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脫氮除磷工藝發(fā)展
污水脫氮除磷工藝的概述與展望
摘要：近年來(lái)，城市污水（以城市生活污水為主）中氮磷營(yíng)養(yǎng)物的排放使受納水體中藻類(lèi)等植物大量繁殖，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)城市污水進(jìn)行脫氮除磷處理是防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的一種重要措施。目前來(lái)看，污水脫氮除磷的主要方法有物理方法、化學(xué)方法及生物方法。與物理法、化學(xué)法相比，生物法具有適用范圍廣、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、效果穩(wěn)定、綜合處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為污水脫氮除磷的最佳選擇。本文對(duì)現(xiàn)有的生物脫氮除磷工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹和分析，并對(duì)今后的發(fā)展方向作了展望。
關(guān)鍵詞：城市污水，脫氮除磷，工藝技術(shù)
1.城市污水脫氮除磷現(xiàn)狀
據(jù)近年來(lái)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)發(fā)布的消息,水體中的主要污染物為含氮磷的有機(jī)物。這些污染物進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾,對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響。目前含氮磷污水的處理技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。由于化學(xué)法與物理化學(xué)法成本高,對(duì)環(huán)境易造成二次污染,所以污水生物脫氮除磷技術(shù)是20世紀(jì)70年代美國(guó)和南非等國(guó)的水處理專(zhuān)家們?cè)诨瘜W(xué)、催化和生物方法研究的基礎(chǔ)上提出的一種經(jīng)濟(jì)有效的處理技術(shù),該技術(shù)由于處理過(guò)程可靠,處理成本低,操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。微生物脫氮除磷技術(shù)按微生物在系統(tǒng)中的不同狀態(tài),可分為活性污泥法和生物膜法,通過(guò)設(shè)立好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化、釋磷和放磷以達(dá)到脫氮除磷的目的。具體的生物脫氮除磷工藝主要有:A2/O法同步脫氮除磷工藝、生物轉(zhuǎn)盤(pán)同步脫氮除磷工藝、SBR工藝、氧化溝工藝、亞硝酸鹽生物脫氮工藝、AB法及其變型工藝等。 污水經(jīng)二級(jí)生化處理后,氮的去除率僅為20%～30%左右,磷的去除率則更低。因此脫氮除磷問(wèn)題在二級(jí)處理普及率較高的工業(yè)化國(guó)家中受到了高度的重視。我國(guó)污水廠大多數(shù)以二級(jí)生物處理為主。二級(jí)生物處理廠去除對(duì)象主要是BOD5和SS,僅有極少數(shù)廠(如廣州犬坦沙污水廠)有脫氮除磷功能。我國(guó)水體富營(yíng)
養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,其原因一是城市污水處理率低;二是傳統(tǒng)的活性污泥法僅能去除城市污水中20%～40%的氮以及5%～20%的磷。因此,大量興建城市二級(jí)生物處理廠,不但投資大,運(yùn)行費(fèi)用高,并且脫氮除磷的效率也并不高。
在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中,根據(jù)受納水體的要求和其他一些實(shí)際情況,生物脫氮除磷工藝可以分成以下幾個(gè)層次
（1)以去除有機(jī)物、氨氮為目的的工藝。因?qū)偟獰o(wú)要求,可以采用生物硝化工藝,生物硝化工藝與傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程完全相同,只是采用延時(shí)曝氣。
（2)以去除有機(jī)物和總氮(包括有機(jī)氮、氨氮及硝酸鹽氮)為目的的工藝。因要去除總氮,因此應(yīng)該采用生物反硝化工藝,需要在反應(yīng)池前增設(shè)一個(gè)缺氧段,將好氧段中含有硝酸鹽的混合液回流到缺氧段,在缺氧的條件下,將硝酸鹽反硝化成氮?dú)狻?/p>
（3)以去除有機(jī)物、氨氮和有機(jī)氮、磷為目的的工藝。采用除磷的硝化工藝,
在反應(yīng)地前增設(shè)一個(gè)厭氧段,在厭氧段內(nèi)完成磷的釋放,在好氧段內(nèi)實(shí)現(xiàn)磷的超量吸收、有機(jī)物的氧化、有機(jī)氮及氨氮的硝化。
（4)以去除有機(jī)物、總氮和磷為目的的工藝。對(duì)于這種情況,應(yīng)該采用完全的生物除磷脫氮工藝。在反應(yīng)池前既要增設(shè)一個(gè)厭氧段又要增設(shè)一個(gè)缺氧段,以同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物除磷脫氮。
2.生物脫氮除磷的原理
2.1 生物脫氮原理
傳統(tǒng)的生物脫氮過(guò)程是在硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的聯(lián)合作用下，通過(guò)硝化和反硝化完成的。在好氧條件下，氨氮經(jīng)硝化細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮；在缺氧條件下，硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下被還原為氮?dú)�，從而達(dá)到脫氮的目的。
近年來(lái)同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象、短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝的發(fā)展，為理解污水脫氮機(jī)理指明了新的方向。同時(shí)硝化反硝化過(guò)程在同一條件下實(shí)現(xiàn)了脫氮，顛覆了傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行、反硝化反應(yīng)在厭氧條件下進(jìn)行的認(rèn)識(shí)。其中，缺氧微環(huán)境理論是目前普遍接受被認(rèn)為是造成此類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生的主要機(jī)理。短程硝化反硝化是指將氨氮的硝化過(guò)程控在 NO2階段，然后
不經(jīng) NO3的生成過(guò)程直接由反硝化細(xì)菌將 NO2轉(zhuǎn)化為 N2。厭氧氨氧化工藝的原理
是，自養(yǎng)型厭氧氨氧化細(xì)菌在厭氧環(huán)境中以硝酸鹽、亞硝酸鹽作為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)�。該工藝特別適用于高氨氮廢水和低碳氮比廢水處理。簡(jiǎn)而言之，脫氮新理論新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步深化了人們對(duì)脫氮過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為實(shí)現(xiàn)污水高效的脫氮奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2.2 生物除磷原理
生物除磷主要是由一類(lèi)統(tǒng)稱(chēng)為聚磷菌的微生物在厭氧-好氧或厭氧-缺氧交替的環(huán)境下完成的。在厭氧條件下，聚磷菌將細(xì)胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽，并從中獲取能量，同時(shí)吸收污水中的易生物降解的 COD，同化為胞內(nèi)碳源貯存物聚羥基烷酸（PHA）；在好氧或缺氧條件下，聚磷菌以分子態(tài)氧（例如 O2）或化合
態(tài)（例如 NO3）作為電子受體，氧化代謝胞內(nèi)貯存物 PHA，同時(shí)釋放能量，過(guò)量
地從污水中攝取溶解態(tài)磷酸鹽，并以聚磷形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，最終通過(guò)排放富磷污泥實(shí)現(xiàn)從污水中除磷的目的。
此外，反硝化除磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步豐富了生物除磷機(jī)理。反硝化除磷過(guò)程是由一類(lèi)稱(chēng)為反硝化除 磷 細(xì) 菌 （ denitrifying phosphorus removingBacter -ia，DPB）完成的，在缺氧條件下，DPB 以硝酸鹽取代氧氣作為電子受體進(jìn)行缺氧攝磷，同時(shí)硝酸鹽被還原為氮?dú)�，�?shí)現(xiàn)了同時(shí)脫氮和除磷的目的。反硝化除磷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一碳兩用，同時(shí)節(jié)省了曝氣量，是一種低耗高效的污水處理方法。
3.生物脫氮除磷工藝
從生物脫氮除磷的機(jī)理分析來(lái)看，生物脫氮除磷工藝基本上包括厭氧、缺氧、好氧 3種狀態(tài)，這 3個(gè)不同的工作狀態(tài)可以在空間上進(jìn)行分離，也可以在時(shí)間上進(jìn)行分離。
3.1 空間順序的生物脫氮除磷工藝
空間順序工藝的最大特征是污水的各種生化反應(yīng)在不同的反應(yīng)池里同時(shí)完成，整個(gè)生化反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行，典型代表有A/O，A2/O，改良 A2/O，UCT，改良UCT，五段 Bardenpho，Phostrip 等。
3.1.1 A2/O 改良工藝
改良 A2/O工藝是中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院提出的。該工藝綜合了 A/O 工藝和改良UCT工藝的優(yōu)點(diǎn)，即在厭氧池之前增設(shè)厭氧/缺氧池（圖 1）。
首先回流污泥和 10%的污水進(jìn)入?yún)捬?缺氧池進(jìn)行反硝化以去除回流污泥中的硝酸鹽。90%的污水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)與回流污泥混合，在兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下將部分易生物降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA；聚磷菌釋磷，同時(shí)吸收 VFA 以 PHB 的形式貯存于胞內(nèi)。在缺氧區(qū)，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物和經(jīng)混合液回流而帶來(lái)的硝酸鹽進(jìn)行反硝化，同時(shí)去碳脫氮；在好氧區(qū)，有機(jī)物濃度相當(dāng)?shù)停欣谧责B(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)行硝化反應(yīng)，同時(shí)聚磷菌過(guò)量攝磷。通過(guò)沉淀、排除剩余污泥達(dá)到除磷的目的。該工藝降低回流污泥中硝態(tài)氮對(duì)后續(xù)厭氧池的不利影響，有利于厭氧池的聚磷菌釋磷，改善了泥水分離性能。
3.1.2 UCT改良工藝
改良的UCT工藝（University of Cape Town）脫氮除磷工藝由厭氧池、缺氧1池、缺氧2池、好氧池、沉淀池系統(tǒng)組成，有2個(gè)缺氧池。缺氧1池只接受沉淀池的回流污泥，同時(shí)缺氧1池有混合液回流至厭氧池，以補(bǔ)充厭氧池中污泥的流失�；亓魑勰鄶y帶的硝態(tài)氮在缺氧1 池中經(jīng)反硝化被完全去除。在缺氧2池中接受來(lái)自好氧池的混合液回流，同時(shí)進(jìn)行反硝化，缺氧1池出水中的NO3-N帶進(jìn)厭氧池使之保持較為嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，從而提高系統(tǒng)的除磷效率第一文庫(kù)網(wǎng)。其工藝流程見(jiàn)圖 2。
3.2 時(shí)間順序的生物脫氮除磷工藝
時(shí)間順序的生物除磷脫氮技術(shù)的最大特征是污水的各種生化反應(yīng)均在同一個(gè)反應(yīng)池里，按時(shí)間順序進(jìn)行污水處理，典型代表是CAST,MSBR,A2NSBR等工藝。
3.2.1 CAST 工藝
CAST實(shí)際上是一種循環(huán)SBR活性污泥法，反應(yīng)器中活性污泥不斷重復(fù)曝氣和非曝氣過(guò)程，生物反應(yīng)和泥水分離在同一池內(nèi)完成，與SBR同樣使用潷水器（圖
3）。
污水首先進(jìn)入選擇器，污水中溶解性的有機(jī)物通過(guò)生物作用得到去除，回流污泥中硝酸鹽也此時(shí)得到反硝化；然后進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，此時(shí)為微生物釋磷提供條件；第三區(qū)為主曝氣區(qū)，主要進(jìn)行BOD降解和同時(shí)硝化反硝化。CAST 選擇器設(shè)置在池首防止了污泥膨脹。
3.2.2 MSBR 工藝
近年來(lái)，有些研究者對(duì)傳統(tǒng)的 SBR 進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了連續(xù)流序批式活性污泥法工藝（ModifiedSequencing Batch Reactor，簡(jiǎn)稱(chēng) MSBR）見(jiàn)圖 4。
首先，污水進(jìn)入?yún)捬醭兀亓骰钚晕勰嘀械木哿拙诖顺浞轴屃�，然后混合液進(jìn)入缺氧池反硝化。反硝化后的污水進(jìn)入好氧池，有機(jī)物在好氧條件下被降解，活性污泥充分吸磷后再進(jìn)入起沉淀作用的 SBR，澄清后上清液排放。此時(shí)另一邊的 SBR 在 1.5Q 回流量的條件下進(jìn)行反硝化、硝化或靜置預(yù)沉�；亓魑勰嗍紫冗M(jìn)入濃縮池濃縮，上清液直接進(jìn)入好氧池，而濃縮污泥進(jìn)入缺氧池。這樣，一方面可以進(jìn)行反硝化，另一方面可先消耗掉回流濃縮污泥中的溶解氧和硝酸鹽，為隨后進(jìn)行的厭氧釋磷提供更為有利的條件。CAST 綜合了以往除磷脫氮工藝的優(yōu)點(diǎn)，保證了各污染物質(zhì)降解的最大速率環(huán)境，去除有機(jī)污染物效率更高，脫氮除磷效果更好。
3.2.3 A2NSBR工藝
Kuba，Merzouki 及 W.J.Ng 等相繼對(duì) ANSBR雙污泥系統(tǒng)進(jìn)行了反硝化除磷小試研究。A2NSBR工藝具有2個(gè)獨(dú)立的SBR（圖 5）。
一個(gè) SBR 依次經(jīng)歷厭氧/缺氧段，主要是用來(lái)強(qiáng)化 DBP 生長(zhǎng)的厭氧/缺氧環(huán)境，篩選優(yōu)勢(shì)菌種；另一個(gè)為好氧 SBR，此反應(yīng)器主要作用是培養(yǎng)硝化菌，以提供給厭氧/缺氧SBR足量的硝化液。經(jīng)研究，A2SBR和好氧硝化 SBR 系統(tǒng)的結(jié)合表現(xiàn)了穩(wěn)定的除磷脫氮效果，除磷率幾乎達(dá)到100%，脫氮率達(dá)到 90%以上。 2
4.城市污水脫氮除磷技術(shù)的發(fā)展與展望
污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格是目前世界各國(guó)普遍發(fā)展的趨勢(shì),以控制水體富營(yíng)養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除技術(shù)開(kāi)發(fā)已成為世界各國(guó)主要的奮斗目標(biāo)。我國(guó)對(duì)生物脫氮除磷技術(shù)的研究起步較晚,投入的資金也十分有限,研究水平仍處于發(fā)展階段。目前在生物脫氮除磷技術(shù)基礎(chǔ)理論沒(méi)有重大革新之前,充分利用現(xiàn)有的工藝組合,開(kāi)發(fā)技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)高效且符合國(guó)情的工藝應(yīng)是今后我國(guó)脫氮除磷工藝發(fā)展的主要方向,主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面。
(1)開(kāi)展對(duì)生物脫氮除磷更深入的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā),優(yōu)化生物脫氮除磷組合工藝,開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的小型化、商品化脫氮除磷組合工藝。
(2)發(fā)展可持續(xù)污水處理工藝,向節(jié)約碳源、降低CO2釋放、減少剩余污泥排放以及實(shí)現(xiàn)氮磷回收和處理水回用等方向發(fā)展。
(3)大力開(kāi)發(fā)適合現(xiàn)有污水處理廠改造的高效脫氮除磷技術(shù)。
5.生物脫氮除磷新工藝
目前應(yīng)用的脫氮除磷工藝主要有 SBR、A2O、OD
（氧化溝）這三類(lèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，
在 2006 年，這3種工藝占據(jù)了我國(guó)污水處理廠處理工藝的 65%，處理了全國(guó)約 54%的污水。近年來(lái)，出現(xiàn)了一些新的脫氮除磷工藝，以下對(duì)此作概括介紹。
2.1 CANDO
耦 合 好 氧 - 缺 氧 N2O 分 解 工 藝 （ coupledaerobicanoxicnitrous decomposition operation ，CANDO），是由 Scherson等率先提出來(lái)的新型污水脫氮工藝。其基本原理可通過(guò) 3 個(gè)步驟來(lái)解釋?zhuān)▓D6）。
圖6 CANDO 工藝的化學(xué)反應(yīng)原理示意圖
第一步，將氨氮的氧化控制在亞硝化階段；第二步，控制亞硝酸鹽的還原過(guò)程，保證其盡可能的生成N2O；第三步，將 N2O催化分解為N2同時(shí)伴隨能量的回
收，或者用 N2O取代氧氣作為 CH4燃燒的助燃?xì)狻ANDO工藝減少了污水處理過(guò)
程對(duì)氧的需求，降低了剩余污泥的產(chǎn)量，進(jìn)而減少了污水處理運(yùn)行費(fèi)用；實(shí)現(xiàn)了從NOD（nitrogenous oxygendemand）中回收能量，為污水處理進(jìn)行能量回收開(kāi)辟了新途徑；減少了污水處理過(guò)程中 N2O 等溫室氣體的排放，有效緩解了溫室
效應(yīng)。
對(duì)于 CANDO 工藝而言，第一步可通過(guò)高活性的 氨 氮 去 除 亞 硝 酸 鹽 的 單 一 反 應(yīng) 器 系 統(tǒng)（SHARON）工藝實(shí)現(xiàn)，第三步在熱力學(xué)上也能夠達(dá)到，關(guān)鍵是第二步，即如何穩(wěn)定、高效地保證 N2O的轉(zhuǎn)化過(guò)程。目前，主要有兩種方
法—生物法和化學(xué)法。生物法是以細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的 PHB 等內(nèi)碳源物質(zhì)作為電子供體，將 NO2還原為 N2O。然而，NO2的轉(zhuǎn)化率不夠穩(wěn)定，與基質(zhì)的投加策略有關(guān)，
最大的轉(zhuǎn)化率為 60%左右。當(dāng)乙酸（作為碳源）和亞硝酸鹽連續(xù)投加時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到 N2O 的產(chǎn)生。當(dāng)乙酸和亞硝酸鹽采用脈沖投加時(shí)，檢測(cè)到了N2O的存在。脈
沖投加分為兩種方式進(jìn)行，即耦合投加和非耦合投加。采用耦合投加時(shí)，NO2的轉(zhuǎn)化率為 9%～12%，非耦合投加時(shí)，NO2轉(zhuǎn)化率為 60%～65%�；瘜W(xué)法則是利用碳
酸鹽綠銹[carbonate green rust，化學(xué)式 Fe4IIFe2III(OH)12CO3]或菱鐵礦
（siderite，化學(xué)式為 FeCO3）將 NO2還原為 N2O。研究發(fā)現(xiàn)，這種活性綠銹（green
rust）層狀雙金屬類(lèi)物質(zhì)對(duì)硝酸鹽還具有還原作用并且對(duì)其它污染物的遷移轉(zhuǎn)化也有一定作用，進(jìn)一步促進(jìn)了該工藝的脫氮效果。同時(shí)，green rust 類(lèi)物質(zhì)對(duì)磷酸鹽也有良好吸附效果。Barthélémy 等使用雙氧水將 green rust 氧化為一種新材料—碳酸鐵綠銹[carbonated ferric greenrust，化學(xué)式 Fe7II(OH)12CO3]，不僅增強(qiáng)了其在溶液中的穩(wěn)定性，而且還能夠從水中吸附磷酸鹽實(shí)現(xiàn)高效除磷，但去除率受 pH 值的影響。
雖然，這兩種方法最后都實(shí)現(xiàn)了98%的脫氮率，但生物法對(duì) PHB 的依耐性，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化率可能受進(jìn)水中易降解的 COD 影響；化學(xué)法對(duì)反應(yīng)條件和藥劑的特殊要求，也制約了其發(fā)展前景。如果能夠研究出一種新的高效的 N2O
轉(zhuǎn)化機(jī)制，
并實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用，CANDO 工藝對(duì)于污水脫氮除磷而言不失為一種極具吸引力的選擇。
在相同的情況下，以需氧量、微生物量和能量回收效率為衡量指標(biāo)比較 SHARON、全自養(yǎng)亞硝酸型脫氮（CANON）、CANDO 的處理效果，發(fā)現(xiàn)CANDO 工藝僅次于 CANON；與傳統(tǒng)的硝化-反硝化脫氮工藝相比，CANDO 工藝的氧消耗和污泥產(chǎn)量分別減少了20%和40%，能源回收率增加了60%�？偟膩�(lái)說(shuō)，CANDO 工藝實(shí)可現(xiàn)生物法和化學(xué)法的有機(jī)結(jié)合，從根本上解決了污水處理廠運(yùn)行管理上的兩大難題：曝氣量和污泥產(chǎn)量。由此可見(jiàn)，聯(lián)合工藝突破了傳統(tǒng)生物脫氮工藝的基本概念，在一定程度上解決了傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝存在的問(wèn)題。
2.2 BioCAST
同 時(shí) 去 除 含 碳 有 機(jī) 物 及 氮 磷 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì)（BioCAST）工藝是為了實(shí)現(xiàn)從污水中同時(shí)去除含碳有機(jī)物及氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而開(kāi)發(fā)的新型多環(huán)境混合污水處理工藝（圖 7）。
圖7 BioCAST 工藝流程圖
它的主體部分是由兩個(gè)相互連接的反應(yīng)器組成，每個(gè)反應(yīng)器又包含有多個(gè)具有不同環(huán)境條件的區(qū)域。反應(yīng)器①包含有4個(gè)區(qū)域，即好氧區(qū)、微好氧區(qū)、缺氧區(qū)以及澄清區(qū)。前3個(gè)區(qū)域主要用于污水生物處理，澄清區(qū)則實(shí)現(xiàn)固液分離的作用。好氧區(qū)是根據(jù)氣提式反應(yīng)器的原理設(shè)計(jì)的，位于反應(yīng)器①的正中央，里面設(shè)置有生物填料，使其同時(shí)具有活性污泥工藝和生物膜工藝的特點(diǎn)，增加了系統(tǒng)中生物固體停留時(shí)間。原水和來(lái)自厭氧區(qū)的富含聚磷菌（phosphorus accumulatingorganisms，PAOs）和揮發(fā)性脂肪酸的回流污泥首先進(jìn)入好氧區(qū)，PAOs 實(shí)現(xiàn)好氧過(guò)量吸磷作用，含氮物質(zhì)經(jīng)氨化和硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。
混合液以上向流的方式流出好氧區(qū)，抵達(dá)附近的微好氧區(qū)，進(jìn)一步完成氨氮的硝化和剩余有機(jī)物的降解。然后，微好氧區(qū)混合液以下向流方式直抵缺氧區(qū)，完成反硝化作用，實(shí)現(xiàn)脫氮。系統(tǒng)所需的氧是由位于好氧區(qū)底部的3
個(gè)自定義的
內(nèi)置空氣擴(kuò)散器提供的，曝氣不僅提供了生化反應(yīng)所需的氧，實(shí)現(xiàn)液體混合作用，同時(shí)也是混合液在好氧區(qū)、微好氧區(qū)和缺氧區(qū)的循環(huán)動(dòng)力，使得污染物每隔幾分鐘就能夠暴露于不同的環(huán)境條件下，有利于污染物的去除。反應(yīng)器①的這種設(shè)計(jì)和運(yùn)行機(jī)制提供了前置反硝化和后置反硝化所需的環(huán)境條件，有利于脫氮。反應(yīng)器②是為污泥消化和固液分離而設(shè)計(jì)的。反應(yīng)器①的出水一部分直接排出系統(tǒng)，一部分進(jìn)入反應(yīng)器②，經(jīng)沉淀作用后上清液排出系統(tǒng)。同時(shí)反應(yīng)器①缺氧區(qū)的污泥回流至反應(yīng)器②厭氧區(qū)進(jìn)行消解，部分回流至好氧區(qū)，其余部分作為剩余污泥排放。回流混合液中包含的聚磷菌和揮發(fā)性脂肪酸，為除磷和反硝化過(guò)程提供了充足的碳源，保證系統(tǒng)的脫氮除磷效果。
BioCAST 工藝能夠有效地降低污水中污染物質(zhì)的含量，在48天的短期持續(xù)運(yùn)行中，COD、TN、TP的去除率分別達(dá)到了99.3%、98.0%、92.3%，即使進(jìn)水中污染物負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)，其去除效果幾乎仍然能夠維持不變。同時(shí)，在有機(jī)負(fù)荷率為 0.95～1.86 kg/(m3d)、氮負(fù)荷率為0.02～0.08 kg/(m3d)、磷負(fù)荷率為 0.014～0.02 kg/(m3d)的條件下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)225天的運(yùn)行，COD、TN、TP的去除率分別也達(dá)到了98.9%、98.3%和 94.1%，而且污泥的產(chǎn)率僅為消耗的COD當(dāng)量的3.7%。在長(zhǎng)期和短期運(yùn)行中均觀察到磷的去除效果對(duì)總氮負(fù)荷有很強(qiáng)的依賴(lài)性，即去除率隨著氮的負(fù)荷率的增加和碳氮比的減小而提高，當(dāng)TN負(fù)荷在0.05 kg/(m3d)以上時(shí)，磷的去除效果顯著增強(qiáng)。通過(guò)增加進(jìn)水N和P的負(fù)荷，系統(tǒng)最終出水的硝酸鹽、亞硝酸鹽及磷酸鹽的濃度可分別低達(dá)0.2 mg/L、0.02 mg/L及 2.9 mg/L，污泥產(chǎn)率僅為11.5%。
總之，BioCAST 工藝既能夠積累高濃度的懸浮生長(zhǎng)微生物，又能夠積累附著生長(zhǎng)微生物，使它很適合處理高負(fù)荷和高含氮量污水。與傳統(tǒng)的工藝相比，反應(yīng)器內(nèi)生物量多，污泥產(chǎn)率低，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間短，同時(shí)減少了空間需求；與 SBR 相比，沒(méi)有復(fù)雜的定時(shí)或控制系統(tǒng)；與膜生物反應(yīng)器相比，不需要特殊類(lèi)型的膜材料。
5.結(jié)語(yǔ)
污水生物脫氮除磷是當(dāng)今水處理的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。新的脫氮除磷理論的提出，為生物脫氮除磷工藝指引了方向。如：SND （同時(shí)硝化反硝化工藝）、SHARON（Single reactor high activity ammonia removalover nitrite，亞硝化反應(yīng)器）工藝、OLAND（Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitriFic- ation，氧限制自氧硝化—反硝化）工藝、厭氧氨氧化工藝以及短程硝化—厭氧氨氧化組合工藝等。但是，生物除磷脫氮工藝的發(fā)展已不僅僅要求對(duì) N，P 去除率，而且要求處理效果穩(wěn)定，可靠的運(yùn)行工藝。今后對(duì)此技術(shù)的研究應(yīng)集中在以下方面。
（1）加深除磷機(jī)理的研究。反硝化聚磷菌的出現(xiàn)解決了硝化菌與聚磷菌爭(zhēng)奪碳源，污泥齡不同等主要矛盾。為新型同步脫氮除磷工藝提供了理論依據(jù)。但是對(duì)于反硝化聚磷菌的了解還不夠全面，尤其是其除磷機(jī)理還待于進(jìn)一步研究。應(yīng)突破傳統(tǒng)理論，從微生物的角度來(lái)調(diào)控工藝。
（2）隨著脫氮除磷工藝的進(jìn)一步發(fā)展，許多研究者在進(jìn)行小試時(shí)，都馴化出顆粒污泥，而顆粒污泥的出現(xiàn)改善了污泥膨脹這一難題。同時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒污泥對(duì) N，P 的去除要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絮狀污泥。今后在對(duì)顆粒污泥的研究上應(yīng)更加深入，研究了解顆粒污泥外部的胞外聚合物是否對(duì) N，P 有吸附作用，并進(jìn)一步研究顆粒污泥的形成機(jī)理，調(diào)整現(xiàn)有反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)，從而加速顆粒污泥的形成，提高脫氮除磷效率。
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