污水生物除磷技术的现状与研究进展.docx
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污水生物除磷技术的现状与研究进展
污水生物除磷技术的现状与研究进展
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水处理关键词:
除磷技术生物除磷活性污泥法
阐述了生物除磷原理和各种生物除磷技术的研究与应用现状,对传统工艺如A/O工艺、A2/O工艺、Bardenpho工艺、UCT工艺、Orbal氧化沟、改良型UCT工艺、序批式活性污泥法(SBR)工艺、VIP除磷工艺等进行了简单的原理介绍和细致的应用描述,并作出了分析与评价。
最后,提出单级活性污泥法除磷系统的优化与加强对生物除磷机制的研究是生物除磷技术的主要发展方向。
近年来随着工农业生产快速增长、人口剧增、含磷洗涤剂和农药化肥大量使用致使磷在环境中的过量导致水环境污染和水体的富营养化日益严重,而磷是引起水体富营养化的主要因素。
随着环境意识的提高和国内外对磷排放的限制标准越来越严格,研究开发经济、高效的去除磷的污水处理技术已成为水污染控制工程领域的研究重点和热点。
本文系统概述了当前污水生物除磷技术的现状。
在分析、评价的基础上探讨了污水生物除磷技术的发展趋势。
1生物除磷的原理
所有生物除磷工艺皆为活性污泥法的修改,即在原有活性污泥工艺的基础上,通过设置一个厌气阶段,选择能过量吸收并贮藏磷的微生物(称为聚磷微生物),以降低出水的磷含量。
活性污泥中的细菌,如不动杆菌属(Acinetobacter)、气单胞菌(Aeromonas)、棒杆菌属(Corynebacterium)、微丝菌(Microthrixsp.)等,当生活在营养丰富的环境中,在即将进入对数生长期时,为大量分裂作准备,细胞能从外界大量吸收可溶性磷酸盐,在体内合成多聚磷酸盐而积累起来,供下阶段对数生长时期合成核酸耗用磷素之需。
另外,细菌经过对数生长期而进入静止期时,这时大部分细胞已停止繁殖,核酸的合成虽已停止,对磷的需要量也已很低,但若环境中的磷源仍有剩余,细胞又有一定的能量时,仍能从外界吸收磷素,以多聚磷酸盐(见图1)的形式积累于细胞内,作为贮存物质。
但当细菌细胞处于极为不利的生活条件时,例如使好气细菌处于厌气条件下,即所谓细菌“压抑”状态时,积累于体内的多聚磷酸盐就会分解,并释放到环境中来,在这过程中同时有能量释放,供细菌在不利环境中维持其生存所需,此时菌体内多聚磷酸盐就逐渐消失,而以可溶性单磷酸盐的形式排到体外环境中,如果该类细菌再次进入营养丰富的好氧环境时,它将重复上述的体内聚磷。
细菌在好气与厌气条件下的吸磷和放磷过程,可简单地以下列反应式表示:
细菌是以聚-b-羟基丁酸(PHB)作为其含碳有机物的贮藏物质(植物以淀粉、人以脂肪作为含碳的贮藏物),现已查明,聚磷细菌积累聚磷与贮藏PHB之间有着内在的联系,在厌氧/好氧系统中有机基质的利用情况和生物除磷机制可用图2、3表示。
图2厌氧产酸后基质的利用和PHB
图3生物除磷机制图解
2生物除磷系统的基本工艺流程
2.1主流生物除磷工艺
2.1.1A/O工艺
A/O除磷工艺其最主要特征如下:
高负荷、低泥龄运行,系统中不存在硝酸盐对厌氧释磷的影响,所以除磷效果好。
2.1.2A2/O工艺
在实际运行中,A2/O工艺也与A/O工艺一样,要求在高速率下运行,即水力停留时间短、泥龄短,才能获得较高的除磷效果,缺氧区停留时间大致在0.5~1.0h。
当进水总磷约为10mg/L时,除磷率一般为85%~90%[1]。
2.1.3Bardenpho工艺
1974年,BARNARD报导,他所首创的硝化、反硝化脱氮Bardenpho工艺中,有时发现有很好的除磷效果。
在他以生活污水为进水的小试中,除了有很好的去除BOD及90%~95%的去氮效果外,去磷率也高达97%。
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除磷技术生物除磷活性污泥法2.1.4Phoredox工艺
在Bardenpho工艺中,由于废水水质和运行操作的关系,很难保证在缺氧区中出现期望的厌氧生境。
BARNARD在试验中又发现了,NO3-对厌氧放磷及整个系统去磷的抑制作用。
为了提高去磷效果,他将Bardenpho工艺作了改进,在缺氧1前增设了一个厌氧发酵区。
从二沉池回流来的污泥在厌氧区中与进水相混。
好氧池中污泥混合液回流仅进入缺氧区。
只要后面4段硝化、反硝化控制得当,氮去除率高,同时控制二沉池污泥至厌氧区的回流污泥比,那么通过回流污泥而带至厌氧区的硝酸盐将是很少的。
厌氧区中的厌氧生境比原Bardenpho工艺中缺氧区较易达到。
在南非及欧洲将这种改进的Bardenpho工艺称为Phoredox工艺,在美国仍称之为改良型Bardenpho工艺或五阶段Bardenpho工艺。
其工艺流程见图4。
2.1.5UCT工艺
同Phoredox工艺相比,UCT工艺可最大限度地排除了携带在流至厌氧区的回流液中的硝酸盐对除磷的不利影响。
由于增加了缺氧区至厌氧区的混合液回流,运行费用略有增加。
2.1.6改良型UCT工艺
在UCT工艺中,从好氧区至缺氧区的回流中所携带的NO3-,总是有一部分被缺氧区至厌氧区的回流液带入厌氧区。
为了解决这一问题,有人对UCT工艺作了改进,称之为改良型UCT工艺,其工艺流程见图5。
在改良型UCT工艺中,缺氧区被分成2个,缺氧1只接受二沉池的回流污泥,并有混合液回流至厌氧区。
因此,对缺氧1,只要求减少经回流污泥携带而来的NO3-数量。
缺氧2接受来自好氧区的混合液回流,其内进行反硝化。
这种将缺氧1与缺氧2完全分隔的改良型UCT工艺可避免将过剩的NO3-带进厌氧区,从而提高了系统的去磷效果。
2.1.7VIP工艺
VIP工艺是以美国VerginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity的RANDALL教授为首的科研组提出的一种生物除磷工艺。
其流程类似于UCT工艺,但有2点明显不同:
①厌氧区、缺氧区、好氧区的每一部分至少有二个以上的池所构成,这样可增加吸、放磷的速率;②与UCT工艺相比,泥龄短,负荷高,运行速率较高,污泥中活性生物的比例增加,除磷速率较高,减少了反应池的体积,其设计的泥龄为5~10d,而UCT的泥龄通常为13~25d。
2.1.8序批式活性污泥法(SBR)工艺
已有许多报导指出,SBR工艺具良好的脱氮除磷效果。
现已研制出自动监测或闭启阀门,定时进水,排水的自动控制系统,操作时可按水质状况调整各时段时间,从而使活性污泥处于厌氧放磷好氧吸磷,并通过排泥达到过量除磷的目的。
笔者曾根据生物除磷的基本原理和SBR的运行特点,设计了以下工艺时段:
进水后缺氧搅拌1.5h,好氧菌可利用进水中携带的少量氧分解有机物,使溶解氧迅速降至零,这时发酵细菌可进行厌氧发酵,反硝化细菌进行脱氮。
然后停搅0.5h,使活性污泥处于厌氧状态,聚磷细菌放磷;接着好氧曝气4.0h,硝化菌进行硝化作用,聚磷细菌好氧吸磷;此后静置沉淀1.5h,在随后的0.5h闲置期中换水。
以后再进入第2个周期,每个周期为8.0h。
试验表明,SBR工艺除了有良好的BOD去除效果外,PO43-和TN的去除分别为97%和64%。
2.1.9序批式生物膜反应器(MSBR)工艺
MSBR是一种复合式生物膜反应器,它是在SBR的基础上,遵循SBR的操作方式,在反应器内装有不同的填料,投加活性炭使污泥颗粒化或在反应器中安装填料使活性污泥在填料上形成生物膜;是结合了SBR工艺与生物膜法的特点而发展起来的一种新型工艺。
其优势主要可以表现在以下方面:
水力停留时间短,反应器体积小,运行管理方便灵活;对毒性物质和冲击负荷具有较强的抵抗性;提供了在同一反应器中同时固定不同微生物的可能性;污泥沉降性能好,避免了污泥膨胀问题;污泥产量低,干污泥中磷的含量较高;可以有效地防止在沉淀池中磷的二次释放,提高除磷效率等。
国外环境专家采用中试规模的MSBR处理城市污水,反应器按厌氧/好氧/缺氧/好氧4个反应阶段运行,各阶段的反应时间比为1.0/2.0/0.3/0.3,当进水COD有机负荷为3.2g/(m2·d)时,COD、总氮和磷酸盐的去除率分别为89%±1%、87%±10%、75%±15%。
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除磷技术生物除磷活性污泥法2.1.9Orbal氧化沟
Orbal氧化沟是一类兼具脱氮除磷功能的新型氧化沟,由HUISMAN于1970年推出,目前已有300余套Orbal氧化沟装置运行。
Orbal氧化沟的沟道由3个相同断面的同心沟道组成,3沟的容积分配为:
外沟1/2,中沟1/3,内沟1/6。
其平面图如下:
经生产性运行考察证明,Orbal氧化沟的工艺流程简单,基建费用省,运行管理简便,操作管理灵活,耐高浓度、高流量和冲击负荷能力强,处理效率稳定可靠,DO浓度从外沟到内沟依次为0、1、2mg/L,呈梯度分布,能够实现脱氮除磷的需要,并且可提高氧传递效率,节省能耗,有效地防止污泥膨胀,尤其适合于中小型污水处理厂。
2.1.10连续流一体化活性污泥(UNITANK)工艺
针对传统活性污泥法有向一体化发展的趋势,比利时SEGHERS环境工程集团公司于近年来设计出一种新型一体化活性污泥法:
UNITANK工艺。
其外形为一矩形池体,里面被均匀分隔为3个相等的正方形单元池(A、B、C),相邻单元池之间以开孔的公共墙分隔,以便相互贯通。
在3个单元池中均设置曝气装置,其中A池和C池具有双重功能:
既曝气同时也可沉淀,并设溢流堰以实现出水排放。
脱氮除磷UNITANK见图7。
UNITANK工艺的最大优点是时间循环和交替运行,可变的水力设计使得进水点与出水点的位置相当容易相互对调,污水可从两外单元池溢流堰排出。
交替运行具有如下特点:
①无需另设二次沉淀池;②无需污泥回流;③固液分离几乎在完全静止的条件下进行,能够保证分离效率;④依靠吸附与再生能够有效地抑制污泥膨胀;⑤可以通过改变系统厌氧好氧时段的调节实现脱氮除磷;⑥容易实现自动控制;⑦设计紧凑,占地面积少。
2.2Phostrip?
工艺
旁流除磷的Phostrip是在常规的好氧活性污泥工艺中,增设了厌氧放磷池和化学沉淀池。
该工艺的主流部分为常规的活性污泥法曝气池,回流污泥的一部分(约为进水流量的10%~20%)旁流入一个厌氧池,污泥在厌氧池中通常停留8~12h,积磷细菌可吸收发酵产物而放磷,也可因菌体自溶而放磷。
脱磷后的污泥回流入曝气池以继续吸磷,富含磷的上清液进入化学沉淀池后以石灰处理,石灰剂量取决于废水的碱度,使溶磷转化成不溶性的磷酸钙沉淀,然后从系统内弃去。
由于Phostrip工艺仅将处理流程中的一部分回流污泥通入旁路的厌氧放磷池,并以化学的方法除磷,所以列入旁流除磷工艺。
污泥的吸放磷仍然遵循生物过量吸放磷的机制,因此是一种生物法和化学法共同起作用的除磷方法。
然而,同其他化学除磷工艺相比,由于只占总流量一小部分的废水须加药处理,故大大地减少了化学药物的投加量和化学污泥量。
同其他主流生物除磷工艺相比,对进水TBOD和BOD/P的要求不严格,在进水BOD不高,但处理操作合理时,出水TP可低于1mg/L。
该工艺属单纯除磷、不能去氮的废水处理工艺。
3结语
污水生物除磷的目的是通过微生物的作用将磷从水中去除,有效防止经常规处理后的污水仍然成为水体富营养化的源头。
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- 污水 生物 技术 现状 研究进展