经济高效的污水生物脱氮除磷新技术研究

摘要：控制污水中氮和磷的排放，对于防治水体富营养化是十分重要的。针对常规生物脱氮除磷技术和工艺中存在的问题，研究开发出从不同类型污水中去除氮和磷的生物膜与活性污泥结合工艺、亚硝酸型脱氮技术、新型膜生物反应器和立体循环一体化氧化沟等。这些技术和工艺发挥了不同微生物菌群的优势，使其分别处于各自最佳状态，可提高处理效率、简化操作、降低处理费用。

关键词：污水处理 生物脱氮 生物除磷

　　水体富营养化是世界性问题，大量的研究已经证明，污水中的氮和磷是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。常规的污水处理技术主要去除有机物和悬浮固体，对氮和磷的去处效率较低。许多发达国家对排放污水中的氮和磷含量都做了限定，并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求。污水脱氮除磷的技术可分为物理法、化学法和生物法。相对而言，生物脱氮除磷技术投资少、运行操作简单、无二次污染而被广泛应用。常用的生物脱氮除磷工艺有：缺氧-好氧脱氮工艺；厌氧-好氧除磷工艺；厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺等。但是，在常规的生物脱氮除磷工艺中，污泥在厌氧、缺氧和好氧段之间往复循环。该污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其它多种微生物组成，由于不同菌的最佳生长环境不同，脱氮与除磷之间存在着矛盾。实际应用中经常出现脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳。因此，常规生物脱氮除磷工艺流程存在着影响该工艺有效运行的相互影响和制约的因素，主要表现为：①厌氧与缺氧段污泥量的分配比影响磷释放或硝态氮反硝化的效果，厌氧段污泥量比例大则磷释放效果好，但反硝化效果差；反之，则反硝化效果好，而磷释放效果差；②原污水经厌氧段进入缺氧段，磷释放与硝态氮反硝化争夺碳源，当原水中碳源不足时，磷释放或反硝化不完全；③硝化菌世代繁殖时间长，要求较长的污泥龄，但磷从系统中被去除主要是通过剩余污泥的排放，因此要提高除磷效率则要求短污泥龄。对于某些含高浓度氨氮的工业废水，由于碳源不足，总氮的去除率较低。

　　根据生物脱氮除磷原理，针对常规污水生物脱氮除磷工艺技术存在的问题，本报告将介绍作者在污水脱氮除磷新技术方面的几项科研成果。

　　一、生物脱氮除磷原理

　　生物脱氮过程通过氨化、硝化和反硝化三步骤完成。硝化和反硝化反应可用下式表示：

NH4+ + 3/2 O2  NO2- + H2O + H+	(1)
NO2- + 1/2 O2  NO3-	(2)
NO3- + 2H（氢供给体—有机物）NO2- + H2O	(3)
NO2- + 3H（氢供给体—有机物）0.5N2 + 2H2O + OH-	(4)

　　生物除磷是利用除磷菌从外部环境超量地摄取磷，并将磷以聚合的形态储藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从污水中除磷。

　　二、生物脱氮除磷新技术与工艺

　　1．生物膜与活性污泥结合生物脱氮除磷新工艺

　　常规生物脱氮除磷工艺存在相互影响和制约的因素，因此脱氮和除磷效果难以同时达到最佳。生物膜与活性污泥结合新工艺的特点是缺氧段采用生物膜法，反硝化菌均匀分布在整个缺氧池内，反硝化反应充分；好氧和厌氧段采用悬浮污泥法便于对污泥龄的控制，有利于硝化菌和除磷菌的生长繁殖。生物膜与活性污泥结合工艺将常规工艺中相互影响和制约的因素分解，使不同的菌类生长在各自最佳环境条件下，因而在本工艺中脱氮和除磷效果可以同时达到最佳，而且工艺的可控性增强。工艺流程如图1所示。

　　图1 生物膜与活性污泥结合工艺示意图

　　在研究中，试验用水为城市污水，水质情况见表1。在正常运行期间，系统的总水力停留时间(HRT)为20~25小时。缺氧池内反硝化菌附着生长在填料上，污泥量为10g/L，比较稳定，无需特殊管理。浓缩池回流污泥浓度(VSS)达到15~20 g/L，SVI为30~50mL/g。好氧池污泥浓度保持在2~4g/L，SVI保持在50~80 mL/g，没有出现污泥膨胀现象。

　　表1  污水水质统计表

　　在本工艺中脱氮和除磷效果可以同时达到最佳，氨氮去除率达99%以上，TN、TP和COD的去除率分别达到85%、95%和95%。

　　2．立体循环一体化氧化沟

　　氧化沟是一种经济而有效的污水处理技术，具有稳定的处理效果，是污水生物处理技术之一。特别是用于污水脱氮，氧化沟比其它生物脱氮工艺费用低、TN去除效率高。然而，与活性污泥法相比，氧化沟占地面积较大，在土地紧张的城市或地区，氧化沟的应用受到限制。

　　针对常规氧化沟存在的问题，成功地研究出立体循环一体化氧化沟。其特点是：① 氧化沟采用立体循环，在循环过程中完成降解有机物和脱氮过程。与现有氧化沟相比，占地面积可减少约50%。② 沉淀区与氧化沟合建，沉淀的污泥可自动回流到氧化沟内，可节省投资和能耗。③ 结构紧凑，运行操作简便。新型立体循环一体化氧化沟既保留氧化沟设备和运行操作简单等优点，又可减少占地面积。该项技术已申请专利（发明专利申请号：01109727.2）。

　　试验研究和应用的结果表明，能够同时有效地去除污水中的有机污染物和氮。COD去除率达到95%，BOD 去除率为98%。NH₃-N去除率达到99%，总氮去除率90%以上。试验运行结果见图2 ~ 图4。

　　图2 立体循环一体化氧化沟对COD的去除效果     图3 立体循环一体化氧化沟内氨氮的去除

　　图4 立体循环一体化氧化沟对总氮的去除

　　3．重力出流式膜生物反应器

　　膜生物反应器是近年来将生物处理技术与膜分离技术相结合而发展的水处理新技术，具有流程短、易操作、处理效率高、出水可直接回用等特点。尤其在处理效果方面，MBR对有机物、悬浮物等去除效果远优于传统生物处理法。但是目前的分体式或一体式膜生物反应器存在投资高、能耗大等问题。

　　新型重力出流式膜生物反应器利用反应器内液位水头、采用重力驱动出水,省去传统的出水抽吸泵及复杂的气或水反冲洗设备，低水头连续过滤出水，既保留传统一体式MBR水处理效率高等优点，又可提高膜通量，降低膜污染。整个系统结构紧凑，投资少，操作简便。该项技术已申请专利（发明专利申请号：01120586.5）。重力出流式膜生物反应器工艺系统如图5所示。

　　通过对生活污水和城市污水进行试验研究，结果表明，经膜生物反应器处理，出水水质达到生活杂用水水质标准，可以回用于绿化用水、景观用水和冲厕用水等。

　　^图5

　　三、结论

　　试验研究结果表明，上述各污水生物脱氮除磷新技术与工艺是高效和可行的。根据不同污水的特点，通过对上述生物脱氮除磷新技术与工艺的选择与集成，能够有效地从污水中同时去除氮、磷和有机污染物。