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1、A2/O工艺的固有缺欠和对策研究张杰臧景红杨宏刘俊良提要分析了A2/O系统的固有缺欠:硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争,阻碍着生物除磷脱氮技术的应用。为此各国水处理专家有针对性地进行了大量研究,新工艺层出不穷,但至今仍没有根本性的突破,营养盐去除的整体效果没有显著提高。在深入分析研究基础上,指出应以兼性厌氧反硝化除磷菌的生物特性研究为基础,开展以PHB为碳源的新工艺和硝化菌与反硝化除磷菌相分离的双污泥系统的研究,为生产实践提供理论依据和指导。关键词A2/O工艺碳源反硝化除磷菌DEPHANOX工艺双污泥系统生物除磷脱氮A2/O工艺的发展只有20多年,但因其工
2、艺简单,能兼顾N,P去除并有较好的效果,故发展比较迅速。随着对污水排放要求的不断提高,许多研究者针对该工艺本身存在的问题,如硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的不同泥龄、释磷和反硝化对碳源的竞争等,在工艺形式和工艺流程上进行了一系列革新,新工艺层出不穷,尤其是随除磷机理研究在微生物学领域的深化,反硝化除磷菌DPB的发现使该工艺有了更广阔的发展前景。1A2/O工艺的发展1932年开发的Wuhrmann工艺是最早的脱氮工艺(见图1),流程遵循硝化、反硝化的顺序而设置。由于反硝化过程需要碳源,而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢物质作为碳源,能量释放速率很低,因而脱氮速率也很低。此外污水进入系统的第一级就
3、进行好氧反应,能耗太高;如原污水的含氮量较高,会导致好氧池容积太大,致使实际上不能满足硝化作用的条件,尤其是温度在15以下时更是如此;在缺氧段,由于微生物死亡释放出有机氮和氨,其中一些随水流出,从而减少了系统中总氮的去除。因此该工艺在工程上不实用,但它为以后除磷脱氮工艺的发展奠定了基础。1962年,Ludzack和Ettinger首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱氮能源的前置反硝化工艺,解决了碳源不足的问题。1973年,Barnard在开发Bardenpho工艺时提出改良型Ludzack-Ettinger脱氮工艺,即广泛应用的A/O工艺(见图2)。A/O工艺中,回流液中的大量硝酸盐到缺氧
4、池后,可以从原污水得到充足的有机物,使反硝化脱氮得以充分进行。A/O工艺不能达到完全脱氮,因为好氧反应器总流量的一部分没有回流到缺氧反应器而是直接随出水排放了。 为了克服A/O工艺不完全脱氮的不足,1973年Barnard提出把此工艺与Wuhrmann工艺联合,并称之为Bardenpho工艺(见图3)。Barnard认为,一级好氧反应器的低浓度硝酸盐排入二级缺氧反应器会被脱氮,而产生相对来说无硝酸盐的出水。为了除去二级缺氧器中产生的、附着于污泥絮体上的微细气泡和污泥停留期间释放出来的氨,在二级缺氧反应器和最终沉淀池之间引入了快速好氧反应器。Bardenpho工艺在概念上具有完全去除硝酸盐的潜力
5、,但实际上是不可能的。1976年,Barnard通过对Bardenpho工艺进行中试研究后提出:在Bardenpho工艺的初级缺氧反应器前加一厌氧反应器就能有效除磷(见图4)。该工艺在南非称5阶段Phoredox工艺,或简称Phoredox工艺,在美国称之为改良型Bardenpho工艺。1980年,Rabinowitz和Marais对Phoredox工艺的研究中,选择3阶段的Phoredox工艺,即所谓的传统A2/O工艺(见图5)1。2A2/O工艺的固有缺欠A2/O工艺的内在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争,很难在同一系统中同时获得氮、磷的高效
6、去除,阻碍着生物除磷脱氮技术的应用。其中最主要的问题是厌氧环境下反硝化与释磷对碳源的竞争。根据生物除磷原理,在厌氧条件下,聚磷菌通过菌种间的协作,将有机物转化为挥发酸,借助水解聚磷释放的能量将之吸收到体内,并以聚羟基丁酸PHB形式贮存,提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖所需的碳源和能量。如果厌氧区存在较多的硝酸盐,反硝化菌会以有机物为电子供体进行反硝化,消耗进水中有机碳源,影响厌氧产物PHB的合成,进而影响到后续除磷效果。一般而言,要同时达到氮、磷的去除目的,城市污水中碳氮比(COD/N)至少为452。当城市污水中碳源低于此要求时,由于该工艺把缺氧反硝化置于厌氧释磷之后,反硝化效果受到碳源量
7、的限制,大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污泥进入厌氧区,干扰厌氧释磷的正常进行(有时甚至会导致聚磷菌直接吸磷),最终影响到整个营养盐去除系统的稳定运行。为解决A2/O工艺碳源不足及其引起的硝酸盐进入厌氧区干扰释磷的问题,研究者们进行了大量工艺改进,归纳起来主要有三个方面:一是解决硝酸盐干扰释磷问题而提出的工艺,如:UCT、MUCT等工艺;二是直接针对碳源不足而采取解决措施,如补充碳源、改变进水方式、为反硝化和除磷重新分配碳源,进而形成的一些工艺,如:JHB工艺、倒置A2/O工艺;三是随着反硝化除磷细菌DPB的发现形成的以厌氧污泥中PHB为反硝化碳源的工艺,如:Dephanox工艺和双污泥系统的除
8、磷脱氮工艺。3硝酸盐干扰释磷问题的工艺对策南非UCT(University of Cape Town,1983)工艺(见图6)将A2/O中的污泥回流由厌氧区改到缺氧区,使污泥经反硝化后再回流至厌氧区,减少了回流污泥中硝酸盐和溶解氧含量。当UCT工艺作为阶段反应器在水力停留时间较短和低泥龄下运行时在美国被称为VIP(Virginia Initiative Process,1987)工艺3。与A2/O工艺相比,UCT工艺在适当的COD/TKN比例下,缺氧区的反硝化可使厌氧区回流混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水TKN/COD较高时,缺氧区无法实现完全的脱氮,仍有部分硝酸盐进入厌氧区,因此又产生改良
9、UCT工艺MUCT工艺(见图7)。MUCT工艺有两个缺氧池,前一个接受二沉池回流污泥,后一个接受好氧区硝化混合液,使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开,进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。 4弥补碳源不足的工艺对策41补充碳源补充碳源可分为两类:一类是包括甲醇、乙醇、丙酮和乙酸等可用作外部碳源的化合物,一类是易生物降解的COD源,它们可以是初沉池污泥发酵的上清液4或其它酸性消化池的上清液或者是某种具有大量易生物降解COD组分的有机废水,例如:麦芽工业废水、水果和蔬菜工业废水和果汁工业废水等。碳源的投加位置可以是缺氧反应器,也可以是厌氧反应器,在厌氧反应器中投加碳源不仅能改善除磷,而且能增加硝酸盐的
10、去除潜力,因为投加易生物降解的COD能使起始的脱氮速率加快,并能运行较长的一段时间1。42改变进水方式取消初次沉淀池或缩短初次沉淀时间5,使沉砂池出水中所含大量颗粒有机物直接进入生化反应系统,这种传统意义上的初次沉淀池污泥进入生化反应池后,可引发常规活性污泥法系统边界条件的重要变化之一就是进水的有机物总量增加了,部分地缓解了碳源不足的问题,在提高除磷脱氮效率的同时,降低运行成本。对功能完整的城市污水处理厂而言,这种碳源是易于获取又不额外增加费用的。Johannesburg(JHB)工艺2是在A2/O工艺到厌氧区污泥回流线路中增加了一个缺氧池(见图8),这样,来自二沉池的污泥可利用33%左右进水
11、中的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮,以消除硝酸盐对厌氧池厌氧环境的不利影响。此外,对传统A2/O工艺有人建议,采用1/3进水入缺氧区,2/3进水入厌氧区的分配方案可以取得较高的N,P去除效果7。43倒置A2/O工艺同济大学高廷耀、张波等认为8,传统A2/O工艺厌氧、缺氧、好氧布置的合理性值得怀疑。其在碳源分配上总是优先照顾释磷的需要,把厌氧区放在工艺的前部,缺氧区置后。这种作法是以牺牲系统的反硝化速率为前提的。但释磷本身并不是除磷脱氮工艺的最终目的。就工艺的最终目的而言,把厌氧区前置是否真正有利,利弊如何,是值得研究的。基于以上认识,他们对常规除磷脱氮工艺提出一种新的碳源分配方式,缺氧区放在工
12、艺最前端,厌氧区置后,即所谓的倒置A2/O工艺(见图9)。其特点如下:聚磷菌厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境,其在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到更充分的利用,具有“饥饿效应”优势;允许所有参与回流的污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程,故在除磷方面具有“群体效应”优势;缺氧段位于工艺的首端,允许反硝化优先获得碳源,故进一步加强了系统的脱氮能力;工程上采取适当措施可以将回流污泥和内循环合并为一个外回流系统,因而流程简捷,宜于推广。据他们报道,该工艺在实验室机理试验中得到了较好的除磷脱氮效果。5以厌氧污泥中PHB为反硝化碳源的工艺随着除磷研究在微生物学领域的深化,研究者发现一种“兼性厌氧反硝
13、化除磷细菌”DPB(Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria)能在缺氧环境下,在氧化PHB的过程中能以硝酸盐代替氧作电子受体,使摄磷和反硝化这两个不同的生物过程,能够借助同一种细菌在同一环境中一并完成,实现同时反硝化和过度摄磷,即所谓“一碳(指PHB)两用”。这对于解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统充氧能耗都具有一定的意义,于是产生了利用DPB的反硝化除磷工艺。51DPB的特点研究表明:DPB易在厌氧/缺氧序批反应器中积累;DPB在传统除磷系统中大量存在;DPB与完全好氧的聚磷菌PAO ( PolyphosphateAccumulating O
14、rganisms)相比,有相似的除磷潜力和对细胞内有机物质(如PHB)、肝糖的降解能力9。52DEPHANOX工艺Wanner在1992年率先开发出第一个以厌氧污泥中的PHB为反硝化碳源的工艺,取得了良好的N,P去除效果10,该工艺就是DEPHANOX工艺(见图10)。DEPHANOX工艺是满足反硝化除磷细菌所需环境和基质的一种强化除磷工艺,其特点是在A2/O工艺的厌氧池与缺氧池之间增设一中间沉淀池和固定膜反应池(一种好氧生物膜反应器)。原污水进入厌氧反应池后,聚磷菌放磷,大部分有机底物被污泥生物降解;在中间沉淀池中活性污泥和富含P和氨的上清液分离;上清液在固定膜反应池进行硝化。这样,被沉淀的
15、污泥则跨越固定膜反应池并与在其内生成的硝酸盐一起进入后续的缺氧反应池,同时进行反硝化和摄磷;再曝气池吹脱氮气并使聚磷菌完全再生。试验表明在缺氧反应器中硝酸盐(电子受体)缺少的情况下再曝气池完成过量磷的吸收是非常有必要的。DEPHANOX工艺的特点:能非常有效地解决聚磷菌和反硝化菌对有机底物的竞争;在进水COD/TKN较低的情况下有较高的除磷能力,最佳条件为COD/N为342;该工艺缺氧条件下P的去除效率仍低于传统A2/O工艺好氧条件下的效率;限制生物除磷脱氮系统污水处理能力的两个重要因素是丝状菌膨胀和硝化所需的长泥龄,在DEPHANOX系统中,硝化菌与聚磷菌的分离减少了丝状菌膨胀,解决了污泥龄
16、问题,提高了污水处理能力;提高了污泥的沉降性11。53双污泥系统目前研究表明,硝化段的长时间曝气对反硝化和除磷都不好,而且除磷菌体内的PHB在长时间的曝气后被消化,导致反硝化可利用的COD较少,所以认为分开硝化菌和反硝化除磷菌更合适,即应设两套污泥系统。基于以上认识,1996年Kuba等人提出一种具有硝化和反硝化除磷两套污泥回流系统的除磷脱氮工艺(见图11)。其具有低能耗、低污泥产量且COD消耗量低的特点。反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB后,经泥水分离不经过好氧阶段直接进入缺氧区,聚磷菌体内的PHB未被消耗,全部用于反硝化摄磷,保证了反硝化所需的碳源。污泥系统的分离不仅有利于把硝化和
17、除磷污泥控制在各自最佳的泥龄条件下且使供氧仅用于硝化和厌氧后剩余有机物的氧化,减少了曝气量。小试研究结果表明,此工艺与常规除磷脱氮工艺相比,当脱氮率和除磷率分别达90%和100%时,COD需求、耗氧量和污泥产量分别减少50%,30%和50%9。然而实际应用中,此类工艺面临一些问题。首先,该工艺的关键问题是反硝化除磷污泥流中残存的NH4+。在厌氧段后,沉淀的反硝化除磷污泥与上清液分离,在上清液中有大量的NH4+和释放的磷。上清液中的所有NH4+在好氧段都被氧化成硝酸盐,而反硝化除磷污泥流中的NH4+被转移到缺氧段。反硝化除磷污泥流中的残存的NH4+量在缺氧段会降低,主要是因为由于好氧段硝化液的稀
18、释和用于DPB的增长。如果在缺氧段残存的NH4+与满足DPB增长所需的NH4+平衡,那么N的去除率将是100%,但实际中很难做到这一点。该工艺中N的去除率是由容积交换率(图11中的a/(a+b)决定的,随着容积交换率的提高,该工艺中N的去除率也肯定会提高。其次,大量研究表明,缺氧条件下P的去除效率低于好氧条件下的效率,而且P的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺氧段硝酸盐量不充足时,P的过量摄取受到限制;而硝酸盐量富余时,硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段,干扰P的释放和聚磷菌PHB的合成。实际应用时进水中N和P的比例是很难恰好满足缺氧摄磷的要求,这给系统的控制带来困难。因为很难真实模
19、拟城市污水的处理情况,鉴于上述原因,这类工艺还在研究之中,离生产应用尚有一段距离。6结语虽然A2/O工艺和它的一些改进工艺经过多年运行,已积累了很多成功实践经验。但对其固有缺欠尚没有较好弥补,整体营养盐去除效果没有显著提高。故我们还应在以下几方面做进一步的研究来推动生物除磷脱氮技术的发展:(1)深入揭示生物除磷脱氮的生物学机理,进一步认识各条件下的微生物菌种,为除磷脱氮的工艺设计和改造提供理论依据和指导;(2)引入自动控制和传感器等其它领域的技术,提高生物处理的可控程度和运行的可靠、稳定,使处理系统向高效、低能耗方向发展。如对于DEPHANOX工艺,应进一步研究在线控制系统来控制缺氧反应器中的
20、氧化还原潜力,目的是把反硝化和再曝气控制在一个反应器中,在此反应器中只有当硝酸盐被耗尽时曝气器才被开启;(3)做出各工艺的参数系列,为设计提供依据;(4)现在,许多研究者对DPB菌种的认识还模棱两可、说法不一,所以,需对利用DPB的工艺做进一步研究,使其能尽早地应用于生产实践。参考文献1严煦世主编.水和废水技术研究.北京:中国建筑工业出版社,19922G Bortone, S Marsili Libelli,et al.Anoxic phosphate uptake in theDephanox process. Wat Sci Tech,1999,40(4-5):1771853P Coope
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