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. 30 No.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 ;2.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院, 黑龙江哈尔滨150090)摘要针对传统污水生物脱氮除磷处理技术存在的问题提出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出了城市可持续污水生物处理工艺。关键词污水生物处理可持续生物脱氮除磷;反硝化除磷( DPB )中图分类号:TQ085+ .413文献标识码:A文章编号:1000-37700 2004 )02-0106-04值。1可持 续污水处理概念从氨氮的微生物转化过程来看氨氮被氧化成针对传统污水生物脱氮除磷处理技术存在的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NH2 -NO2 -N2这样的途径完成。要包含以下几个内容:尽可能减少COD氧化;尽可早在1975年Voet等就发现在硝化过程中亚硝酸氮能大的甲烷( CH4 )产量尽可能低的能量消耗相应积累的现象并首次提出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)这种将酸盐再生处理水回用。硝化过程控制在亚硝酸阶段的短程生物脱氮工艺具有以下特点:对于活性污泥法,可节省氧供应量约2可持续污水生物脱氮技术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;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;缩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NH2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)硝化反硝化生物SHARON( Single reactor for High actiwity Ammonia脱氮。最近研究表明,生物脱氮过程中出现了一些Removal Orer nitrie )工艺是由荷兰Delft 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减垃圾中国煤化工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MHCNMHG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~ 359C )下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率亚硝酸收稿日期2002-06-04基金项县数推”资助项目( 2003AA601010 )国家十五"科技攻关项目( 2002BA860B04 );刀方效花源市教委科技发展计划重点项目( K2003010000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NO2 .菌最小停留时间之间，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出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 Nirification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)工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Gent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出水浓度相对较高,因此可以键是控制溶解氧浓度使硝化过程仅进行到NHt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NH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NH2与NO2比例为1:形成N2。溶解氧浓度是硝化与反硝化过程中的重1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 I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。氧化受到明显的抑制。研究表明低氧下亚硝酸大量2.4 CANON工艺CANON ( Completely autotrophic nitrogen removal积累是由于亚硝酸菌对溶解氧的亲合力较硝酸菌overnitrite)江艺是将好氧亚硝酸化和厌氧氨氧化相.强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4 mg/L,硝结合的-种新型脱氮工艺。其原理是好氧氨氧化菌酸菌的为1.2~ 1.5mg/L。0LAND 工艺就是利用这及厌氧氨氧化菌具有共生关系。两类菌动力学特性的差异实现了淘汰硝酸菌使亚2.5同时硝化反硝化硝酸氮大量积累。传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发2.2厌 氧氨氧化ANAMMOX )1990年荷兰Delft 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 Ammonium化反硝化成为可能。近年来好氧反硝化菌和异养菌Oxidation )2] ,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 )5NH++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= - 297k]J/mol NHt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+NO2一→N2+2H2O在:硝化过程中碱度被消耗.而同步反硝化过程中产△G= - 358kJ/mol NHt生了中国煤化工反应器中pH稳定而根据化学热力学原理,上述反应的△G<0，说且无MHCNMHG用。SND意味着在同明反应可以自发进行,厌氧氨氮化过程的总反应是一反应器相同的操作条件下硝化反硝化能同时进一个产生能量的反应。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供微生物生长。因此,可以假定厌氧反应器中存在化反应同时进行那么对于连续运行的SND工艺污微生物,它可配耨用氨作为电子供体还原硝酸盐或水处理厂,可以省 去缺氧池的费用或至少减少其容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。的需氧量以及减少50%的产泥量;不仅如此还避免了反硝化细菌和聚磷菌对有机物的竞争，也避免3可持续废水生物除磷新技术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COD/N较低的情形。当进水传统生物除磷是指聚磷菌(PAOs)在好氧条件COD/N较高时,由于缺乏足够的NO; ,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,可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02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3.2.2 BCFS 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 - Fofaat - Sikstof高浓度氨氮废水耗费碳源的量就更大。最近研究renvjdering工艺是由荷兰DELFT科技大学在改进.发现存在反硝化除磷细菌( DPB - Dnitifying Phos-本国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02存在NO3 )工艺4] ,它充分利用DPB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02 ,而DPB为NO; )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化(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-个细菌在同一个环境中完成。其结果摄磷和脱对专-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;而且/好氧池、好氧池)及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 反硝化除磷新工艺精环C3.2.1 DEPHANOX 工艺二沉池T天氧泊一选择池缺氧池氧好氧名好氧站Fecl 1沉淀也厌氧进水好驾好氧再康气上消液回湾湾泥广房十饼秀泥路店回流污泥图2 BCFS 工艺流程图富尚制金方泥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DEPHAOX[3] .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溶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;分离后的负荷的控制。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中国煤化工泥的处理费用。利用化沉淀的污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧反应DPBMHcNMHGD)能被有效地利用,池内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COD/( N+ P )值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的PHA)使其在下一循环中发挥最大放磷和PHA.剂量大大减少。使用生物除磷器获得富含磷的污储备能力。在艺不仅可以达到稳定的磷和氮的去泥使磷的循环利用成为可能。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( CH4 )相应尽可能减少CO2释放;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磷酸盐污泥可充分利用处理水也可回用。磷等新工艺进行优化组合作为推荐工艺应用到城市5结语污水处理中,做到最大限度的高效、经济、节能。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BCFSI艺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CHL消化地酒化5泥据对于该技术的研究还需进一步 深入。新设生吧料参考文献:CANONQE出酥[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 35(9):如图3所示为城市污水处理推荐工艺流程。坂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 ret al. Ammonium removal from concentrated wastestreams with the anaerobic ammonium oxidation ( ANAM-稳定后进入初沉池;沉淀后上清液进行BCFS工艺M0X ) process in diferent configura - tions[J]. Wat Res ,单元中完成反硝化和摄磷(关键步骤):然后在二沉1997 31 :1955- 1962.池中进行泥水分离沉淀污泥和中间沉淀池产生的[3 ] Bortone G ,et al . Biological anoxic phosphorus removal - the污泥排入消化池在此进行厌氧消化收集消化产生Dephanox proces[ J]. Wat Sei Tech ,1996 ,34( 1-2):119的CH4以作为能量使用,同时放磷消化的污泥排128.入磷沉淀池在其中投加Mg2+盐进行化学除磷沉[4] M C M Van Losdrcht ,e al. Upgnading of waste water淀的高磷污泥可作为农用肥料;随后消化产生的高Treatment processes for integrated nutient 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 ) 209-211.URBAN SUSTAINABLE WASTEWATER BIOLOGICAL TREATMENT TECHNOLOGYWANG Xiao-lian' , PENG Yong- zhen' , WANG Shu-ying' ,MA Yong2，( 1. Beijing Municipal Key Lab of Enironment Recovery , Beijing University of Technology , Bejing 100022 , China ;2. Faculty of Municipa and Enwironmental Engineering , Harbin instiute 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 nitro-gen 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中国煤化工Key words :wastewater biological treatment ; sustaineable ; biolobilMHC N M H Gs removal ; DenitrifyingPhosphorus Removing Bacteri:( DPB )