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摘要水体富营养化对水环境构成严重的威胁,是当今世界性的水污染治理难题。加强城市污水的处理,提高城市污水处理厂出水的氮、磷指标,控制氮、磷等营养物质进入水体,是解决水体富营养化的重要途径。介绍城市污水处理脱氮除磷新工艺——分点进水高效脱氮工艺、厌氧氨氧化工艺,对其特点和实际中的应用进行总结,并对前景提出展望。
关键词水体富营养化;生物脱氮除磷;分点进水高效脱氮工艺
中图分类号X7文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0085-01
随着水体富营养化问题的日益尖锐化和社会发展对环境要求的提高,污水脱氮除磷技术已经成为污水处理领域的热点和难点。传统工艺存在基建投资大、运行费用高(硝化充氧能耗高、市政污水厂需投加碳源和碱等)、能量浪费等一系列问题。此外,传统工艺的脱氮效率受进水水质的影响,低碳源污水在不投加外碳源的情况下,其脱氮效率低。因此,研究和开发高效、经济的脱氮工艺成为当前城市污水处理的热点。随着污水处理技术的不断发展,出现了一批低能耗、低投资,管理简单的处理工艺。
1生物脱氮除磷新工艺
1.1ECOSUNIDE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子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之间呈非线性关系,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:高污泥浓度对硝化有利;控制动力学负荷可以控制硝化微生物与脱碳微生物之间的营养竞争关系,造成低底物濃度环境,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佳回流比;通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。
该工艺的最大特点是通过分点-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,使硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖处于生长优势,提高了脱氮效率,同时使得生物反应池总停留时间减短,减少生化池的总容积,进而缩短占地面积,与传统工艺相比可减少投资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。
ECOSUNIDE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,比使用传统工艺改造节约了2700万元,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
ANAMMOX工艺是由荷兰Delft技术大学生物技术实验室研究开发的,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。由于无需外加有机物作电子供体,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生物过程,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生物脱氮途径。此外还可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ANAMMOX工艺与SHARON工艺(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,对污泥消化出水进行了研究。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l7kgO2/kgN,且几乎不需要外加碳源。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生物脱氮工艺。这种联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念,从一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题,但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。如下图,我们可以清晰的看出此过程。
由于厌氧氨氧化生物脱氨技术在经济方面的独特优势,将会成为未来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,对氧非常敏感,因此该工艺尚难应用到实际工程中。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量,提高厌氧氨氧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
生物倍增污水处理工艺是德国恩格拜环保技术公司在多年来的科学研究和实践经验基础上开发出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,将生物脱氮除磷、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时进。此工艺把现有污水生物处理工艺的优点理想地结合起来,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、同时硝化反硝化生物脱氮、使用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、反硝化生物除磷、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,异养菌生长缓慢,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直接接触,实现氨氮的硝化。避免过程中硝态氮积累而对硝化反应产生抑制,加速硝化反应的速度;而且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。
2生物脱氮除磷技术的展望
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:开展对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。发展可持续污水处理工艺,朝着节约碳源、降低二氧化碳释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水同用等方向发展。
总之,我国应该根据国情探索简便、高效、节能的污水处理技术,充分利用现有成熟工艺和技术,大力开发符合地方地域特征的新工艺。随着脱氮除磷理论的发展,人们对于脱氮除磷技术将会有更深刻的认识。
参考文献
[1]高廷耀.水污染控制工程.北京:高等教育出版社,1996.
[2]张雁秋,张连信.一个新的生物化学动力学基本方程[J].中国矿业大学学报,1994,23.
[3]汪慧贞,李颖.生物脱氮工艺的新发展一半硝化和厌氧氨氧化.水处理技术,2002,28.
[4]祖波,张代钧.一种新厌氧氨氧化菌的16SrRNA基因序列测试[J].环境科学,2008,29.
[5]吕炳南,陈志强.污水生物处理新技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005,203.
作者简介
郑晓飞,中国矿业大学环测学院环境工程系09级硕士。
李燕,中国矿业大学环测学院副教授,从事水污染控制的设计及科研工作。
关键词水体富营养化;生物脱氮除磷;分点进水高效脱氮工艺
中图分类号X7文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0085-01
随着水体富营养化问题的日益尖锐化和社会发展对环境要求的提高,污水脱氮除磷技术已经成为污水处理领域的热点和难点。传统工艺存在基建投资大、运行费用高(硝化充氧能耗高、市政污水厂需投加碳源和碱等)、能量浪费等一系列问题。此外,传统工艺的脱氮效率受进水水质的影响,低碳源污水在不投加外碳源的情况下,其脱氮效率低。因此,研究和开发高效、经济的脱氮工艺成为当前城市污水处理的热点。随着污水处理技术的不断发展,出现了一批低能耗、低投资,管理简单的处理工艺。
1生物脱氮除磷新工艺
1.1ECOSUNIDE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子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之间呈非线性关系,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:高污泥浓度对硝化有利;控制动力学负荷可以控制硝化微生物与脱碳微生物之间的营养竞争关系,造成低底物濃度环境,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佳回流比;通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。
该工艺的最大特点是通过分点-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,使硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖处于生长优势,提高了脱氮效率,同时使得生物反应池总停留时间减短,减少生化池的总容积,进而缩短占地面积,与传统工艺相比可减少投资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。
ECOSUNIDE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,比使用传统工艺改造节约了2700万元,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
ANAMMOX工艺是由荷兰Delft技术大学生物技术实验室研究开发的,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。由于无需外加有机物作电子供体,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生物过程,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生物脱氮途径。此外还可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ANAMMOX工艺与SHARON工艺(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,对污泥消化出水进行了研究。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l7kgO2/kgN,且几乎不需要外加碳源。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生物脱氮工艺。这种联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念,从一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题,但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。如下图,我们可以清晰的看出此过程。
由于厌氧氨氧化生物脱氨技术在经济方面的独特优势,将会成为未来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,对氧非常敏感,因此该工艺尚难应用到实际工程中。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量,提高厌氧氨氧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
生物倍增污水处理工艺是德国恩格拜环保技术公司在多年来的科学研究和实践经验基础上开发出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,将生物脱氮除磷、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时进。此工艺把现有污水生物处理工艺的优点理想地结合起来,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、同时硝化反硝化生物脱氮、使用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、反硝化生物除磷、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,异养菌生长缓慢,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直接接触,实现氨氮的硝化。避免过程中硝态氮积累而对硝化反应产生抑制,加速硝化反应的速度;而且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。
2生物脱氮除磷技术的展望
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:开展对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。发展可持续污水处理工艺,朝着节约碳源、降低二氧化碳释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水同用等方向发展。
总之,我国应该根据国情探索简便、高效、节能的污水处理技术,充分利用现有成熟工艺和技术,大力开发符合地方地域特征的新工艺。随着脱氮除磷理论的发展,人们对于脱氮除磷技术将会有更深刻的认识。
参考文献
[1]高廷耀.水污染控制工程.北京:高等教育出版社,1996.
[2]张雁秋,张连信.一个新的生物化学动力学基本方程[J].中国矿业大学学报,1994,23.
[3]汪慧贞,李颖.生物脱氮工艺的新发展一半硝化和厌氧氨氧化.水处理技术,2002,28.
[4]祖波,张代钧.一种新厌氧氨氧化菌的16SrRNA基因序列测试[J].环境科学,2008,29.
[5]吕炳南,陈志强.污水生物处理新技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005,203.
作者简介
郑晓飞,中国矿业大学环测学院环境工程系09级硕士。
李燕,中国矿业大学环测学院副教授,从事水污染控制的设计及科研工作。