曝气生物滤池如何实现脱氮除磷的

根据硝化反硝化的理论可知,生物脱氮包括硝化和反硝化过程,可采用单、多级活性污泥法。单级是将含碳有机物的氧化、硝化、反硝化在一个活性污泥池中进行,只设一个沉淀池;而多级活性污泥法是同时进行硝化和反硝化。按反应器来分,可分为微生物悬浮生长型及微生物附着生长型两种,并根据情况进行了不同的改型。

一、传统的生物脱氮工艺

可以通过采取适当的手段和措施,将自然界中氮循环的原理应用到活性污泥系统中来强化脱氮的效果。生物脱氮有两条途径,一是进行生物合成,将氮物质转化为细胞物质,通过剩余污泥的排放而达到处理的目的,如活性污泥法排出的剩余污泥;另一种是微生物通过硝化和反硝化反应形成氮气而排放,不会产生二次污染,含氮化合物在微生物的作用下通过氨化反应、硝化反应、反硝化反应达到去除的目的。

传统的生物脱氮工艺是由Barth提出的三步活性污泥法,即在生物二级处理后增加硝化脱氮工艺,在脱氮阶段需要外加碳源,流程长,构筑物多。

各池的功能不同,微生物所需的环境条件也不同,一段主要功能是去除BOD、COD,使有机氮转化,形成NH3、NH4,完成氨化过程,经沉淀后,污水进入硝化曝气池进行硝化反应,使NH3、NH4进一步氧化为NO3-N。硝化反应要消耗碱度,在消化池内投碱,方式PH值下降,第三段为反硝化反应器,在缺氧条件下,NO3-N还原为气态N2,这一级应采取厌氧-缺氧交替的运行方式,硝化反应器内加碳源,一般面甲醇,也可引入原污水作为碳源。

由于加甲醇而带来的BOD的增加,可设后曝气池进行处理后排放。本工艺是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在各自的反应器中生长繁殖,环境条件合适,反应速度较快而且彻底,但设备多,造价高,管理不方便。

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二、单级生物脱氮工艺

级生物脱氮技术的核心是将硝化菌和反硝化菌置于同一生物反应器中,在一个反应器中同时实现硝化、反硝化。其特征就是只有一个沉淀池,单级生物脱氮技术有不同的形式如A/O、A2/0、UCT、VIP(virginia initiative plant,VIP)等,还有多个缺氧池的单级活性污泥法,如SBR、循环曝气系统(cyclical aerated system)等。生物膜单级生物脱氮系统自20世纪70年代才开始发展。目前大多数处于小试、中试及半生产性试验阶段。Koch在研究生物转盘上生物膜的脱氮效果的同时,建立了自养型反硝化作用的数学模型。Wa tanabe 等专家认为在单一的生物转盘(RBC)中有两种方式可以实现同时硝化和反硝化:通过降低气相中氧分压控制氧的传递速度或采用部分沉浸和全部沉浸式相结合的RBC反应器对多种有机物质的处理试验结果显示了其脱氮效果良好。一般来说,生物膜单级脱氮技术具有操作简单和操作费用相对较低的优点,但其对环境条件的变化相对敏感,控制比较困难,且不够稳定。

1.A/0法

A/O法是有回流的前置反硝化生物脱氮流程(参见第四章图4-6)。该工艺利用废水中的BOD成分为碳源,可基本上不加碳源或少加,达到较好的去除效果。为了利用废水中的 BOD有时不设初沉池,加强格栅截留漂浮物及强化沉砂池的功能,有效地截留颗粒有机物,尽量提高A/O系统废水的BOD/TKN。一般情况下既有二沉池污泥回流以保证提供含碳有机物的氧化细菌,也有硝化液回流,为缺氧池提供NON,NO-N,以进行反硝化。

此系统中可充分利用碱度和氮氧化物中的氧,易在常规工艺中进行改造。系统中同时存在着降解有机物的异养型菌群、反硝化菌群和自养型硝化菌群,混合的微生物群体交替地处于好氧和缺氧的环境中,在不同的有机物浓度下,分别发挥其不同的作用。

A/O法的优点:流程简单,构筑物少,节省了基建费用和运行费用;废水经好氧处理可进一步去除残留的有机物,出水水质好;节省了外加碳源的费用,有较高的C/N比缺氧池的存在减轻了好氧池的有机负荷,起到生物选择器的作用,改善了污泥的沉降性能,并可弥补硝化过程对碱度的消耗。

A/O法有不同的布置形式。A2/0是改进型的A/O,在A/O工艺的基础上增加了厌氧池,从脱氮功能上讲,并不需要在缺氧池前设厌氧池,但它可作为厌氧选择器来促进菌胶团的细菌繁殖并抑制丝状菌在缺氧池和好氧池繁殖(参见第四章图4-8)。美国学者 Spector 对厌氧(anaerobic)和缺氧(anoxic)做了如下定义:厌氧是污水处理区基本没有硝态氮(最好小于0.2mg/L)溶解氧浓度低于07mg/L,最好低于0.4mg/L。缺氧是污水区内BOD的代谢由硝态氮完成,其初始浓度不低于0.4mg/L 。

2.Bardenpho工艺

由两个 A/O工艺组成,混合液回流,第一个A池中含有NO–N,第二个A池在O池后,也含有一定量的 NO-N,这两个池称为缺氧池。在第一级 A/O工艺中,回流混合液中的NO-N在反硝化菌的作用下利用原污水中的含碳有机物在第一个缺氧池中进行反硝化,再进入第一好氧池,完成含碳有机物的氧化、含氮有机物的氨化、氨氮的硝化,第一缺氧池产生的N在第一好氧池中经曝气吹脱。在第二级A/O工艺中,反硝化菌利用混合液中的内源代谢产物在第二缺氧池中进一步反硝化,氮气在第二好氧池中吹脱,改善了污泥的沉降性能,溶菌作用产生的NH+-N也在第二好氧池中得到硝化,二级A/O工艺具有较高的脱氮率。其他单级脱氮工艺将在同步脱氮除磷工艺中详细介绍。

缺氧反应器是脱氮的主体,细菌在这里以有机物作为电子供体,以硝酸盐氮作为电子受体将氮去除。好氧反应器的作用有三:一是吹脱水中的氮气,以防沉淀池污泥上浮;二是在好氧条件下去除水中剩余的有机物,以提高出水水质;三是提高水中溶解氧含量,以防止在沉淀池中产生脱氮作用。从好氧反应器回流混合液是为了提高脱氮效率和出水水质。沉淀池的作用和通常的废水生物处理系统一样,在活性污泥法的脱氮系统中是必需的,在生物膜法的脱氮系统中,却并非是必需的。在污水生物脱氮系统中需保证有足够的碳源。

固定化微生物单级生物脱氮由于硝化菌和反硝化菌具有不同的生理特性,硝化和反硝化作用难以在时间上和空间上统一,脱氮效果差。因此,利用微生物固定技术适当地将硝化反硝化菌固定在一起,以保证反应器的菌体浓度和脱氮性能,已成为近十多年来生物脱氮领域研究的重点之一。国内外学者对硝化细菌和反硝化细菌单独固定及固定化细胞的脱氮性能作了详细的研究,在日本已有将固定化硝化菌用于处理能力为11300m/d的工业装置。根据包埋方式和碳源供给方式不同,固定化微生物技术有三种工艺:硝化菌和反硝化菌分层包埋、硝化菌和反硝化菌混合包埋和碳源循环单级生物脱氮。分层包埋法类似于传统工艺中先硝化后反硝化的脱氮工艺,只是使两个反应在一个微单元中同时进行,反硝化菌直接还原硝化反应中产生的亚硝酸盐,避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐再还原成亚硝酸盐的两个多余步骤,降低了对氧和有机物的需求。在好氧条件下,连续运行时氮的去除速率高达5.1 mmolN/(m·s)。有的学者将硝化菌、反硝化菌和产甲醇菌混合固定成固定化小球,三种菌按照从外向内的顺序依次分布,借助固定化介质对氧传递形成阻碍,使厌氧、缺氧和好氧的环境统一在固定化小球内,通过产甲醇菌在厌氧条件下发酵产生甲醇,硝化细菌在好氧条件下将氨氧化为硝态氮和亚硝态氮,与产甲醇菌和硝化菌联合固定的反硝化细菌则可以通过甲醇将NO:-N和NO2-N转化为N,如果可以实现的话,可有效地解决反硝化碳源的来源问题,同时将两个工艺统一在一起,提高了脱氮速度。碳源循环则是将碳源加到细胞管中,依靠其在细胞管内循环流动时被反硝化菌按需摄取,废水中没有额外的碳源,避免了后经氮后除碳的工艺流程,脱氮过程的硝化速率得到提高。

固定化技术的利用提高了生物脱氮速度,节省碳源、减少了后曝气,但存在成本较高、难以获得理想的固定化介质等问题。

单级生物脱氮技术因其多方面优点备受关注,尤其是利用生物膜或固定化细胞进行单级生物脱氮取得了很大的进展,开发出许多新型生物反应器或新的固定化方法,但目前均处于实验室或中试规模的研究阶段。一些新型反应器如碳源循环单级生物脱氮反应器和新型生物纤维膜反应器已显示了巨大的潜在应用价值,将是未来单级生物脱氮领域研究的主要方向之一。

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三、生物脱氮的影响因素与主要参数

废水生物脱氮是通过硝化和反硝化菌共同作用完成的,因不同的环境条件哪一种工艺都将影响到处理过程和处理效果,而且对工艺运行中硝化菌和反硝化菌的影响也不同,应注意以下问题。

1.溶解氧

溶解氧含量的高低直接影响到处理工艺中好氧菌和厌氧菌的含量和分布比例,从而影响到处理工艺对氮的去除率。

2.水力停留时间

实验和运行数据证实,硝化反应和反硝化反应进行的时间对处理效果影响很大,为达到70%~80%的去除率,需硝化时间较长,一般不低于6h,而反硝化的时间在2h内即完成。硝化与反硝化的水力停留时间比为3:1。

3.温度

化反应的最适温度为30~35℃,当温度在5~35℃间逐渐升高时,硝化反应的速度随温度升高而加快,温度低于5℃,硝化反应几乎停止。反硝化反应的温度范围为15~35℃,当温度低于10℃,反硝化速率下降,温度低于3℃,反硝化作用停止,因此必须注意温度的控制。

4.循环比

脱氮工艺中,内循环的回流是向反硝化反应器中提供硝态氮,作为氮硝化的电子受体,循环比不仅影响脱氮效果,而且影响动力消耗。一般情况下,对于低氨氮的废水,回流比控制在200%~300%较为经济;对于高浓度的氨氮,回流比可适当高些。

5.酸碱度

生物脱氮过程中,硝化要消耗废水碱度使pH值下降,而反硝化由于产生一定的碱度使pH值上升,硝化菌的最适pH值为8.0~8.4。一般pH值为6.5~8.0,应根据原废水中的碱度情况适当地调整,并保持废水中的剩余碱度。

6.泥龄

为保证连续流反应器中有数量足够且性能稳定的硝化和反硝化菌,必须使微生物在反应器的停留时间大于硝化和反硝化菌的最小世代期。实际运行时,一般使系统的泥龄为硝化和反硝化菌世代期的两倍以上。控制脱氮工艺的污泥泥龄3~5d以上,较长的泥龄可增加生物硝化的能力,减轻毒物的抑制,但不宜过长,因为过长将降低污泥活性而影响处理效果。

7.C/N比

保证一定的碳源可使反硝化顺利进行。碳源的控制包括种类的选择、碳源的需求量及供给方式,一般认为,废水的C/N在5~ 8时,可认为碳源是足够的,否则应考虑必要的外加碳源。

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