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. 30 No.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 ;2.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150090)摘要針對傳統污水生物脫氮除磷處理技術(shù)存在的問(wèn)題提出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出了城市可持續污水生物處理工藝。關(guān)鍵詞污水生物處理可持續生物脫氮除磷;反硝化除磷( DPB )中圖分類(lèi)號:TQ085+ .413文獻標識碼:A文章編號:1000-37700 2004 )02-0106-04值。1可持 續污水處理概念從氨氮的微生物轉化過(guò)程來(lái)看氨氮被氧化成針對傳統污水生物脫氮除磷處理技術(shù)存在的問(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)NH2 -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;盡可早在1975年Voet等就發(fā)現在硝化過(guò)程中亞硝酸氮能大的甲烷( CH4 )產(chǎn)量盡可能低的能量消耗相應積累的現象并首次提出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)這種將酸鹽再生處理水回用。硝化過(guò)程控制在亞硝酸階段的短程生物脫氮工藝具有以下特點(diǎn):對于活性污泥法,可節省氧供應量約2可持續污水生物脫氮技術(shù)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NH2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)硝化反硝化生物SHARON( Single reactor for High actiwity Ammonia脫氮。最近研究表明,生物脫氮過(guò)程中出現了一些Removal Orer nitrie )工藝是由荷蘭Delft 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中國煤化工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MHCNMHG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~ 359C )下亞硝酸菌的生長(cháng)速率明顯高于硝酸菌的生長(cháng)速率亞硝酸收稿日期2002-06-04基金項縣數推”資助項目( 2003AA601010 )國家十五"科技攻關(guān)項目( 2002BA860B04 );刀方效花源市教委科技發(fā)展計劃重點(diǎn)項目( K2003010000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NO2 .菌最小停留時(shí)間之間，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)出切實(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 Nirification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)工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)Gent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出水濃度相對較高,因此可以鍵是控制溶解氧濃度使硝化過(guò)程僅進(jìn)行到NHt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NH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NH2與NO2比例為1:形成N2。溶解氧濃度是硝化與反硝化過(guò)程中的重1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 I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。氧化受到明顯的抑制。研究表明低氧下亞硝酸大量2.4 CANON工藝CANON ( Completely autotrophic nitrogen removal積累是由于亞硝酸菌對溶解氧的親合力較硝酸菌overnitrite)江藝是將好氧亞硝酸化和厭氧氨氧化相.強。亞硝酸菌氧飽和常數一般為0.2~0.4 mg/L,硝結合的-種新型脫氮工藝。其原理是好氧氨氧化菌酸菌的為1.2~ 1.5mg/L。0LAND 工藝就是利用這及厭氧氨氧化菌具有共生關(guān)系。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2.5同時(shí)硝化反硝化硝酸氮大量積累。傳統觀(guān)點(diǎn)認為硝化與反硝化反應不能同時(shí)發(fā)2.2厭 氧氨氧化ANAMMOX )1990年荷蘭Delft 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 Ammonium化反硝化成為可能。近年來(lái)好氧反硝化菌和異養菌Oxidation )2] ,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 )5NH++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= - 297k]J/mol NHt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+NO2一→N2+2H2O在:硝化過(guò)程中堿度被消耗.而同步反硝化過(guò)程中產(chǎn)△G= - 358kJ/mol NHt生了中國煤化工反應器中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)MHCNMHG用。SND意味著(zhù)在同明反應可以自發(fā)進(jìn)行,厭氧氨氮化過(guò)程的總反應是一反應器相同的操作條件下硝化反硝化能同時(shí)進(jìn)一個(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供微生物生長(cháng)。因此,可以假定厭氧反應器中存在化反應同時(shí)進(jìn)行那么對于連續運行的SND工藝污微生物,它可配耨用氨作為電子供體還原硝酸鹽或水處理廠(chǎng),可以省 去缺氧池的費用或至少減少其容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。的需氧量以及減少50%的產(chǎn)泥量;不僅如此還避免了反硝化細菌和聚磷菌對有機物的競爭，也避免3可持續廢水生物除磷新技術(shù)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COD/N較低的情形。當進(jìn)水傳統生物除磷是指聚磷菌(PAOs)在好氧條件COD/N較高時(shí),由于缺乏足夠的NO; ,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,可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02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3.2.2 BCFS 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 - Fofaat - Sikstof高濃度氨氮廢水耗費碳源的量就更大。最近研究renvjdering工藝是由荷蘭DELFT科技大學(xué)在改進(jìn).發(fā)現存在反硝化除磷細菌( DPB - Dnitifying Phos-本國污水處理廠(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)02存在NO3 )工藝4] ,它充分利用DPB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02 ,而DPB為NO; )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)攝磷和反硝化(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-個(gè)細菌在同一個(gè)環(huán)境中完成。其結果攝磷和脫對專(zhuān)-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;而且/好氧池、好氧池)及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 反硝化除磷新工藝精環(huán)C3.2.1 DEPHANOX 工藝二沉池T天氧泊一選擇池缺氧池氧好氧名好氧站Fecl 1沉淀也厭氧進(jìn)水好駕好氧再康氣上消液回灣灣泥廣房十餅秀泥路店回流污泥圖2 BCFS 工藝流程圖富尚制金方泥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DEPHAOX[3] .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溶解氧可有效地實(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;分離后的負荷的控制。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中國煤化工泥的處理費用。利用化沉淀的污泥則跨越固定膜反應池進(jìn)入缺氧反應DPBMHcNMHGD)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COD/( N+ P )值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)藥的PHA)使其在下一循環(huán)中發(fā)揮最大放磷和PHA.劑量大大減少。使用生物除磷器獲得富含磷的污儲備能力。在藝不僅可以達到穩定的磷和氮的去泥使磷的循環(huán)利用成為可能。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( CH4 )相應盡可能減少CO2釋放;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)量磷酸鹽污泥可充分利用處理水也可回用。磷等新工藝進(jìn)行優(yōu)化組合作為推薦工藝應用到城市5結語(yǔ)污水處理中,做到最大限度的高效、經(jīng)濟、節能?？沙掷m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BCFSI藝理的改進(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CHL消化地酒化5泥據對于該技術(shù)的研究還需進(jìn)一步 深入。新設生吧料參考文獻:CANONQE出酥[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 35(9):如圖3所示為城市污水處理推薦工藝流程。坂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 ret al. Ammonium removal from concentrated wastestreams with the anaerobic ammonium oxidation ( ANAM-穩定后進(jìn)入初沉池;沉淀后上清液進(jìn)行BCFS工藝M0X ) process in diferent configura - tions[J]. Wat Res ,單元中完成反硝化和攝磷(關(guān)鍵步驟):然后在二沉1997 31 :1955- 1962.池中進(jìn)行泥水分離沉淀污泥和中間沉淀池產(chǎn)生的[3 ] Bortone G ,et al . Biological anoxic phosphorus removal - the污泥排入消化池在此進(jìn)行厭氧消化收集消化產(chǎn)生Dephanox proces[ J]. Wat Sei Tech ,1996 ,34( 1-2):119的CH4以作為能量使用,同時(shí)放磷消化的污泥排128.入磷沉淀池在其中投加Mg2+鹽進(jìn)行化學(xué)除磷沉[4] M C M Van Losdrcht ,e al. Upgnading of waste water淀的高磷污泥可作為農用肥料;隨后消化產(chǎn)生的高Treatment processes for integrated nutient 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 ) 209-211.URBAN SUSTAINABLE WASTEWATER BIOLOGICAL TREATMENT TECHNOLOGYWANG Xiao-lian' , PENG Yong- zhen' , WANG Shu-ying' ,MA Yong2，( 1. Beijing Municipal Key Lab of Enironment Recovery , Beijing University of Technology , Bejing 100022 , China ;2. Faculty of Municipa and Enwironmental Engineering , Harbin instiute 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 nitro-gen 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中國煤化工Key words :wastewater biological treatment ; sustaineable ; biolobilMHC N M H Gs removal ; DenitrifyingPhosphorus Removing Bacteri:( DPB )