生活污水脱氮除磷概述

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　　摘要：介绍了生活污水脱氮除磷的必要性、污水脱氮除磷的机理及几种常用脱氮除磷工艺及其优缺点，并介绍了污水脱氮除磷新技术及相关研究。
　　关键词：生活污水；脱氮除磷
　　1 前言
　　氮和磷是生物的重要营养源。随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，以及二级生化处理城市污水出水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加，蓝、绿藻大量繁殖，加速水体的富营养化进程，水质恶化，严重影响水生生物和人体健康。因此，解决氮磷污染问题对解决我国水环境污染问题具有重大意义。
　　2 污水脱氮除磷机理
　　污水中氮的存在形式主要有氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，可通过物理法、化学法和生物法去除。常用的物化方法有氨吹脱法、化学沉淀法、折点加氯法、选择性离子交换法和催化氧化法。污水中磷的存在形态主要是磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，去除方法主要有混凝沉淀法、结晶法和生物法。由于生物脱氮除磷被公认为是一种经济、有效和最具发展前途的方法，且生活污水的可生化性好，因此，目前污水脱氮除磷大多采用生物法。
　　2.1生物脱氮机理
　　污水生物处理脱氮过程主要是氮的转化，即同化、氨化、硝化和反硝化。
　　（1）同化在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分，此过程氨氮去除率为8%～20%。
　　（2）氨化污水中的含氮有机物（一般动物、植物和微生物残体以及其排泄物、代谢产物所含的有机氮化合物，主要包括蛋白质、核酸、尿素、尿酸、几丁酸质、卵磷脂等）在氨化菌的作用下，分解、转化并释放出氨。
　　（3）硝化氨氮在有氧存在的情况下经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸盐的过程称硝化过程。好氧菌亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属及亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属和亚硝酸弧菌等将氨氮转化为亚硝酸盐，硝化杆菌属、硝化球菌属将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐[1]。
　　（4）反硝化在厌氧的条件下，施氏假单胞菌、脱氮假单胞菌、荧光假单胞菌、紫色杆菌、脱氮色杆菌等反硝化细菌利用有机质作为电子供体，利用硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸，将硝酸还原为N2。
　　2.2除磷机理
　　在厌氧池，在没有溶解氧和硝态氧存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性BOD通过发酵作用转化为低分子可生物降解的VFA，优势菌种聚磷菌构成了活性污泥絮体的主体，利用聚磷酸盐的水解以及细胞内糖的酵解产生的能量将吸收的VFA运送到细胞内同化成细胞内碳能源储存物PHB，同时释放出磷酸盐。在好氧池中，聚磷菌所吸收的有机物被氧化分解，提供能量的同时从污水过量摄取磷，磷以聚合磷酸盐的形式储藏在菌体内而形成高磷污泥，通过排出剩余污泥统而除磷。
　　除磷聚磷菌有小型革兰式阴性短杆菌、假单胞菌属和气单胞菌属，占聚磷菌数量的15%~20%，杆菌仅占1%~10%，但聚磷能力最强[2]。
　　3常用的生活污水脱氮除磷工艺
　　目前生活污水处理主要是通过形成厌氧、缺氧和好氧环境，使聚磷菌、硝化菌和反硝化菌共存进行生物脱氮除磷，最广泛应用的同步脱氮除磷工艺有A2/O、氧化沟、SBR及其改型、改良Bardenpho工艺和改良UCT工艺等[3]。
　　3.1 A2/O工艺
　　A2/O工艺系统中同时具有厌氧区、缺氧区、好氧区，可同时做到脱氮除磷和有机物的降解，其工艺流程见图1所示。
　　
　　图1A2/O生物脱氮除磷工艺流程
　　污水和二沉池回流的活性污泥经格栅拦截悬浮物后进入厌氧反应区，池中兼性厌氧发酵菌在厌氧条件下将污水中可生化降解的大分子有机物转化为小分子的中间发酵产物，聚磷菌将贮存在体内的聚磷酸分解并释放出能量供专性好氧聚磷菌，剩余的部分能量供聚磷菌从环境中吸收VFA等易降解有机质，并以PHB的形式在体内贮存，出水进入缺氧池，反硝化菌利用来自好氧池回流液中NOx-N 及污水中有机质进行反硝化脱氮；聚磷菌在好氧池超量摄取水中的溶解态磷，最终通过排放高磷污泥除磷 [4]。
　　该工艺流程简洁，污泥在厌氧、缺氧、好氧环境中交替运行，沉降性能好，出水可达GB8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准，磷小于1mg/L，氨氮小于8mg/L [5]。
　　3.2 氧化沟工艺
　　氧化沟是利用循环式混合曝气沟渠来处理污水。一般不设初沉池，采用延时曝气，连续进出水，结构形式为封闭式环形沟渠。污水在氧化沟曝气池的推动下作平流运动形成混合液生物絮凝体除磷脱氮，产生的污泥在曝气的同时得到稳定，无需设置污泥消化池。该工艺具有能耗少、占地面积小、耐冲击负荷、高效脱氮的特点。常用的氧化沟工艺类型有Carrousel 氧化沟、Orbal 氧化沟、一体化氧化沟、交替工作式氧化沟及其改良工艺。
　　3.3 SBR及其改型
　　SBR法即序批式活性污泥法，采用一个完全混合的间歇排水反应器系统，进水后缺氧搅拌，好氧菌利用溶解氧分解有机物，当水中溶解氧降至零时厌氧菌进行厌氧发酵，反硝化菌脱氮，聚磷菌释磷，接着进行曝气，硝化菌进行硝化反应，聚磷菌吸磷，随后停止曝气，进行沉淀，滗出上部清水，如此反复循环，在同一池中完成进水、反应、沉淀、排放和闲置五个过程，无需设调节池，省去了二沉池和回流污泥泵房，布置紧凑。通常采用鼓风曝气，污水完全混合，耐冲击负荷强，脱氮除磷效果好。
　　SBR的衍生工艺有CASS、ICEAS、IDEA、DAT-IAT、UNITANK、MSBR等。
　　3.4 改良Bardenpho工艺
　　改良Bardenpho工艺是由厌氧―缺氧―好氧―缺氧―好氧五段组成，第二个缺氧段利用好氧段产生的硝酸盐作为电子受体，利用剩余碳源或内碳源作为电子供体进一步提高反硝化效果，最后好氧段主要用于剩余氮气的吹脱，其工艺流程见图2。该系统脱氮效果好，由于回流污泥进入厌氧池的硝酸盐量较少，对污泥的释磷影响较小，因而使整个系统脱氮除磷效果好，但工艺流程较为复杂，投资和运行成本高。
　　
　　图2改良Bardenpho脱氮除磷工艺流程
　　3.5 改良UCT工艺
　　改良UCT工艺中污泥回流到相分隔的第一缺氧区，不与混合液回流到第二缺氧区硝酸盐混合，第一缺氧区主要对回流污泥中硝酸盐反硝化，第二缺氧区是系统的主要反硝化区，其工艺流程见图3。
　　
　　图3改良UCT生物脱氮除磷工艺
　　4 污水脱氮除磷新技术
　　传统工艺都是将脱氮和除磷过程分开以排除他们之间的相互影响，如硝酸盐不利于释磷，反硝化和释磷对碳源的竞争，硝化细菌和聚磷菌的污泥龄不同等矛盾，基于这些，国内外研究者研究出了反硝化除磷、同时硝化及反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等新技术。
　　4.1 反硝化除磷技术
　　兼性厌氧反硝化除磷菌在缺氧条件下可以硝酸盐作为电子受体过度释磷，实现反硝化除磷和脱氮。该系统在保证硝化效果的同时对COD、氧的消耗和污泥产量比传统好氧摄磷分别减少50%、30%和50%，且污泥产量低。反硝化除磷工艺主要有DEPHANOX工艺和BCFS工艺。
　　DEPHANOX是在厌氧池和缺氧池之间加设沉淀池和固定膜反应池，污水在厌氧池中释磷、沉淀池实现泥水分离，上清液进入固定膜反应池进行硝化，污泥则进入缺氧段进行反硝化除磷[7]。缺氧段硝酸盐浓度过低使聚磷菌摄磷受限，过高时又随回流污泥进入厌氧段干扰释磷和PHB的合成。
　　BCFS工艺，即UCT的变形，在厌氧池和缺氧池之间增加一个反应池，起选择器作用，以吸附剩余的COD，并对回流污泥进行反硝化，防止丝状菌生长。同时，在UCT工艺的缺氧池和厌氧池之间加设混合池，以保证低氧环境实现同时硝化和反硝化，进而保证出水较低的总氮浓度[7]。此外，BCFS工艺在UCT工艺的好氧池设置内循环到缺氧池以补充硝酸盐，在好氧池与混合池之间建立内循环以增加硝化或同时硝化反硝化的机会，保证出水低氮。该工艺对氮、磷的去除率高，SVI值低且稳定，控制简单，在COD / (N + P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态，同时可回收磷。

　　4.2 同时硝化及反硝化技术
　　同时硝化及反硝化（SND）是在一定条件下，硝化与反硝化反应发生在同一处理条件及同一处理空间内实现脱氮除磷。SND能有效保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；反应器体积小，基建投资省；对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲， 可减少硝化、反硝化所需时间，同时曝气量少，能耗低。
　　目前对SND技术的研究主要集中在SBR、生物转盘反应器、生物流化床、氧化沟等，以SBR反应器中SND工艺研究最多，认为影响SND的因素有碳源、溶解氧、絮凝体特性等[8]。
　　4.3 短程硝化反硝化技术
　　短程硝化反硝是将硝化控制在NO2- 阶段而终止，随后进行反硝化。该技术可节省约25%的供氧量、40%的碳源，同时还可减少投碱量、缩短反应时间、减少容积，不足之处是不能长时间稳定地维持NO2-。 短程硝化反硝化技术适用于低碳氮比、高氨氮、高pH值和高碱度废水的处理，关键在于抑制硝酸菌的增长，使亚硝酸盐在硝化过程中稳定积累，主要工艺有SHARON和CANON工艺。
　　SHARON是先将氨氧化控制在亚硝化阶段，然后再进行反硝化，实现短程硝化反硝化，其核心是依据高温下亚硝化菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使反应器中亚硝酸菌占优势，将氨氮控制在亚硝化阶段。该工艺具有流程简单、脱氮速率快、投资和运行费用低的特点[9]。CANON是通过控制生物膜内DO浓度实现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝化菌和ANAMMOX微生物同时生长，以满足膜内一体化完全自养脱氮工艺的实现条件。DO、pH、FA、FH、温度、曝气时间长短等因素影响同时短程硝化与反硝化的进行。
　　4.4 厌氧氨氧化技术
　　厌氧氨氧化是利用微生物的生化作用，用NH4+还原NO2-和NO3-，以达到去脱氮的目的。该技术不需要外加有机物作为电子供体，减少化学试剂的消耗，无二次污染，运行费用低，主要有ANAMMOX 和OLAND两种工艺。ANAMMOX是在厌氧条件下，以NO2-和NO3-作为电子受体将氨转化为氮气；OLAND 工艺是通过控制溶解氧使硝化过程仅进行到NH4+氧化为NO2-，由于缺乏电子受体，NH4+氧化产生的NO2-氧化未反应的NH4+形成氮气。
　　。5 相关研究
　　鉴于传统A2/O工艺脱氮除磷之间存在碳源竞争，北京交通大学环境工程实验室将传统A2/O与MBR结合，使其在低碳氮比下（C/N为5~ 6）、进水TN、TP分别为46 ~ 48 mg/L、7 ~ 8 mg/L时，将出水TN和TP维持在10 mg/L、0.5 mg/L 以下，去除率达76%、95%以上[10]。蒋山泉等[11]针对污水脱氮除磷存在基质和泥龄的竞争开发出三级SBR法，使硝化、聚磷和去碳功能的细菌种群分别控制在三级反应器中优势生长并结合反硝化除磷，TN、TP去除率平均为80%、86%。
　　温沁雪[12]等考察了在曝气池前投加不同量的聚合铝铁强化A2/O除磷系统对TP和TN的去除效果，结果表明聚合铝铁投加量为6mg/L时，出水氨氮含量为4.80mg/L，去除率达73.43%；投加量为4mg/L时，出水中磷含量为0.77mg/L，去除率达89.23%。
　　张苏平[13]等用SBR法处理城市生活污水，研究得出最佳运行参数为进水厌氧搅拌2h，曝气5h，缺氧搅拌2.5h，沉淀、出水、排泥1.5h，出水中磷含量为0.43 mg/L，去除率为99.43%，符合我国《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级排放标准。
　　龚正[14]等采用分点进水研究了A/O工艺处理校园生活污水，考察了在污泥回流比为100%、硝化液回流比为200%、分流比为1：1的情况下，分点进水A/O 工艺的反硝化性能。结果表明，当缺氧池的水力停留时间为3 h时，进水氨氮、TN分别为58.64mg/L和64.26 mg/L时，出水氨氮、TN分别为0.09mg/L和28.64mg/L，去除率分别为99.5%和56.40%，效果优于传统A /O工艺。
　　王朝朝采用脱氮除磷膜生物反应器处理北方某城市生活污水，在没有外加碳源的情况下，TN由51.9mg/L降低到10.76mg/L，平均去除率达79%；系统的污泥龄为40d左右时，TP由6.22mg/L降至0.93mg/L，平均去除率达85%[15]。
　　郝赫[16]用填料改良MUCT工艺处理城市生活污水，结果表明，进水NH4+-N为38.4mg/L、TP为4.7mg/L 时，系泥龄为15d的工况下出水NH4+-N为1.99mg/L，出水磷浓度为1.30mg/L；泥龄为8d的工况下，出水NH4+-N5.17 mg/L，出水磷浓度为0.82 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B 排放标准。
　　李娜等采用A/O一体式膜生物反应器对生活污水进行脱氮除磷林研究，结果表明，投加小苏打控制硝化段pH在6.5~ 7.0之间时，NH4+-N的去除率达99%以上，TN去除率达80%以上，出水NH4+-N稳定在0.5 mg/L以下，膜对TP的截留率高可达19.43%[17]。

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