A 2
/O 工艺的固有缺欠和对策研究
张 杰 臧景红 杨 宏 刘俊良
提要 分析了A 2/O 系统的固有缺欠:硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争,阻碍着生物除磷脱氮技术的应用。为此各国水处理专家有针对性地进行了大量研究,新工艺层出不穷,但至今仍没有根本性的突破,营养盐去除的整体效果没有显著提高。在深入分析研究基础上,指出应以兼性厌氧反硝化除磷菌的生物特性研究为基础,开展以PH B 为碳源的新工艺和硝化菌与反硝化除磷菌相分离的双污泥系统的研究,为生产实践提供理论依据和指导。
关键词 A 2/O 工艺 碳源 反硝化除磷菌 DEPH ANOX 工艺 双污泥系统 生物除磷脱氮A 2/O 工艺的发展只有20多年,但因其工艺简单,能兼顾N,P 去除并有较好的效果,故发展比较迅速。随着对污水排放要求的不断提高,许多研究者针对该工艺本身存在的问题,如硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的不同泥龄、释磷和反硝化对碳源的竞争等,在工艺形式和工艺流程上进行了一系列革新,新工艺层出不穷,尤其是随除磷机理研究在微生物学领域的深化,反硝化除磷菌DPB 的发现使该工艺有了更广阔的发展前景。1 A 2/O 工艺的发展
1932年开发的Wuhrmann 工艺是最早的脱氮工艺(见图1),流程遵循硝化、反硝化的顺序而设置。由于反硝化过程需要碳源,而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢物质作为碳源,能量释放速率很低,因而脱氮速率也很低。此外污水进入系统的第一级就进行好氧反应,能耗太高;如原污水的含氮量较高,会导致好氧池容积太大,致使实际上不能满足硝化作用的条件,尤其是温度在15 以下时更是如此;在缺氧段,由于微生物死亡释放出有机氮和氨,其中一些随水流出,从而减少了系统中总氮的去除。因此该工艺在工程上不实用,但它为以后
除磷脱氮工艺的发展奠定了基础。
图1 W uh rmann 脱氮工艺流程
1962年,Ludzack 和Etting er 首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱氮能源的前置反硝化
工艺,解决了碳源不足的问题。1973年,Barnard 在开发Bardenpho 工艺时提出改良型Ludzack
Ettinger 脱氮工艺,即广泛应用的A/O 工艺(见图2)。A/O 工艺中,回流液中的大量硝酸盐到缺氧池后,可以从原污水得到充足的有机物,使反硝化脱氮得以充分进行。A/O 工艺不能达到完全脱氮,因为好氧反应器总流量的一部分没有回流到缺氧反应器
而是直接随出水排放了。
图2 改良型Ludzack Ettinger 脱氮工艺流程
图3 Bardenpho 脱氮工艺流程(4阶段Bardenpho 脱氮工艺)
为了克服A/O 工艺不完全脱氮的不足,1973年Barnard 提出把此工艺与Wuhrmann 工艺联合,并称之为Bardenpho 工艺(见图3)。Barnard 认为,一级好氧反应器的低浓度硝酸盐排入二级缺氧反应器会被脱氮,而产生相对来说无硝酸盐的出水。为了除去二级缺氧器中产生的、附着于污泥絮体上的微细气泡和污泥停留期间释放出来的氨,在二级缺氧反应器和最终沉淀池之间引入了快速好氧反应器。Bardenpho 工艺在概念上具有完全去除硝酸盐的潜力,但实际上是不可能的。
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1976年,Barnard 通过对Bardenpho 工艺进行中试研究后提出:在Bardenpho 工艺的初级缺氧反应器前加一厌氧反应器就能有效除磷(见图4)。该工艺在南非称5阶段Phoredox 工艺,或简称Phoredox 工艺,在美国称之为改良型Bardenpho
工艺。
图4 Phoredox 工艺流程(改良型Bardenpho 工艺或
5阶段Bardenpho 除磷脱氮工艺)
1980年,Rabinowitz 和M arais 对Phoredox 工艺的研究中,选择3阶段的Phoredox 工艺,即所谓的传统A 2
/O 工艺(见图5)
[1]
。
图5 传统A 2/O 工艺流程(Phoredox 3阶段生物除磷脱氮工艺)
2 A 2
/O 工艺的固有缺欠
A 2
/O 工艺的内在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争,很难在同一系统中同时获得氮、磷的高效去除,阻碍着生物除磷脱氮技术的应用。其中最主要的问题是厌氧环境下反硝化与释磷对碳源的竞争。根据生物除磷原理,在厌氧条件下,聚磷菌通过菌种间的协作,将有机物转化为挥发酸,借助水解聚磷释放的能量将之吸收到体内,并以聚 羟基丁酸PH B 形式贮存,提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖所需的碳源和能量。如果厌氧区存在较多的硝酸盐,反硝化菌会以有机物为电子供体进行反硝化,消耗进水中有机碳源,影响厌氧产物PHB 的合成,进而影响到后续除磷效果。一般而言,要同时达到氮、磷的去除目的,城市污水中碳氮比(COD/N)至少为4 5[2]。当城市污水中碳源低于此要求时,由于该工艺把缺氧反硝化置于厌氧释磷之后,反硝化效果受到碳源量的限制,大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污泥进入厌氧区,干扰厌氧释磷的正常进行(有时甚至会导致聚磷菌直接吸磷),最终影响到整个营养盐去除系统的稳定运行。
为解决A 2/O 工艺碳源不足及其引起的硝酸盐进入厌氧区干扰释磷的问题,研究者们进行了大量工艺改进,归纳起来主要有三个方面:一是解决硝酸盐干扰释磷问题而提出的工艺,如:U CT 、MU CT 等工艺;二是直接针对碳源不足而采取解决措施,如补充碳源、改变进水方式、为反硝化和除磷重新分配碳源,进而形成的一些工艺,如:JHB 工艺、倒置A 2/O 工艺;三是随着反硝化除磷细菌DPB 的发现形成的以厌氧污泥中PHB 为反硝化碳源的工艺,如:
Dephanox 工艺和双污泥系统的除磷脱氮工艺。3 硝酸盐干扰释磷问题的工艺对策
南非U CT (University of Cape Tow n,1983)工艺(见图6)将A 2
/O 中的污泥回流由厌氧区改到缺氧区,使污泥经反硝化后再回流至厌氧区,减少了回流污泥中硝酸盐和溶解氧含量。当U CT 工艺作为阶段反应器在水力停留时间较短和低泥龄下运行时在美国被称为VIP(Virginia Initiative Process,1987)工艺[3]。与A 2/O 工艺相比,UCT 工艺在适当的COD/TKN 比例下,缺氧区的反硝化可使厌氧区回流混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水TKN/COD 较高时,缺氧区无法实现完全的脱氮,仍有部分硝酸盐进入厌氧区,因此又产生改良UCT 工艺 MUCT 工艺(见图7)。M UCT 工艺有两个缺氧池,前一个接受二沉池回流污泥,后一个接受好氧区硝化混合液,使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开,
进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。
图6 UCT
生物除磷脱氮工艺流程
图7 M UCT 生物除磷脱氮工艺流程
4 弥补碳源不足的工艺对策4 1 补充碳源
补充碳源可分为两类:一类是包括甲醇、乙醇、
丙酮和乙酸等可用作外部碳源的化合物,一类是易
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生物降解的COD 源,它们可以是初沉池污泥发酵的上清液[4]
或其它酸性消化池的上清液或者是某种具有大量易生物降解COD 组分的有机废水,例如:麦芽工业废水、水果和蔬菜工业废水和果汁工业废水等。碳源的投加位置可以是缺氧反应器,也可以是厌氧反应器,在厌氧反应器中投加碳源不仅能改善除磷,而且能增加硝酸盐的去除潜力,因为投加易生物降解的COD 能使起始的脱氮速率加快,并能运行较长的一段时间[1]
。4 2 改变进水方式
取消初次沉淀池或缩短初次沉淀时间[5],使沉砂池出水中所含大量颗粒有机物直接进入生化反应系统,这种传统意义上的初次沉淀池污泥进入生化反应池后,可引发常规活性污泥法系统边界条件的重要变化之一就是进水的有机物总量增加了,部分地缓解了碳源不足的问题,在提高除磷脱氮效率的同时,降低运行成本。对功能完整的城市污水处理厂而言,这种碳源是易于获取又不额外增加费用的。
Johannesburg(JHB)工艺[2]是在A 2/O 工艺到厌氧区污泥回流线路中增加了一个缺氧池(见图8),这样,来自二沉池的污泥可利用33%左右进水中的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮,以消除硝酸盐
对厌氧池厌氧环境的不利影响。
图8 JHB 工艺流程
此外,对传统A 2
/O 工艺有人建议,采用1/3进水入缺氧区,2/3进水入厌氧区的分配方案可以取得较高的N,P 去除效果[7]
。
4 3 倒置A 2/O 工艺
同济大学高廷耀、张波等认为
[8]
,传统A 2
/O 工
艺厌氧、缺氧、好氧布置的合理性值得怀疑。其在碳源分配上总是优先照顾释磷的需要,把厌氧区放在工艺的前部,缺氧区置后。这种作法是以牺牲系统的反硝化速率为前提的。但释磷本身并不是除磷脱氮工艺的最终目的。就工艺的最终目的而言,把厌氧区前置是否真正有利,利弊如何,是值得研究的。
基于以上认识,他们对常规除磷脱氮工艺提出一种新的碳源分配方式,缺氧区放在工艺最前端,厌氧区置后,即所谓的倒置A 2
/O 工艺(见图9)。其特点如下:!聚磷菌厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境,其在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到更充分的利用,具有?饥饿效应#优势;?允许所有参与回流的污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程,故在除磷方面具有?群体效应#优势;%缺氧段位于工艺的首端,允许反硝化优先获得碳源,故进一步加强了系统的脱氮能力;&工程上采取适当措施可以将回流污泥和内循环合并为一个外回流系统,因而流程简捷,宜于推广。据他们报道,该工艺在实验
室机理试验中得到了较好的除磷脱氮效果。
图9 倒置A 2/O 工艺流程
5 以厌氧污泥中PHB 为反硝化碳源的工艺
随着除磷研究在微生物学领域的深化,研究者发现一种?兼性厌氧反硝化除磷细菌# DPB (Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria)能在缺氧环境下,在氧化PHB 的过程中能以硝酸盐代替氧作电子受体,使摄磷和反硝化这两个不同的生物过程,能够借助同一种细菌在同一环境中一并完成,实现同时反硝化和过度摄磷,即所谓?一碳(指PH B)两用#。这对于解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统充氧能耗都具有一定的意义,于是产生了利用DPB 的反硝化除磷工艺。
5 1 DPB 的特点
研究表明:!DPB 易在厌氧/缺氧序批反应器中积累;?DPB 在传统除磷系统中大量存在;%DPB 与完全好氧的聚磷菌PAO (Polyphosphate Accumulating Organisms)相比,有相似的除磷潜力和对细胞内有机物质(如PHB )、肝糖的降解能力[9]。
5 2 DEPHANOX 工艺
Wanner 在1992年率先开发出第一个以厌氧污泥中的PH B 为反硝化碳源的工艺,取得了良好的N,P 去除效果[10],该工艺就是DEPHANOX 工艺(见图10)。DEPHANOX 工艺是满足反硝化除磷细菌所需环境和基质的一种强化除磷工艺,其特点是
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在A 2/O 工艺的厌氧池与缺氧池之间增设一中间沉淀池和固定膜反应池(一种好氧生物膜反应器)。原污水进入厌氧反应池后,聚磷菌放磷,大部分有机底物被污泥生物降解;在中间沉淀池中活性污泥和富含P 和氨的上清液分离;上清液在固定膜反应池进行硝化。这样,被沉淀的污泥则跨越固定膜反应池并与在其内生成的硝酸盐一起进入后续的缺氧反应池,同时进行反硝化和摄磷;再曝气池吹脱氮气并使聚磷菌完全再生。试验表明在缺氧反应器中硝酸盐(电子受体)缺少的情况下再曝气池完成过量磷的吸
收是非常有必要的。
图10 DEPHANOX 工艺流程
DEPHANOX 工艺的特点:!能非常有效地解决聚磷菌和反硝化菌对有机底物的竞争;?在进水COD/T KN 较低的情况下有较高的除磷能力,最佳条件为COD/N 为3 4[2];该工艺缺氧条件下P 的去除效率仍低于传统A 2/O 工艺好氧条件下的效率;%限制生物除磷脱氮系统污水处理能力的两个重要因素是丝状菌膨胀和硝化所需的长泥龄,在DE PHANOX 系统中,硝化菌与聚磷菌的分离减少了丝状菌膨胀,解决了污泥龄问题,提高了污水处理能力;&提高了污泥的沉降性[11]。5 3 双污泥系统
目前研究表明,硝化段的长时间曝气对反硝化和除磷都不好,而且除磷菌体内的PHB 在长时间的曝气后被消化,导致反硝化可利用的COD 较少,所以认为分开硝化菌和反硝化除磷菌更合适,即应设两套污泥系统。
基于以上认识,1996年Kuba 等人提出一种具有硝化和反硝化除磷两套污泥回流系统的除磷脱氮工艺(见图11)。其具有低能耗、低污泥产量且COD 消耗量低的特点。反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB 后,经泥水分离不经过好氧阶段直接进入缺氧区,聚磷菌体内的PHB 未被消耗,全部用于反硝化摄磷,保证了反硝化所需的碳源。污泥系统的分离不仅有利于把硝化和除磷污泥控制在各自最佳的泥龄条件下且使供氧仅用于硝化和厌氧后剩余有机物的氧化,减少了曝气量。小试研究结果表
明,此工艺与常规除磷脱氮工艺相比,当脱氮率和除磷率分别达90%和100%时,COD 需求、耗氧量和污泥产量分别减少50%,30%和50%[9]
。
图11 具有硝化和反硝化除磷两套污泥系统的脱氮除磷工艺流程
然而实际应用中,此类工艺面临一些问题。首先,该工艺的关键问题是反硝化除磷污泥流中残存的NH 4+。在厌氧段后,沉淀的反硝化除磷污泥与
上清液分离,在上清液中有大量的NH 4+和释放的磷。上清液中的所有NH 4+
在好氧段都被氧化成硝酸盐,而反硝化除磷污泥流中的NH 4+
被转移到缺氧段。反硝化除磷污泥流中的残存的NH 4+量在缺氧段会降低,主要是因为由于好氧段硝化液的稀释和用于DPB 的增长。如果在缺氧段残存的NH 4+与满足DPB 增长所需的NH 4+
平衡,那么N 的去除率将是100%,但实际中很难做到这一点。该工艺中N 的去除率是由容积交换率(图11中的[a]/([a]+[b]))决定的,随着容积交换率的提高,该工艺中N 的去除率也肯定会提高。其次,大量研究表明,缺氧条件下P 的去除效率低于好氧条件下的效率,而且P 的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺氧段硝酸盐量不充足时,P 的过量摄取受到限制;而硝酸盐量富余时,硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段,干扰P 的释放和聚磷菌PHB 的合成。实际应用时进水中N 和P 的比例是很难恰好满足缺氧摄磷的要求,这给系统的控制带来困难。因为很难真实模拟城市污水的处理情况,鉴于上述原因,这类工艺还在研究之中,离生产应用尚有一段距离。
6 结语
虽然A 2/O 工艺和它的一些改进工艺经过多年运行,已积累了很多成功实践经验。但对其固有缺欠尚没有较好弥补,整体营养盐去除效果没有显著
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提高。故我们还应在以下几方面做进一步的研究来推动生物除磷脱氮技术的发展:
(1)深入揭示生物除磷脱氮的生物学机理,进一步认识各条件下的微生物菌种,为除磷脱氮的工艺设计和改造提供理论依据和指导;
(2)引入自动控制和传感器等其它领域的技术,提高生物处理的可控程度和运行的可靠、稳定,使处理系统向高效、低能耗方向发展。如对于DE PHANOX工艺,应进一步研究在线控制系统来控制缺氧反应器中的氧化还原潜力,目的是把反硝化和再曝气控制在一个反应器中,在此反应器中只有当硝酸盐被耗尽时曝气器才被开启;
(3)做出各工艺的参数系列,为设计提供依据;
(4)现在,许多研究者对DPB菌种的认识还模棱两可、说法不一,所以,需对利用DPB的工艺做进一步研究,使其能尽早地应用于生产实践。
参考文献
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?作者通讯处:100022北京工业大学城建系给排水教研室
电话:(010)67394271 (0)131********
E mai l:zangjh77@163 com
刘俊良 075024河北建筑工程学院城建系 收稿日期:2002 6 18
A2/O除磷脱氮工艺设计计算(上)
周 雹 周 丹
提要 A2/O除磷脱氮工艺发展至今已出现几种常见和适合我国国情的类型,对它们的提出背景和基本原理进行了阐述,并对每种工艺的设计计算作了探讨,提出了设计步骤和方法,介绍了有关的计算公式。
关键词 A2/O工艺 UCT工艺 改良型U CT工艺 倒置A2/O工艺 多点进出水倒置A2/O 工艺
城市污水处理厂往往既要求脱氮又要求除磷,这时就需要采用A2/O除磷脱氮工艺。
生物脱氮和生物除磷是相互矛盾的,主要表现在两个方面:
(1)对污水中易生物降解有机物的争夺。生物脱氮效率不可能达到100%,一般情况下不超过85%,出水中总会有相当数量的硝态氮,这些硝态氮随回流污泥进入厌氧区,将优先夺取污水中易生物降解有机物,使聚磷菌缺少碳源,失去竞争优势,降低除磷效果。
(2)对泥龄的要求上。生物脱氮首先要达到硝化,这就要求较长泥龄,而生物除磷则希望泥龄较短,因为泥龄短时污泥量多,而磷是靠排放剩余污泥去除的。显然,泥龄长对脱氮有利,而泥龄短对除磷
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WATER&WAS TEWATER ENG INEERING Vol 29No 3M arch2003
ABSTRACTS
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Ammonia Nitrogen Removal from Refuse Landf ill Leachate by Zeolite Adsorption Process J iang Jianguo et al(6) Abstract:Facing the problem of high ammonia nitrogen contained r efuse landfill leachate treatment and to r educe the cost of this treatment,a labor ator y bench scale study of zeolite adsorptio n process was ex plor ed for the feasibility and efficiency.By the ex periment it was found that a NH3-N removal of78%was obtained under conditions o f zeolite granule size of30~16orders and that the potential adsorption capacit y was15 5mg NH3-N per g ram of zeolite.In case of the same adsorption time,zeolite size and leachate flux,hig her inflow NH3-N concentration is,hig her adsorption speed is obtained.It is believed that as adsor ption agent for NH3-N removal from r efuse landfill leachate,
zeolite could be feasible.
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Pilot Study on Pellet C oagulation Process Treating Wastewater in Waterworks H uang T inglin et al(9) Abstract:A pilot plant of pellet coagulation(PC)process w ith capacity of10~39 5m3/h was car ried out to treat wastewater of a water works in X i)an.T he experimental r esults show that PC process,w hich is characterized w ith hig h hydraulic load,g ood effluent quality,and high sludge concentration,can be well used to treat w aterw orks wastewater.
For this facility in case when the r aw wastewater has mo i sture content of98 53%~99 95%,the hy draulic load,
effluent turbidity and moistur e content of t he drained sludge are4 45~17 25mm/s,5~20N T U and93 8%~
96 0%respectively.T he outlet sludg e of this plant could be transfer direct into dewater ing machine.T he dosages of
PAM and PAC(A1203)ar e contr olled at2 2~4 7mg per g ram of dry sludge respectively.
On Power Consumption of Catalyse Electrolytic Removal of COD and NH3-N from Refuse Leachate
W ang M in et al(13) ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((
Abstract:T he impact factors on the specific pow er consumption and cur rent efficiency of CO D and NH3-N removal,such as the material of electrode,the curr ent density,the gap between electrodes and the specific electrolyt ic area for elect rolyte were studied.T he study proved that remo val rate incr eased and the specific power consumption for CO D and NH3-N removals decreased in case of r educed g ap betw een electro des and adoption of SP R anode.A lso hig her removals were obtained in case of higher current density and specific electrolytic ar ea,how ever,the specific power consumption increased at the same time.
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A Study on the Inherent Shortcomings and C ountermeasures of the A2/O Process Zhang Jie et al(22)
Abstract:T he inherent shortcomings of A2/O process,thereinto the contrar y competition of nitrify ing bacteria, denitrifying bacteria and polyphosphate accumulating or ganisms for organic loading,sludge age and carbon sources impeded t he promotion of their application fo r N and P r emoval.M any ex perts conducted a lo t o f studies and exploited many processes.But until now the ov erall effect of biological nutrient remov al is not good enough.T he authors of this paper think t hat it is needed to develop new processes whose carbon sour ce is PHB and dev elop a dual sludge system,in which the nitrifying bacteria and denitrifying bacteria shall wor k separately.T heoretical bases and concrete introduction shall be pro vided for the practical application of A2/O processes.
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Ultrasonic Abatement of Aqueous Trace Lever Pollutants:Polychlorinated Biphenyls Zhang Guangming(30) Abstract:T he so nolysis of aqueous po lychlor obiphenyls(P CBs)at trace level was inv est igated.Operativ e parameters including the frequency and intensity of ultrasonic,ambient temperature and saturating g ases w er e examined.Pseudo first order rate constants of PCBs degradation under v ar ious conditions w ere obtained.T he r esults showed that sonolysi s could deg rade aqueous PCBs effectiv ely,and358kHz was the best frequency.Application of
combined A r and O2as saturating gas,and usage o f small size probe could enhance sonificatio n significantly.
Research on the Operational Characteristic of HCR in the Treatment of Petrochemical Wastewater
((((((((((((((((((((((((((((((((((((((
Zhang Dongshu et al(41) Abstract:A pilot plant exper iment of high loaded compact reactor(HCR)treating petrochemical w astewater was presented in t he paper and the operatio nal feature of the HCR was studied.T he experimental results show ed that HCR had hig h ox ygen transfer rate,quick star t up ability,high sludge loading and great buffer ing https://www.doczj.com/doc/ec1409801.html,pared with the conventional process,HCR could be efficiently reduce the constructio n cost of t he wastewater treatment facility and mitigate the shortage of land resource.
Application of Hydrolysis C oagulation Combined Aeration Tank for Dyeing Printing Wastewater Treatment (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((
Qi Peishi et al(44) Abstract:A composite process composed of hydrolysis coagulation combined aeration tank w as applied for dy eing printing w astew ater tr eatment.T he performance showed that the effluent could meet the national dischar ge standar d,