2019年脱氮除磷工艺发展

《2019年脱氮除磷工艺发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019年脱氮除磷工艺发展（21页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2019 年脱氮除磷工艺发展污水脱氮除磷工艺的概述与展望摘要：近年来，城市污水（以城市生活污水为主）中氮磷营养物 的排放使受纳水体中藻类等植物大量繁殖，导致水体富营养化问题越 来越严重，对城市污水进行脱氮除磷处理是防止水体富营养化的一种 重要措施。目前来看，污水脱氮除磷的主要方法有物理方法、化学方 法及生物方法。与物理法、化学法相比，生物法具有适用范围广、投 资及运行费用低、效果稳定、综合处理能力强等优点，已成为污水脱 氮除磷的最佳选择。本文对现有的生物脱氮除磷工艺进行了系统的介 绍和分析，并对今后的发展方向作了展望。关键词：城市污水，脱氮除磷，工艺技术1. 城市污水脱氮除磷现状据近年来环境质

2、量公报发布的消息,水体中的主要污染物为含氮 磷的有机物。这些污染物进一步加剧了水资源短缺的矛盾,对可持续 发展战略的实施带来了严重的负面影响。目前含氮磷污水的处理技术 可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法。由于化学法与物理化 学法成本高,对环境易造成二次污染,所以污水生物脱氮除磷技术是 20 世纪70年代美国和南非等国的水处理专家们在化学、催化和生物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术,该技术由于处理 过程可靠,处理成本低,操作管理方便等优点而被广泛使用。微生物脱 氮除磷技术按微生物在系统中的不同状态,可分为活性污泥法和生物 膜法,通过设立好氧区、缺氧区和厌氧区来实现硝化、反硝化、

3、释磷 和放磷以达到脱氮除磷的目的。具体的生物脱氮除磷工艺主要有:A2/0法同步脱氮除磷工艺、生物转盘同步脱氮除磷工艺、SBR工 艺、氧化沟工艺、亚硝酸盐生物脱氮工艺、 AB 法及其变型工艺等。 污水经二级生化处理后，氮的去除率仅为20%30%左右，磷的去除率 则更低。因此脱氮除磷问题在二级处理普及率较高的工业化国家中受 到了高度的重视。我国污水厂大多数以二级生物处理为主。二级生物 处理厂去除对象主要是B0D5和SS,仅有极少数厂（如广州犬坦沙污水 厂）有脱氮除磷功能。我国水体富营养化日趋严重， 其原因一是城市污水处理率低;二是传统的活性污 泥法仅能去除城市污水中20%40%的氮以及5%20%的

4、磷。因此， 大 量兴建城市二级生物处理厂， 不但投资大， 运行费用高， 并且脱氮除磷 的效率也并不高。在实际的工程设计中， 根据受纳水体的要求和其他一些实际情况，（1）以去除有机物、氨氮为目的的工艺。因对总氮无要求,可以采 用生物硝化工艺,生物硝化工艺与传统活性污泥法工艺流程完全相同, 只是采用延时曝气。（2）以去除有机物和总氮（包括有机氮、氨氮及硝酸盐氮）为目的 的工艺。因要去除总氮,因此应该采用生物反硝化工艺,需要在反应池 前增设一个缺氧段,将好氧段中含有硝酸盐的混合液回流到缺氧段, 在缺氧的条件下,将硝酸盐反硝化成氮气。（3）以去除有机物、氨氮和有机氮、磷为目的的工艺。采用除磷 的硝化工

5、艺,在反应地前增设一个厌氧段,在厌氧段内完成磷的释放,在好氧段 内实现磷的超量吸收、有机物的氧化、有机氮及氨氮的硝化。（4）以去除有机物、总氮和磷为目的的工艺。对于这种情况,应该 采用完全的生物除磷脱氮工艺。在反应池前既要增设一个厌氧段又要 增设一个缺氧段,以同时实现生物除磷脱氮。2.1 生物脱氮原理传统的生物脱氮过程是在硝化细菌和反硝化细菌的联合作用下， 通过硝化和反硝化完成的。在好氧条件下，氨氮经硝化细菌的硝化作 用转化为硝态氮或亚硝态氮；在缺氧条件下，硝态氮或亚硝态氮在反 硝化细菌的作用下被还原为氮气，从而达到脱氮的目的。近年来同时硝化反硝化现象、短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化 工艺的发

6、展，为理解污水脱氮机理指明了新的方向。同时硝化反硝化 过程在同一条件下实现了脱氮，颠覆了传统脱氮理论认为硝化反应在 好氧条件下进行、反硝化反应在厌氧条件下进行的认识。其中，缺氧 微环境理论是目前普遍接受被认为是造成此类现象发生的主要机理。短程硝化反硝化是指将氨氮的硝化过程控在N02阶段，然后不经NO3的生成过程直接由反硝化细菌将NO2转化为N2。厌氧氨 氧化工艺的原理是，自养型厌氧氨氧化细菌在厌氧环境中以硝酸盐、亚硝酸盐作 为电子受体，将氨转化为氮气。该工艺特别适用于高氨氮废水和低碳 氮比废水处理。简而言之，脱氮新理论新现象的发现进一步深化了人 们对脱氮过程的认识，为实现污水高效的脱氮奠定了坚

7、实的基础。2.2 生物除磷原理生物除磷主要是由一类统称为聚磷菌的微生物在厌氧-好氧或厌 氧-缺氧交替的环境下完成的。在厌氧条件下，聚磷菌将细胞内的聚 磷水解为正磷酸盐，并从中获取能量，同时吸收污水中的易生物降解 的COD,同化为胞内碳源贮存物聚羟基烷酸（PHA）；在好氧或缺氧 条件下，聚磷菌以分子态氧（例如02）或化合态（例如N03）作为电子受体，氧化代谢胞内贮存物PHA，同时释 放能量，过量地从污水中摄取溶解态磷酸盐，并以聚磷形式贮存于细胞内，最 终通过排放富磷污泥实现从污水中除磷的目的。此外，反硝化除磷现象的发现进一步丰富了生物除磷机理。反硝 化除磷过程是由一类称为反硝化除磷细菌（deni

8、trifyingphosphorusremovingBacter-ia, DPB） 完成的，在缺 氧条件下， DPB 以硝酸盐取代氧气作为电子受体进行缺氧摄磷，同时 硝酸盐被还原为氮气，实现了同时脱氮和除磷的目的。反硝化除磷技 术实现了一碳两用，同时节省了曝气量，是一种低耗高效的污水处理 方法。从生物脱氮除磷的机理分析来看，生物脱氮除磷工艺基本上包括 厌氧、缺氧、好氧3 种状态，这3 个不同的工作状态可以在空间上进 行分离，也可以在时间上进行分离。3.1 空间顺序的生物脱氮除磷工艺空间顺序工艺的最大特征是污水的各种生化反应在不同的反应池 里同时完成，整个生化反应是连续进行，典型代表有A/0,

9、A2/0,改 良 A2/O， UCT，改良 UCT，五段 Bardenpho, Phostrip 等。3.1.1A2/O 改良工艺改良 A2/O 工艺是中国市政工程华北设计研究院提出的。该工艺综 合了 A/O 工艺和改良 UCT 工艺的优点,即在厌氧池之前增设厌氧/缺 氧池（图 1）。首先回流污泥和10%的污水进入厌氧/缺氧池进行反硝化以去除回 流污泥中的硝酸盐。 90%的污水进入厌氧区与回流污泥混合,在兼性 厌氧发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物转化为 VFA； 聚磷菌释磷，同时吸收VFA以PHB的形式贮存于胞内。在缺氧区，反 硝化菌利用污水中的有机物和经混合液回流而带来的硝酸盐进

10、行反 硝化，同时去碳脱氮；在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝 化菌生长繁殖，进行硝化反应，同时聚磷菌过量摄磷。通过沉淀、排 除剩余污泥达到除磷的目的。该工艺降低回流污泥中硝态氮对后续厌 氧池的不利影响，有利于厌氧池的聚磷菌释磷，改善了泥水分离性能。3.1.2UCT 改良工艺改良的UCT工艺(UniversityofCapeTown)脱氮除磷工艺由厌氧 池、缺氧1池、缺氧2 池、好氧池、沉淀池系统组成，有2个缺氧池。 缺氧1池只接受沉淀池的回流污泥，同时缺氧1池有混合液回流至厌 氧池，以补充厌氧池中污泥的流失。回流污泥携带的硝态氮在缺氧1 池中经反硝化被完全去除。在缺氧 2 池中接受来自好

11、氧池的混合液回 流，同时进行反硝化，缺氧 1 池出水中的 NO3-N 带进厌氧池使之保持 较为严格的厌氧环境，从而提高系统的除磷效率第一文库网。其工艺 流程见图 2。3.2 时间顺序的生物脱氮除磷工艺时间顺序的生物除磷脱氮技术的最大特征是污水的各种生化反应 均在同一个反应池里，按时间顺序进行污水处理，典型代表是 CAST,MSBR,A2NSBR 等工艺。3.2.1CAST 工艺CAST 实际上是一种循环 SBR 活性污泥法，反应器中活性污泥不断 重复曝气和非曝气过程，生物反应和泥水分离在同一池内完成，与 SBR 同样使用滗水器(图3 )。污水首先进入选择器，污水中溶解性的有机物通过生物作用得到

12、 去除，回流污泥中硝酸盐也此时得到反硝化；然后进入厌氧区，此时 为微生物释磷提供条件；第三区为主曝气区，主要进行BOD降解和同 时硝化反硝化。CAST选择器设置在池首防止了污泥膨胀。3.2.2MSBR 工艺近年来，有些研究者对传统的SBR进行了改进，开发了连续流序 批式活性污泥法工艺(ModifiedSequencingBatchReactor,简称 MSBR) 见图 4。首先，污水进入厌氧池，回流活性污泥中的聚磷菌在此充分释磷， 然后混合液进入缺氧池反硝化。反硝化后的污水进入好氧池，有机物 在好氧条件下被降解，活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的SBR， 澄清后上清液排放。此时另一边的SBR

13、在1.5Q回流量的条件下进行 反硝化、硝化或静置预沉。回流污泥首先进入浓缩池浓缩，上清液直 接进入好氧池，而浓缩污泥进入缺氧池。这样，一方面可以进行反硝 化，另一方面可先消耗掉回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为随后 进行的厌氧释磷提供更为有利的条件。 CAST 综合了以往除磷脱氮工 艺的优点，保证了各污染物质降解的最大速率环境，去除有机污染物 效率更高，脱氮除磷效果更好。3.2.3A2NSBR 工艺Kuba，Merzouki 及 W.J.Ng 等相继对 ANSBR 双污泥系统进行了反硝化除磷小试研究。A2NSBR工艺具有2个独立的SBR （图5）。一个SBR依次经历厌氧/缺氧段，主要是用来强化

14、DBP生长的厌氧 /缺氧环境，筛选优势菌种；另一个为好氧SBR，此反应器主要作用 是培养硝化菌，以提供给厌氧/缺氧 SBR 足量的硝化液。经研究， A2SBR 和好氧硝化 SBR 系统的结合表现了稳定的除磷脱氮效果，除磷率几乎 达到 100%，脱氮率达到90%以上。 24. 城市污水脱氮除磷技术的发展与展望污水排放标准的不断严格是目前世界各国普遍发展的趋势,以控 制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的 奋斗目标。我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚,投入的资金也 十分有限,研究水平仍处于发展阶段。目前在生物脱氮除磷技术基础 理论没有重大革新之前,充分利用现有的工艺组合,开

15、发技术成熟、经 济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方 向,主要体现在下面几个方面。(1) 开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发, 优化生物 脱氮除磷组合工艺,开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合 工艺。(2) 发展可持续污水处理工艺, 向节约碳源、降低 CO2 释放、减少 剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。(3) 大力开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。5. 生物脱氮除磷新工艺目前应用的脱氮除磷工艺主要有 SBR、A2O、OD氧化沟)这三类。据统计，在 20XX 年，这 3 种工艺占据了我国污水处理厂处理工艺的 65% ， 处理了

16、全国约 54%的污水。近年来，出现了一些新的脱氮除磷工艺， 以下对此作概括介绍。2.1CANDO耦合好氧-缺氧N20分解工艺 (coupledaerobicanoxicnitrousdepositionoperation，CANDO)， 是由 Scherson 等率先提出来的新型污水脱氮工艺。其基本原理可通 过 3 个步骤来解释(图 6)。图 6CANDO 工艺的化学反应原理示意图第一步，将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段；第二步，控制亚硝酸 盐的还原过程，保证其尽可能的生成N2O；第三步，将N2O催化分解 为 N2 同时伴随能量的回收，或者用N2O取代氧气作为CH4燃烧的助燃气。CANDO工艺减

17、少了污水处理过程对氧的需求，降低了剩余污泥的产量，进而减少了污水处理运 行费用；实现了从NOD （nitrogenousoxygendemand）中回收能量， 为污水处理进行能量回收开辟了新途径；减少了污水处理过程中N2O 等温室气体的排放，有效缓解了温室效应。对于CANDO工艺而言，第一步可通过高活性的氨氮去除亚硝酸盐 的单一反应器系统（SHARON）工艺实现，第三步在热力学上也能够达 到,关键是第二步，即如何稳定、高效地保证N2O的转化过程。目前， 主要有两种方法生物法和化学法。生物法是以细胞内储存的 PHB 等内碳源物 质作为电子供体，将NO2还原为N2O。然而，NO2的转化率不够稳定，

18、 与基质的投加策略有关，最大的转化率为60%左右。当乙酸（作为碳源）和亚硝酸盐连续 投加时，没有检测到N2O的产生。当乙酸和亚硝酸盐采用脉冲投加时， 检测到了 N2O的存在。脉冲投加分为两种方式进行，即耦合投加和非耦合投加。采用耦合投加时,N02的转化率为9%12%,非耦合投加时,N02转化率为60%65%。化学法则是利用碳酸盐绿锈carbona tegreenrus t,化学式 Fe4IIFe2III(0H)12C03 或菱铁矿(siderite,化学式为FeC03)将NO2还原为N20。研究发现，这 种活性绿锈( greenrus t)层状双金属类物质对硝酸盐还具有还原作用并且对其它污 染

19、物的迁移转化也有一定作用,进一步促进了该工艺的脱氮效果。同 时，greenrust类物质对磷酸盐也有良好吸附效果。BarthOlOmy等使 用双氧水将 greenrust 氧化为一种新材料碳酸铁绿锈carbonatedferricgreenrust,化学式 Fe7II(OH)12CO3，不仅增强 了其在溶液中的稳定性,而且还能够从水中吸附磷酸盐实现高效除磷 但去除率受pH值的影响。虽然,这两种方法最后都实现了98%的脱氮率,但生物法对 PHB 的依耐性,导致其转化率可能受进水中易降解的 COD 影响；化学法对 反应条件和药剂的特殊要求,也制约了其发展前景。如果能够研究出 一种新的高效的 N2O

20、转化机制，并实现规模化应用，CANDO工艺对于污水脱氮除磷而言不失为一 种极具吸引力的选择。在相同的情况下，以需氧量、微生物量和能量回收效率为衡量指 标比较SHARON、全自养亚硝酸型脱氮（CANON）、CANDO的处理效果， 发现CANDO工艺仅次于CANON；与传统的硝化-反硝化脱氮工艺相比， CANDO 工艺的氧消耗和污泥产量分别减少了20%和 40%，能源回收率 增加了 60%。总的来说， CANDO 工艺实可现生物法和化学法的有机结 合，从根本上解决了污水处理厂运行管理上的两大难题：曝气量和污 泥产量。由此可见，联合工艺突破了传统生物脱氮工艺的基本概念， 在一定程度上解决了传统硝化-

21、反硝化工艺存在的问题。2.2BioCAST同时去除含碳有机物及氮磷营养物质（BioCAST）工艺是为了实现 从污水中同时去除含碳有机物及氮磷营养物质而开发的新型多环境 混合污水处理工艺（图 7）。它的主体部分是由两个相互连接的反应器组成，每个反应器又包 含有多个具有不同环境条件的区域。反应器包含有4个区域，即好 氧区、微好氧区、缺氧区以及澄清区。前3 个区域主要用于污水生物 处理，澄清区则实现固液分离的作用。好氧区是根据气提式反应器的 原理设计的，位于反应器的正中央，里面设置有生物填料，使其同 时具有活性污泥工艺和生物膜工艺的特点，增加了系统中生物固体停 留时间。原水和来自厌氧区的富含聚磷菌(

22、phosphorusaccumulatingorganisms，PAOs )和挥发性脂肪酸的回 流污泥首先进入好氧区， PAOs 实现好氧过量吸磷作用，含氮物质经 氨化和硝化作用转化为硝态氮和亚硝态氮。混合液以上向流的方式流出好氧区，抵达附近的微好氧区，进一 步完成氨氮的硝化和剩余有机物的降解。然后，微好氧区混合液以下 向流方式直抵缺氧区，完成反硝化作用，实现脱氮。系统所需的氧是 由位于好氧区底部的 3个自定义的内置空气扩散器提供的，曝气不仅提供了生化反应所需的氧，实 现液体混合作用，同时也是混合液在好氧区、微好氧区和缺氧区的循 环动力，使得污染物每隔几分钟就能够暴露于不同的环境条件下，有 利

23、于污染物的去除。反应器的这种设计和运行机制提供了前置反硝 化和后置反硝化所需的环境条件，有利于脱氮。反应器是为污泥消 化和固液分离而设计的。反应器的出水一部分直接排出系统，一部 分进入反应器，经沉淀作用后上清液排出系统。同时反应器缺氧 区的污泥回流至反应器厌氧区进行消解，部分回流至好氧区，其余 部分作为剩余污泥排放。回流混合液中包含的聚磷菌和挥发性脂肪酸 为除磷和反硝化过程提供了充足的碳源，保证系统的脱氮除磷效果。BioCAST工艺能够有效地降低污水中污染物质的含量，在48天的 短期持续运行中， COD、TN、TP 的去除率分别达到了 99.3%、98.0%、 92.3%，即使进水中污染物负荷

24、发生波动，其去除效果几乎仍然能够 维持不变。同时，在有机负荷率为0.951.86kg/(m3d)、氮负荷率 为0.020.08kg/(m3d)、磷负荷率为0.0140.02kg/(m3d)的条件下, 经过长达225天的运行，COD、TN、TP的去除率分别也达到了 98.9%、 98.3%和94.1%，而且污泥的产率仅为消耗的COD当量的3.7%。在长 期和短期运行中均观察到磷的去除效果对总氮负荷有很强的依赖性， 即去除率随着氮的负荷率的增加和碳氮比的减小而提高，当TN负荷 在0.05kg/(m3d)以上时，磷的去除效果显著增强。通过增加进水N 和 P 的负荷，系统最终出水的硝酸盐、亚硝酸盐及磷

25、酸盐的浓度可分 别低达0.2mg/L、0.02mg/L及2.9mg/L，污泥产率仅为11.5%。总之，BioCAST工艺既能够积累高浓度的悬浮生长微生物，又能 够积累附着生长微生物，使它很适合处理高负荷和高含氮量污水。与 传统的工艺相比，反应器内生物量多，污泥产率低，系统启动时间短， 同时减少了空间需求；与SBR相比，没有复杂的定时或控制系统；与 膜生物反应器相比，不需要特殊类型的膜材料。5. 结语污水生物脱氮除磷是当今水处理的热点与难点。新的脱氮除磷理 论的提出，为生物脱氮除磷工艺指引了方向。如：SND （同时硝化反 硝化工艺）、SHARON（Singlereactorhighactivit

26、yammoniaremovalovernitrite,亚硝化 反应器）工艺、 OLAND（Oxygen-limitedautotrophicnitrification-denitriFic-ation， 氧限制自氧硝化反硝化）工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化厌 氧氨氧化组合工艺等。但是，生物除磷脱氮工艺的发展已不仅仅要求 对 N， P 去除率，而且要求处理效果稳定，可靠的运行工艺。今后对 此技术的研究应集中在以下方面。（1）加深除磷机理的研究。反硝化聚磷菌的出现解决了硝化菌与 聚磷菌争夺碳源，污泥龄不同等主要矛盾。为新型同步脱氮除磷工艺 提供了理论依据。但是对于反硝化聚磷菌的了解还不够全面，尤

27、其是其除磷机理还待于进一步研究。应突破传统理论，从微生物的角度来调控工艺。（2）随着脱氮除磷工艺的进一步发展，许多研究者在进行小试时， 都驯化出颗粒污泥，而颗粒污泥的出现改善了污泥膨胀这一难题。同 时发现颗粒污泥对N, P的去除要远远优于絮状污泥。今后在对颗粒 污泥的研究上应更加深入，研究了解颗粒污泥外部的胞外聚合物是否 对 N， P 有吸附作用，并进一步研究颗粒污泥的形成机理，调整现有 反应器的运行参数，从而加速颗粒污泥的形成，提高脱氮除磷效率。参考文献1 侯金良，康勇.城市污水生物脱氮除磷技术的研究进展J.化 工进展，20XX， 26 （ 3）：366-370.2 QiuY ， ShiHC

28、 ， HeM.Nitrogenandphosphorousremovalinthemunicipalwastewatertr eatmentplantsinChina：AReviewJ.InternationalJournalofChemicalEngineering， 20XX.DOI：10.1155/20XX/914159.3 SchersonYD，WellsGF，WooSG， etal.NitrogenremovalwithenergyrecoverythroughN2Odeposition J.Energy&EnvironmentalScience，20XX，6 （1 ）：241-24

29、8.4 PantkeC，ObstM ，BenzeraraK，etal.GreenrustformationduringFe（II）oxidationbythenitrate-re ducingAcidovoraxsp.StrainBoFeN1J.EnvironmentalScience&Tec hnology，20XX，46（3）：1439-1446.5 RubyC, UpadhyayC, GehinA, etal.InsituredoxflexibilityofFeII-IIIoxyhydroxycarbonategre enrustandfougeriteJ.EnvironmentalSc

30、ience&Technology， 20XX， 40（15）：4696-4702.6 HansenHCB， PoulsenIF.Interactionofsyntheticsulphate “Greenrust” withphosphateandthecrystallizationofvivianiteJ.ClaysandCl ayMinerals， 1999， 47（3）：312-318.7 BenaliO，AbdelmoulaM，RefaitP ，etal.EffectoforthophosphateontheoxidationproductsofFe（II ）-F e（III）hydro

31、xycarbona te：ThetransformationofgreenrusttoferrihydriteJ.GeochimicaEtC osmochimicaActa，2001，65（11）： 1715-1726.8 BarthelemyK，NailleS，DespasC， etal.Carbonatedferricgreenrustasanewmaterialforefficientpho sphateremovalJ.JournalofColloidandInterfaceScience，20XX， 384（1）： 121-127.9 YerushalmiL，AlimahmoodiM，MulliganCN.PerformanceevaluationoftheBioCASTtechnology：Anewmulti-zonewastewatertreatmentsystemJ.WaterScienceandTechnology，20XX，64（10）： 1967-1972.10 AlimahmoodiM，YerushalmiL，MulliganCN.Simultaneousremovalofcarbon，nitrogenandphosphorusinamulti-zonewastewater