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生物脫氮除磷的發展簡史!

2020-12-31 14:23:59來源:環保工程師 曹佩 閱讀量:15592

導讀:生物脫氮除磷是指用生物處理法去除污水中營養物質氮和磷的工藝。水體的富營養化問題是20世紀中期提出來的。含氮和磷的污水無限制地排放,以致受納水體中藻類過度繁殖,水質變壞。原水受氮和磷的污染,水處理的困難加大,費用增加。
  生物脫氮除磷是指用生物處理法去除污水中營養物質氮和磷的工藝。水體的富營養化問題是20世紀中期提出來的。含氮和磷的污水無限制地排放,以致受納水體中藻類過度繁殖,水質變壞。原水受氮和磷的污染,水處理的困難加大,費用增加。
 
  1、生物脫氮除磷的發展
 
  1932年,祖師Wuhrmann提出內源呼吸反硝化脫氮理論,這也是最早的脫氮工藝,被稱為Wuhrmann工藝。(見圖2)該工藝在好氧池中進行有機物的氧化及氨氮的硝化反應,在缺氧池中利用活性污泥內源呼吸進行反硝化。但由于以微生物內源呼吸代謝物質作為碳源,反硝化速率很低,所以需要擴大缺氧池的容積,同時在缺氧池中微生物內源呼吸將有機氮和氨氮釋放到水中,降低脫氮效率,導致該工藝在工程上并不實用,但該工藝為以后的脫氮除磷工藝的發展奠定了基礎。
  1962年,Ludzack和Ettinger首次提出利用進水中的可生物降解有機物作為碳源的前置反硝化工藝,解決了碳源不足的問題,但由于兩個反應器間的液體交換缺乏控制,影響脫氮效果。(該工藝缺少描述,筆者也不知道具體的工藝流程)
 
  1973年,Barnard在開發Bardenpho(音譯為:巴登福)工藝是提出改良型Ludzack-Ettinger脫氮工藝,即廣泛應用的A/O工藝(見圖3)(題外話,這個工藝至今已經47年了,現今絕大部分的脫氮工藝都是在這個工藝的基礎之上進行改進,而非創新)。A/O工藝中,大量的硝氮通過內回流(別名:硝化液回流、好氧回流、混合液回流)回流到缺氧區后,利用原水中的有機物進行反硝化。但A/O工藝不能達到完全脫氮,因為好氧池總流量的一部分硝化后的硝氮沒有回流到缺氧池而是直接隨出水排放(這是目前二級生物脫氮的一個硬傷)。
  1973年為克服A/O工藝不完全脫氮的缺點,Barnard提出把此工藝與祖師級別的Wuhrmann工藝聯合,并稱之為Bardenpho工藝,(見圖4)。具體機理后文再述。
  Bardenpho工藝在理論上雖然有完全去除硝酸鹽的潛力,但實際上是不可能的。
 
  1976年,Barnard通過對Bardenpho工藝進行中試研究發現在Bardenpho工藝的初級缺氧反應器前增加一厭氧反應器就能有效的除磷(見圖5)。該工藝在南非稱5階段Phoredox工藝(音譯為:福列德克斯)或簡稱為Phoredox工藝。在美國稱之為改良型Bardenpho工藝。
  1980年,Rabinowitz和Marais對Bardenpho工藝的研究中,選擇3階段的Bardenpho工藝,即所謂的傳統A2/O工藝(見圖6)。至此最為常用的脫氮除磷工藝正式登場(距今已經整整40年,目前還在大量使用)。
  2、生物脫氮除磷工藝合集(順序不分先后)
 
  說明:以下工藝簡介僅從原理方面進行解析,不涉及土建成本和設備投資。
 
  1、A2/O工藝
 
  1、厭氧池
 
  圖6為傳統的A2/O工藝流程,首段為厭氧池,本池的主要作用為釋放磷(具體反映機理看前面),其次在本池中也可發生水解酸化反應。原水與同步進入的二沉池回流的含磷污泥二者混合后再兼性厭氧發酵菌的作用下部分易生物降解的大分子有機物被轉化為小分子的揮發性脂肪酸(VFA),聚磷菌將細胞內的聚磷水解成正磷酸鹽,釋放到水中,釋放的能量可供轉型好氧的聚磷菌在厭氧的壓抑環境下維持生存,同時吸收水解后的小分子有機物合成PHB并儲存在體內。另外,NH4+-N因細胞的合成而被去除一部分,同時回流污泥的稀釋作用使污水中的NH4+-N濃度下降;另外回流污泥中的NO3—-N進入厭氧池后迅速利用原水中的快速降解有機物而被還原為氮氣釋放,會部分去除進水中的有機物,該池出水幾乎不含NO3—-N。
 
  影響因素:對于高氨氮廢水,污泥回流中攜帶有大量的NO3—-N,當硝氮濃度≥4mg/L時,將減少了據鄰居釋放所獲得的溶解性有機物的量,不能是該池形成較好的兼性厭氧環境,不僅不利于據鄰居的釋磷反應,而且也不利于大分子的厭氧發酵為小分子有機物,對釋磷反應不利。
 
  2、缺氧池
 
  廢水經過厭氧池進入缺氧池,該池首要功能為反硝化脫氮,硝氮通過內循環由好氧池進入缺氧池,回流比通過總氮去除率進行計算(見公式1)。混合液進入缺氧段后,反硝化菌利用污水中的有機物將回流液中的硝態氮還原為氮氣釋放到空氣中,因此有機物濃度和硝態氮濃度都會大幅度降低。其次,該段可能發生磷的釋放和吸收(反硝化除磷)反應,或者兩者同時存在。另外,生活污水處理過程中,缺氧池末端的COD基本在50以下甚至更低,在不考慮好氧池同步硝化反硝化的情況下TN濃度和出水基本相同。
 
  η=r/(1+r)————1
 
  其中:η:總氮去除率;
 
  r:回流比
 
  3、好氧池
 
  混合液從缺氧池進入好氧池,曝氣池的這一反應單元室多功能的,去除BOD、硝化、吸收磷等反應都在本反應器內進行。混合液有機物濃度已經很低,聚磷菌主要是靠分解體內儲存的PHB來獲取能量供自身生長繁殖,同時超量吸收水中的溶解性正磷酸鹽以聚磷(Poly-P)的形式儲存在細胞內,經過沉淀排出剩余污泥,達到除磷的效果。有機氨被氨化繼而被硝化,氨氮濃度顯著下降。隨著硝化過程的進行,硝氮濃度增加,堿度降低(對于高氨氮廢水,需在好氧池中大量投加堿才能維持硝化反應的進行)。
 
  4、A2/O工藝的優缺點
 
  優點:同時脫氮除磷;反硝化過程為硝化提供堿度;釋磷及反硝化過程同時除去有機物;污泥沉降性能好,SVI值一般均小于100。
 
  缺點:①回流污泥含有硝酸鹽進入厭氧區,對除磷效果有影響;②脫氮受內回流比影響;③聚磷菌和反硝化菌都需要易降解有機物。
 
  A2/O這是一個很成熟的脫氮除磷工藝,后續介紹的其他脫氮處理工藝基本上是為克服A2/O工藝的缺點而進行改動的,從而在節能的基礎之上滿足出水要求。
 
  在A2/O工藝運行中經常一些問題,如:絲狀菌膨脹、污泥老化、SVI值過高、厭缺氧池表面出現黑色或者黃色浮泥、曝氣池表面出現白色泡沫或者粘稠的黃色泡沫、二沉池跑泥等等。出現這些問題,除進水指標的波動、設計缺陷外,其他均為工藝參數沒有控制好所導致的。關于工藝參數的控制,這個在書本上僅僅給出了一個參考值,比如:
 
  DO:2-4mg/L
 
  污泥齡:10-15d
 
  C:N:P=100:5:1
 
  反硝化碳氮比:(4-6):1
 
  碳磷比:20:1
 
  MLSS:3000-4000mg/L
 
  混合液回流比:200-300%
 
  污泥回流比:50-100%
 
  厭、缺氧池攪拌功率:4-8W/m³(我是根據水質、池體類型進行選型)
 
  HRT:6-8h(針對市政污水,實際經驗告訴我,這個停留時間誰用誰哭)
 
  厭氧:缺氧:好氧停留時間:1:1:(3-4)(這也是誰用誰哭)
 
  甚至有些半吊子設計人員根據這些工藝參數去設計工業廢水,對于這點,我真的很佩服設計人員的膽大、業主的摳門。
 
  這些工藝參數只是參考,運行參數需要針對自己的污水廠/污水站的實際情況進行調整,從而達到良好的處理效果。所以,在運行中各位污師需要針對問題進行分析,找到問題的根本所在,而不是盲目的排泥、投加碳源、投加營養、增加/減少曝氣等等。在自我分析問題之后可以到污托邦社區或者污托邦群里面進行討論,而不是出現問題第一時間問別人,每個人運行的污水廠/污水站的情況都不一樣,別人給你的只會是他遇到過的情況,但不一定適用于你運營的污水廠,甚至有時候同樣一個現象,在不同污水廠發生的機理是完全相反的。
 
  2、倒置A2/O工藝
 
  與常規的A2/O工藝相比,倒置A2/O工藝(見圖7)從前往后以此為缺氧-厭氧-好氧,該工藝的設計初衷是為了降低污泥回流中硝態氮對厭氧釋磷的影響,特別是對于高氨氮廢水污泥回流中攜帶有大量的硝氮,抑制厭氧釋磷反應。同時,為了解決碳源分配的問題,采用兩點進水的方式來提供厭氧釋磷中有機物的消耗。
  該工藝由于硝態氮在前端的缺氧池中完全反硝化,消除了硝氮對厭氧釋磷的不利影響,從而保證厭氧釋磷的穩定進行,并且聚磷菌釋磷后直接進入生化效率比較高的好氧環境,使其在厭氧條件下形成的吸磷動力得到了更有效的利用。
 
  有些設計人員在設計倒置A2/O工藝時省去了混合液回流,通過增大二沉池的污泥回流來滿足反硝化需求。增大污泥回流雖然不改變二沉池的比表面積負荷率,但是在一定程度上降低了二沉池的沉淀時間,不建議采用。
 
  厭氧釋磷的實際停留時間(含回流量)一般要求在0.5-2h,倒置A2/O雖然滿足了硝氮對厭氧釋磷的影響,但是需要增加厭氧池的池容,從而滿足厭氧釋磷實際停留時間的要求,增加了土建成本。同時多點進水需要很好的進行控制,以此來調整厭、缺氧池的碳源配比達到良好的脫氮除磷效果。
 
  該工藝適合原水中TN含量比較高的廢水,只要缺氧池的容積設計的合理可以完全反硝化,從而為厭氧釋磷提供良好的厭氧環境。
 
  3、A+A2/O工藝與JHB工藝
 
  A+A2/O工藝(見圖8)與A2/O工藝相比,在厭氧池的前段增加了一個預脫硝池,主要是為了解決污泥回流中攜帶的硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。該工藝與UCT工藝的目的是相同的。
  圖8 A+ A2/O工藝
 
  在進水TN含量較高的情況下,該工藝不太適用,因為污泥回流中攜帶有大量的硝氮,預脫硝池因設計停留時間過短(一般在0.5-0.8h)無法進行完全的反硝化反應,從而影響厭氧釋磷。
 
  1991年,Pitman等人提出Johannesburg(JHB)工藝,該工藝是在A2/O工藝到厭氧區污泥回流路線中增加了一個缺氧池(見圖9),來自二沉池的污泥可利用33%左右(進水分配可調)進水中的有機物作為反硝化碳源去除硝態氮,以消除硝酸鹽對厭氧池厭氧釋磷的不利影響。
  圖9 JHB工藝
 
  其實這兩個工藝是一樣的,只是叫法不同。在設計中A+A2/O工藝也會設計多點進水,畢竟碳源的有效分配是關鍵。
 
  4、UCT工藝
 
  A2/O工藝的回流污泥中很難保證不含有硝氮,為了徹底排除在厭氧池中硝氮的干擾,南非開普敦大學于1983年開發了UCT工藝(見圖10),將污泥回流至缺氧區,并增加了從缺氧段至厭氧段的缺氧混合液回流,使污泥經缺氧反硝化后再回流至厭氧區,減少了回流污泥中的硝酸鹽含量,盡量的避免了硝態氮對厭氧釋磷的影響,同時在該工藝總存在反硝化除磷現象。但當進水碳氮比較低時缺氧池不能實現完全反硝化,仍有一部分硝氮回流到厭氧區對厭氧釋磷產生不利影響。
  圖10 UCT工藝
 
  書本上給出的設計參數:厭氧區HRT 1-2h;缺氧區HRT 2-4h;好氧區HRT 4-12h;污泥回流比80%-100%;缺氧回流比200%-400%;硝化液回流比100%-300%。(以上數據僅為參考,在設計時需要根據實際水質進行設計。)
 
  5、MUCT工藝
 
  與A2/O工藝相比,UCT工藝在適當的COD/KTN比例下,缺氧池的反反硝化可使厭氧池回流液中的硝氮含量接近于零。當進水COD/KTN較低時,缺氧池無法實現完全的脫氮,導致有一部分硝氮隨缺氧回流進入厭氧池,因此又產生了改良型UCT工藝—MUCT工藝(見圖11)。
  圖11 MUCT工藝
 
  MUCT工藝有兩個缺氧池,第一個缺氧池接受二沉池回流污泥,后一個缺氧池接受好氧池硝化液回流,使污泥的脫氮與混合液的脫氮完全分開,進一步減少硝酸鹽進入厭氧池的可能性。
 
  該工藝的主要目的是優化除磷效果,第二個缺氧池進水中含有一定量的碳源,該部分碳源反硝化速率較高,在該部分碳源消耗殆盡后,還可進行內源呼吸反硝化,雖然反硝化速率較低,但可進一步提高TN的去除率。
 
  6、Bardenpho工藝系列
 
  6.1 Bardenpho工藝(兩級AO工藝)
 
  Barnard(1974)開發的Bardenpho工藝屬于早期生物脫氮(除磷)工藝,其目的是不投加外部碳源的情況下脫氮率達到90%以上。如圖12所示,在第一個缺氧段,來自硝化段的混合液內回流中含有大量的硝氮,在第一個缺氧段中利用原水中的碳源作為電子供體,進行反硝化,在該段去除的硝氮約占70%(根據設計停留時間的不同,去除率也不相同)。BOD去除、氨氮氧化和磷的吸收都是在硝化(第一個好氧池)段完成的。第二缺氧段提供足夠的停留時間,通過混合液的內源呼吸進一步去除殘余的硝氮。最終好氧段為混合液提供短暫的曝氣時間,以降低二沉池出現厭氧狀態和釋磷的可能性。
  圖12 Bardenpho工藝(兩級AO)
 
  6.2 五段Phoredox工藝(簡稱為Phoredox工藝)
 
  由于發現Bardenpho工藝中混合液回流中的硝氮對生物除磷有非常不利的影響,通過Bardenpho工藝的中試研究,Barnard(1976)提出真正意義上的生物脫氮除磷工藝流程(見圖13),即在Bardenpho工藝前段增設一個厭氧區。這一工藝流程在南非稱為五段Phoredox工藝(簡稱為Phoredox工藝),在美國稱之為改良型Bardenpho工藝。改良型Bardenpho工藝通常按低污泥負荷(較長污泥齡)方式設計和運行,目的是提高脫氮效率。
  圖12 五段Phoredox工藝(南非)或改良型Bardenpho工藝(美)
 
  五段Phoredox工藝使用的SRT比A2/O工藝更長(10-20d),其他設計參數為:厭氧區 HRT=0.5-1h;第一缺氧區HTR=1-3h;第二缺氧區HRT=2-4h;第一好氧區HRT=4-12h,第二好氧區HRT=0.5-1h;污泥回流比為50%-100%;混合液回流比為200%-400%。(以上數據僅供參考,具體設計請根據水質進行變動。)
 
  6.3 3段改良Bardenpho工藝(或A2/O工藝)
 
  測試表明,五段Phoredox工藝并不能將硝酸鹽含量降低至零,與第一缺氧區相比,第二缺氧池因為采用內源呼吸反硝化導致單位容積反硝化速率相當低。第二缺氧池的低效促使Simpkins和McLaren(1978)提出,在某些情況下可取消第二缺氧池,適當加大第一缺氧池,以獲得最大的反硝化處理效果和最低的回流污泥硝酸鹽濃度,即3段改良Bardenpho工藝(見圖13),也就是目前常用的A2/O工藝。
  圖13 3段改良Bardenpho工藝(或A2/O工藝)
 
  7、約翰內斯堡(Johannesburg)工藝
 
  本工藝源自南非約翰內斯堡,為UCT變型工藝,該工藝(見圖14)的主要目的是盡量減少污泥回流中的硝氮進入厭氧池,提高較低進水濃度廢水德爾處理效率(其實脫氮工藝就是碳源的合理分配問題,在不考慮反硝化除磷的情況下,低COD廢水,除磷量越多,反硝化脫氮越差,關鍵是看操作人員如何取舍)。回流活性污泥直接進入缺氧池,該池有足夠的停留時間利用內源呼吸去還原污泥中攜帶的硝氮,然后再進入厭氧區進行釋磷反應。(題外話,這個工藝在有些資料上給歸為JHB工藝,我認為知道工藝的原理就行,有些問題沒必要去糾結。 
  圖14 約翰內斯堡工藝
 
  8、PASF工藝
 
  針對A2/O工藝中各菌群間污泥齡需求矛盾的問題,近年來有很多研究提出將活性污泥法和生物膜法相結合(非泥膜共存工藝)以緩解這一矛盾。這時系統中就存在兩類菌群:短泥齡懸浮活性污泥和長齡生物膜上附著的菌群,這樣能很好的解決硝化細菌與聚磷菌間的泥齡矛盾。在此基礎之上發展的工藝為PASF工藝,(見圖15)。該工藝分為前后兩段,前段采用活性污泥法,主要包括厭氧、缺氧、好氧、二沉等;后段采用生物膜法,主要采用曝氣生物濾池或者加裝填料的生物膜池。
  圖15 PASF工藝
 
  該工藝中硝化作用主要集中在曝氣生物濾池內,大量的硝化反應在二沉池之后完成,避免了污泥回流攜帶硝氮對厭氧釋磷的影響。另外硝化菌和聚磷菌的分開更有利于營造最適宜各類菌群生長的環境。該工藝中,菌群分開專性較強,可以縮短各反應器的停留時間。同時,在前段活性污泥工藝中釋磷菌在缺少好氧除磷的情況下,反硝化除磷菌(DPB)可以大量富集從而產生反硝化除磷反應,節省碳源、節省能耗。
 
  該工藝在設計中,好氧池起到降低污泥沉降比、進一步降低BOD(不影響硝化反應)的功能,幾乎不參與硝化反應,所以該池停留時間可以很短(1-2h)。
 
  9、Dephanox工藝
 
  Wanner(1992)首次提出Dephanox雙污泥反硝化脫氮除磷工藝雛形(見圖16)。
  圖16 Dephanox工藝
 
  所謂雙污泥系統就是硝化菌獨立于反硝化除磷菌(DPB)而單獨存在于固定膜生物反應器中。該工藝解決了聚磷菌和反硝化菌競爭碳源的問題(參照反硝化除磷原理),同時也巧妙的解決了活性污泥系統培養硝化菌需要的較長SRT這一不利條件。
 
  在該工藝中,含DPB回流污泥首先在厭氧池完成釋磷和儲存PHB,經過快沉池分離后,富含DPB的污泥超越固定膜反應器至缺氧池,含氨氮的上清液直接進入固定膜反應器,進行好氧硝化,產生的硝化液流入缺氧池后與DPB污泥接觸,完成反硝化除磷反應。由于DPB污泥沒有經過好氧池,所以它體內的PHB幾乎全用于反硝化吸磷作用。因DPB每吸收1份的正磷酸鹽就需要7份的NO3—-N,故而在污水中N/P低于7時,就意味著缺氧池中硝氮含量不足導致不能徹底除磷,因此需要在缺氧池后增加再曝氣池,從而保證TP的穩定達標。
 
  其實該工藝還有一定的缺陷,比如:①厭氧池中無法完全吸附有機物,導致固定膜反應器進水中攜帶有BOD,一方面抑制硝化反應,另一方面造成有機物的浪費和能耗的增高;②在進水氨氮偏高時,缺氧池中反硝化除磷菌不能徹底的去除硝氮,導致出水TN的升高。
 
  3、總結
 
  以上工藝是比較常規的脫氮除磷工藝,一些衍生工藝或者不常見的工藝就不在此一一列舉了,如果有興趣的話,可以自己查一下資料。如:VIP、BCFS、Enbnras、OCO、A2N-SBR、SBR、MSBR、CAST以及A2/O工藝衍生的工藝等等,這些工藝都是基于脫氮除磷原理產生的。
 
  筆者認為脫氮除磷前文所述的工藝,可歸結為碳源的分配(除反硝化除磷工藝外),每個工藝都有其優點,所以不能說哪個工藝最好,就看其適不適應進水水質(不考慮操作水平)。
 
  現在環保要求越來越嚴,對于不少污水廠因為TN問題,給生化池中投加大量的碳源,來滿足出水TN的要求,針對于這種污水廠來說,可以不用考慮生物除磷,畢竟生物除磷的成本比化學除磷的高的太多。
 
  原標題:生物脫氮除磷的發展簡史!

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