同步脫氮除磷的矛盾及對策!
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(shí)際運行過(guò)程中,同步脫氮除磷技術(shù)還存在一些問(wèn)題。
作為硝化過(guò)程的主休,硝化菌通常都屬于自養型專(zhuān)性好氧菌.這類(lèi)微生物的一個(gè)突出特點(diǎn)是繁殖速度慢,世代時(shí)間較長(cháng).在冬季,硝化菌繁殖所需世代時(shí)間可長(cháng)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(huì )提高系統的除磷效率.
由表1可見(jiàn)聚磷微生物所需要泥齡很短。泥齡在3.0d左右時(shí),系統仍能維持較好的除磷效率.此外,生物除磷的唯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(zhù)矛盾.若泥齡太高,不利于磷的去除;泥齡太低,硝化菌無(wú)法存活,且泥量過(guò)大也會(huì )影響后續污泥處理.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(gè)較窄范圍內,兼顧脫氮與除磷的需要.這種調和,在實(shí)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(lèi)微生物的各自?xún)?yōu)勢,可采取的其它對策大致上有兩類(lèi)。
第一類(lèi)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(jiàn)圖1),第一級泥齡很短,主要功能是除磷;第二級泥齡較長(cháng),主要功能是脫氮.該系統的優(yōu)點(diǎn)是成功地把兩類(lèi)泥齡不同的微生物分開(kāi).但是,這類(lèi)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(lèi)工藝流程長(cháng)且比較復雜.第二,該類(lèi)工藝把原來(lái)常規A2/O(見(jiàn)圖25)工藝中同步進(jìn)行的吸磷和硝化過(guò)程分離開(kāi)來(lái),而各自所需的反應時(shí)間又無(wú)法減少,因而導致工藝總的停留時(shí)間變長(cháng).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(lèi)方法是在A(yíng)2/O工藝好氧區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(diǎn)是既達到了分離不同泥齡微生物的目的,又維持了常規A2/O工藝的簡(jiǎn)捷特點(diǎn)。
但是該工藝也必須解決好以下幾個(gè)問(wèn)題:①投放填料后必須給懸浮性活性污泥以?xún)?yōu)先的和充分的增殖機會(huì ),防止生物膜越來(lái)越多而MLSS越來(lái)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(lèi)型和布置方式都應作慎重考慮。
2、碳源問(wèn)題
碳是微生物生長(cháng)需要要最大的營(yíng)養元素.在脫氮除磷系統中,碳源大致上消耗于釋磷,反硝化和異養菌正常代謝等方面.其中釋磷和反硝化的反應速率與進(jìn)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(guān)系很大. 一般來(lái)說(shuō),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(zhù)因碳源不足而引發(fā)的競爭性矛盾。
解決這一問(wèn)題一般需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮.一是從工藝外部采取措施,增加進(jìn)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,常規脫氮除磷工藝總是優(yōu)先照顧釋磷的需要,把厭氧區放在工藝的前部,缺氧區置后.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.把厭氧區前置是否真正有利,利弊如何,是值得進(jìn)一步研究的.根據對厭氧有效釋磷可能并不是好氧過(guò)度吸磷充分必要條件的新認識,倒置A2/O工藝(見(jiàn)圖3)將缺氧區放在工藝最前端,厭氧區置后。經(jīng)過(guò)這種改變,脫氮菌可以?xún)?yōu)先獲得碳源,反硝化速率得到大幅度提高.同時(shí),原來(lái)困擾脫氮除磷工藝的硝酸鹽問(wèn)題不存在了,所有污泥都將經(jīng)歷完整的釋磷和吸磷過(guò)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(shí)踐和機理研究都有重要意義。
3、硝酸鹽問(wèn)題
在常規A2/O工藝中,由于厭氧區在前,回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區.硝酸鹽的存在嚴重影響了聚磷蓖的釋磷效率,尤其當進(jìn)水中VFA較少,污泥的含磷量又不高時(shí),硝酸鹽的存在甚至會(huì )導致聚磷菌直接吸磷.所以在常規A2/O工藝框架下,如何避免硝酸鹽進(jìn)入厭氧區干擾釋磷一度成為研究熱點(diǎn),并圍繞這一問(wèn)題產(chǎn)生了諸如UCT工藝,JHB工藝,EASC工藝等,其中最著(zhù)名的應屬UCT工藝(如圖4) 。
解決硝酸鹽問(wèn)題的關(guān)鍵是如何在回流污泥進(jìn)入厭氧區之前,設法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉.一種方法是在回流污泥進(jìn)入厭氧區之前,先進(jìn)處一個(gè)附設的缺氧池,在這個(gè)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(méi)有外加碳源, 這種反硝化實(shí)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(jìn), 另一種方法通過(guò)投加外加碳源或引入一部分污水來(lái)提高附設缺氧池的反應速率。
UCT 工藝另辟蹊徑, 把常規 A2/ O 工藝的缺氧區分為前后兩個(gè)部分( 如圖 4) 。內循環(huán) 1 將硝化液從好氧區( O) 回流至缺氧區( A2) , 內循環(huán)2將A2區前部的混合液循環(huán)至A1區, 回流污泥不是直接進(jìn)入A1區, 而是先進(jìn)入A2區前部。這種作法實(shí)際上是劃出一個(gè)小的缺氧區專(zhuān)門(mén)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的沖擊,改善了聚磷菌的釋磷環(huán)境。但是, 進(jìn)入A2區前部的回流污泥實(shí)際上只有一小部分由內循環(huán)2運至A1區, 其余大部分未經(jīng)釋磷直接進(jìn)入后續工藝。也就是說(shuō), 在所排除的剩余污泥中只有一小部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷全過(guò)程, 其實(shí)際除磷效果可能因此而大受影響。常規A2/O工藝實(shí)際上也存在類(lèi)似缺陷。
4、系統的硝化和反硝化容量問(wèn)題
硝化和反硝化是生物除磷脫氮系統密不可分的兩個(gè)過(guò)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(lái); 反硝化不充分出水硝酸鹽就會(huì )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(gè)重要問(wèn)題。系統的硝化和反硝化能力首先是決定于各自相應區域的水力停留時(shí)間( 或有效容積) 。對于城市污水來(lái)說(shuō), 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(shí)間為2~3h, 硝化時(shí)間為5~ 6h。決定硝化和反硝化能力的第二個(gè)因素是工藝布置形式。例如和常規 A2/O工藝相比, 缺氧區前置的倒置A2/ O工藝可明顯提高系統反硝化能力。而在好氧區適當投放填料則會(huì )提高系統的硝化能力。
通過(guò)改變運行參數也可以對系統的硝化和反硝化能力進(jìn)行調整。延長(cháng)泥齡, 加強曝氣和攪拌, 有利于提高好氧區的硝化能力; 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(lái)說(shuō), 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回流至反硝化區。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(lái)的一個(gè)不可忽視的問(wèn)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(shí), 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(guò)程因而被阻礙。而且, 隨著(zhù)內循環(huán)加大, 系統中的短流現象也會(huì )越來(lái)越明顯。所以即使不考慮動(dòng)力消耗, 內循環(huán)比也不宜過(guò)大。此外, 對于常規 A2/ O 工藝, 若內循環(huán)比過(guò)大, 則參與釋磷吸磷過(guò)程的污泥比例將會(huì )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(gè)恰當的范圍, 并隨水質(zhì)、水量和溫度的變化而適當調整。
5、釋磷與吸磷的容量問(wèn)題
釋磷和吸磷是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)過(guò)程。一般認為, 聚磷菌只有經(jīng)過(guò)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(huì )在厭氧或缺氧條件下大量釋磷。關(guān)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(lái)說(shuō), 一般夏季的釋磷和吸磷時(shí)間分別需要115~ 215h和2~ 3h, 冬季低溫環(huán)境下兩者所需的時(shí)間均應適當延長(cháng)。
在 A2/O工藝中, 吸磷和硝化是同步進(jìn)行的, 而硝化時(shí)間較長(cháng), 故吸磷容量通常不成問(wèn)題。從系統的角度看, 微生物的厭氧釋磷過(guò)程似更為關(guān)鍵。以往關(guān)于厭氧釋磷過(guò)程時(shí)間的確定, 多是就釋磷本身以釋磷曲線(xiàn)為依據進(jìn)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(guò)程以及最終的除磷效果聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行考察時(shí)就會(huì )發(fā)現, 單純按照上述方法來(lái)確定厭氧區的HRT是不充分的。根據有關(guān)厭氧歷時(shí)對除磷效率影響的研究表明: 在一定范圍內, 適當延長(cháng)厭氧反應時(shí)間, 降低厭氧區氧化還原電位, 可以明顯提高系統的除磷效率。因此, 脫氮除磷工藝厭氧區的HRT 還應進(jìn)一步延長(cháng), 例如夏季采用2~3h, 冬季采用3~4h。