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1、反硝化聚磷的生物除磷脱氮邓立鸣(广州市城市规划勘测设计研究院)摘要:随着反硝化聚磷菌的发现出现了新型的反硝化聚磷的生物除磷脱氮工艺。探讨了反硝化除磷的机理及工艺运行效果。分析了新型的反硝化除磷脱氮工艺与传统的工艺相比的优势及该新型工艺的创新之处,并对工艺的应用及发展趋势进行了探讨。关键词:污水生物处理;除磷脱氮;厌氧;缺氧;好氧;反硝化聚磷含有大量营养物质的废水排入水体所引起的富营养化现象在世界各地日趋严重,已经成为人类所面临的严重水环境问题之一。引起水体富营养化的各类物质中,通常以氮磷为制约因子。我国颁布的国家污水综合排放标准(GB89781996)也明确了所有排污单位氨氮和磷酸盐排放标准,
2、其中磷酸盐 0.5 m g L。为此,城市污水处理厂必须采取除磷脱氮的措施。生物除磷脱氮技术由于同时去除有机物、氮、磷污染物、成本低等优点而得到应用和成为研究热点。在生物除磷脱氮中,国际普遍认可和接受的传统的生物除磷理论是PAO原理,即“好氧聚合磷酸盐(PolyP)累 积 微生 物”PAO(Polypho sphateA ccumulating O rganism s)摄 放磷原理。近几年研究发现,除 PAO 可在好氧状态下过量摄磷外,另一种 细 菌 兼 性 厌 氧 反 硝 化 聚 磷 菌 D PB(D enitrifyingPhospho rus removing Bacteria)能在缺氧
3、环境存在硝酸盐条件下过量吸磷。由此出现了新型的反硝化聚磷生物的除磷脱氮。新型的反硝化聚磷生物的除磷脱氮与传统厌氧缺氧好氧的除磷脱氮相比,不同之处在于前者利用了原本只用于脱氮的反硝化菌同时具有摄磷的功能,即反硝化聚磷菌同时进行反硝化脱氮与除磷。因此,其比传统的生物除磷脱氮具有产泥量少等诸多优点。文中对反硝化聚磷的生物除磷脱氮理论及应用进行了研究。1反硝化聚磷的机理反硝化聚磷菌在反硝化的过程中同时进行摄磷,这是与传统的反硝化菌脱氮、PAO 摄磷不同之处。所以,对反硝化聚磷机理的探讨立意是讨论除磷机理。图 1 为生物除磷生化代谢机理模型。图1生物除磷生化代谢模型一般认为,污水中的基质(COD)首先在
4、厌氧条件下被转化为细菌细胞内的聚合物质 PHB,这个过程籍细胞内多聚磷酸盐来提供所需能量。结果,磷酸盐被释放到细胞之外。当环境改变为好氧条件后,由于环境中缺乏COD 而使得在厌氧条件下贮存的PHB被用来充当基质。籍基质所提供的能量,PAO 细菌在此条件下过量摄取环境中的磷酸盐而在细胞内形成多聚磷酸盐,细菌同时得到增殖。此外,在好氧条件下糖源也得到补充。在好氧条件下分49国外建材科技 2006 年第 27 卷第 3 期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -离增殖的细菌,磷便能随细菌细胞而被排除。D PB(兼性厌氧反硝化聚磷菌)具有同 PAO 极为相似的除磷机理,
5、只不过氧化细胞内贮存的PHB 时电子受体不是 O2而是 NO-3,它吸磷的同时将NO-32 N 转变成 为 N2,也就是在无溶解氧和只存在NO-32 O 的缺氧情况下,D PB 细菌进行反硝化的同时,将污水中的磷以 polyP 吸人细胞内而去除,这样摄磷和反硝化就为同一种细菌在一个过程中完成。2反硝化聚磷的生物除磷脱氮工艺流程及运行效果图 2 为反硝化除磷工艺流程。图2反硝化除磷流程按图 2 所示的工艺流程运行,得到的结果为:(1)D PB 细菌经厌氧缺氧状态交替循环可实现反硝化除磷:在厌氧状态释磷储存碳源物质;在缺氧条件下,将NO-32 N 转变成 N2时从污水中吸磷,同时完成反硝化。(2)
6、厌氧初期 D PB 细菌可快速降低污水COD cr值及释磷:5 10 m in 内COD cr 可降低 30%50%,10 15m in 内释磷速率为 3.25 8.33 g PO3-42P kgM L SS?h,而 15 90 m in 内释磷速率仅为0.53 2.4 g PO3-42P kg M L SS?h;厌氧时间可控制在60 m in内。(3)缺氧初期D PB 细菌能快速吸磷,但要保持出水 PO3-4低浓度尚需一定时间。缺氧段初期 5 15 m in试验测得吸磷速率为16.55 34.76 g PO3-4-P kgM L SS?h,一般 PO3-4-P 浓度在 5 15 m in 后
7、降至 2 3m g L,随后吸磷速率减小为1.04 1.63 g。(4)PO3-4-P kg M L SS?h,若降至一级排放标准PO3-4-P 0.5m g L,尚需 l h 左右时间。(5)完全脱氮除磷要求N 和 P 有一定比例,否则NO-3不足,吸磷不完全,使出水 PO3-4升高;反之,NO-3过量将造成反硝化不彻底,出水有NO-3。(6)反硝化聚磷系统的比反硝化速率较高,比AA O系统高 34%以上。3反硝化除磷工艺的优势及创新之处3.1反硝化除磷工艺与厌氧好氧除磷工艺的比较3.1.1耗氧量的比较(1)除磷耗氧量根据 Smolders G J F 的生物除磷过程好氧代谢的化学量模型每去
8、除0.04mol磷而消耗 0.55 mol O2(亦即每去除1 mg 磷需耗氧14.20 mg),同时产生9.34 m g生物量:消耗 0.59 mol CO2。而根据 Kuba T的生物除磷过程缺氧代谢的化学量模型,在利用硝酸盐为最终电子受体的反硝化除磷过程中,每去除0.04mol磷需消耗硝酸盐0.58 mol(亦即每去除1 mg磷需 消耗硝酸盐 6.55 mg NO-32 N),不需要消耗氧,同时产生 0.16 mol 生物量,消耗 0.75mol CO2。(2)硝化需氧量好氧条件下的生物硝化过程分2 步进行:首先是亚硝酸盐细菌将氨氮转化为NO-2;然后由硝酸盐细菌将NO-2进一步氧化为
9、NO-3。氧化 1 mgNH+42 N比NO-22 N,需要 3.16 m g。氧化 1 m g NO-22 N 为NO-32N,需要 1.11 mg即硝化反应转化1m g N H-42N 为NO32 N,共需氧 4.27 m g(不考虑硝化过程中硝化细菌的增值)。由此,在不考虑硝化过程中硝化细菌的增值的情况下,浓度为 COD 400m g?L-1,氨氮40m g?L-1,总磷 15m g?L-1的废水除磷脱氮理论耗氧:以氧为电子受体的一般除磷工艺耗氧:硝化需要170.8m g,除磷需要 213mg,共需耗氧 383.8 mg。以硝酸盐为电子受体的工艺耗氧:硝化 170.8m g。每去除 1
10、g 磷反硝化除磷可减少耗氧213mg,降低了 55.5%。3.1.2污泥产生量的比较以氧为电子受体的一股除磷工艺产生剩余污泥;根据 Smolders G J 的生物除磷过程好氧代谢的化学量模型每去除0.04 mol 磷产生 0.34 mol 生物量;污泥的分子式可表示为CH2.09O0.54N0.20P0.015,分子量为 26 g?mol-1,则每去除1 mg 磷产生剩余污泥 7.13g。以硝酸盐为电子受体的工艺产生剩余污泥:根据 Kuba T 的生物除磷过程缺氧代谢的化学量模型每去除0.04 mol 磷产生 0.16 mol 生物量,则每去除 1mg 磷产生剩余污泥3.35 g。每去除 1
11、 g 磷反硝化除磷可少产生污泥3.78 g,少了 53%。3.1.3CO2产生量的比较以氧为电子受体的一般除磷工艺产生剩余污泥:根据FSmolders G J 的生物除磷过程好氧代谢的化学量模型每去除0.04 mol磷消耗 0.59 mol CO2,即每去除 1g 磷消耗 CO220.9 g。以硝酸盐为电子受体的工艺产生剩余污泥:根据 Kuba T 的生物除磷过程缺氧代谢的化学量模型每去除0.04 mol 磷消耗 0.75 mol CO2,即每去除 1 g磷消耗CO226.6 g。每去除 1 g 磷反硝化除磷可少产生CO25.7 g,少59国外建材科技 2006 年第 27 卷第 3 期名师资
12、料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -了 21.4%。3.2反硝化聚磷的生物除磷脱氮工艺的创新之处以典型的 BCFS 工艺为例阐述反硝化聚磷的生物除磷脱氮工艺的创新点。图 3为BCFS 工艺流程图。图3BCFS工艺流程图从流程上看,BCFS 工艺在主流线上较传统的生物除磷脱氮 U CT 工艺增加了 2 个反应池。第 1 个增加的反应池介于U CT 工艺的厌氧与缺氧池中间,即图3中所示的接触池。工程理论与运行实践均已证明,在厌氧与缺氧池之间增设一个接触池可起到第2 选择池的作用。BCFS 工艺在主流线上增加的第2 个反应池是混合池(缺氧或好氧),介于U CT 工艺缺氧
13、池与好氧池之间,目的是形成低氧环境以获得同时硝化与反硝化,从而保证出水含有较低的总氮浓度。与U CT 工艺相比,BCFS 工艺增加了2 个内循环QB与Qc(见图 3)。因为回流污泥被直接引入了接触池,所以,从好氧池设置内循环QB到缺氧池十分必要,起辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮的作用。内循环Qc的设置能在好氧池与混合池间建立循环,以增加硝化或同时硝化与反硝化的机会,为获得良好的出水氮浓度创造条件。若进水中 COD P 的比值过低,低于 20 时将不利于 D PB 的增长。此时,在工艺的厌氧池末端富磷(一般为 30 40 m g L,甚至更高)上清液可以被抽出,以离线方式在一沉淀单元内投以铁盐或
14、镁盐予以沉淀回收(见图 3 虚线所示)。BCFS 工艺的构造是一种新颖的5 个同心圆反应池与 1 个中心除磷脱氮池结构,这种紧凑的工艺构造至少在目前是最为经济的工程设计,其优点为:可使用预制钢筋混凝土;混合液推进器的数量最少;输水管线的长度最短;占地面积最小;推流与完全混合流结合使工艺能达到最大的稳定性,并使工艺控制变得容易、简单。4反硝化聚磷的应用及发展趋势BCFS 工艺作为较成熟的反硝化除磷脱氮工艺在欧美已得到初步应用。其除氮脱磷效果极佳,这已被 6 个运行的 BCFS 污水处理厂实践所证明。BCFS工艺优点总结为:低而稳定的SV I 使工艺稳定性极强;磷去除率极高,几乎能完全去除正磷酸盐
15、;氮的去除率超过90%,出水总氮浓度一般低于5 mg L;仅通过氧化还原电位计和DO 的在线监测便能实现容易而经济的过程控制;抗冲击负荷能力强;通过选择反硝化除磷菌,可使化学药剂投量最低;出水中含盐量最小;比传统污水处理厂污泥量少10%;可回收磷;容积和面积较小;通过使用同心圆反应池和中心除磷池达到最低的建造成本。图4独特的BCFS工艺构造另外,新型除磷脱氮反硝化聚磷一体化设备也已应用,其原理是利用反硝化菌在厌氧状态下放磷同时吸附污水中大量有机物后与污水分离。分离后的污水进入生物膜发生硝化将氨氮转为硝态氮,吸附了大量有机物的反硝化菌在缺氧条件下利用吸附的有机物作碳源进行反硝化的同时完成过量磷的
16、吸收。从而达到除磷脱氮目的。此工艺较常规工艺节省85%的回流液。同时反应器与沉淀池体积可减少30%。反硝化除磷工艺在国内尚处于研究阶段。如新型双泥反硝化除磷脱氮工艺。该工艺由 2 个反应器组成:A2O 2SBR 反应器和 N 2SBR 反应器。前者的主要功能是去除 COD 和反硝化除磷脱氮,后者主要起硝化作用。这 2 个反应器的活性污泥是完全分开的。解决了异养菌与硝化菌的不同泥龄之争,有利于反硝化脱氮除磷与硝化的各自优化。因此,该工艺显示出非常稳定的硝化和脱氮除磷效果。预测该工艺不久将会得到应用而且会得到较好的除磷脱氮效果。5结语随着水质富营养化的日益严重和更严格的污水排放标准的制定,反硝化聚
17、磷的生物除磷脱氮作为一种新的生物污水处理技术已经在国外得到应用。工艺的实际运行效果更突出说明其高效和环保的优越性,主要表现在污泥量和CO2排放减少。基于反硝化 除磷脱氮理论出现BCFS 等多种工艺,并取得了良好的运行效果。但是如何更稳定和有效地处理污69国外建材科技 2006 年第 27 卷第 3 期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -水及协调好处理过程中各菌种间的矛盾成为今后值得研究的问题。总的来讲,反硝化聚磷脱氮作为一种新的可持续发展的污水生物处理工艺前景是非常光明的。参考文献1 BononeG.B iological A nox ic Pho spho
18、 rus RemovaltheD ephanox PrKess.W at Sci T ech,1996,34(1-2):119128.2 M inoT,V an L oo sdrech t MC M,H eijnenH.M crob iologyandB iochem istryoftheEnhancedB iologicalPho sPhateRemovo lProcess.W aterResearch,1998,32:31933207.3 Kuba T.M urn leitnerE,et a1.A M etab 01ic M odelfo rT heb io logicalPho sPho
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20、 lders G J,V an D erM eij J.Sto ich iom etricModel ofA erob ic M etabo lismoftheB io logicalPho spho ru sRemovalProcessProcess.B io techno logyandB ioengineering,1994,44:837848.7 罗固源,罗宁,吉芳英,等.新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺.中国给水排水,2002,18:47.收稿日期:2006203217.作者简介:邓立鸣,助理工程师;广州,广州市城市规划勘测设计研究院-市政规划设计分院(510060).(上接第 93
21、页)的载体光催化剂。(3)光催化反应器单一且不能大型化。目前国内外对反应器进行了不同方式的设计和应用,但只是停留在小型的污水处理工艺上和试验阶段,大型化尚未开展。现在迫切需要设计大型、高效的光催化反应器。(4)开发固定相催化剂。悬浮相催化剂易凝聚且难以分离回收,活性成分损失大。这就需要研究出能较好回收利用的固定相催化剂。最后,要达到有效降解水中污染物的目的,仅靠光催化亚氧化是不够的,因此将光催化氧化与其他处理方法联合使用将成为光催化技术发展的一个必然趋势。参考文献 1 唐剑文.二氧化钛可见光光催化剂研究进展J.现代化工,2005,25(2):2528.2 高春华.纳米T iO2半导体催化活性的
22、研究进展 J.电子元件与材料,2002,11(2):3033.3 IrieH,w atanabeY,H ash im otoK.Jou rnalofPhysicalChem istry B,2003,107(23):54835486.4 Um ebayash i T,Yam ak i TS,T anakaS,etal.Chem istry L etter,2003,32(4):310311.5 KhanS U M,A l-Shah ry M,Ingter W B Jr.Science,2002,297(5590):22432244.6 张天永.染料及表面活性剂的太阳光催化降解 J.天津大学学报,2003,36(1):58.7 n2T iO2光催化机理及其在环境保护中的应用研究进展J.环境污染治理技术与设备,2002,3(3):16.收稿日期:2006203229.作者简介:朱雷,副教授;武汉,武汉科技大学城市建设学院(430070).79国外建材科技 2006 年第 27 卷第 3 期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -