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污水處理技術之A2O工藝脫氮與除磷矛盾

污水處理技術之A2O工藝脫氮與除磷矛盾

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【摘要】:

 A2O法又稱AAO法,是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一個字母的簡稱(厭氧-缺氧-好氧法),是一種常用的污水處理工藝,可用于二級污水處理或三級污水處理,以及中水回用,具有良好的脫氮除磷效果。在傳統A2O工藝的單泥系統中高效地完成脫氮和除磷兩個過程,就會發生各種矛盾沖突,比如泥齡的矛盾、碳源競爭、硝酸鹽及溶解氧(DO)殘余干擾等。

  一、傳統A2O工藝存在的矛盾

  1、污泥齡矛盾

  傳統A2/O工藝屬于單泥系統,聚磷菌(PAOs)、反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生長于同一系統中,而各類微生物實現其功能最大化所需的泥齡不同:

  1)自養硝化菌與普通異養好氧菌和反硝化菌相比,硝化菌的世代周期較長,欲使其成為優勢菌群,需控制系統在長泥齡狀態下運行。冬季系統具有良好硝化效果時的污泥齡(SRT)需控制在 30d 以上;即使夏季,若SRT<5 d,系統的硝化效果將顯得極其微弱。

  2)PAOs 屬短世代周期微生物,甚至其最大世代周期(Gmax)都小于硝化菌的最小世代周期(Gmin)。

  從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現系統磷減量化的唯一渠道。

  若排泥不及時,一方面會因PAOs的內源呼吸使胞內糖原消耗殆盡,進而影響厭氧區乙酸鹽的吸收及聚-β-羥基烷酸(PHAs)的貯存,系統除磷率下降,嚴重時甚至造成富磷污泥磷的二次釋放;另一方面,SRT 也影響到系統內 PAOs 和聚糖菌(GAOs) 的優勢生長。

  在30℃的長泥齡(SRT≈ 10d)厭氧環境中,GAOs 對乙酸鹽的吸收速率高于PAOs,使其在系統中占主導地位,影響 PAOs釋磷行為的充分發揮。

  2、碳源競爭及硝酸鹽和DO殘余干擾

  在傳統A2/O脫氮除磷系統中,碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養菌的正常代謝等方面,其中釋磷和反硝化速率與進水碳源中易降解部分的含量有很大關系。一般而言,要同時完成脫氮和除磷兩個過程,進水的碳氮比(BOD5 /ρ(TN))>4~5,碳磷比(BOD5 /ρ(TP))>20~30。

  當碳源含量低于此時,因前端厭氧區 PAOs 吸收進水中揮發性脂肪酸(VFAs)及醇類等易降解發酵產物完成其細胞內 PHAs 的合成,使得后續缺氧區沒有足夠的優質碳源而抑制反硝化潛力的充分發揮,降低了系統對 TN 的脫除效率。

  反硝化菌以內碳源和甲醇或 VFAs 類為碳源時的反硝化速率分別為 17~48 、120~900 mg/(g·d)。

  因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進入厭氧區,反硝化菌將優先于 PAOs 利用 環境中的有機物進行反硝化脫氮,干擾厭氧釋磷的正常進行,最終影響系統對磷的高效去除。

  一般,當厭氧區的 NO3-N 的質量濃度>1.0 mg/L 時,會對 PAOs 釋磷產生抑制,當其達到 3~4 mg/L 時,PAOs 的釋磷行為幾乎完全被抑制,釋磷(PO4 3--P)速率降 至 2.4 mg/(g·d)。

  按照回流位置的不同,溶解氧(DO)殘余干擾主要包括:

  1)從分子態氧(O2)和硝酸鹽(NO3-N)作為電子受體的氧化產能數據分析,以O2作為電子受體的產能約為 NO3-N的 1.5倍,因此當系統中同時存在O2和NO3-N時,反硝化菌及普通異養菌將優先以O2為電子受體進行產能代謝。

  2)氧的存在破壞了PAOs釋磷所需的“厭氧壓抑”環境,致使厭氧菌以O2為終電子受體而抑制其發酵產酸作用,妨礙磷的正常釋放,同時也將導致好氧異養菌與PAOs進行碳源競爭。

  一般厭氧區的DO的質量濃度應嚴格控制在0.2mg/L以下。從某種意義上來說硝酸鹽及DO殘余干擾釋磷或反硝化過程歸根還是功能菌對碳源的競爭問題。

  二、傳統A2O工藝改進策略

  1、基于 SRT 矛盾的復合式

  A2O工藝在傳統A2O工藝的好氧區投加浮動載體填料,使載體表面附著生長自養硝化菌,而 PAOs 和反硝化菌則處于懸浮生長狀態,這樣附著態的自養硝化菌的 SRT 相對獨立,其硝化速率受短 SRT 排泥的影響較小,甚至在一定程度上得到強化。

  懸浮污泥SRT、填料投配比及投配位置的選擇不僅要考慮硝化的增強程度,還要考慮懸浮態污泥 含量降低對系統反硝化和除磷的負面影響。

  載體填料的投配并不意味可大幅度增加系統排泥量,縮短懸浮污泥 SRT 以提高系統除磷效率;相反,SRT 的 縮短可能降低懸浮態污泥(MLSS)含量,從而影響系統的反硝化效果,甚至造成除磷效果惡化。

  研究表明,當懸浮污泥 SRT 控制為 5 d 時,復合式A2O工藝的硝化效果與傳統A2/O工藝相比,兩者的硝化效果無明顯差異,復合式A2/O工藝的載體填料不能完全獨立地發揮其硝化性能;若再降低懸浮污泥SRT則因系統懸浮污泥含量的降低致使硝酸鹽積累,影響厭氧磷的正常釋放。

  2、基于“碳源競爭”角度的工藝

  解決傳統 A2O工藝碳源競爭及其硝酸鹽和 DO 殘余干擾釋磷或反硝化的問題,主要集中在 3 方面:

  針對碳源競爭采取的解決策略,如補充外碳源、反硝化和釋磷 重新分配碳源(如倒置 A2O工藝)等;

  解決硝酸鹽干擾釋磷提出的工藝改革,如 JHB、UCT、MUCT 等工藝;

  針對 DO 殘余干擾釋磷、反硝化的問題, 可在好氧區末端增設適當容積的“非曝氣區”。

  (1)補充外碳源

  補充外碳源是在不改變原有工藝池體結構及各功能區順序的情況下,針對短期內因水質波動引起碳源不足而提出的應急措施。一般供選擇的碳源可分為 2 類:

  a、甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物;

  b、可替代有機碳源,如厭氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽糞便及含高碳源的工業廢水等。相對糖類、纖維素等高碳物質而言,因微生物以低分子碳水化合物(如,甲醇、乙酸鈉等)為碳源進行合成代謝時所需能量較大,使其更傾向于利用此類碳源進行分解代謝,如反硝化等。具體聯系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

  任何外碳源的投加都要使系統經歷一定的適應期,方可達到預期的效果。

  針對要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點對系統的穩定運行和節能降耗至關重要。一般在厭氧區投加外碳源不僅能改善系統除磷效果,而且可增強系統的反硝化潛能;但是若反硝化碳源嚴重不足致使系統TN脫除欠佳時, 應優先考慮向缺氧區投加。

  (2)倒置A2O工藝及其改良工藝

  傳統A2O工藝以犧牲系統的反硝化速率為前提,優先考慮釋磷對碳源的需求,而將厭氧區置于工藝前端,缺氧區后置,忽視了釋磷本身并非除磷工藝的目的所在。

  從除磷角度分析可知,倒置A2O工藝還具有 2 個優勢:

  “饑餓效應”。PAOs厭氧釋磷后直接進入生化 效率較高的好氧環境,其在厭氧條件下形成的攝磷驅 動力可以得到充分地利用。

  “群體效應”。允許所有 參與回流的污泥經歷完整的釋磷、攝磷過程。然而有研究者認為,倒置A2O工藝的布置形式。

  (3)JHB、UCT及改良UCT工藝

  與分點進水倒置 A2O工藝相比,JHB(亦稱A+A2O工藝) 和UCT工藝的設計初衷是通過改變外回流位點以解決硝酸鹽、DO殘余干擾釋磷。

  JHB工藝中的氮素的脫除主要發生在污泥反硝化區和缺氧區,且兩者的脫除量相當,污泥反硝化區的設置改變了氮素在各功能區的分配比例,使厭氧區能夠更好地專注于釋磷。

  JHB工藝流程

  與倒置 A2O工藝相同,對于低 C/N 進水而言, JHB工藝污泥反硝化區的設置可能會引起后續各功能區的碳源不足,為此也有必要采用分點進水方式。

  與倒置 A2O工藝不同,UCT 工藝是在不改變傳統A2O工藝各功能區空間位置的情況下,污泥先回流至缺氧區,使其經歷反硝化脫氮后,再通過缺氧區的混合液回流至厭氧區,避免了回流污泥中硝酸鹽、DO對厭氧釋磷的干擾。

  UCT工藝流程

  在進水C/N適中的情況下,缺氧區的反硝化作用可使回流至厭氧區的混合液中硝酸鹽的含量接近于0;而當進水C/N較低時, UCT工藝中的缺氧區可能無法實現氮的完全脫除, 仍有部分硝酸鹽進入厭氧區,因此又產生了改良 UCT 工藝(MUCT)。

  與 UCT工藝相比,MUCT將傳統A2O工藝中的缺氧區分隔為 2 個獨立區域,前缺氧區接受來自二沉池的回流污泥,后缺氧區接受好氧區的硝化液, 從而使外回流污泥的反硝化與內回流硝化液的反硝化完全分離,進一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。

  以MUCT工藝為主體工藝的流程圖

  無論UCT還是MUCT,回流系統的改變強化了厭氧、缺氧的交替環境,使其與 JHB一樣,缺氧區容易富集反硝化PAOs,實現同步脫氮除磷。

  3、兼顧SRT矛盾及“碳源競爭”工藝

  AAO+BAF

  與傳統活性污泥法相比,該工藝利用生物膜的形式將硝化細菌從活性污泥中獨立出來,在BAF池中完成硝化,在A2O中完成反硝化與除磷.較之傳統單污泥系統,雙污泥反硝化除磷系統能降低30%的曝氣量、50%的剩余污泥產量及碳源需求,是很有實用潛力的一種新型工藝。(來源:污水處理工作室)

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