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新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理中的發(fā)展趨勢

來源:杭州純水設(shè)備??????2022-03-09 08:31:42??????點(diǎn)擊:

杭州純化水設(shè)備http://shuangtvb.com】當(dāng)下,我國城市污水處理廠的主要矛盾已由有機(jī)物的去除轉(zhuǎn)向氮、磷等營養(yǎng)物的去除。而城市污水處理廠目前普遍采用的傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝因其自身的特點(diǎn)及城市污水特征,導(dǎo)致氮、磷污染物去除效率無法滿足愈發(fā)嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)。針對這種問題,通過對同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化這些新型技術(shù)及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,探究新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)越性與合理性。并基于多菌群協(xié)同除污機(jī)理,結(jié)合我國城市污水處理可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀,探索未來的技術(shù)發(fā)展方向。

研究亮點(diǎn)

1、總結(jié)分析同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化這些新型技術(shù)及其研究現(xiàn)狀,探究新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)越性與合理性;

2、本文基于多菌群協(xié)同除污機(jī)理,結(jié)合我國城市污水處理可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀,探索未來的技術(shù)發(fā)展方向。

城市污水處理一直是城市建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán),作為環(huán)保領(lǐng)域的重要分支,長久以來都是備受人們關(guān)注的話題。過去的幾十年中,隨著社會向城市化、工業(yè)化的發(fā)展和居民生活水平的上升,水體富營養(yǎng)化的問題也越來越嚴(yán)重,這給城市污水處理帶來了巨大難題。根據(jù)《2019年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》,2019年共排放化學(xué)需氧量(COD)5.671×106 t、總氮(TN)1.176×106 t、總磷(TP)5.9×104 t,城市污水處理中氮、磷污染物的比重較大;且相對于COD每年去除量的增加程度而言,氮、磷污染物每年去除量增加的數(shù)目較少。

在城市污水處理的現(xiàn)有技術(shù)中,如AAO、SBR、氧化溝等都存在一定限制,如都對碳氮比(C/N)或者碳磷比(C/P)等有一定要求、微生物菌種彼此獨(dú)立導(dǎo)致生化反應(yīng)進(jìn)程存在障礙、微生物世代時(shí)間的不同導(dǎo)致對污泥齡要求不同等,伴隨于此的通常會是更高的成本與更大的人力消耗。這些缺陷使城市污水脫氮除磷效率已經(jīng)越來越無法滿足人們的需求,因此,城市污水處理技術(shù)需要在強(qiáng)化脫氮除磷方面做出一定改進(jìn)純水設(shè)備。近年來,許多研究人員已經(jīng)提出了多種新型高效的脫氮除磷技術(shù)。本文通過對厭氧氨氧化、反硝化除磷等新型技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,探究其在城市污水處理中應(yīng)用的合理性與優(yōu)越性,并基于此提出多菌群協(xié)同除污的構(gòu)想,對未來可持續(xù)城市污水處理技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行探索。

1 新型脫氮除磷技術(shù)

1.1 同步硝化反硝化除磷

同步硝化反硝化(SND)40多年前在土壤中水的浸出過程中發(fā)現(xiàn)的一種新型硝化反硝化技術(shù),指將傳統(tǒng)生物硝化過程和反硝化過程在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行(1)。

目前,已有證據(jù)表明這一理論是可行的,且可減少近30%的碳需求及污泥產(chǎn)量。發(fā)展至今,SND已成為高效的脫氮技術(shù)中一種很有前途的選擇。如Chai等研究在序批式生物膜反應(yīng)器內(nèi)強(qiáng)化SND處理低C/N廢水的性能,顯示在同步硝化反硝化效率(SND)大于97.3%時(shí),仍可以有效脫氮。如果把SND系統(tǒng)和除磷系統(tǒng)相結(jié)合,則可以提出一種同步硝化反硝化除磷(SNDPR)的新系統(tǒng),進(jìn)一步降低處理過程中的碳、氧需求,現(xiàn)今,已有很多研究人員對SNDPR系統(tǒng)及其各種衍生技術(shù)進(jìn)行影響因素研究,以探究其實(shí)用性,如表1所示。

諸多試驗(yàn)結(jié)果表明,由SNDPR系統(tǒng)衍生出的各種新工藝、新技術(shù)已可在各種條件下表現(xiàn)出良好的耐受性,且針對低C/N污水實(shí)現(xiàn)了良好的去除效果,體現(xiàn)了一定實(shí)用價(jià)值。SNDPR作為一種較易實(shí)現(xiàn)的高效脫氮除磷方式,其特性提升了生物池一體化的可能性,可以預(yù)見未來會在水處理領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但是目前其在污泥形態(tài)、溶解氧等方面都有一定限制,如由于生物硝化與反硝化對氧環(huán)境的需求不同,會導(dǎo)致某一進(jìn)程在一定程度上受到限制,使SND率偏低,去除效果不理想,因此,如何控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧將是一個(gè)棘手的問題。

1.2 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下,以亞硝態(tài)氮為電子受體,將氨氮直接氧化為氮?dú)獾倪^程。整個(gè)過程須保持完全厭氧的條件,且研究表明,其在pH值為8、溫度為30 ℃左右時(shí)運(yùn)行條件最好(2)。

這一過程是在1965年由Rids觀察到缺氧海洋盆地中的氨損失后首次提出的, 后又在海洋沉積物的孔隙水剖面中觀察到亞硝酸鹽和氨的同時(shí)消失,為這種反應(yīng)的存在提供了早期證據(jù)。但直到1995年,這種技術(shù)才在一個(gè)處理廢水的反硝化流化床反應(yīng)器中被首次證實(shí),到2007年,首個(gè)大型厭氧氨氧化反應(yīng)器才在鹿特丹建成。相對于傳統(tǒng)脫氮方法,厭氧氨氧化的脫氮容積負(fù)荷更高,已有研究表明,其脫氮容積負(fù)荷很容易達(dá)到5 kg/(m3·d),而對于傳統(tǒng)的脫氮工藝而言,脫氮容積負(fù)荷通常小于0.5 kg/(m3·d)。如表2所示,針對厭氧氨氧化已展開很多研究。

厭氧氨氧化作為一種近些年來新出現(xiàn)的技術(shù),由于其脫氮效率高、污泥產(chǎn)量小、碳源需求小的優(yōu)勢,成為了一種脫氮的理想方式。但厭氧氨氧化的缺點(diǎn)也十分明顯,其主要缺點(diǎn)是厭氧氨氧化菌的生長速率十分緩慢、細(xì)胞產(chǎn)量低。且厭氧氨氧化還容易被環(huán)境因素影響,低溫、高堿度、有機(jī)物形態(tài)等很多因素都會抑制其反應(yīng)性能。其中,作為反應(yīng)底物的亞硝態(tài)氮和氨氮是影響其速率的關(guān)鍵因子,但過高的底物濃度反而會抑制其反應(yīng)速率,已有試驗(yàn)驗(yàn)證同時(shí)提供能源的碳源也具有這一特點(diǎn)。相比于實(shí)驗(yàn)室小試,在實(shí)際工程中這些影響因子更加難以控制。所以,厭氧氨氧化的應(yīng)用條件將成為此技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用過渡的關(guān)鍵問題,可以預(yù)見此方向?qū)墙窈蠹夹g(shù)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.3 反硝化除磷

Comeau等在1987年發(fā)現(xiàn)了一類不同于傳統(tǒng)除磷工藝中聚磷菌的新型聚磷菌,這種聚磷菌在缺氧環(huán)境中可以同時(shí)去除氮和磷兩種污染物質(zhì),將其命名為反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)。DPAOs利用體內(nèi)儲存的聚羥基脂肪酸酯(PHA),在缺氧環(huán)境中以硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮替代氧氣作為電子受體,從而實(shí)現(xiàn)過量吸磷。相比于傳統(tǒng)除磷工藝,反硝化除磷可以實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷與“一碳兩用”,并解決大部分能耗問題,理論上可以節(jié)省多達(dá)30%的曝氣系統(tǒng)能耗、50%的碳源需求及污泥產(chǎn)量。根據(jù)反硝化除磷的特點(diǎn),其可以與很多技術(shù)聯(lián)用,同時(shí)也衍生了許多新型工藝,UCT、AOA、AAN等。這些工藝共同的特點(diǎn)都是可以極大限度地利用反硝化除磷原理中“一碳兩用”的特點(diǎn),且避免了硝化菌和DPAOs的競爭,非常適合處理低C/N污水。已有大量學(xué)者研究其適宜工作條件,以探究其實(shí)用性,如表3所示。

反硝化除磷目前已經(jīng)處于由基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H工程過渡的階段,但是除開其節(jié)省能耗、一碳兩用等優(yōu)勢,還存在部分缺陷。為了實(shí)現(xiàn)反硝化除磷,需要控制合適的C/N,而且對于厭氧部分投加硝酸鹽作為底物時(shí),需要注意投加方式純水設(shè)備。除此以外,反硝化除磷菌的世代周期較長,需要控制反應(yīng)器污泥停留時(shí)間不能太短,以便為反硝化除磷菌提供良好的生長環(huán)境。與此同時(shí),雖然反硝化除磷技術(shù)的污泥產(chǎn)量較少,但是其后續(xù)污泥較難處理,填埋之后在厭氧條件下可能會造成釋磷從而影響環(huán)境,給實(shí)際工程也帶來一定困擾。

1.4 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化即在進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)抑制硝化反應(yīng)的第二階段,只硝化到亞硝態(tài)氮狀態(tài),而后將過量的亞硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行反硝化的過程,。

短程硝化反硝化也可以實(shí)現(xiàn)氮元素的有效去除,由于未完成全部的硝化反應(yīng),其脫氮速率會大大提升。第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的工藝是SHARON工藝,但SHARON工藝的運(yùn)行條件較為苛刻,高溫、高氨氮濃度都制約了其實(shí)際應(yīng)用的可行性,因此,尋找短程硝化反硝化的適宜條件、探究其實(shí)用性,是眾多研究人員的重點(diǎn)。目前,主要使用抑制劑、溶解氧、技術(shù)聯(lián)用等方法實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化,如表4所示。

短程硝化反硝化相比于傳統(tǒng)生物脫氮工藝,短程硝化階段可以減少25%的氧氣消耗;對于后續(xù)缺氧反硝化階段可降低約40%碳源消耗量;且亞硝態(tài)氮反硝化反應(yīng)速率是硝態(tài)氮反硝化速率的1.52倍,可以有效減少系統(tǒng)的HRT。此外,在減少污泥產(chǎn)量和堿度投加的方面也有所幫助,短程硝化反硝化技術(shù)具有巨大優(yōu)勢。但短程硝化反硝化對菌種的要求很高,正常運(yùn)行時(shí)必須先進(jìn)行菌種的富集。由于短程硝化和反硝化是兩個(gè)不同的進(jìn)程,其對氧環(huán)境的要求也不同,需要嚴(yán)格控制氧環(huán)境的變化,且底物濃度也是制約其反應(yīng)的條件,需要形成亞硝酸鹽累積的同時(shí)逐步淘汰反應(yīng)器中的亞硝化細(xì)菌,目前其條件仍較為苛刻。

2 脫氮除磷技術(shù)發(fā)展方向

普通城市污水廠應(yīng)用的傳統(tǒng)活性污泥法中,生物脫氮通常分為氨化、硝化、反硝化3個(gè)過程,分別由氨化菌、硝化細(xì)菌和反硝化菌完成,其中,硝化需要在好氧環(huán)境中完成,反硝化則需要在厭氧環(huán)境中完成。而對于除磷,通常在除磷系統(tǒng)中利用聚磷菌的過量積磷能力進(jìn)行厭氧環(huán)境下的釋磷和好氧環(huán)境下的過量吸磷,再通過剩余污泥排放的方式實(shí)現(xiàn)磷的去除。不同生物反應(yīng)對氧環(huán)境的不同需求導(dǎo)致在傳統(tǒng)水處理工藝中,無論是SBR還是AAO等工藝,都在空間或時(shí)間上對反應(yīng)進(jìn)程有一定限制。而這一限制通常又會造成系統(tǒng)中碳源競爭激烈、污泥產(chǎn)量過大、運(yùn)行復(fù)雜等一系列問題。城市污水還存在的問題是C/N較低導(dǎo)致脫氮效率較差,通常,解決這個(gè)問題的方法是在生物處理的部分投加額外的碳源,但這一方法的成本非常高。

如果繼續(xù)使用現(xiàn)行的污水處理技術(shù),在不斷追求去除效果的同時(shí),必然會伴隨著工藝運(yùn)行困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本上升等一系列問題。如果能開發(fā)一種高效、可持續(xù)發(fā)展的新型污水處理技術(shù)或工藝應(yīng)用在城市污水處理中,必然可取得巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對現(xiàn)有的各種生物脫氮除磷技術(shù)進(jìn)行比較,由表5可知,從本文介紹的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)來看,它們都具有在不同程度上節(jié)省碳源和降低污泥產(chǎn)量的優(yōu)勢,且反應(yīng)速率都相對較快。這些優(yōu)勢使它們在處理低C/N污水時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性,針對不同溫度、pH、污泥齡和曝氣方式等運(yùn)行工況,表現(xiàn)出很好的耐受性純水設(shè)備,并可以穩(wěn)定運(yùn)行。而這些技術(shù)優(yōu)勢放在城市污水處理中,恰好可以彌補(bǔ)當(dāng)前技術(shù)應(yīng)對城市污水脫氮除磷的不足,雖然目前研究有限,應(yīng)用條件仍不成熟,但如果未來將這些新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用,許多問題都將迎刃而解。

從新型污水生物脫氮除磷技術(shù)原理來看,控制優(yōu)勢微生物菌群是保證工藝達(dá)到預(yù)期效果的前提條件,而其控制條件相對苛刻,這也是新型技術(shù)推廣應(yīng)用受限的原因之一?;谖⑸锞汗δ芗吧姝h(huán)境特點(diǎn),如能實(shí)現(xiàn)多種功能菌群在同一個(gè)空間內(nèi)協(xié)同作用,不僅可降低能耗、節(jié)省投資,更重要的是可以大大提高生化反應(yīng)效率,簡化控制條件。微壓內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器是一種僅通過反應(yīng)器自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使反應(yīng)器內(nèi)部形成獨(dú)特的水力流態(tài),實(shí)現(xiàn)了在同一反應(yīng)器空間內(nèi)不同功能菌群協(xié)同除污功效,作為可持續(xù)發(fā)展的城市污水處理新技術(shù)具有著潛在的優(yōu)勢。

3 結(jié)論與展望

我國城市污水特有的特征和環(huán)境特點(diǎn),導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)效果不佳。隨著我國對氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格,結(jié)合我國城市污水處理的可持續(xù)發(fā)展,未來應(yīng)加大新型技術(shù)的研究和推廣力度,加強(qiáng)對新技術(shù)的使用條件及優(yōu)劣特點(diǎn)的認(rèn)識,爭取早日將此類具有潛力的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用到我國的城市污水處理中,并基于此類新技術(shù),積極開發(fā)出具有高效、節(jié)能一體化的污水生物脫氮除磷工藝,是解決此類問題值得考慮的研究方向。純水設(shè)備,實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備。杭州純化水設(shè)備,杭州GMP純化水設(shè)備。 半導(dǎo)體純水設(shè)備。