污水氮磷去除的實際需要使二級生物處理技術(shù)進入了具有除磷脫氮功能的深度二級生物處理，污水脫氮除磷技術(shù)的研究、開發(fā)和工程應(yīng)用一直是國內(nèi)外污水處理界關(guān)注的熱點和難點。一般來說，只要污水中沒有大量難降解有機物，COD的去除是比較容易實現(xiàn)的。而氮磷脫除則比較復(fù)雜，一般需涉及硝化，反硝化，微生物釋磷和吸磷等過程。
上述每一個過程的目的不一樣，對微生物組成，基質(zhì)類型及環(huán)境條件的要求也不一樣。例如，硝化需要長泥齡的硝化菌和好氧條件，反硝化則需要短泥齡的脫氮菌，易降解COD和缺氧條件;釋磷需要短泥齡的聚磷菌，易降解COD和厭氧條件，而吸磷則需要聚磷菌和好氧條件。
由于各過程的要求不同，在同一污水處理工藝系統(tǒng)中就不可避免地產(chǎn)生了各過程間的矛盾關(guān)系。如何處理好這些矛盾關(guān)系，使各自所需的反應(yīng)條件有機地結(jié)合起來從而達到處理目的，是一個重要而艱巨的課題。
1、碳源問題
碳是微生物生長需要要最大的營養(yǎng)元素.在脫氮除磷系統(tǒng)中,碳源大致上消耗于釋磷,反硝化和異養(yǎng)菌正常代謝等方面.其中釋磷和反硝化的反應(yīng)速率與進水碳源中的易降解部分,尤其是揮發(fā)性有機脂肪酸(VFA)的數(shù)量關(guān)系很大. 一般來說,城市污水中所含的易降解COD的數(shù)量是十分有限的,以VFA為例,通常只有幾十mg/L.所以在城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)的釋磷和反硝化之間,存在著因碳源不足而引發(fā)的競爭性矛盾。
解決這一問題一般需要從兩個方面來考慮.一是從工藝外部采取措施,增加進水易降解COD的數(shù)量,例如取消初沉池,污泥消化液回流,將初沉池改為酸化池等都有一定作用,還可考慮外加碳源的方法.二是從工藝內(nèi)部考慮,權(quán)衡利弊,更合理地為反硝化和釋磷分配碳源,常規(guī)脫氮除磷工藝總是優(yōu)先照顧釋磷的需要,把厭氧區(qū)放在工藝的前部,缺氧區(qū)置后.
這種作法當(dāng)然是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提.但是,釋磷本身并不是脫氮除磷工藝的最終目的.就工藝的最終目的而言.把厭氧區(qū)前置是否真正有利,利弊如何,是值得進一步研究的.根據(jù)對厭氧有效釋磷可能并不是好氧過度吸磷充分必要條件的新認(rèn)識,倒置A2/O工藝(見圖)將缺氧區(qū)放在工藝最前端,厭氧區(qū)置后。
倒置A2/O工藝
經(jīng)過這種改變,脫氮菌可以優(yōu)先獲得碳源,反硝化速率得到大幅度提高.同時,原來困擾脫氮除磷工藝的硝酸鹽問題不存在了,所有污泥都將經(jīng)歷完整的釋磷和吸磷過程,除磷能力不僅未受影響,反而有所增強。這種新的碳源分配方式對脫氮除磷工藝的實踐和機理研究都有重要意義。
2、泥齡問題
作為硝化過程的主休,硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌.這類微生物的一個突出特點是繁殖速度慢,世代時間較長.在冬季,硝化菌繁殖所需世代時間可長達30d以上;即使在夏季,在泥齡小于5d的活性污泥中硝化作用也十分微弱.聚磷菌多為短世代微生物,為探討泥齡對生物除磷工藝的影響,Rensink等(1985年)用表1歸納了以往的研究成果,并指出降低泥齡將會提高系統(tǒng)的除磷效率.
由表1可見聚磷微生物所需要泥齡很短。泥齡在3.0d左右時,系統(tǒng)仍能維持較好的除磷效率.此外,生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥.為了保證系統(tǒng)的除磷效果就不得不維持較高的污泥排放量,系統(tǒng)的泥齡也不得不相應(yīng)的降低.顯然硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在著矛盾.
若泥齡太高,不利于磷的去除;泥齡太低,硝化菌無法存活,且泥量過大也會影響后續(xù)污泥處理.針對此矛盾,在污水處理工藝系統(tǒng)設(shè)計及運行中,一般所采用的措施是把系統(tǒng)的泥齡控制在一個較窄范圍內(nèi),兼顧脫氮與除磷的需要.這種調(diào)和,在實踐中被證明是可行的。
為了能夠充分發(fā)揮脫氮與降磷兩類微生物的各自優(yōu)勢,可采取的其它對策大致上有兩類。
第一類是設(shè)立中間沉淀池,搞兩套污泥回流系統(tǒng)使不同泥齡的微生物居于前后兩級(見圖1),第一級泥齡很短,主要功能是除磷;第二級泥齡較長,主要功能是脫氮.該系統(tǒng)的優(yōu)點是成功地把兩類泥齡不同的微生物分開.
但是,這類工藝也是存在局限性.第一,兩套污泥回流系統(tǒng),再加上中間沉淀池和內(nèi)循環(huán),使該類工藝流程長且比較復(fù)雜.第二,該類工藝把原來常規(guī)A2/O(見圖2)工藝中同步進行的吸磷和硝化過程分離開來,而各自所需的反應(yīng)時間又無法減少,因而導(dǎo)致工藝總的停留時間變長.
第三,該工藝的第二級容易發(fā)生碳源不足的情況,致使脫氮效率大受影響.此外,由于吸磷和硝化都需要好氧條件,工藝所需的曝氣量也可能有所增加。
第二類方法是在A2/O工藝好氧區(qū)的適當(dāng)位置投放填料.由于硝化菌可棲息于填料表面不參與污泥回流,故能解決脫氮除磷工藝的泥齡矛盾.這種作法的優(yōu)點是既達到了分離不同泥齡微生物的目的,又維持了常規(guī)A2/O工藝的簡捷特點。
但是該工藝也必須解決好以下幾個問題:①投放填料后必須給懸浮性活性污泥以優(yōu)先的和充分的增殖機會,防止生物膜越來越多而MLSS越來越少的情況發(fā)生;②要保證足夠的攪拌強度,防止因填料截留作用致使污泥在填料表面間大量結(jié)團;③填料投放量必須適中,投放量太少難以發(fā)揮作用,太多則難免出現(xiàn)對污泥的截留.此外,填料的類型和布置方式都應(yīng)作慎重考慮。
3、硝酸鹽問題
在常規(guī)A2/O工藝中,由于厭氧區(qū)在前,回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區(qū).硝酸鹽的存在嚴(yán)重影響了聚磷蓖的釋磷效率,尤其當(dāng)進水中VFA較少,污泥的含磷量又不高時,硝酸鹽的存在甚至?xí)?dǎo)致聚磷菌直接吸磷.所以在常規(guī)A2/O工藝框架下,如何避免硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)干擾釋磷一度成為研究熱點,并圍繞這一問題產(chǎn)生了諸如UCT工藝,JHB工藝,EASC工藝等,其中最著名的應(yīng)屬UCT工藝(如圖4) 。
解決硝酸鹽問題的關(guān)鍵是如何在回流污泥進入?yún)捬鯀^(qū)之前,設(shè)法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉.一種方法是在回流污泥進入?yún)捬鯀^(qū)之前,先進處一個附設(shè)的缺氧池,在這個缺氧池中回流污泥攜帶的硝酸鹽利用污泥本身的碳源反硝化。由于沒有外加碳源, 這種反硝化實際上多屬內(nèi)源代謝, 因此反硝化速率不高。作為對第一種方法的改進, 另一種方法通過投加外加碳源或引入一部分污水來提高附設(shè)缺氧池的反應(yīng)速率。
UCT 工藝另辟蹊徑, 把常規(guī) A2/ O 工藝的缺氧區(qū)分為前后兩個部分( 如圖) 。內(nèi)循環(huán) 1 將硝化液從好氧區(qū)( O) 回流至缺氧區(qū)( A2) , 內(nèi)循環(huán)2將A2區(qū)前部的混合液循環(huán)至A1區(qū), 回流污泥不是直接進入A1區(qū), 而是先進入A2區(qū)前部。
這種作法實際上是劃出一個小的缺氧區(qū)專門消耗回流污泥中的硝酸鹽, 故避免了回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區(qū)的沖擊,改善了聚磷菌的釋磷環(huán)境。但是, 進入A2區(qū)前部的回流污泥實際上只有一小部分由內(nèi)循環(huán)2運至A1區(qū), 其余大部分未經(jīng)釋磷直接進入后續(xù)工藝。也就是說, 在所排除的剩余污泥中只有一小部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷全過程, 其實際除磷效果可能因此而大受影響。常規(guī)A2/O工藝實際上也存在類似缺陷。
4、系統(tǒng)的硝化和反硝化容量問題
硝化和反硝化是生物除磷脫氮系統(tǒng)密不可分的兩個過程。硝化不充分, 出水氨氮必然升高, 反硝化能力也發(fā)揮不出來; 反硝化不充分出水硝酸鹽就會上升。怎樣配置恰當(dāng)?shù)南趸头聪趸萘? 充分發(fā)揮它們的潛力, 是脫氮除磷工藝設(shè)計和運行的一個重要問題。
系統(tǒng)的硝化和反硝化能力首先是決定于各自相應(yīng)區(qū)域的水力停留時間( 或有效容積) 。對于城市污水來說, 一般夏季的反硝化和硝化分別需要 1~ 2h和 3~ 4h, 考慮冬季低溫的影響通常確定反硝化時間為2~3h, 硝化時間為5~ 6h。決定硝化和反硝化能力的第二個因素是工藝布置形式。例如和常規(guī) A2/O工藝相比, 缺氧區(qū)前置的倒置A2/ O工藝可明顯提高系統(tǒng)反硝化能力。而在好氧區(qū)適當(dāng)投放填料則會提高系統(tǒng)的硝化能力。
通過改變運行參數(shù)也可以對系統(tǒng)的硝化和反硝化能力進行調(diào)整。延長泥齡, 加強曝氣和攪拌, 有利于提高好氧區(qū)的硝化能力; 適當(dāng)縮短泥齡, 降低溶解氧水平, 則有利于提高系統(tǒng)的反硝化能力。
對于前置反硝化來說, 內(nèi)循環(huán)比是十分重要的運行參數(shù), 對硝化、反硝化以及釋磷、吸磷都有重要影響。表面上, 內(nèi)循環(huán)是把硝化液從硝化區(qū)回流至反硝化區(qū)。在一定范圍內(nèi), 內(nèi)循環(huán)比越大, 出水硝酸鹽越少。
但是, 內(nèi)循環(huán)給系統(tǒng)帶來的一個不可忽視的問題是, 硝化液中的溶解氧對缺氧環(huán)境具有破壞作用。當(dāng)存在溶解氧時, 脫氮菌總是優(yōu)先利用游離氧作為電子受體氧化有機物, 反硝化過程因而被阻礙。而且, 隨著內(nèi)循環(huán)加大, 系統(tǒng)中的短流現(xiàn)象也會越來越明顯。
所以即使不考慮動力消耗, 內(nèi)循環(huán)比也不宜過大。此外, 對于常規(guī) A2/ O 工藝, 若內(nèi)循環(huán)比過大, 則參與釋磷吸磷過程的污泥比例將會嚴(yán)重減少, 影響除磷效率。因此, 對于一定的工藝系統(tǒng),內(nèi)循環(huán)比應(yīng)有一個恰當(dāng)?shù)姆秶? 并隨水質(zhì)、水量和溫度的變化而適當(dāng)調(diào)整。
5、釋磷與吸磷的容量問題
釋磷和吸磷是相互關(guān)聯(lián)的兩個過程。一般認(rèn)為, 聚磷菌只有經(jīng)過充分的厭氧環(huán)境并釋磷才能更好地吸磷, 而且, 也只有吸磷良好的聚磷菌才會在厭氧或缺氧條件下大量釋磷。關(guān)于釋磷、吸磷的機理至今還有許多方面尚未研究清楚。對于運行良好 城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)來說, 一般夏季的釋磷和吸磷時間分別需要115~ 215h和2~ 3h, 冬季低溫環(huán)境下兩者所需的時間均應(yīng)適當(dāng)延長。
在 A2/O工藝中, 吸磷和硝化是同步進行的, 而硝化時間較長, 故吸磷容量通常不成問題。從系統(tǒng)的角度看, 微生物的厭氧釋磷過程似更為關(guān)鍵。以往關(guān)于厭氧釋磷過程時間的確定, 多是就釋磷本身以釋磷曲線為依據(jù)進行研究的。
但是, 釋磷并不是處理系統(tǒng)的最終目的, 當(dāng)把釋磷和吸磷過程以及最終的除磷效果聯(lián)系起來進行考察時就會發(fā)現(xiàn), 單純按照上述方法來確定厭氧區(qū)的HRT是不充分的。根據(jù)有關(guān)厭氧歷時對除磷效率影響的研究表明: 在一定范圍內(nèi), 適當(dāng)延長厭氧反應(yīng)時間, 降低厭氧區(qū)氧化還原電位, 可以明顯提高系統(tǒng)的除磷效率。因此, 脫氮除磷工藝厭氧區(qū)的HRT 還應(yīng)進一步延長, 例如夏季采用2~3h, 冬季采用3~4h。
