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反硝化除磷技術

發布時間:2010-8-16 10:04:22  中國污水處理工程網

摘要:綜述了反硝化除磷技術的原理、主要影響因素和實現反硝化除磷的新途徑。國內外對碳氮質量比,亞硝酸鹽對硝化除磷的影響的研究結果存在爭議;對硝酸鹽投加方式和SRT如何影響系統內微生物的研究還尚未深入。重點對有爭議和有待于深入研究的影響因素作了總結。目前,關于在工藝中如何實現反硝化除磷的研究有了突破性進展,這些新途徑有:AOA-SBR工藝、好氧顆粒污泥法和內循環氣升式SBBR。提出了為使反硝化除磷工藝的運轉和控制更加穩定需要將反硝化除磷系統的微生物學與工程緊密聯系,了解工程中操作參數如何影響系統中微生物。

反硝化除磷技術是由反硝化聚磷菌(DPB)在厭氧/缺氧(A/A)交替環境中,通過它們獨特的新陳代謝功能同時完成過量吸磷和反硝化脫氮雙重目的。反硝化除磷技術作為一種新型高效低能耗的技術成為近年來水處理領域的熱點。反硝化除磷作用可以在缺氧段無碳源的情況下進行,不僅實現同時除磷脫氮,還克服了生活污水中基質缺乏的問題,尤其適用于高氮磷廢水及產生揮發性脂肪酸潛力低的城市污水。目前,國內外對于此項技術的研究還處在初級階段。在影響因素方面,像碳氮濃度比、亞硝酸鹽等因素的研究結果各異,象硝酸鹽投加方式等因素的研究甚少。本文總結了反硝化除磷技術除磷的最新途徑。

1、反硝化除磷機理

高酸菌在厭氧條件下分解大分子有機物為低分子脂肪酸,DPB則在厭氧條件下分解體內的多聚磷酸鹽產生能量ATP,以主動運輸方式吸收脂肪酸并合成聚β-羥基丁酸鹽(PHB),與此同時釋放出PO43-。積累了大量PHB的DPB進入缺氧狀態后,以NO3-作為氧化PHB的電子受體,利用降解PHB以產生能量并提供還原力尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),并以NADH+H+作為電子運輸鏈的載體以排除質子,從而形成質子推動力,質子推動力將體外PO43-輸送到體內,在ATP酶作用下合成ATP,將過剩的PO43-聚合成多聚磷酸鹽。DPB在缺氧條件下通過電子傳遞鏈產生的ATP超過在厭氧條件下通過分解體內聚磷酸鹽產生的ATP,所以缺氧攝取的磷多于厭氧釋放的磷。因此DPB具有過量攝取廢水中磷的作用。

2、反硝化除磷的主要影響因素

2.1碳氮質量比

按照傳統的除磷理論,碳源存在于缺氧段或者硝酸鹽存在于厭氧段都會導致反硝化菌與DPB對電子受體硝態氮或對碳源的競爭,從而降低DPB的選擇性優勢,影響除磷效果,這就要求進水的碳氮質量比達到一個合適的范圍。但Ahn J.等的研究表明在厭氧/好氧(A/O)條件下,碳源和少量硝酸鹽一起進入厭氧段的長期馴化結果是促進DPB的富集,而且DPB在A/O條件下可以保持其缺氧吸磷的能力。從微生物學角度有兩種解釋,一是DPB通過三羧酸循環(TCA)直接利用碳源在厭氧段生長;二是DPB在厭氧期通過TCA循環氧化碳源得到還原力和能源來積累聚羥基烷酸,并在好氧期生存。關于DPB這方面的生理特性還沒有其他報道。

2.2硝酸鹽投加方式

在缺氧段投加硝酸鹽有瞬間投加和持續投加兩種方式,以持續投加效果稍好,且持續投加也會避免亞硝酸鹽的積累。對于持續投加時間對吸磷率的影響,鄒華等研究表明,持續投加時間為2h比3.5 h時的吸磷率要大。但目前還沒有關于投加速率和吸磷率之間具體關系的報道。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

2.3 SRT

DPB在A/A條件下生長,比A/O條件下生長的聚磷菌生長速率要慢。SRT太短會使反應器中的DPB被淘汰,過長則會使污泥老、含磷量下降。Merzouki M.報道:SBR反硝化除磷系統的SRT為15 d時比7.5 d時除磷效率高1.8倍。對于除磷脫氮顆粒污泥法,由于其生物相更加豐富且處于一體中,污泥結構復雜,如何通過泥齡來平衡DPB、聚磷菌、硝化菌還沒有確切報道。

2.4亞硝酸鹽

目前對于亞硝酸鹽對吸磷是否有抑制作用存在兩種說法,而這兩種說法存在的前提是研究對象不一致。以沒有經過反硝化除磷馴化的污泥為研究對象,結果均表明亞硝酸鹽超過臨界濃度則抑制吸磷。王亞宜等試驗表明當亞硝氮的質量濃度超過15 mg/L時,吸磷反應受到抑制,Meinhold J.等驗表明臨界亞硝氮的質量濃度是5~8 mg/L。利用經過反硝化除磷馴化的污泥做研究對象,結果則與上述情況不同。Hu J.Y.的試驗表明除了被廣泛認可的聚磷菌和DPB還存在第三族聚磷菌,它可以利用亞硝酸根做電子受體吸磷,另外試驗明當亞硝氮起始質量濃度小于115 mg/L時沒有明顯的吸磷抑制作用,而在生活污水處理廠的亞硝酸根濃度顯然遠遠低于此臨界濃度,所以不會對生物除磷產生不利影響。影響反硝化除磷的因素還有很多,如溫度(DPB對溫度特別是低溫比較敏感)、陽離子(Mg2+和K+)等,目前對這幾方面的研究很少,且各種因素間的相互作用加深了研究的難度。

3、實現反硝化除磷新途徑

傳統典型反硝化除磷工藝有以下幾種:
①厭氧/缺氧和硝化(簡稱A2N)工藝。此工藝是一種雙泥反硝化除磷工藝,硝化菌和DPB在不同的污泥系統分別進行培養,使硝化菌與DPB完全分離。A2N工藝最適合碳氮比較低的情形。②DEPHANOX工藝。當進水碳氮比較高時,需要在A2N工藝的缺氧池后添加曝氣池,這就形成了DEPHANOX工藝。
③BCFS工藝。此工藝是一種變型的UCT工藝,UCT工藝設計原理是基于對聚磷菌所需環境條件的工程強化,而BCFS的開發是為了從工藝角度創造DPB的富集條件。近來,關于反硝化除磷技術應用的研究又有了突破性的進展。有廢水需要處理的單位,也可以到污水寶項目服務平臺咨詢具備類似污水處理經驗的企業。

3.1 AOA-SBR法

厭氧/缺氧/好氧(簡稱A2O)工藝是脫氮除磷的常用形式,它主要通過聚磷菌、硝化菌、反硝化菌的代謝來運轉,那么含有硝酸鹽和亞硝酸鹽的液體在此工藝中循環是必須的。Tsuneda S.等]提出了SBR中采用厭氧/好氧/缺氧(簡稱AOA)工藝,充分利用了DPB在缺氧且沒有碳源的條件下能同時進行脫氮除磷的特性,使反硝化過程在沒有碳源的缺氧段進行,不需要好氧池和缺氧池之間的循環,達到氮磷在單一的SBR中同時去除的目的。而且試驗也證明采用此工藝處理碳氮質量比低于10的合成廢水 可以得到良好的脫氮除磷效果,平均氮磷去除率分別為83%、92%。此工藝不僅可富集DPB,而且使DPB在除磷脫氮過程中起主要作用。試驗結果顯示在AOA-SBR工藝中DPB占總聚磷菌的比例是44%,遠比常規工藝A/O-SBR(13%)和A2O工藝(21%)要高。

AOA-SBR工藝有兩個特點:
①在好氧期開始時加入適量碳源以抑制好氧吸磷,此試驗中好氧期加入最佳碳源量是40 mg/L。
②在此工藝中,亞硝酸鹽可以做吸磷的電子受體。

3.2顆粒污泥法

顆粒污泥脫氮除磷目前還處在研究階段。與普通污泥法相比,好氧顆粒污泥沉降性能較好,生物濃度高,污泥含水率低。隨著顆粒污泥的應用,存在于普通污泥中的(諸如污泥膨脹、處理構筑物占地面積大、澄清池二次釋磷等)問題都可以被克服。Dulekgurgen E.等試驗表明顆粒污泥具有穩定的生物量,COD、磷、氮的去除率分別為95%、99.6%、71%。國內研究結果與其一致,而且好氧顆粒污泥具反硝化除磷能力,由于顆粒污泥獨特的結構以及氧擴散梯度的存在為聚磷菌、硝化菌、DPB提供了共存的環境,大量DPB與硝化菌在顆粒污泥中富集,楊國靖等試驗表明在顆粒污泥中DPB占全部聚磷菌的73.1%。顆粒污泥的培養比普通污泥難度大,影響因素也相對復雜。

除了具有普通污泥反硝化除磷脫氮的影響因素外,顆粒污泥有它獨特的影響因素:
①DO濃度和顆粒粒度的相互作用對于反硝化除磷效果影響很大,如果顆粒粒徑過小,那么氧氣的穿透力相對較強,影響缺氧區的形成,導致反硝化除磷和脫氮不能實現。
②維持適當的氮磷質量比對于污泥的顆粒化和除磷能力非常重要,當氮磷質量比由2.36上升至4.0時,除磷率由85.0%下降至54.1%。
③Lin Y-M等試驗表明顆粒與磷碳質量比關系密切,高磷碳質量比可以使顆粒小而結構更致密,SVI也隨之降低,而且有助于聚磷菌的富集。

3.3內循環氣升式序批式生物膜法

內循環氣升式序批式生物膜法(內循環氣升式SBBR)主要是為除磷脫氮一體化而設計的。ZhangZ.Y.等研究表明內循環氣升式SBBR得到了穩定的氮磷去除率。COD、N、P在最佳填料密度和有機負荷下的去除率分別為95.3%±3.3%、94.6%±4.1%、73.1%±8.3%。反應器被隔板分為2個區———好氧區和回流區,硝化菌和好氧聚磷菌主要存在于好氧區,DPB存在于回流區。厭氧期,處于回流區的DPB和好氧區的聚磷菌吸收有機基質;好氧/缺氧期,處在好氧區的硝化菌產生NO3-、NO2-以提供DPB吸磷的電子受體,這樣氮磷就被去除了。排泥是影響磷去除的重要因素,這點可以通過調節纖維填料密度來實現。常規SBBR脫氮除磷效果不佳,主要是由于硝化菌和異氧菌在生物膜中彼此競爭氧氣和營養物質。比起常規SBBR,內循環氣升式SBBR避免了硝化菌和異氧菌的競爭;比起常規活性污泥法,此反應器節省了能源和投資

4、展望

國內外對反硝化除磷技術的研究已取得了初步成果,反硝化除磷技術也已從基礎性研究發展到工程應用階段。目前,我們對反硝化除磷系統中微生物群落結構和功能方面的知識還了解甚少。微生物種群結構在不同系統中變化明顯,同一系統中微生物相也很復雜。利用分子生物學技術可以進行菌群動態跟蹤和功能群種鑒定,揭示菌群結構和功能的關系,從而更好的控制生物處理工程。研究生物除磷的分子生物學技術有:聚合酶鏈反應(PCR)技術、限制性片段長度多態性技術、寡核苷酸探針技術。研究普遍認為聚磷菌是β-Proteobacteria中的Rhodocyclus組和Dechlorimonas組菌,SatoshiT.等采用RFLP技術研究DPB特性,結果表明DPB是Rhodocyclus組中的Thauera mechrnichensis和Azoarcus tolulyticus。我們需要將反硝化除磷系統的微生物學與工程緊密聯系,通過對微生物檢測和生態學研究,來分析和確定系統中DPB的數量和群體結構,了解工程中操作參數是怎樣影響聚磷菌、硝化菌、DPB等的菌群特性、種群密度分布及空間分布,從而實現人工強化反硝化除磷系統,優化處理過程,加強新工藝的開發和應用。來源:谷騰水網

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