生物脱氮除磷

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生物脱氮除磷新工艺运行及影响因素分析环境工程20100897査双兴摘要：本文主要从生物脱氮除磷的机理，新工艺，和影响因素三个方面进行了分析，探讨了生物脱氮除磷的发展前景。关键词：生物脱氮新工艺运行影响1生物脱氮除磷机理1.1生物脱氮机理1.1.1传统生物脱氮机理⑴传统牛物脱氮理论认为工物脱氮主要包括硝化过程和反硝化过程2个牛化过程，并山有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。氨化作用是将有-机氮在生物处理稳定化过程屮氧化为氨氮。污水屮的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。蛋白质可以作为微牛物的基质，它在蛋白质水解陆的催化作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用使有机氮转化为氨氮。硝化作用是由2组自养型好氧微生物通过2个过程来完成。第一步是亚硝酸菌(包括硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属)将氨氮氧化成亚硝酸盐氮，第二步是硝酸菌(包括硝酸杆菌加、螺菌属和球菌属)将亚硝酸盐转化为硝酸盐。这2组菌统称为硝化菌。反俏化作用由界养兼性微牛•物完成。在有分子氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体；无分子氧存在时以硝酸根、亚硝酸根为电子受体、O'一为受氢体牛成H0和0厂，有机物作为碳源和电了供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化过程中硝酸根和亚硝酸根的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用共同完成，同化作用是硝酸根和亚硝酸根被还原为NH：＜用以新细胞的合成。界化作用是硝酸根、亚硝酸根被还原为N：或NO、No等气态物,主要为2⑵。1.1.2其它生物脱氮机理(1)短程硝化/反硝化传统硝化工艺小将氨彻底氧化成硝酸盐(全程硝化)，其主要目的是根除氮索的耗氧能力并避免亚硝酸盐对生物的毒害作用。对于生物脱氮来说，硝化过程中从N02-转化为N03-为反硝化过程中N03-转化为N02-这2个过程是一段多走的路程，完全可以省去。从微生物水平上來说，氨氮被氧化成硝酸氮是由2类独立的细菌催化完成，对于反硝化菌无论是硝酸氮还是亚硝酸氮均可以作为最终受氢体。试验证明，整个生物脱氮过程也可以经XH4+—N02-)—N2这样的途径完成,这个途径就叫做短程硝化/反硝化(Short-cutNitrification/Denitrification)。这降低了硝化所需的充氧能耗，减少了外加碳源，省去了中和硝化产酸带來的药剂耗⑶。(2)厌氧氨氧化(ANAMMOX)1977年，奥地利化学家Broda预言白然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应,并认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌⑷。直到20世纪80年代末,荷兰DelftI业大学Mulder等在研究三级生物处理系统中才发现了这种隐藏于自然界的H养型细菌，并于1990年由该校Kluyver生物技术实验室开发了ANAMMOX(AnaerobicAmmoniumOxidation)[5]o其原理即在厌氧条件卜"，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮转化为氮气，或者是以氨氮为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气。该工艺小亚硝酸盐是一个关键 的电了受体。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电了受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子供体叭1.2生物除磷机理1・2・1传统生物除磷机理对废水牛•物除磷过程屮的除磷机理曾有2种不同机理：一是牛物诱导化学沉淀作用，二是生物过量聚磷作用，口前普遍认可的生物除磷理论是聚磷菌(Poly—phosphateAccumulatingOrganisms)的摄磷释磷原理⑹。在厌氧区(无分子氧和硝态氮)兼性菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为乙酸盐等低分子挥发性有机物(VFAs)o在厌氧条件卜，聚磷菌吸收了这些或来口原污水的VFAs将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源储存物(PHB/PHV),所需能址来源于聚磷的水解及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。在好氧条件下，这些专性好氧的聚磷菌(PAOs)活力得到恢复，以02为电子受体，氧化胞内贮存的PHB及利用产生的能量过量地从环境中摄磷，在聚磷菌细胞内合成多聚磷酸盐加以积累，以聚磷酸高能键的形式存储最后通过排放过量摄磷的富磷活性污泥，将磷除去。1・2・2反硝化除磷机理反硝化除磷细菌(DPB—DonitrifyingPhosphor—USRemovingBacteria)能在缺氧(无但存在N03-；)环境下摄磷。DPB的生物摄/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学(TUDelft)和LI木东京大学(UT)研究人员所证实W它貝有同PAOs极为相似的除磷原理，只是氧化细胞內贮存的PHA时电子受体不同而已(PAO为02,而DPB为N03-；)。这使得摄磷和反硝化(脱氮)这2个不同的生物过程借助同一个细菌在同一个环境屮完成，反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和牛物除磷这2个原本认为彼此独立的作用合二为一⑼。摄磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要；而且摄磷衣缺氧内完成可缩小曝气区的体积(亦节省能源)；产牛•的剩余污泥餐也有望降低。1生物脱氮除磷新工艺2.1ECOSUNIDE工艺本工艺是以张雁秋等人提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论为依据，创造出在特殊工艺条件下，提高了活性污泥中的硝化菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢，实现了短时高效脱氮，最终研发出城市污水高效脱氮处理新工艺。该工艺与传统生物处理工艺比较，主要是根据统一动力学理论发现了生物因了非线性反应增长现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度Z间呈非线性关系，增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌在生物相中所占的比例。根据以上提出的几种理论，可以归纳出：高污泥浓度对硝化冇利；控制动力学负荷町以控制硝化微牛物与脱碳微牛物之间的营养竟争关系,造成低底物浓度坏境，进一步促进硝化；依据回流比影响回流污泥浓度及系统内底物浓度理论，通过计算机寻优找出最住回流比；通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。该工艺的最人特点是通过分点一多点特殊配水造成的高污泥浓度，生物系统长期处在高污泥浓度及低营养状态下工作，使俏化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖处于牛•长优势，提高了脱氮效率，同时使得生物反应池总停超时间减短，减少生化池的总容积，进1佃缩短占地而积，与传统工艺和比可减少投资20%。该工艺结合了节能集成技术、高效曝气技术、无内回流技术、高污泥浓度梯度污泥减量技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术，池内无搅拌器、无回流泵、污泥减量使脱水系统设备减少30%,节约了运行费用。EC0SUNTDE工艺在实际中也有广泛高效的应用。张雁秋等人通过该工艺对临沂市污水处理厂原先的氧化沟工艺进行改造，比使用传统丄艺改造节约了27oo万元，以较低的投资和运行费用，实现了高效脱氮除磷。排水水质由原先的仅达到城镇污水处理厂排放标准二级标准到改造后的达到一级标准，一些主要指标达到了一级标准。1.2厌氧氨氧化 ANAMMOxI艺是由荷兰De1ft技术大学生物技术实验宗研究开发的，是指在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮转化为氮气。由于无需外加冇机物作电了供体，因此节省酸碱中和试剂，无二次污染，节省供氧能耗，运行费用较低，成为该领域研究的热点。厌氧氨氧化是自养的微牛•物过程，不需要投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低，是目前已知的最简洁和最经济的牛物脱氮途径。此外还对以改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗，防止可能出现的二次污染具有重大意义。Van等研究小组将ANAMMOXI艺与SHARONI艺（该工艺也是由荷兰开发的新工艺，其核心是应用在高温下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被自然淘汰，反应器中亚硝酸菌占优势，使氨氧化控制在亚硝化阶段）结合，对污泥消化;I冰进行了研究。试验结果表明,氨态氮的去除率达到83%。联合工艺氧气需要量仅为17kgO2/kgN,且儿乎不需要外加碳源。可见在氧气需要量和外加碳源上，该联合工艺明显优于传统的牛物脱氮工艺。这种联合工艺完全突破了传统半物脱氮工艺的基木概念，从一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题，但盂要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。山于厌氧氨氧化牛.物脱氨技术在经济方血的独特优势，将会成为未來污水生物脱氮技术发展的主流，但厌氧氨氧化菌的生长速度非常缓慢，世代期约为11天，对氧非常破感，因此该工艺尚难应用到实际工程屮。目前国内外学者的研究重点是在特定厌氧反应器中如何实现并维持足够的生物屋，提高厌氧氨轨化菌的活性和脱氮效率，以及厌氧氨氧化反应器接种污泥的来源问题。1.3生物倍增工艺牛物倍增污水处理工艺是徳国恩格拜环保技术公司在多年來的科学研究和实践经验基础上开发岀的一项先进的污水处理技术。该工艺主要是通过特殊材料制成的可防止堵塞的曝气系统、生物除磷系统、空气提升系统及快速澄清装置，将牛物脱氮除磷、有机物的氧化去除、污泥的硝化稳定等各工艺全部协调在同一反应池内同吋进。此工艺把现有污水生物处理工艺的优点理想地结合起來，把曝气池与二沉池组合在单池内，池内各部分顺次完成污水处理的各个工艺过程，包括有机物的需氧降解、同时硝化反硝化牛物脱氮、使川特殊设计的斜管实现泥水分离、控制低氧环境实现污泥低增长低产出、反硝化乞物除磷、使用碱性物质强化对污染物的去除。该工艺把功能微生物去除过程集中在单一池内协同进行，并在池内设澄清区（相当于二沉池）。采用连续进水，连续运行。由于工艺是在同一反应器中进行，可以为同步硝化反硝化创造了有利的环境。因为在低溶解氧条件下培养驯化的活性污泥颗粒小,污泥活性相对较低，异养菌朱长缓慢，因此，活性污泥外表不易形成隔离膜，活性污泥可与氧气及可溶性有机物宜接接触，实现氨氮的硝化。避免过程屮硝态氮积累而对硝化反皿产生抑制，加速硝化反应的速度；而几反硝化反应中所释放出来的碱可部分补偿硝化反应所消耗的碱，使系统中pH值相对稳定。3生物脱氮除磷影响因素2.1影响生物脱氮主要因素山讪（1）溶解氧（D0）硝化反应，D0浓度--般应在2.Omg/L以上，最低极限是0.5〜0.7mg/L|fij对于反硝化，反硝化菌是界养型兼性厌氧菌，需要缺氧的环境，D0—般在0.5mg/L以下。（2）温度硝化反应的温度范围为5〜40°C,适宜温度为20〜30°C,反硝化的适宜温度为20〜40°C,低于15°C,硝化反硝化速率极低。(3)有机碳硝化菌是自养型，其生存率远小于氧化有机物的界养菌，当好氧池中有机物浓度较高时，硝化菌为劣势菌种，当B0D5小于2Omg/L,硝化反应才不受影响。而反硝化则需要充足碳源为能源，否则反硝化不彻底。 (4)pH值亚硝酸菌最适pH值为&0〜8.4,硝酸菌的最适pH值为6.5〜7.5,反硝化最适宜的pH值为6.5〜7.5。当pH低于6.0或高于9.6,硝化反硝化将受到影响，甚至反应将停止。(5)泥龄(SRT)硝化菌属于口养菌，生长缓慢，世代时间较长。要保持硝化菌群在活性污泥系统屮的比例，就必须保证SRT人于最短的世代时间。一般SRT应大于10d(6)有壽有害物质许多物质对硝化菌有毒害作用，如某些重金属、复合阴离子和有机化合物等，会干扰细胞的新陈代谢，破坏细菌最初的氧化能力。另外，过高的氨氮浓度对硝化反应会产生基质抑制作用。1.2影响生物除磷过程主要因素(1)溶解氧在释磷区，应保持严格厌氧，DO小于0.2mg/L；吸磷过程，耍保持充足的D0,一般D0应控制在2.Omg/L以上。(2)温度温度范围为5〜30°C,厌氧释磷和好氧吸磷受温度的影响十分明显，在15〜20°C,好氧吸磷速度达到最大。(3)pII值生物除磷pII值为7〜8,pll值低于5.2,会引起细胞结构和功能的破坏，造成无效释磷。一般厌氧区的pH在6〜8。(4)硝态氮一方而，厌氧区的聚磷菌主要是以VFA为碳源完成聚磷的水解和解放，如有硝态氮存在,气单胞菌就不会产酸，聚磷菌所能获得的VFA就少；另一方面,气单胞菌会利用硝态氮进行反硝化，消耗水中的碳源有机物，硝态氮•聚磷菌争夺碳源，这对聚磷菌的厌氧释磷是非常不利的，厌氧区的硝态氮浓度应控制在1.5mg/L以下。(5)有机负荷和有机质类型较高的有机负荷对除磷有利，一•般认为，进水屮B0D/TP应大于20,才会获得较好的除磷效果。有机质的类型对厌氧释磷有重要影响，分子量较小的冇机物易于被聚磷菌利用。(6)泥龄生物除磷主要通过排出剩余污泥实现的，因此，SRT越短，排放的污泥最越多，除磷的效率越高。SRT—•般为3.5〜7.Odo总结：综合以上的研究，可看出牛•物脱氮除磷工艺获得了长足的发展，新技术有了一定的突破，前景良好。 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