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城市污水的除磷技術分析

發布時間:2011-4-26 10:49:57  中國污水處理工程網

隨著經濟的快速發展和工業化程度的不斷提高,富含氮磷的生活污水以及含有農藥化肥殘留的農業廢水污水量越來越高,導致含有大量營養成分的廢水排入封閉性水域,給受納水體造成危害。目前,我國水體特別是內陸湖泊的富營養化現象日趨嚴重。所以,加強污水中磷的處理,嚴格控制排放出水中磷的含量,就顯得尤為重要。國內外對廢水中磷的去除研究不是太多,已有除磷工藝各有優劣。本文通過對各種除磷技術進行分析,比較各種技術的優缺點,提出今后除磷技術的發展趨勢。

1  物化除磷法

物化除磷法主要利用沉淀、結晶 、吸附等物理化學反應,使廢水中的磷轉化為不溶性的磷酸鹽沉淀從而去除。

1.1 化學凝聚沉淀法

化學凝聚沉淀法主要是將易于溶于水的某些金屬鹽投入水中,金屬離子與磷反應成一種難溶性鹽與水體分離,以去除水中的磷。磷的去除率在75%左右,處理效果穩定,系統操作簡便,易于自動化,抗沖擊性強,對管理人員的要求不是很高。因此,它成為目前應用最普遍的除磷方法。但由于人為投加了化學藥劑,造成水處理費用的增高,并產生大量的污泥,且難于處理;如果填埋,則需要較大場地;如果焚燒則費用很高。上海的白龍港污水處理廠—期工程(旱季120萬m³/d,雨季426.1萬m³/d)即采用化學凝聚沉淀除磷作為強化一級處理。

1.2 離子交換法

離子交換法是利用多孔性的陰離子交換樹脂,選擇性的吸收去除污水中的磷去除磷。但是存在著一系列問題,比如樹脂藥物易中毒、交換容量低和選擇性差等,因而這種方法難以得到實際應用。

1.3 吸附法除磷

吸附法主要是利用某些多孔或大比表面的固體物質對水中磷酸根離子的吸附親和力來實現對廢水的除磷過程。制備適用的高效吸附劑是吸附法除磷的關鍵,已有很多學者對天然材料和爐渣的吸附脫磷性能進行研究。趙桂瑜等利用天然沸石復合吸附劑處理含磷廢水,效果較好。吸附法除磷作為一種從低溶度液中去除特定溶質的高效低耗能方法,特別適用于廢水中有害物質的去除。在利用藥品進行飽和和吸附劑再生過程中,可能會造成污水,不能直接排放,在應用上存在困難。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

1.4 結晶法除磷

主要是利用污水中磷酸根離子與鈣離子以及氫氧根離子反應生成堿式磷酸鈣(羥基鈣磷灰石)Ga (OH)(PO4)3]的晶析現象。在作為晶核的除磷劑上析出羥基鈣磷灰石,從而達到除磷目的。一般采用磷礦石作為除磷劑,也是研究采用多孔材料作為載體,在其表面培養羥基鈣磷灰石作為晶核。該法處理過程中產生的污泥量比化學沉淀法少得多,且析出的羥基鈣磷灰石可用于磷的回收,占地面積小,易于控制;但結晶法要求進水呈堿性(PH>8),且需一定的鈣離子濃度,而且當污水中存在大量有機物時,易造成除磷劑的失效。所以該方法作為含磷廢水的深度處理方法是可行的。

綜上所訴,物化除磷的幾種方法的系統造作較為簡單,易于控制,但是均存在著各種問題,導致單獨使用物化法除磷的應用上有困難。但是物化除磷法作為初級處理或是深度處理是可行的,可以與生物除磷技術相結合。

2 生物除磷技術

生物除磷技術主要是利用微生物的作用,使廢水中磷轉化到微生物體內,通過污泥的排放完成磷的去除。

2.1污水生物除磷機理

污水生物除磷是利用聚磷菌的超量磷吸收現象。聚磷菌一旦處于厭氧條件下,它會釋放出在好氧條件下吸收的磷,然后進入好氧區后,聚磷菌即可將積貯的PHB好氧分解,釋放出的大量能量可供聚磷菌生長繁殖。當環境中有溶解磷存在時,一部分能量可供聚磷菌主動吸收磷酸鹽,并以聚磷的形式積貯在體內。此時對磷的積累作用超過微生物正常生長所需的磷量,可見微生物在好氧條件下吸收的磷大大超過了在厭氧條件下釋放的磷。由于系統經常排放剩余污泥,被細菌過量攝取的磷也將隨之排出系統,因而可獲得較好的除磷效果。

2.2污水生物除磷工藝

生物除磷技術經過幾十年的發展,已經成為一項非常成熟的技術,并已逐步在污水除磷工藝中得到應用,目前常用于工程實踐的工藝有:A/O、A²/O、Bardenpho工藝、Phoredox工藝、UCT、改良型UCT、SBR、Phostrip工藝以及氧化溝工藝。生物除磷工藝表現出除磷效果好,并能改進污泥沉降性能,減少活性污泥膨脹現象等突出問題的優點。

2.2.1A/O工藝

A/O工藝是最基本的生物除磷工藝,微生物先進入A/O法的A段,處于厭氧 或兼氧環境中,積存于體內的多聚磷酸鹽就會釋放到水體中去。然后進入A/O法的O段,處于好氧環境,此時微生物吸收污水中大量可溶性磷酸鹽,并在體內合成多聚磷酸鹽而積累起來。含磷污泥一部分就以剩余污泥的形式排出,另外一部分則回流至A段重新進入放磷與聚磷的循環過程。

A/O法除磷工藝流程簡單,不需要投加化學藥品,建設費用和運行費用均較低。存在的問題是脫磷效果決定于剩余污泥排放放量,而且要求進水中磷與BOD之比較低。否則由于BOD負荷較低,剩余污泥量較少,因而較難以達到穩定的運行效果。用該工藝磷的去除率在75%左右,出水含磷約1mg/L或略低,很難進一步提高。

2.2.2 A²/O

A²/O工藝是在A/O工藝基礎上增加了一個缺氧階段,使好氧區中的混合液回流至缺氧區使之反硝化脫氮,從而使去除磷的脫氮相結合?s小了曝氣區的體積,并且有望降低產生的剩余富磷污泥量。但是由于存在內循環,系統排放的剩余污泥中只有少部分經歷了完整放磷吸磷過程,其余基本上未經過厭氧狀態而直接由缺氧區進入好氧區,這對系統,除磷是不利的。而且為了降低回流污泥中的硝酸鹽,必須提高混合液回流量,從而增加電耗。

2.2.3 Phostrip工藝

該工藝把生物法和化學除磷結合在一起,將一部分回流污泥(約為進水流量的10%~20%)分流到厭氧池除磷,污泥在厭氧池中通常停留8~10h,聚磷菌則在厭氧池中進行磷的釋放,脫磷后的污泥回流到曝氣池中繼續吸磷。含磷上清液進入化學沉淀池,投加石灰生成沉淀。它除磷效果可達90%以上,處理出水含磷量可低于1mg/L,對進水水質波動的適應性較強,較少受進水BOD的影響,加之大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除,因此污泥處理不像高磷剩余污泥那樣復雜。

2.2.4 Bardenpho脫氮除磷工藝

Bardenpho工藝設計了兩級A/O工藝,涵蓋了二級缺氧及好氧運行過程,具有較好的脫磷效果(達97%),一是因為在二沉沉中會有磷的釋放,二是在第一個缺氧池中會有局部的厭氧條件也有磷的釋放現象。但該法很明顯的一大缺點工藝流程長、構筑物多。

2.2.5 氧化溝工藝

氧化溝工藝由于其特殊的運行方式,在空間上形成了缺氧、好氧的交替變化,達到硝化、反硝化和生物除菌的目的。其可在低負荷和較長的泥齡條件下運行,由于無需回流,比一般工藝節能10%~20%。若水量大或負荷高,則工藝節能占地面積會很大。我國邯鄲污水處理廠采用了三段式氧化溝工藝,是目前國內投入運行的最大氧化溝系統。

所有的生物除磷系統都有以下幾個特點:保證厭氧區真正處于厭氧狀態,既不存在游離態的溶解氧,也不存在硝酸根等結合態氧,如果通過改變污泥回流方式和路徑以避免硝酸根進入厭氧區,而防止厭氧區的反硝化作用,對聚磷菌厭氧釋放磷的競爭抑制作用:保證厭氧區進水中易生物降解有機物的含量,以使聚磷菌能在與其它細菌對食的爭奪中占優勢,如何在進水中加入初沉污泥酸性發酵液等。

生物除磷技術因工藝簡單、運行簡便,處理效果好,運行靈活等,得到廣泛應用。隨著生物學及其技術的發展,新的除磷理論不斷出現,生物除磷工藝也將得到更大發展,可持續污水生物除磷工藝的開發也將成為研究重點。

3  生物除磷新技術—反硝化聚磷菌除磷工藝

3.1 反硝化除磷機理

反硝化除磷就是在厭氧/缺氧環境交替運行的條件下,易富集一類兼有反硝化作用的兼性厭氧微生物,該聚磷菌能利用NO3作為電子受體,通過他們的代謝作用同時完成過量吸磷和反硝化過程。最大限度地減少碳源需求量,實現了能源和資源的雙重節約。反硝化除磷能節能COD約50%,節省氧約30%,剩余污泥量減少50%左右。

大量實驗室和生產性規模的生物除磷脫氮研究也表明,當微生物依次經過厭氧、缺氧和好氧3個階段后,約占50%的聚磷菌既能利用氧氣又能利用NO3作為電子受體來聚磷,即反硝化聚磷菌(DPB的除磷效果相當于總聚磷菌的50%左右)。這些發現一方面說明了硝酸鹽亦可作為某些微生物氧化PHB的電子受體,另外一方面也證實了在污水的生物除磷系統中的確存在著DPB屬微生物,而且通過馴化可得到富集DPB的活性污泥。

3.2 反硝化除磷

該技術對城市污水特別是C/N比較低的污水有很好的處理效果。目前滿足DPB所需環境和基質的工藝有單雙兩級。在單極工藝中,DPB細菌、硝化細菌及非聚磷菌異樣菌同時存在于懸浮增長的混合液中,順序經歷厭氧/缺氧/好氧3種環境,最具代表性的是BCFS工藝。在雙極工藝中,硝化細菌獨立于DPB而單獨存在于某一反應器中,Dephanox工藝和A2N工藝是最具代表性的雙極工藝。

3.2.1 BCFS工藝

 BCFS工藝是在UCT工藝及原理的基礎上開發的。改進在于增加了2個反應池,接觸池與混合池;增加了2個混合循環Q1和Q3。接觸池的功能為:回流污泥和來自厭氧池的混合液在池中充分混合,吸附剩余COD;有效防止污泥膨脹;旌铣氐墓δ転椋鹤畲蟪潭缺WC污泥再生而不影響反硝化或除磷;容易控制SVI;最大程度利用DPB以獲得最少污泥產量;旌弦貉h Q1的功能是為了增加硝化或同時反硝化的機會,從而獲得良好的出水氮濃度。Q3則是起輔助回流污泥向缺氧池補充硝化酸鹽氮的作用。

BCFS將生物、化學除磷工藝合并,是在線磷分離與離線磷沉淀的生物與化學除磷結合方式,充分利用反硝化聚磷菌的反硝化除磷和脫氮雙重作用,來實現磷的完全去除和氮的最佳去除過程。由于充分利用BCFS工藝中的污泥齡易滿足硝化細菌增長所需的生長條件,污泥產量較低。目前,荷蘭BDG與WGS工程咨詢公司爭對BCFS技術合作開發設計相互同心圓反應池,實現了計算機自動控制。但是該工藝回流系統較復雜且總回流比高,同時在流程上比較復雜,污水處理廠通常采用同心圓構型,運行管理相對復雜,運行成本相對較高。

3.2.2Dephanox工藝

Wanner在1992年率先開發出第一個厭氧污泥中PHB為反硝化碳源的工藝,取得了良好的除磷脫氮效果,之后,據此提出了具有硝化和反硝化除磷雙回流系統的Depganox工藝。Depganox工藝是在厭氧池和好氧池之間增加沉淀池和固定膜反應池。固定膜反應池的功能在于可以避免由于氧化作用而造成的有機碳源的損失和穩定系統的硝酸鹽濃度。污水在厭氧池中釋磷,在沉淀池中進行泥水分離含氮較多的上清液進入固定膜反應池進行硝化,被沉淀的污泥則與固定膜反應池中的NO一同進入缺氧段,完成反硝化和攝磷。

此工藝的優點在于能解決除磷系統反硝化碳源不足的問題和降低系統的能耗,降低剩余污泥量且COD消耗量低。

3.2.3A2N工藝

把硝化菌和反硝化聚磷菌在不同的污泥系統分別進行培養,即雙污泥系統,簡稱為A2N工藝。A2N連續流反硝化除磷脫氮雙泥系統利用DPB體內PHB“一碳兩用”來實現脫氮除磷,從而為改良現有污水生物脫氮除磷工藝提供了一個新思路。A2N—SBR工藝是一種新興的雙泥反硝化除磷 工藝,由AAO—SBR反應器和N—SBR反應器組成。AAO-SBR的主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮;N—SBR的反應器主要起硝化作用,這2個反應器的活性污泥是完全分開的,之將各自沉淀后的上清液相互交換。

彭永臻等研究了連續流雙泥系統反硝化脫氮除磷的特性,研究發現,A2N雙泥系統能使硝化菌和反硝化聚磷菌分別在各自最佳的環境中生長,利于系統脫氮除磷的高效和穩定,當C/N提高6.49,TN、TP、COD的去除率分別為92.7%、97.95%、95%。

A2N工藝在實際應用中面臨的主要問題是:當缺氧段硝酸鹽量不充足時磷的過量攝取受到限制,而硝酸鹽量富余時硝酸鹽又會隨回流污泥進入厭氧段,干擾磷的釋放和聚磷菌PHB的合成。

反硝化除磷技術將反硝化脫氮和生物除磷兩者相結合,是可持續發展的污水生物處理工藝,F在已經由試驗研究轉向工程應用,具有極好的發展前景。

4 污水除磷技術的發展趨勢及研究動向

4.1物化除磷與生物除磷技術相結合

目前普遍采用物化和生化相結合的城市污水處理工藝。其最顯著的特點是流程中投加化學混凝劑,其余則與普通活性污泥法類似。生物除磷的工藝穩定性可通過附加化學沉淀來改善。在國外很多二級污水處理廠的曝氣池中投入混凝劑,主要目的是幫助除磷,使原來設計具有氮磷脫除能力的污水廠,在生物處理的基礎上物化法,可大大提高出水水質。將生物除磷與化學除磷相結合,可以充分利用生物除磷費用低、化學除磷出水磷濃度低且比較穩定的優點。

4.2 采用微生物固化技術處理含磷廢水

微生物固化技術通常用于難降解有機廢水、含磷法廢水等。研究表明,以PVA-硼酸法固定以假單胞菌為優勢菌的活性污泥進行除磷的研究中,固定化的污泥具有較高的活性及除磷效率,6H內可將起始質量濃度為87.5mg/L的磷降至44mg/L.對于采用微生物固化技術除磷含磷廢水還有待研究。

4.3 反硝化除磷技術的研究動向

反硝化除磷技術以其獨特的高效脫氮除磷技術還需要更多研究。富集DPBS反硝化除磷的關鍵,要對DPBS的種群進行研究,認識其生化特性,摸索其培養馴化方法,富集和篩選出更多的DPBS?梢岳矛F代分子微生物分析技術對DPBS及其吸磷有關的基因和酶進行深入的研究和探索。

總之,研究開發高效生物脫氮除磷新技術是今后污水處理研究的重要課題。(來源:谷騰水網)

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