城市可持续污水生物处理技术

第30卷第2期水处理技术Ⅴol.30No.22004年4月TECHNOLOGY OF WATER TREATMENTApr.,2004城市可持续污水生物处理技术王晓莲彭永臻王淑莹马勇2(1.北京工业大学北京市水环境恢复重点试验室北京100022.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院,黑龙江哈尔滨1500000摘要計对传统污水生物脱氮除磷处理技术存在旳冋题提岀了可持续污水处理的概念介绍了国内外生物脱氮除磷领域开发的若干新工艺为水处理工艺选择提供了新思路、新方法在此基础上提岀了城市可持续污水生物处理工艺。关键词污水生物处理河持续生物脱氮除磷反硝化除磷DPB)中图分类号Q085+.413文献标识码:A文章编号0037xX200402-0106-041可持续污水处理概念值从氨氮的微生物转化过程来看氮氮被氧化成针对传统污水生物脱氮除磷处理技术存在旳问硝酸氮是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反题我们提出了可持续污水生物处理技术的概念以应应该可以分开。对于反硝化菌无论是硝酸氮还尽可能的减少能耗、高效节能和污水可回用为目的是亚硝酸氮均可以作为最终受氢体因而整个生物的新技术推动污水处理技术不断前进。本概念主脱氮过程也可以经NH-NO2-N2这样的途径完成。要包含以下几个內容:尽可能减少COD氧化可早在1975年Voet等就发现在硝化过程中亚硝酸氮能大的甲烺CH)产量浕可能低的能量消耗相应积累的现象并首次提岀了亚硝酸型生物脱氮(也可尽可能减少CO2释放尽可能减小剩余污泥产量磷称为不完全或称短硝化/反硝化生物脱氮这种将酸盐再生汰理水回用。硝化过程控制在亚硝酸阶段的短程生物脱氮工艺具2可持续污水生物脱氮技术有以下特点对于活性污泥法,可节省氧供应量约25%降低能耗节省反硝化所需碳源40%在C/N2.1短程硝化/反硝化比一定的情况下提高TN去除率減减少污泥生成量长期以来,无论是在污水生物脱氮理论上还是可达50%減少投碱量縮短反应时间相应反应器在工程实践中都认为要实现污水生物脱氮就必须容积减少节省基建费用。针对这些新发现开发出使NH经历典型的硝化和反硝化过程才能完全被多种生物脱氮新工艺去除这条途径称为全程或完全潲硝化反硝化生物SharON( Single reactor for High activity Ammonia脱氮。最近研究表明生物脱氮过程中出现了一些 Removal Over nitrite)艺是由荷兰Delf技术大学开超出传统认识的新现象如亚硝酸型硝化硝化不仅发的脱氮新工艺1其基本原理是将氨氮氧化控制可以由自养菌完成而且异氧菌也可以完成好氧硝在亚硝化阶段然后进行反硝化。用 SHARON工艺化某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作来处理城市污水二级处理系统中污泥消化上清液和用。有些研究者在实验中发现在厌氧条件下氨氮減垃圾滤岀液等高氨氮废水可使硝化系统中亚硝酸少的情况。这些现象的发现为水处理工作者设计处积累达100%。该工艺核心是应用硝酸菌和亚硝酸理工艺提供了新的理论和思路具有较高的应用价菌的不同生长速率即在高温(30~35℃)亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率亚硝酸王晓莲等,城市可持续污水生物处理技术107菌的最小停留时间小于硝酸菌这一固有特性通过者说它可以利用硝酸盐作为电子受体来氧化氨。控制系统的水力停留时间使其介于硝酸菌和亚硝酸ANAMMOX工艺基本原理为氨的氧化与NO菌最小停留时间之间队从而使亚硝酸菌具有较高的的还原相偶联从理论上讲并不新颖。本工艺的新浓度而硝酸菌被自然淘汰维持稳定的亚硝酸积累。颖之处在于利用生化原理开发岀切实可行的生物脱在 SHARON工艺中通过提高反应器中的温度,使氮的新工艺在较高温度下增长速率较快的亚硝化细菌占优势,2.3 SHARON和 ANAMMOX联合工艺所以温度和HRT值应严格控制。利用此专利工艺SHARON工艺可以通过控制温度、水力停留时的两座废水生物脱氮处理厂已在荷兰建成间、pH等条件使氨氮氧化控制在亚硝化阶段目前OLAND( Oxygen Limited Autotrophic Nitrificati尽管 HARON工艺以好氧/厌氧的间歇运行方式处Denitrification氧限制自养硝化反硝化冮艺是由比理高氨废水取得较好的效果但由于在反硝化中需利时cent微生物生态实验室开发。该工艺技术关要消耗有机碳源并且岀水浓度相对较高因此可以键是控制溶解氧浓度使硝化过程仅进行到NH氧 SHARON工艺作为硝化反应器而 ANMMOX工艺作化为NO2阶段。由于该过程缺乏电子受体使得为反硝化反应器进行组合工艺。 SHARON工艺可以N氧化产生的NO2直接氧化未反应的NH而控制部分硝化使出水中的NH与NO2比例为形成N。溶解氧浓度是硝化与反硝化过程中的重从而作为 ANAMMOX工艺的进水组成一个新型要因素研究表明低溶解氧下亚硝酸菌增殖速率加的生物脱氮工艺。联合的 SHARON- ANAMMOX工快补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降使得整艺具有耗氧少、污泥产量少不需外加碳源等优点,个硝化阶段中氨氮氧化未受到明显影响而亚硝酸具有很好的应用前景。氧化受到明显的扣制。研究表明低氧下亚硝酸大量2.4 CANON工艺积累是由于亚硝酸菌对溶解氧的亲合力较硝酸菌CANON( Completely autotrophic nitrogen removal强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4mgL硝 Over nitrite冮艺是将好氧亚硝酸化和厌氧氨氧化相酸菌的为1.2~1.5mg/。 OLAND工艺就是利用这结合的一种新型脱氮工艺。其原理是好氧氨氧化菌两类菌动力学特性的差异实现了淘汰硝酸菌使亚及厌氧氨氧化菌具有共生关系。硝酸氮大量积累。2.5同时硝化反硝化2.2厌氧氨氧 ANAMMOX)传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发1990年荷兰Delt技术大学 Kluyver生物技术生而近年来的新发现突破了这一认识使得同时硝实验室开发出 ANAMMOX工艺( Anaerobic ammoniun化反硝化成为可能。近年来好氧反硝化菌和异养菌Oxidation521即在厌氧条件下以NO3作为电子受的发现以及好氧反硝化、异养反硝化等研究的进展,奠定了SND生物脱氮的理论基础。当好氧环境与体将氨氮转化为氮气研究发现NO2是一个关键的缺氧环境在一个反应器中同时存在硝化和反硝化电子受体。由于该菌是自养菌不需要添加有机物在同一个反应器中同时进行称为同时硝化反硝化来维持反硝化。发生的反应可以假定为SND- Simultaneous Nitrification and Denitrification b5NH+ 3NO→*4N2+9H2O+2H+同时硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中△G=-297kJ/ mol nh4如流化床、曝气生物滤池、生物转盘也可以发生在最近研究表明NO2也可以作为电子受体进行活性污泥系统中如曝气池、氧化沟。与传统生物脱如下反应氮工艺相比sND工艺具有明显的优越性主要表现NH4 NO2N,+21,O在潲化过程中碱度被消耗而同步反硝化过程中产△G=-358kJ/ mol NH生了碱度SND能有效地保持反应器中pH稳定而根据化学热力学原理,上述反应的△G<0,说且无需外添加碱节省运行费用。SND意味着在同眀反应可以自发进行厌氧氨氮化过程的总反应是—反应器相同的操作条件下硝化反硝化能同时进个产生能量的反应。从理论上讲,可以提供能量行。如果能保证好氧反应器中一定效率的硝化反硝108水处理技术第30卷第2期积。对于仅由一个反应池组成的SBR反应器而言,除而且还可以减少50%的COD需求量和减少30%SND能够降低实现完全硝化反硝化所需的总时间。的需氧量以及堿少50%的产泥量;不仅如此还避3可持续废水生物除磷新技术免了反硝化细菌和聚磷菌对有机物的竞争,也避免了两种细菌泥龄的差异该工艺还可以抑制污泥膨3.1反硝化除磷原理胀的发生。系统适合CODN较低的情形。当进水传统生物除磷是指聚磷菌(PAOs)在好氧糸件COυN较高时由于缺乏足够的NOξ磷的去除不下吸磷在厌氧条件下放磷。而传统脱氮除磷系统充足。这种情况下在缺氧池后增加的好氧池,使中缺氧反硝化细菌和聚磷菌竞争有机物聚磷菌必剩余的磷通过DPB利用O2作为电子受体来去除须在反硝化结束后,系统进入完全厌氧状态时才能3.2.2BCFS工艺进行放磷这样就必须增加碳源的投加量如果处理BCFS Biologische-Chemische- Fosfaat-Stikstof高浓度氨氮废水耗费碳源的量就更大。最近研究 zerwijdering冮艺是由荷兰DELF科技大学在改进发现存在反硝化除磷细菌(DPB- nitrifying Phωos-本囯污水处理厂脱氮除磷效果基础上发展起来的新phorus Removing bacteria)能在缺氧无O2存在NO3)工艺4,它充分利用DP的缺氧反硝化除磷作用以环境下摄磷。DPB被证实具有同PAO极为相似的实现磷的完全去除和氮的最佳去除对于城市污水除磷原理只是它们氧化细胞内贮存的PHA时电子在处理过程中无需添加化学药剂。BCFS工艺将不受体不同而已PAO为O2而DPB为NO3)这使得同功能的细菌用空间分隔开来并通过不同的循环摄磷和反硝伥脱氮这两个不同的生物过程借助同系统来控制其生长环境。BCFS工艺由5个功能相细菌在同一个环境中完成。其结果摄磷和脱对专一的独立反应器厌氧池、选择池、缺氧池、缺氧氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要洏且好氧池、好氧池)3个循环系统构成(如图2所摄磷在缺氧内完成可缩小曝气区的体积(亦节省能示源)产生的剩余污泥量也有望降低3.2反硝化除磷新工艺3.2.1 DEPHANOX工艺厌解F选缺期追氯氧忍好氯泥定陨)上渡回万饼图2BCFS工艺流程图富剩泉BCFS工艺的主要特点对氮、磷的去除率高可使出水中总氮<5mg/L,正磷酸盐含量几乎为零。图1 DEPHANOX工艺流程图sⅥ值低(80~120ml/g)且稳定从而可有效地减少典型的反硝化除磷工艺为 DEPHAOⅹ3]工艺流曝气池及二沉池的容积。控制简单通过氧化还原程图如图1所示。回流污泥完成在厌氧池中的放磷电位与洿解氧可有效地实现过程稳定尤其利于对和PHA储备后在中间沉淀池中泥水分离汾离后的负荷的控制。与常规污水厂相比其污泥产量减少上清液直接进入随后的好氧固定膜反应池进行硝了10%从而进一步减少了污泥的处理费用。利用化沉淀的污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧反应DPB实现生物除磷使碳源COD能被有效地利用池內同时完成反硝化和摄磷关键步骤)脱氮和摄从而使该工艺在CO(N+P相对低的情况下仍磷后的混合液再进入曝气池再生(氧化细胞内残余能保持良好的运行状态同时使除磷所需的化学药王晓莲等,城市可持续污水生物处理技术1094可持续城市污水处理推荐工艺反应最后处理清水同二沉池出水一起外排作为城市回用水。该推荐工艺充分体现了可持续污水处理以上污水脱氮除磷的新工艺在很大程度上可以概念能最大程度的减少COD氧化生成大量的甲解决目前传统生物处理技术存在的问题,为实现可烷αH4)相应尽可能减少CO2释放瀧能减小剩余污持续污水处理可以将亚硝酸型生物脱氮、反硝化除泥产量潾酸盐污泥可充分利用烻理水也可回用。磷等新工艺进行优化组合作为推荐工艺应用到城市污水处理中做到最大限度的高效、经济、节能。5结语可持续污水处理概念的提出为日后污水处理厂的设计提供了新的思路并且也为传统污水二级处调BCFSIZ理的改进提供新的解决措施。但以上所介绍的可持续污水处理新技术主要以工程试验研究成果为依据对于该技术的研究还需进一步深入参考文献氯台没CANON艺[1] Jetten M S M,et al. Towards a more sustainable municipal图3可持续污水生物处理推荐工艺wastewater treatment systen j]. Wat Sci Tech 1997 359)如图3所示为城市污水处理推荐工艺流程。城171-180市污水首先进入吸附调节池中在此进行水质均化[2] Straous M net al. Ammonium removal from concentrated waste稳定后进入初沉池;沉淀后上清液进行BCFS工艺streams with the anaerobic ammonium oxidation( ANAM-单元中完成反硝化和摄磷(关键步骤):然后在二沉MOX process inigura-tions[ J ] Wat Re池中进行泥水分离沉淀污泥和中间沉淀池产生的【31ptea. Biological anoxic phosphorus removaDephanox proces[ J]. Wat Sci Tech, 1996(1-2): 119的CH4以作为能量使用同时放磷消化的污泥排入磷沉淀池在其中投加Mg盐进行化学除磷沉[4] M CM Van loosdrecht,etad. Upgrading of waste water淀的高磷污泥可作为农用肥料后消化产生的高Treatment processes for integrated nutrient removal-the温高氨混合液进入 CANON工艺处理单元进行脱氮BCFS Proces J ]. Wat Sci Tech 1998 379)209-211URBAN SUSTAINABLE WASTEWATER BIOLOGICAL TREATMENT TECHNOLOGYWANG Xiao-lian, PENG Yong-zhen', WANG Shu-ying, MA Yong?(1. Beijing Municipal Key Lab of Enuironment Recovery Beijing University of Technology Beijing 100022, China2. Faculty of Municipa and Environmental Engineering, Harbin institute of technology, Harbin 150090, China)Abstract Aiming at the biological nitrogen and phosphorus removal technology for conventional wastewater, we introducethe conception about the sustainable treatment technology which deals with many new technologies about biological nitrogen and phosphorus removal in this paper and provides new idea and method for water treatment. On the basis of theabove the urban wastewater sustainable treatment technology is also introducedKey words wastewater biological treatment sustainable i biolobical nitrogen and phosphorus removal DenitrifyingPhosphorus Removing Bacteria DPB)