生物除磷脱氮工艺

2.3　生物除磷脱氮工艺

2.3.1　普通活性污泥法

普通活性污泥法一般由生物处理构筑物或设备与二次沉淀池组成，它的主要作用是通过微生物的新陈代谢去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。生物处理的方法通常为活性污泥法或生物膜法。二级处理中使用的设备也是整个城市污水处理厂的心脏设备，主要是鼓风机、曝气机和曝气器。

二级处理（活性污泥法）的处理效率为:总淤泥量（SS）去除率70%～90%，生化五日需氧量（BOD₅）去除率65%～95%。经二级处理后，出水SS和BOD₅均可降至20～30mg/L，一般可达到排放水体和灌溉农田的水质标准。其典型的工艺（普通活性污泥法）见图1-3。以这种典型的工艺流程为基础，根据进出水水质、水量，二级处理活性污泥法可采用不同的工艺。

图1-3　普通活性污泥法处理污水工艺

普通活性污泥法是最普遍采用和最成熟的处理工艺，它有传统活性污泥法、阶段曝气、吸附再生、延时曝气、完全混合等几种形式。目前一般的普通活性污泥法应设计成能按上述前三种方式都能分别运行的工艺。传统活性污泥法的污水和回流污泥均由曝气池池首流入，处理效果好，对BOD₅和SS的总处理效率均为90%～95%，但曝气池前段供氧不足，后段供氧过剩，同时耐冲击负荷能力弱，曝气时间较长，一般为6～8h，适用于大中型城市污水处理厂，其曝气方法有推流式和完全混合式两种。阶段曝气的特点为污水沿池长多点进入，使BOD负荷沿池长得到了均衡，增强了耐冲击负荷的能力，并克服了传统活性污泥法的上述缺点，其曝气方式一般为推流式。吸附再生法是污水从沿曝气池长方向的某一点进入，而回流污泥则进入池首，在再生段进行曝气再生，而再生后的活性污泥在吸附段迅速吸附污水中的有机物。该工艺具有较强的耐冲击负荷的能力，且曝气时间较短，一般为3～5h，故曝气池容较小。处理污水中悬浮性有机物浓度较高的污水效果较好，而处理溶解性有机物较多的污水效果低于传统活性污泥法，一般BOD₅和SS的总处理效率均为80%～90%。

完全混合式活性污泥法常用的池型是将二沉池和曝气池合建的曝气沉淀池，采用表曝机曝气，污泥回流比为100%～500%，污水在池内的水力停留时间为3～5h。该工艺优点是无需鼓风机房和管道，耐冲击负荷能力强；缺点是处理效率比普通活性污泥法低，BOD₅和SS的总处理效率都只有80%～90%，活性污泥较易产生污泥膨胀，此外运行安全性比鼓风曝气低。该工艺主要适用于小城市或居民区的污水处理，也常用于工业废水处理。

城镇污水二级处理系统中，曝气供氧的能耗最大，约占全系统总能耗的50%，因此，降低曝气耗氧量是城镇污水处理厂节约能耗的主要环节。影响曝气耗氧量的因素众多，难以定量表示，而且在实践中变化幅度较大。一般情况下，去除单位BOD的耗氧量为1～2kg/kg，低值＜0.5kg/kg，高值＞2.5kg/kg。

对于活性污泥法常用的设备，中小型污水处理厂可以使用多级低速高心风机和陶瓷曝气头，这样的鼓风机噪声小，曝气头充氧效率高；采用氧化沟工艺的可以采用转刷或转碟；中型污水处理厂最好使用单级高速离心风机，以便控制和优化鼓风机的送风量，节能降低成本。

随着对氮、磷营养物排放标准的提高，目前的活性污泥法工艺中都结合了脱氮或除磷的功能要求。因为常规的二级生化处理工艺虽然稳定可靠，可以有效地降低污水的BOD₅和SS，但对污水中同时存在的氮、磷等营养物只能去除10%～20%，而典型城市污水中总有机氮含量20～40mg/L，总磷含量4～10mg/L，因此采用传统的二级生化处理工艺，其结果远不能达到综合排放标准中的一、二级排放标准。

2.3.2　生物脱氮工艺

根据脱氮的原理，20世纪30年代开发的Wuhrmann工艺是最早的脱氮工艺，流程遵循硝化、反硝化的顺序设置。主反应流程按功能分成两个反应器，即好氧反应器和缺氧反应器，好氧反应器主要进行含碳有机物的氧化、氨氮的硝化，缺氧反应器的作用是反硝化脱氮。由于反硝化脱氮过程需要碳源，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，所以反硝化速率低。如原污水的含氮量较高，则导致缺氧池容积庞大，而且污水进入系统的第一级就进行好氧反应，为满足有机物的去除，能耗就高，因此该工艺的脱氮效果并不理想。后置式反硝化脱氮工艺流程见图1-4。

20世纪70年代，研究人员改进完善了上述的脱氮工艺，即目前广泛应用的A/O（Anoxic/Oxic）工艺。在A/O工艺中，好氧池的混合液和沉淀后的污泥同时回流到缺氧池，形成后置式反硝化脱氮。这样，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池后，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，同时有机物作为碳源在缺氧池被利用了一部分，减小了好氧池的能耗要求。脱氮的A/O工艺流程示意图见图1-5。

图1-4　后置式反硝化脱氮工艺流程

图1-5　后置式反硝化脱氮的A/O工艺流程

2.3.3　生物除磷工艺

根据除磷的环境要求和过程，将好氧反应器和厌氧反应器相结合，开发了厌氧-好氧生物除磷工艺，也称A/O（Anaerobic/Oxic）工艺。该工艺曝气池前段为厌氧反应器，池中溶解氧浓度（DO）不大于0.2mg/L，回流污泥与进水靠潜水式搅拌器在池内混合接触，此时活性污泥中的聚磷菌向污水中释放磷。然后污水进入后续好氧反应器，进行曝气充氧，DO等于2mg/L左右。此时，聚磷菌在好氧状态下从污水中摄取磷，从而产生高磷污泥，通过排放剩余污泥的方式将磷去除，而有机物在厌氧-好氧段得到了生物降解而被去除。除磷的A/O工艺控制参数与缺氧-好氧脱氮工艺是不同的。工艺能同时去除有机物和磷，因曝气池总停留时间较短，为2.5～4.0h，所以其基建费用和运行费用较普通活性污泥法低。BOD₅和SS的去除率为95%以上，磷的去除率为70%以上，处理效果较好。

生物除磷工艺有许多突出的优点，如可减少因用化学药剂除磷而产生的化学污泥量；可减少污泥膨胀，改进沉降效果；污泥易脱水，肥效高；成本低廉，操作方便；适合于现有污水处理工厂的改建等。

为了强化磷的去除，美国学者Levin提出了Phostrip工艺。Phostrip工艺是将生物和化学除磷结合起来，一部分回流污泥被分流到专门的除磷池进行磷的释放，含磷的上清液再通过石灰混凝沉淀处理，大部分磷以磷酸钙的形式沉淀去除，出水总磷浓度低于1mg/L。由于分流除磷，所以工艺耐冲击负荷，缺点是工艺流程复杂，运行管理不便。Phostrip工艺的流程见图1-6，其中解吸池的作用是在厌氧条件下使二次沉淀池送来的污泥中的磷释放。含有大量磷的上清液排到沉淀池，投加石灰，利用化学反应形成Ca₃（PO₄）₂沉淀，除去上清液中的磷。解吸池解吸后的污泥回流至好氧池，沉淀池的出水进入初沉池，而污泥进行脱水处理。该工艺除磷效果好，当城市污水处理出水中TP的浓度要达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准时，可以考虑采用这一工艺。

随着除磷研究在微生物学领域的深化，近年来研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌（DPB）”。它能在缺氧环境下摄磷，同时利用-N来氧化污水中的有机物，这就使得摄磷和反硝化这两种不同的生物过程，能够借助同一种细菌在同一种环境中一并完成，这样不仅可缩小曝气区的体积，而且系统产生的剩余污泥量有望降低。这类工艺的另一个优点是碳源和能源（曝气）都得到节省，这对于解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统的充氧能耗都具有一定的意义。由于生物除磷和反硝化过程都需要有机物，因而避免了这两种过程对碳源的争夺。

图1-6　Phostrip工艺的流程

2.3.4　生物除磷脱氮联合工艺

生物除磷技术可看作厌氧选择器与活性污泥系统的组合。经过较全面的基础研究、半生产性试验、生产性研究及工程运行总结，该工艺目前在理论和实践上都取得了重大进展与突破。随着世界各国对氮、磷污染控制的日趋严格，单独的除磷或脱氮工艺已逐渐向脱氮除磷的组合工艺方向发展:一方面，能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要求；另一方面，又能除磷，并经过硝化、反硝化作用而达到脱氮目的。

我国学者对此也进行了长期、系统的研究，并使其发展到基于小试、中试的半生产性试验和工程应用，从而在理论和实践上进一步证明组合工艺技术的可行性和实用性，并在实际中对组合工艺进行了优化。所有这些都是考虑到脱氮除磷均包含着厌氧、缺氧、好氧三种状态的交替。研究者的出发点是通过组合和优化三种状态的组合方式及其数量的时空分布以及回流方式、位置而达到高效脱氮除磷的目的。

（1）厌氧-缺氧-好氧（A²/O）生物脱氮除磷工艺A²/O工艺将生物反应池分为厌氧段、缺氧段和好氧段。在厌氧段，回流污泥中的聚磷菌释放磷，同时BOD₅也得到了部分去除；而进入好氧段，聚磷菌又摄取磷，污泥成为高磷污泥，通过排放高磷剩余污泥的方式将磷去除；而污水在好氧段，BOD₅更进一步得到去除，同时氨氮被硝化，通过含硝酸盐混合液的内回流方式，使其NO_x-N在缺氧段进行反硝化脱氮，从而使该工艺具有同时生物脱氮除磷的功能。其流程如图1-7所示。该工艺的特点是工艺简单，能够同步脱氮除磷，总停留时间短，不易膨胀，不需投药，运行费用低。环境工程实验室教学实践内容也主要围绕该工艺进行。

图1-7　A²/O工艺系统

该工艺处理效率一般能达到BOD₅和SS的去除率为90%～95%，总氮去除率在70%以上（与回流比相关），磷去除率为70%左右。但A²/O工艺的基建费和运行费均高于普通活性污泥法，运行管理要求高。目前对我国来说，要执行污水综合排放标准的一级或二级标准时，避免处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化，必须考虑脱氮除磷，此工艺为可参考使用工艺。表1-1汇总了A²/O典型工艺的设计参数。

表1-1　A²/O典型工艺的设计参数

①污泥负荷以BOD₅/MLSS计。

A/O工艺、A²/O工艺都是较简单的脱氮除磷工艺，它们将缺氧段、厌氧段放在好氧工艺的前部，可以充分发挥厌氧菌群承受高浓度、高有机负荷的能力，充分利用厌氧菌群和好氧菌群各自的优势，污泥的沉降性能也较好，污泥后处理方便。由于A/O、A²/O工艺是在普通活性污泥法的基础上发展起来的，因而用于改造采用生物法处理的老污水处理厂也较容易。

（2）其他改进型脱氮除磷工艺　在上述脱氮、除磷工艺的基础上，根据水质或工艺侧重点，在20世纪的后半叶，各国的研究人员又开发了很多新的脱氮、除磷A/O系列工艺，主要的见图1-8。这些改进主要分为以下两类。

一类是增加缺氧、好氧反应池的级数，强化处理效果，如四阶段工艺、五阶段工艺（Bardenpho工艺或Phoredox工艺），脱氮效率可以达到90%，出水总氮浓度不超过3mg/L；缺点是水力停留时间较长。

另一类是改变混合液的回流方式或系统的进水方式，如南非开普敦大学开发的UCT工艺，见图1-8（c）。UCT工艺首先是由开普敦大学（University of Cape Town）的研究人员开发出来的，因此而得名。为了避免将二沉池的硝态氮带入厌氧池中，影响厌氧释磷效果，UCT工艺将二沉池的回流污泥回流到缺氧池中。同时为弥补厌氧池中污泥的损失，增设缺氧池至厌氧池的污泥回流，这样厌氧池可免受硝态氮的干扰，达到较好的同步脱氮除磷效果。为了避免缺氧池和好氧池两股回流液由于短流造成的交叉干扰，改良的UCT［见图1-8（d）］又将缺氧池一分为二，以提高除磷效果。

图1-8　新的脱氮、除磷A/O系列工艺

图1-9　UCT工艺流程示意图

EPHANOX除磷脱氮工艺如图1-10所示，EPHANOX工艺具有硝化和反硝化、除磷两套污泥回流系统，工艺具有能耗低、污泥产量小，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、水分离而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，而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。研究结果表明，此工艺与常规脱氮除磷工艺相比，当脱氮率和除磷率分别达到90%和100%时，COD需求耗氧量和污泥产量分别减少50%、30%和50%。然而在实际应用中，此类工艺面临一些问题。首先，大量研究表明，缺氧条件下磷的去除效率低于好氧条件下的效率，而且磷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，磷的过量摄取受到限制；当硝酸盐量富余时，硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体的PHB合成。实际应用时，进水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系统的控制带来困难。

图1-10　EPHANOX工艺流程示意图

（3）SBR工艺　SBR工艺全称是间歇式活性污泥法（sequencing batch reactor），自1976年以来，该工艺在发达国家的污水处理领域得到了较为广泛的应用。20世纪80年代以来，在我国也受到重视，并得到应用。SBR工艺的工作原理在流态上虽然属于完全混合式，但在有机物降解方面，则是时间上的推流，一般依序有7个工序过程，即进水、厌氧搅拌、好氧曝气、缺氧搅拌、沉淀、排放和闲置。磷的释放和BOD的摄取在厌氧搅拌过程完成，而磷的吸收和硝化及BOD去除则在好氧曝气过程完成，通过缺氧搅拌过程可以完成脱氮。

（4）氧化沟　氧化沟又称循环曝气池，是20世纪50年代由荷兰的Pasveer所开发的一种污水生物处理技术，属活性污泥法的一种变法。由于氧化沟水力停留时间长（可达24h），在流态上，氧化沟介于完全混合式与推流式之间，见图1-11。在曝气装置的下游，溶解氧浓度从高向低变动，甚至可能缺氧段。这种独特的水流状态有利于活性污泥的生物凝聚作用，而且可以将其区分为富集区、缺氧区，用以进行硝化和反硝化，取得脱氮的效应。

图1-11　氧化沟流程示意图