侯子瀧,周 鑫,Koubode Rudy Alain Ronel,張 琦,孫海龍,呂 琳
(太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山西晉中030600)
氮是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要元素〔1〕,過量的氮會(huì)影響水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、再生水的回用以及飲用水的安全。傳統(tǒng)的生物處理工藝,如缺氧/好氧(A/O)、厭氧/缺氧/好氧(A2/O)、開普敦大學(xué)工藝(UCT)、弗吉尼亞州首創(chuàng)工廠(VIP)工藝等,由于單一缺氧的脫氮效率難以進(jìn)一步提高,其處理出水已經(jīng)無(wú)法滿足日益嚴(yán)苛的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。此外,傳統(tǒng)的生物脫氮工藝還存在抗沖擊負(fù)荷能力弱,需要硝化液內(nèi)回流和外加反硝化碳源等問題〔2〕。為了解決傳統(tǒng)生物處理工藝脫氮效率不高的問題,自20世紀(jì)70~80年代,國(guó)外學(xué)者將分段進(jìn)水方式引入到活性污泥法多級(jí)A/O工藝中,將進(jìn)水負(fù)荷按不同比例分配分別進(jìn)入各級(jí)缺氧段,即為活性污泥法分段進(jìn)水多級(jí)A/O工 藝 (step-feed anoxic/oxic activated sludge process,SAOASP)〔3〕。 SAOASP 的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用碳源,污泥濃度高,脫氮效率高,無(wú)需內(nèi)回流,所需池容小,運(yùn)行管理方便等。21世紀(jì)初,SAOASP已被廣泛應(yīng)用于污水處理廠的擴(kuò)建和升級(jí)改造。
分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝是在傳統(tǒng)單點(diǎn)進(jìn)水A/O工藝的基礎(chǔ)上,通過增加A/O級(jí)數(shù),同時(shí)將單點(diǎn)進(jìn)水方式改為以一定比例進(jìn)行流量分配分別進(jìn)入各級(jí)缺氧區(qū),并使污泥回流至第一缺氧區(qū)中,由此形成分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝。典型的分段進(jìn)水多級(jí)A/O生物脫氮工藝流程如圖1所示。原水和回流污泥首先進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器缺氧區(qū),反硝化菌可以充分利用原水中豐富的碳源對(duì)回流污泥中的NOx-N進(jìn)行反硝化;混合液再進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器好氧池區(qū)充分硝化。反應(yīng)后的混合液進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器缺氧區(qū)再次進(jìn)行反硝化,同時(shí)加入一定比例的原水為缺氧區(qū)提供碳源,然后再流入好氧區(qū),依次類推。
圖1 分段進(jìn)水多級(jí)A/O生物脫氮工藝流程
該工藝的特點(diǎn)主要包括:(1)回流污泥回流至系統(tǒng)首端缺氧池,系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度依次遞減,系統(tǒng)內(nèi)平均污泥濃度較高,污泥齡較長(zhǎng)。(2)前一級(jí)好氧池出水直接流入下一級(jí)缺氧池進(jìn)行反硝化,省去了內(nèi)回流系統(tǒng),工藝流程簡(jiǎn)化,操作管理方便。(3)各級(jí)好氧池為下一級(jí)缺氧池的反硝化提供能量,最大程度利用了進(jìn)水中的碳源,減少了外加碳源的投放。(4)各級(jí)缺氧區(qū)反硝化出水流入本級(jí)好氧區(qū),為硝化作用提供了堿度。(5)最終出水總氮濃度低,脫氮效率高。流量分配能夠使得進(jìn)入各級(jí)缺氧池的原水中的含碳有機(jī)物恰好與前一級(jí)好氧池出水硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化,在缺氧池中不產(chǎn)生硝態(tài)氮的積累,從而降低了出水總氮濃度。(6)分段進(jìn)水A/O生物脫氮工藝易于在現(xiàn)有二級(jí)生化處理工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。(7)系統(tǒng)內(nèi)平均污泥濃度高,固體停留時(shí)間長(zhǎng),因此池容小,基建費(fèi)用低。
1.2.1 分段數(shù)量
分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝的本質(zhì)是將多次的硝化和反硝化串聯(lián)在一起。從理論上分析,多段多級(jí)A/O工藝,采用A/O交替運(yùn)行的方式,使污泥中的微生物處于“饑飽”交替狀態(tài),不僅加快了有機(jī)碳源的利用,還可以最大限度地激發(fā)微生物硝化和反硝化的潛能,從而提高對(duì)總氮的去除效率。因此,工藝的反應(yīng)器級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)脫氮效率有著重要的影響。理論脫氮效率η可以由公式(1)得出:
式中:αi——最后一段流量占總進(jìn)水流量的比值;
R——污泥回流比。
假如各分段流量分配比均相同,則上式可以繼續(xù)簡(jiǎn)化為公式(2):
式中:n——分段數(shù)量。
當(dāng)污泥回流比為定值時(shí),出水總氮濃度取決于分段的數(shù)量。當(dāng)最后一段分段的好氧區(qū)和缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)了完全硝化和反硝化,沒有硝酸鹽的剩余,η會(huì)隨著分段數(shù)量n的增大而增大。但當(dāng)反應(yīng)器級(jí)數(shù)>5時(shí),分段進(jìn)水A/O工藝的脫氮性能提高不再明顯??紤]到工藝的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)分析,一般采用2~5段。E.Gorgun等〔4〕對(duì)伊斯坦布爾Riva污水處理廠(處理水量1 160 000 m3/d)的處理工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行影響進(jìn)行了研究,其進(jìn)水COD為271 mg/L,TKN為44 mg/L,采用2段式分段進(jìn)水生物脫氮工藝,出水 TN<10 mg/L。羅景陽(yáng)等〔5〕分別采用單級(jí)A/O工藝和分段進(jìn)水兩級(jí)A/O工藝處理白酒廢水(進(jìn)水:NH4+-N 200 mg/L,COD 900 mg/L),結(jié)果表明,相比于單級(jí)A/O 工藝,分段進(jìn)水兩級(jí)A/O工藝出水NH4+-N、NO3--N、TN和COD均顯著降低,其平均去除率分別提高了16.9%、43.2%、49.7%和8%。
1.2.2 污泥回流比
系統(tǒng)的理論脫氮率與污泥回流比有著顯著的相關(guān)性。對(duì)于活性污泥系統(tǒng),污泥回流比越大,其系統(tǒng)理論脫氮率也越高。過大的污泥回流比可以滿足缺氧區(qū)反硝化的充分進(jìn)行,但有可能引起好氧區(qū)的硝化不完全,引起NH4+-N的積累,從而降低出水水質(zhì)。除此之外,過大的污泥回流比還會(huì)影響MLSS,甚至引起二沉池污泥膨脹等問題。而過小的污泥回流比不能起到污泥回流的效果。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,為充分考慮脫氮以及平均MLSS的總效果,污泥回流比一般選擇為0.5~1.5。祝貴兵等〔6〕在進(jìn)水比為0.25/0.25/0.25/0.25的條件下研究了污泥回流比為25%、50%、75%和100%時(shí),對(duì)總氮去除率以及平均MLSS的影響。結(jié)果表明,出水總氮濃度并不會(huì)隨著污泥回流比的增大而一直減小,當(dāng)污泥回流比為50%時(shí),出水總氮濃度最低,平均MLSS最高。
1.2.3 流量分配比
分段進(jìn)水A/O工藝是在反應(yīng)器的不同階段進(jìn)水,為各級(jí)缺氧區(qū)的反硝化作用提供充足的碳源和堿度。流量分配比決定了各級(jí)缺氧區(qū)易降解的有機(jī)物含量,對(duì)反硝化菌的活性和脫氮效果有著重要的影響。G.Cao等〔7〕采用中試改良4段進(jìn)水A/O工藝處理低C/N的城市污水,結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)水流量比為20∶35∶35∶10 時(shí),脫氮效果最佳,出水 COD、NH4+-N、TN平均分別為 33.05、0.58、9.26 mg/L,其中近 74%的碳源被反硝化菌利用,16%的TN在好氧區(qū)通過同步硝化反硝化過程去除。M.Kitayam等〔8〕曾報(bào)道在生產(chǎn)性的分段進(jìn)水A/O工藝中,當(dāng)?shù)?段進(jìn)水為總進(jìn)水的35%時(shí),總氮去除率最佳,可達(dá)66%。王偉等〔9〕采用改良分段進(jìn)水A/O工藝處理低C/N比(C/N<3.5)的城市生活污水,結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)水流量分配比為 6∶3∶1 時(shí),處理效果最佳,系統(tǒng)出水 COD、NH4+-N、TN 分別為 45.98、0.04、17.47 mg/L。
1.2.4 A/O容積比
分段進(jìn)水A/O工藝中,A/O容積比對(duì)系統(tǒng)脫氮效率的影響主要體現(xiàn)在要兼顧缺氧區(qū)和好氧區(qū)中硝化和反硝化的同時(shí)進(jìn)行。如果缺氧區(qū)能把上一段好氧區(qū)產(chǎn)生的NOx-N完全反硝化,而好氧區(qū)又能把進(jìn)水中的NH4+-N完全轉(zhuǎn)化為NOx-N,則出水總氮濃度即可大大降低。因此,合理的A/O容積比有利于出水水質(zhì)的提高。有研究表明,A/O容積比主要受進(jìn)水水質(zhì)的影響。對(duì)于可生化性較差的污水,應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣逜/O容積比,使缺氧區(qū)的水力停留時(shí)間增大,從而有利于提高脫氮率。王秋慧等〔10〕選用A/O容積比為0.25、0.33和0.6的3段A/O工藝進(jìn)行脫氮除磷,研究表明,當(dāng)A/O容積比為0.6時(shí),處理效果最佳,TN去除率為85%,TP去除率為97.5%。A/O容積比<0.6時(shí),脫氮除磷效果不佳;A/O容積比>0.6時(shí),缺氧區(qū)出現(xiàn)二次釋磷現(xiàn)象。
1.2.5 進(jìn)水C/N
進(jìn)水C/N對(duì)生物脫氮工藝的總氮去除率以及外加碳源的投加量有著重要的影響。在生物反硝化脫氮過程中,反硝化細(xì)菌利用有機(jī)物作為碳源和電子供體,將NOx-N最終轉(zhuǎn)化為N2等去除。在高C/N的條件下,進(jìn)水中豐富的碳源使缺氧區(qū)反硝化得以徹底進(jìn)行,剩余的有機(jī)物可在好氧區(qū)被去除;對(duì)低C/N而言,由于反硝化不能進(jìn)行徹底,使得NOx-N逐漸積累,最終影響到總氮去除率。通常,根據(jù)最后一段的剩余NOx-N量來(lái)確定碳源物質(zhì)投加量〔11〕。因此,合適的C/N是提高脫氮效率的必要條件。吳淑云等〔12〕對(duì)分段進(jìn)水生物脫氮工藝的脫氮率進(jìn)行了探討,結(jié)果表明,在各段等比例進(jìn)水的條件下,當(dāng)C/N(COD恒定為300 mg/L)為6、8.25和10時(shí),系統(tǒng)脫氮率分別為80.1%、79.8%和81.3%;在流量分配系數(shù)為2.5∶3∶4的條件下,當(dāng)C/N(NH4+-N恒定為38 mg/L)為10.5、13和17.5時(shí),總氮去除率分別為92.4%、93.8%和96.4%。
1.2.6 DO
在分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝中,由于缺氧區(qū)與好氧區(qū)的頻繁交替,好氧區(qū)攜帶的DO對(duì)下一級(jí)缺氧區(qū)的反硝化作用會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在滿足硝化和去除有機(jī)碳的前提下,最大限度地降低DO含量,既可以為反硝化提供一個(gè)良好的缺氧環(huán)境,實(shí)現(xiàn)SND作用協(xié)同脫氮,又可以降低能耗。Jingbo Guo等〔13〕的研究表明,在2段A/O生物膜工藝中,采用較低DO的反應(yīng)器的啟動(dòng)比采用高DO更快,而且系統(tǒng)在較低的DO下,COD、NH4+-N去除效率更高,抗沖擊負(fù)荷能力也較強(qiáng)。王偉等〔14〕進(jìn)行了溶解氧對(duì)分段進(jìn)水生物脫氮工藝的影響研究,其設(shè)置了0.9、0.6、0.4、0.3 m3/h 4組曝氣量,相應(yīng)的好氧區(qū)DO分別為2.8、1.7、0.8、0.5 mg/L。研究表明,在好氧區(qū) DO 為 0.5 mg/L左右的低氧條件下,通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)控制,可以取得較好的硝化效果,氨氮去除率可達(dá)98%以上。另外,由于低曝氣量下混合液從好氧區(qū)到缺氧區(qū)攜帶的DO量減少,并且在好氧區(qū)發(fā)生了同步硝化反硝化作用,使得TN去除效果明顯優(yōu)于高曝氣量的情況。
1.2.7 HRT
HRT是指污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間,其反映了水中污染物與微生物的接觸反應(yīng)時(shí)間,同時(shí)也決定了系統(tǒng)的處理規(guī)模和抗沖擊負(fù)荷能力。Bing Wang等〔15〕采用分段進(jìn)水4級(jí)A/O生物膜反應(yīng)器處理城市廢水,結(jié)果表明,當(dāng)HRT為8 h時(shí),對(duì)COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為87.1%、97.8%和86.4%,并在反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化進(jìn)程。陳杰云〔16〕研究了HRT對(duì)分段進(jìn)水3級(jí)A/O生物膜反應(yīng)器去除廢水污染物的影響,研究表明,當(dāng)HRT分別為 4、6、8、10、12 h 時(shí),TN 去除率分別為 40.43%、55.56%、70%、80.1%和81.4%,HRT從4h上升到10h的過程中,系統(tǒng)的TN去除率得到顯著提升;繼續(xù)增加HRT,對(duì)系統(tǒng)的TN去除率提升程度不高。因此,無(wú)論在實(shí)驗(yàn)研究還是實(shí)際工程應(yīng)用中,將HRT控制在8~10 h,可以獲得較好的脫氮效果。
1.2.8 SRT
SRT是活性污泥法工藝中的重要控制參數(shù),它會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)生物種群結(jié)構(gòu)和生物活性,從而影響系統(tǒng)的脫氮除磷性能。孫月鵬等〔17〕在SRT分別為169 d和7 d的條件下運(yùn)行分段進(jìn)水多級(jí)A/O反應(yīng)器,結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)水COD為200 mg/L,NH4+-N為39.6 mg/L時(shí),TN去除率分別可達(dá)到76.5%和74.2%。王社平等〔18〕采用分段進(jìn)水A/O脫氮工藝處理城市污水,結(jié)果表明,在HRT為7.5 h,SRT為 15 d時(shí),COD、NH4+-N和 TN去除率分別為 93%、95.8%和68.5%;反應(yīng)器中的平均污泥濃度比單級(jí)A/O工藝提高約30%以上。
1.2.9 MLSS
對(duì)于分段進(jìn)水工藝,原水多點(diǎn)投配可導(dǎo)致MLSS沿池長(zhǎng)呈梯度分布,前段MLSS較高,可以增加污染物去除效能,末段MLSS較低,有利于二沉池泥水分離及后續(xù)污泥處理。A.M.Nasab等〔19〕在對(duì)改進(jìn)型分段進(jìn)水A2O工藝的脫氮除碳性能的研究中發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器內(nèi)平均MLSS達(dá)到5.5 g/L,遠(yuǎn)高于一般傳統(tǒng)A2O工藝污泥濃度。然而,過高的MLSS會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)沉降性能差和二沉池負(fù)荷過高,從而可能引起污泥膨脹和污泥難以沉降等問題。
E.Gorgun等〔4〕通過使用數(shù)學(xué)模型對(duì)伊斯坦布爾Riva污水處理廠的污水進(jìn)行模擬仿真和參數(shù)優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用2段式分段進(jìn)水,出水TN<10 mg/L;并且隨著段數(shù)的增多,出水TN含量也隨之降低。Newtown Creek污水處理廠改造工程采取簡(jiǎn)單的分段進(jìn)水活性污泥法,在曝氣池的進(jìn)水點(diǎn)關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī),形成缺氧環(huán)境,不用混合液回流即可達(dá)到較好的脫氮效果。1997年1月到1998年6月的運(yùn)行結(jié)果表明,BOD5、SS、TN 去除率分別達(dá)到 82%~86%、84%~89%和76%~85%〔20〕。新加坡樟宜水廠采用5段分段進(jìn)水A/O工藝,在好氧區(qū)很好地實(shí)現(xiàn)了部分硝化和亞硝酸鹽積累,其中好氧氨氧化率平均為72.2%,亞硝酸鹽積累率平均為76.0%。于莉芳〔21〕采用分段進(jìn)水4級(jí)A/O脫氮除磷工藝對(duì)西安城市生活污水進(jìn)行了中試試驗(yàn)研究,近1 a的運(yùn)行結(jié)果表明,該工藝脫氮效率高,運(yùn)行效果良好。表1總結(jié)了SAOASP在國(guó)內(nèi)外城市污水處理廠的應(yīng)用情況。
為了進(jìn)一步提高脫氮除磷效率,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,可將分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝與其他工藝如開普敦大學(xué)工藝(UCT)、序批式活性污泥法(SBR)、循環(huán)式活性污泥法(CAST)、膜生物反應(yīng)器(MBR)等進(jìn)行耦合,從而形成活性污泥法分段進(jìn)水多級(jí)A/O改良工藝。
表1 分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝在國(guó)內(nèi)外城市污水廠應(yīng)用情況
SAOASP+UCT設(shè)置了前置厭氧區(qū),缺氧區(qū)的硝化液返回到厭氧區(qū),除磷效果顯著提高。SAOASP+SBR采用間歇曝氣的方式運(yùn)行,占地面積小,運(yùn)行費(fèi)用低,對(duì)于高氨氮和高COD廢水具有較高的去除效率。SAOASP+CAST通過設(shè)置前置生物選擇器,使硝化液回流,增設(shè)填料等既防止了污泥膨脹,又提高了耐沖擊負(fù)荷能力和脫氮性能。SAOASP+MBR通過在好氧池內(nèi)設(shè)置膜組件,提高了活性污泥濃度,延長(zhǎng)了SRT,降低了出水COD、TN和SS的濃度。
目前,活性污泥法分段進(jìn)水多級(jí)A/O改良工藝已經(jīng)被應(yīng)用于生活污水、市政污水、工業(yè)廢水、合成廢水以及畜禽糞便廢水的處理中,相對(duì)于傳統(tǒng)的SAOASP,活性污泥法分段進(jìn)水多級(jí)A/O改良工藝對(duì)COD、NH4+-N、TN的去除率均有提高,其應(yīng)用情況見表2。
表2 活性污泥法分段進(jìn)水多級(jí)A/O改良工藝應(yīng)用情況
到目前為止,分段進(jìn)水大多應(yīng)用于活性污泥法中,但由于活性污泥法本身存在的諸多弊端,研究者將分段進(jìn)水A/O工藝應(yīng)用到生物膜法中,主要包括移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)、生物接觸氧化(BCO)、生物轉(zhuǎn)盤(RBC)、曝氣生物濾池(BAF)及生物流化床(FB)等,兩者結(jié)合形成生物膜法分段進(jìn)水A/O工藝(step-feed anoxic/oxic biofilm process,SAOBP)。該工藝兼?zhèn)浞侄芜M(jìn)水和生物膜法工藝優(yōu)勢(shì),不僅可以充分利用碳源和堿度,而且微生物量相對(duì)比較豐富,生物量大,硝化效果好,抗沖擊負(fù)荷能力和處理能力強(qiáng)。
SAOBP+MBBR通過向好氧區(qū)投加輕質(zhì)可移動(dòng)的懸浮填料,提高了反應(yīng)池的生物量和生物種類,從而提高了廢水處理效果。SAOBP+BCO通過向活性污泥池添加彈性組合填料,并通過底部曝氣對(duì)污水進(jìn)行充氧,使污染物與填料上的微生物充分接觸反應(yīng),使污水凈化效果得到提升。SAOBP+RBC利用轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng),使轉(zhuǎn)盤上的微生物處于缺氧/好氧交替的狀態(tài),有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)物的降解和氮的去除,其常用于灌溉污水、禽畜廢水、江河湖水的人工強(qiáng)化處理。SAOBP+BAF將填料固定在反應(yīng)池中,并在好氧區(qū)設(shè)置曝氣裝置進(jìn)行充分曝氣,從而增大了單位時(shí)間內(nèi)生物膜同廢水的接觸面積和充分供氧。SAOBP+FB向反應(yīng)池投加了比表面積大的小顆粒載體,并通過高速水流和氣流使載體呈現(xiàn)流化狀態(tài),從而提高了池中的生物量,進(jìn)而提升了系統(tǒng)的處理效果。表3總結(jié)了生物膜法分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝研究現(xiàn)狀。
表3 生物膜法分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝研究現(xiàn)狀
分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝是近年來(lái)國(guó)外開發(fā)的新技術(shù),該技術(shù)脫氮效率高,微生物量豐富,耐沖擊負(fù)荷強(qiáng),適用于新老污水處理廠的擴(kuò)建與改造。針對(duì)分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝目前存在的問題,未來(lái)應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研究:
(1)進(jìn)一步研究分段進(jìn)水對(duì)于多級(jí)A/O工藝的碳源和氧量分配理論,建立相關(guān)模型與動(dòng)力學(xué)對(duì)該工藝流量分配進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化;研究分段進(jìn)水所導(dǎo)致的進(jìn)水負(fù)荷對(duì)工藝穩(wěn)定性的影響。
(2)研究低溫高負(fù)荷條件下分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝對(duì)廢水的脫氮效能。
(3)研究和開發(fā)具有同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化及反硝化除磷等脫氮除磷功能的新型分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝。
(4)開發(fā)新型低成本的一體化生物膜法分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝,節(jié)省占地面積,降低運(yùn)行成本。
(5)研究該工藝對(duì)高濃度有機(jī)含氮廢水,特別是難降解廢水的脫氮、有機(jī)物去除機(jī)制。