器中的溫度,使氮的新工藝在較高溫度下增長(cháng)速率較快的亞硝化細菌占優(yōu)勢,2.3 SHARON和 ANAMMOX聯(lián)合工藝所以溫度和HRT值應嚴格控制。利用此專(zhuān)利工藝SHARON工藝可以通過(guò)控制溫度、水力停留時(shí)的兩座廢水生物脫氮處理廠(chǎng)已在荷蘭建成間、pH等條件使氨氮氧化控制在亞硝化階段目前OLAND( Oxygen Limited Autotrophic Nitrificati盡管 HARON工藝以好氧/厭氧的間歇運行方式處Denitrification氧限制自養硝化反硝化冮藝是由比理高氨廢水取得較好的效果但由于在反硝化中需利時(shí)cent微生物生態(tài)實(shí)驗室開(kāi)發(fā)。該工藝技術(shù)關(guān)要消耗有機碳源并且岀水濃度相對較高因此可以鍵是控制溶解氧濃度使硝化過(guò)程僅進(jìn)行到NH氧 SHARON工藝作為硝化反應器而 ANMMOX工藝作化為NO2階段。由于該過(guò)程缺乏電子受體使得為反硝化反應器進(jìn)行組合工藝。 SHARON工藝可以N氧化產(chǎn)生的NO2直接氧化未反應的NH而控制部分硝化使出水中的NH與NO2比例為形成N。溶解氧濃度是硝化與反硝化過(guò)程中的重從而作為 ANAMMOX工藝的進(jìn)水組成一個(gè)新型要因素研究表明低溶解氧下亞硝酸菌增殖速率加的生物脫氮工藝。聯(lián)合的 SHARON- ANAMMOX工快補償了由于低氧所造成的代謝活動(dòng)下降使得整藝具有耗氧少、污泥產(chǎn)量少不需外加碳源等優(yōu)點(diǎn),個(gè)硝化階段中氨氮氧化未受到明顯影響而亞硝酸具有很好的應用前景。氧化受到明顯的扣制。研究表明低氧下亞硝酸大量2.4 CANON工藝積累是由于亞硝酸菌對溶解氧的親合力較硝酸菌CANON( Completely autotrophic nitrogen removal強。亞硝酸菌氧飽和常數一般為0.2~0.4mgL硝 Over nitrite冮藝是將好氧亞硝酸化和厭氧氨氧化相酸菌的為1.2~1.5mg/。 OLAND工藝就是利用這結合的一種新型脫氮工藝。其原理是好氧氨氧化菌兩類(lèi)菌動(dòng)力學(xué)特性的差異實(shí)現了淘汰硝酸菌使亞及厭氧氨氧化菌具有共生關(guān)系。硝酸氮大量積累。2.5同時(shí)硝化反硝化2.2厭氧氨氧 ANAMMOX)傳統觀(guān)點(diǎn)認為硝化與反硝化反應不能同時(shí)發(fā)1990年荷蘭Delt技術(shù)大學(xué) Kluyver生物技術(shù)生而近年來(lái)的新發(fā)現突破了這一認識使得同時(shí)硝實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出 ANAMMOX工藝( Anaerobic ammoniun化反硝化成為可能。近年來(lái)好氧反硝化菌和異養菌Oxidation521即在厭氧條件下以NO3作為電子受的發(fā)現以及好氧反硝化、異養反硝化等研究的進(jìn)展,奠定了SND生物脫氮的理論基礎。當好氧環(huán)境與體將氨氮轉化為氮氣研究發(fā)現NO2是一個(gè)關(guān)鍵的缺氧環(huán)境在一個(gè)反應器中同時(shí)存在硝化和反硝化電子受體。由于該菌是自養菌不需要添加有機物在同一個(gè)反應器中同時(shí)進(jìn)行稱(chēng)為同時(shí)硝化反硝化來(lái)維持反硝化。發(fā)生的反應可以假定為SND- Simultaneous Nitrification and Denitrification b5NH+ 3NO→*4N2+9H2O+2H+同時(shí)硝化反硝化不僅可以發(fā)生在生物膜反應器中△G=-297kJ/ mol nh4如流化床、曝氣生物濾池、生物轉盤(pán)也可以發(fā)生在最近研究表明NO2也可以作為電子受體進(jìn)行活性污泥系統中如曝氣池、氧化溝。與傳統生物脫如下反應氮工藝相比sND工藝具有明顯的優(yōu)越性主要表現NH4 NO2N,+21,O在潲化過(guò)程中堿度被消耗而同步反硝化過(guò)程中產(chǎn)△G=-358kJ/ mol NH生了堿度SND能有效地保持反應器中pH穩定而根據化學(xué)熱力學(xué)原理,上述反應的△G<0,說(shuō)且無(wú)需外添加堿節省運行費用。SND意味著(zhù)在同眀反應可以自發(fā)進(jìn)行厭氧氨氮化過(guò)程的總反應是—反應器相同的操作條件下硝化反硝化能同時(shí)進(jìn)個(gè)產(chǎn)生能量的反應。從理論上講,可以提供能量行。如果能保證好氧反應器中一定效率的硝化反硝108水處理技術(shù)第30卷第2期積。對于僅由一個(gè)反應池組成的SBR反應器而言,除而且還可以減少50%的COD需求量和減少30%SND能夠降低實(shí)現完全硝化反硝化所需的總時(shí)間。的需氧量以及堿少50%的產(chǎn)泥量;不僅如此還避3可持續廢水生物除磷新技術(shù)免了反硝化細菌和聚磷菌對有機物的競爭,也避免了兩種細菌泥齡的差異該工藝還可以抑制污泥膨3.1反硝化除磷原理脹的發(fā)生。系統適合CODN較低的情形。當進(jìn)水傳統生物除磷是指聚磷菌(PAOs)在好氧糸件COυN較高時(shí)由于缺乏足夠的NOξ磷的去除不下吸磷在厭氧條件下放磷。而傳統脫氮除磷系統充足。這種情況下在缺氧池后增加的好氧池,使中缺氧反硝化細菌和聚磷菌競爭有機物聚磷菌必剩余的磷通過(guò)DPB利用O2作為電子受體來(lái)去除須在反硝化結束后,系統進(jìn)入完全厭氧狀態(tài)時(shí)才能3.2.2BCFS工藝進(jìn)行放磷這樣就必須增加碳源的投加量如果處理BCFS Biologische-Chemische- Fosfaat-Stikstof高濃度氨氮廢水耗費碳源的量就更大。最近研究 zerwijdering冮藝是由荷蘭DELF科技大學(xué)在改進(jìn)發(fā)現存在反硝化除磷細菌(DPB- nitrifying Phωos-本囯污水處理廠(chǎng)脫氮除磷效果基礎上發(fā)展起來(lái)的新phorus Removing bacteria)能在缺氧無(wú)O2存在NO3)工藝4,它充分利用DP的缺氧反硝化除磷作用以環(huán)境下攝磷。DPB被證實(shí)具有同PAO極為相似的實(shí)現磷的完全去除和氮的最佳去除對于城市污水除磷原理只是它們氧化細胞內貯存的PHA時(shí)電子在處理過(guò)程中無(wú)需添加化學(xué)藥劑。BCFS工藝將不受體不同而已PAO為O2而DPB為NO3)這使得同功能的細菌用空間分隔開(kāi)來(lái)并通過(guò)不同的循環(huán)攝磷和反硝倀脫氮這兩個(gè)不同的生物過(guò)程借助同系統來(lái)控制其生長(cháng)環(huán)境。BCFS工藝由5個(gè)功能相細菌在同一個(gè)環(huán)境中完成。其結果攝磷和脫對專(zhuān)一的獨立反應器厭氧池、選擇池、缺氧池、缺氧氮過(guò)程的結合不僅節省了脫氮對碳源的需要洏且好氧池、好氧池)3個(gè)循環(huán)系統構成(如圖2所攝磷在缺氧內完成可縮小曝氣區的體積(亦節省能示源)產(chǎn)生的剩余污泥量也有望降低3.2反硝化除磷新工藝3.2.1 DEPHANOX工藝厭解F選缺期追氯氧忍好氯泥定隕)上渡回萬(wàn)餅圖2BCFS工藝流程圖富剩泉BCFS工藝的主要特點(diǎn)對氮、磷的去除率高可使出水中總氮<5mg/L,正磷酸鹽含量幾乎為零。圖1 DEPHANOX工藝流程圖sⅥ值低(80~120ml/g)且穩定從而可有效地減少典型的反硝化除磷工藝為 DEPHAOⅹ3]工藝流曝氣池及二沉池的容積?？刂坪?jiǎn)單通過(guò)氧化還原程圖如圖1所示?；亓魑勰嗤瓿稍趨捬醭刂械姆帕纂娢慌c洿解氧可有效地實(shí)現過(guò)程穩定尤其利于對和PHA儲備后在中間沉淀池中泥水分離汾離后的負荷的控制。與常規污水廠(chǎng)相比其污泥產(chǎn)量減少上清液直接進(jìn)入隨后的好氧固定膜反應池進(jìn)行硝了10%從而進(jìn)一步減少了污泥的處理費用。利用化沉淀的污泥則跨越固定膜反應池進(jìn)入缺氧反應DPB實(shí)現生物除磷使碳源COD能被有效地利用池內同時(shí)完成反硝化和攝磷關(guān)鍵步驟)脫氮和攝從而使該工藝在CO(N+P相對低的情況下仍磷后的混合液再進(jìn)入曝氣池再生(氧化細胞內殘余能保持良好的運行狀態(tài)同時(shí)使除磷所需的化學(xué)藥王曉蓮等,城市可持續污水生物處理技術(shù)1094可持續城市污水處理推薦工藝反應最后處理清水同二沉池出水一起外排作為城市回用水。該推薦工藝充分體現了可持續污水處理以上污水脫氮除磷的新工藝在很大程度上可以概念能最大程度的減少COD氧化生成大量的甲解決目前傳統生物處理技術(shù)存在的問(wèn)題,為實(shí)現可烷αH4)相應盡可能減少CO2釋放瀧能減小剩余污持續污水處理可以將亞硝酸型生物脫氮、反硝化除泥產(chǎn)量潾酸鹽污泥可充分利用烻理水也可回用。磷等新工藝進(jìn)行優(yōu)化組合作為推薦工藝應用到城市污水處理中做到最大限度的高效、經(jīng)濟、節能。5結語(yǔ)可持續污水處理概念的提出為日后污水處理廠(chǎng)的設計提供了新的思路并且也為傳統污水二級處調BCFSIZ理的改進(jìn)提供新的解決措施。但以上所介紹的可持續污水處理新技術(shù)主要以工程試驗研究成果為依據對于該技術(shù)的研究還需進(jìn)一步深入參考文獻氯臺沒(méi)CANON藝[1] Jetten M S M,et al. Towards a more sustainable municipal圖3可持續污水生物處理推薦工藝wastewater treatment systen j]. Wat Sci Tech 1997 359)如圖3所示為城市污水處理推薦工藝流程。城171-180市污水首先進(jìn)入吸附調節池中在此進(jìn)行水質(zhì)均化[2] Straous M net al. Ammonium removal from concentrated waste穩定后進(jìn)入初沉池;沉淀后上清液進(jìn)行BCFS工藝streams with the anaerobic ammonium oxidation( ANAM-單元中完成反硝化和攝磷(關(guān)鍵步驟):然后在二沉MOX process inigura-tions[ J ] Wat Re池中進(jìn)行泥水分離沉淀污泥和中間沉淀池產(chǎn)生的【31ptea. Biological anoxic phosphorus removaDephanox proces[ J]. Wat Sci Tech, 1996(1-2): 119的CH4以作為能量使用同時(shí)放磷消化的污泥排入磷沉淀池在其中投加Mg鹽進(jìn)行化學(xué)除磷沉[4] M CM Van loosdrecht,etad. Upgrading of waste water淀的高磷污泥可作為農用肥料后消化產(chǎn)生的高Treatment processes for integrated nutrient removal-the溫高氨混合液進(jìn)入 CANON工藝處理單元進(jìn)行脫氮BCFS Proces J ]. Wat Sci Tech 1998 379)209-211URBAN SUSTAINABLE WASTEWATER BIOLOGICAL TREATMENT TECHNOLOGYWANG Xiao-lian, PENG Yong-zhen', WANG Shu-ying, MA Yong?(1. Beijing Municipal Key Lab of Enuironment Recovery Beijing University of Technology Beijing 100022, China2. Faculty of Municipa and Environmental Engineering, Harbin institute of technology, Harbin 150090, China)Abstract Aiming at the biological nitrogen and phosphorus removal technology for conventional wastewater, we introducethe conception about the sustainable treatment technology which deals with many new technologies about biological nitrogen and phosphorus removal in this paper and provides new idea and method for water treatment. On the basis of theabove the urban wastewater sustainable treatment technology is also introducedKey words wastewater biological treatment sustainable i biolobical nitrogen and phosphorus removal DenitrifyingPhosphorus Removing Bacteria DPB)