同步脫氮除磷的矛盾及對策！
閱讀：547 發(fā)布時間：2023-8-29
同步脫氮除磷工藝是具有同步脫氮、除磷為目的工藝，例如我們常用的AAO、氧化溝等工藝，但是，在實際運行過程中，同步脫氮除磷技術還存在一些問題。
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，系統仍能維持較好的除磷效率。此外，生物除磷的wei一渠道是排除剩余污泥。為了保證系統的除磷效果就不得不維持較高的污泥排放量，系統的泥齡也不得不相應的降低。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設計及運行中，一般所采用的措施是把系統的泥齡控制在一個較窄范圍內，兼顧脫氮與除磷的需要。這種調和，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。第一類是設立中間沉淀池，搞兩套污泥回流系統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，再加上中間沉淀池和內循環(huán)，使該類工藝流程長且比較復雜。第二，該類工藝把原來常規(guī)A2/O(見圖25)工藝中同步進行的吸磷和硝化過程分離開來，而各自所需的反應時間又無法減少，因而導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，太多則難免出現對污泥的截留。此外，填料的類型和布置方式都應作慎重考慮。
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)的數量關系很大。一般來說，城市污水中所含的易降解COD的數量是十分有限的，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。二是從工藝內部考慮，權衡利弊，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。這種作法當然是以犧牲系統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識，倒置A2/O工藝(見圖3)將缺氧區(qū)放在工藝最前端，厭氧區(qū)置后。經過這種改變，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。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)。硝酸鹽的存在嚴重影響了聚磷蓖的釋磷效率，尤其當進水中VFA較少，污泥的含磷量又不高時，硝酸鹽的存在甚至會導致聚磷菌直接吸磷。所以在常規(guī)A2/O工藝框架下，如何避免硝酸鹽進入厭氧區(qū)干擾釋磷一度成為研究熱點，并圍繞這一問題產生了諸如UCT工藝，JHB工藝，EASC工藝等，其中最著名的應屬UCT工藝(如圖4) 。解決硝酸鹽問題的關鍵是如何在回流污泥進入厭氧區(qū)之前，設法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉。一種方法是在回流污泥進入厭氧區(qū)之前，先進處一個附設的缺氧池，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缺氧池的反應速率。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4)。內循環(huán)1將硝化液從好氧區(qū)(O)回流至缺氧區(qū)(A2)，內循環(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循環(huán)2運至A1區(qū)，其余大部分未經釋磷直接進入后續(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。
硝化和反硝化是生物除磷脫氮系統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。怎樣配置恰當的硝化和反硝化容量，充分發(fā)揮它們的潛力，是脫氮除磷工藝設計和運行的一個重要問題。系統的硝化和反硝化能力首先是決定于各自相應區(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反硝化能力。而在好氧區(qū)適當投放填料則會提高系統的硝化能力。
通過改變運行參數也可以對系統的硝化和反硝化能力進行調整。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；適當縮短泥齡，降低溶解氧水平，則有利于提高系統的反硝化能力。對于前置反硝化來說，內循環(huán)比是十分重要的運行參數，對硝化、反硝化以及釋磷、吸磷都有重要影響。表面上，內循環(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，內循環(huán)比越大，出水硝酸鹽越少。但是，內循環(huán)給系統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，隨著內循環(huán)加大，系統中的短流現象也會越來越明顯。所以即使不考慮動力消耗，內循環(huán)比也不宜過大。此外，對于常規(guī)A2/O工藝，若內循環(huán)比過大，則參與釋磷吸磷過程的污泥比例將會嚴重減少，影響除磷效率。因此，對于一定的工藝系統，內循環(huán)比應有一個恰當的范圍，并隨水質、水量和溫度的變化而適當調整。
釋磷和吸磷是相互關聯的兩個過程。一般認為，聚磷菌只有經過充分的厭氧環(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適當延長。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。從系統的角度看，微生物的厭氧釋磷過程似更為關鍵。以往關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進行研究的。但是，釋磷并不是處理系統的最終目的，當把釋磷和吸磷過程以及最終的除磷效果聯系起來進行考察時就會發(fā)現，單純按照上述方法來確定厭氧區(qū)的HRT是不充分的。根據有關厭氧歷時對除磷效率影響的研究表明：在一定范圍內，適當延長厭氧反應時間，降低厭氧區(qū)氧化還原電位，可以明顯提高系統的除磷效率。因此，脫氮除磷工藝厭氧區(qū)的HRT還應進一步延長，例如夏季采用2~3h，冬季采用3~4h。
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