王志康，蘭彬彬，李 凱，張 萍，王 晗

(貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025)

水環(huán)境污染日益成為社會焦點(diǎn),為了實(shí)現(xiàn)綠色、高效、節(jié)能的污水處理效果,需要對污水處理工藝做出進(jìn)一步改進(jìn)。氧化溝工藝過程簡單、方法靈活、經(jīng)濟(jì)性能好、運(yùn)行性能穩(wěn)定,當(dāng)處理規(guī)模為3 785 m3/d時,氧化溝工藝的處理成本僅為活性污泥法的60%,生物濾池的62.5%,生物轉(zhuǎn)盤的40%[1]。然而,目前氧化溝能達(dá)到的最高脫氮效率為90%左右,而除磷的效率僅為80%左右,表明氧化溝同步脫氮除磷效果有待提高[2]。研究認(rèn)為,由于在脫氮除磷過程中起主要作用的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌對生長環(huán)境的要求各不相同,導(dǎo)致細(xì)菌生長的最適條件產(chǎn)生沖突，不論時間或空間上都難以達(dá)到平衡,由此影響脫氮除磷的效率[3]。擬綜述氧化溝工藝研究進(jìn)展,總結(jié)分析影響氧化溝脫氮除磷的因素,為氧化溝能更好進(jìn)行脫氮除磷提供科學(xué)和數(shù)據(jù)的支持。

1 氧化溝工藝

如圖1所示氧化溝所采用的運(yùn)行系統(tǒng)為延時曝氣的活性污泥系統(tǒng),通過將連續(xù)環(huán)式反應(yīng)池作為生化場所,利用可控制的攪動與曝氣裝置使空氣進(jìn)入反應(yīng)器,從而促使液體在閉合渠道中循環(huán)流動,讓氧化溝內(nèi)形成厭氧、缺氧和好氧環(huán)境[4]。

圖1 氧化溝工藝圖Fig.1 Diagram of oxidation ditch process

氧化溝實(shí)現(xiàn)了曝氣設(shè)備最優(yōu)位置布局,因此具備以下特性:①將推流和充分混合相結(jié)合,使其能克服短流和提高緩沖能力[5]；②具備適合硝化反硝化生物處理工藝的溶解氧(DO)梯度[6]；③功率密度的不均勻分配,使得氧傳遞、液體混合及污泥絮凝速率都得到提升[7]；④節(jié)省能量[6]；⑤溝內(nèi)循環(huán)流量使污水被快速稀釋[8],提高了處理效果。

2 氧化溝工藝的發(fā)展

世界上首個氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭建立,歷經(jīng)幾十年發(fā)展,國外先后開發(fā)了多種多樣的氧化溝工藝[9],其分類及典型工藝類型如表1所示。自 20世紀(jì)60年代以來,該工藝在世界許多地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[17]。據(jù)E2O環(huán)境平臺公布的數(shù)據(jù)顯示,中國已建成并運(yùn)營的污水處理廠數(shù)量有4 000座左右,其中運(yùn)用的工藝據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計30種左右,而氧化溝工藝占比達(dá)到20%,充分說明其是中國污水處理工藝的主導(dǎo)之一[18]。污水處理廠提標(biāo)改造方案的提出,推動了氧化溝工藝的發(fā)展。第1代氧化溝,如Passvee氧化溝,通過在空間上或時間上形成缺氧區(qū),在去除有機(jī)物同時還可以反硝化脫氮去除污水中的植物性營養(yǎng)物[19-20]。第2代氧化溝,如Carrousel(卡魯塞爾)2 000氧化溝,通過在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步優(yōu)化,改變曝氣孔的安裝方式，對厭氧、好氧區(qū)的規(guī)格,進(jìn)出水的裝置進(jìn)行改變,及對工藝運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整等。使得脫氮除磷的效果相對第一代氧化溝工藝有了一定的提升[21]。第3代與第4代的氧化溝通過不斷改進(jìn)運(yùn)行工況、裝置、環(huán)境因素等,使氧化溝處理能力有了很大的提升,反應(yīng)過程也更加穩(wěn)定。

3 氧化溝工藝脫氮除磷機(jī)理分析

表1 氧化溝工藝發(fā)展歷程

圖2 硝化、反硝化階段Fig.2 Flowsheet of nitrification and denitrification stages

氧化溝采用兩階段生物法除磷,如圖3所示,好氧環(huán)境吸收磷,厭氧環(huán)境釋放磷。首先在厭氧環(huán)境中,聚磷菌會吸收發(fā)酵產(chǎn)物和有機(jī)酸,并將所吸收物質(zhì)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi),同化成細(xì)胞內(nèi)能源儲存物質(zhì),此過程所需能量通過聚磷水解及細(xì)胞內(nèi)糖酵解提供。由此導(dǎo)致了磷酸鹽在厭氧環(huán)境中的釋放[27]。然后在好氧環(huán)境中,通過氧化分解獲得能量,聚磷菌活性得到恢復(fù),大量吸收在厭氧階段釋放的磷及原污水中的磷[28],完成磷的積累,在細(xì)胞體內(nèi)合成聚磷酸鹽并儲存起來,形成富磷污泥,并通過剩余污泥排出系統(tǒng)[29-33],達(dá)到除磷目的。

表2 硝化過程反應(yīng)機(jī)理

圖3 生物除磷過程Fig.3 Biological phosphorus removal process

4 氧化溝脫氮除磷效果影響因素

影響脫氮除磷效率的因素分別有環(huán)境因子、工況和運(yùn)行方式[34]。脫氮過程主要由亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌相互協(xié)調(diào)作用,亞硝化菌、硝化菌的生長會受溫度、DO、pH的影響,反硝化菌為異養(yǎng)生物,它的生長除會受到DO、pH、溫度的影響外還會受到C/N的影響。此外,對于生物除磷,在好氧區(qū)吸收磷,厭氧區(qū)釋放磷,所以DO對除磷效率的影響很大；除磷主要通過污泥排出系統(tǒng),所以污泥齡、水力停留時間對它也會產(chǎn)生影響。因此就環(huán)境因素:DO、pH、溫度和工況因素：C/N、污泥齡、污泥回流比等,及運(yùn)行方式進(jìn)行分析討論。

4.1 DO

DO是影響微生物生長的重要因素之一,因此反應(yīng)器內(nèi)維持適宜的DO濃度梯度是脫氮除磷的必要條件。脫氮硝化階段需要在缺氧區(qū)與限制性供氧區(qū)完成,此階段的亞硝化菌與硝化菌適宜生長的DO濃度范圍分別為0.2～0.4 mg/L、1.2～1.5 mg/L。因此DO濃度過低,對硝酸菌生長不利。同理,除磷過程的聚磷階段需要在好氧區(qū)完成,此階段最適DO濃度范圍為2～3 mg/L。如果DO濃度太低,會影響聚磷菌分解儲存的聚-β-羥丁酸(PHB)類物質(zhì)獲得能量來吸收污水中的溶解性磷酸鹽合成細(xì)胞聚磷。且過低的DO濃度,不能滿足微生物去除COD及氨氮所需的氧,會使得污泥沉降性變差,污泥變黑。脫氮反硝階段及除磷釋放磷階段需要在厭氧環(huán)境下完成,即DO濃度小于0.2 mg/L[35]。因此DO濃度過高,一方面會破壞缺氧環(huán)境,使得反硝化受到抑制,脫氮效率降低；另一方面會消耗PHB,使得吸磷率與釋磷率難以達(dá)到平衡[36],從而降低生物除磷能力[37-38]。綜上,氧化溝中DO濃度會影響脫氮除磷的效果[36]。各細(xì)菌最適DO濃度范圍如圖4所示。

圖4 不同細(xì)菌適宜的DO濃度范圍Fig.4 Suitable DO range for different bacteria

為了確定最適DO濃度范圍對氧化溝脫氮除磷產(chǎn)生的影響,黃祖安等[39]對Carrousel氧化溝研究得到:反應(yīng)系統(tǒng)存在一個最適DO濃度范圍,當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)DO濃度高于臨界值則能取得較好硝化效果,低于臨界值將會導(dǎo)致系統(tǒng)硝化效果變差,Carrousel氧化溝DO濃度臨界值為0.8～1.2 mg/L。張磊[40]通過研究DO對脫氮除磷的影響,得出將DO濃度控制在2～2.5 mg/L,總氮的去除率為93%,總磷去除率為78%。但李柏林[41]通過在中試條件下對氧化溝進(jìn)行研究,將反應(yīng)系統(tǒng)需劃分為主反應(yīng)區(qū)與缺氧區(qū),認(rèn)為同時滿足硝化與反硝化反應(yīng)時,主反應(yīng)區(qū)DO濃度維持在1.0～1.5 mg/L。然而劉祖文等[42]認(rèn)為主反應(yīng)區(qū)DO濃度為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L 有利于提高同步脫氮除磷效果,實(shí)現(xiàn)節(jié)約碳源和降低能耗。

因此為了提高同步脫氮除磷的效果,將氧化溝主反應(yīng)區(qū)DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L為最優(yōu)DO濃度范圍。

4.2 污泥齡

硝化菌與聚磷菌的污泥齡有較大差異,脫氮泥齡大于10 d,而除磷低于10 d[42-43]。泥齡過高,不利于生物除磷,泥齡太低,硝化菌無法存活,會影響脫氮的效果[44],且剩余污泥泥量過大會增加后續(xù)污泥處理的負(fù)荷,對微生物產(chǎn)生較大影響。所以污泥齡的有效調(diào)節(jié)會使氧化溝脫氮除磷的效果更好。

孫海梅等[45]研究發(fā)現(xiàn)污泥齡(SRT)達(dá)16～25 d,系統(tǒng)對總磷的去除量與污泥齡相關(guān)性較好,污泥齡越小,去除量越大。王濤等[46]通過對復(fù)合式氧化溝進(jìn)行研究得到,在SRT為20 d時,系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行工況。由于溫度的變化會影響微生物的生長速率、生化速率,所以在實(shí)際運(yùn)行控制中,污泥齡的有效控制需要與溫度相結(jié)合考慮,通過調(diào)整溫度的高低及污泥齡的大小來確保微生物的充分生長和脫氮除磷的效果[36]。張磊[40]根據(jù)對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整及效果分析,將SRT控制在18 d及對污泥濃度、回流比、水力停留時間等進(jìn)行同步控制,可使系統(tǒng)中TP、NOx去除率分別達(dá)到87%和75%。綜上所述,為實(shí)現(xiàn)較好的同步脫氮除磷效果,污泥齡一般控制在16～20 d,然后再通過結(jié)合污水水質(zhì)特征、污泥負(fù)荷及其他因素做進(jìn)一步的控制。

4.3 C/N

C/N大小對自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的活性影響較大,即對硝化菌、反硝化菌、聚磷菌會產(chǎn)生影響,當(dāng)C/N低時,反硝化菌的活性會受到抑制使得反硝化進(jìn)行不徹底,導(dǎo)致出水含過量的硝酸鹽,硝酸鹽隨著回流污泥回到厭氧池,破壞厭氧環(huán)境從而對聚磷菌釋放磷產(chǎn)生影響[47],進(jìn)而影響脫氮除磷效率；但當(dāng)C/N較高時,反硝化菌與聚磷菌能獲得充足的碳源進(jìn)行反硝化及釋磷,能獲得較好的脫氮除磷效率。C/N越高,自養(yǎng)生物硝化菌活性就會受到較大影響,導(dǎo)致污泥層中的硝酸鹽濃度越低,從而以硝酸鹽為基質(zhì)的反硝化菌所需碳源就會降低,系統(tǒng)中的聚磷菌可利用碳源就越多,就越有利于釋磷[48-49]。

胡國山等[50]研究顯示C/N越大反硝化速率越快,亞硝酸鹽氮積累量越少,脫氮效果更好。在高C/N時,反硝化菌和聚磷菌都可獲得足量的碳源進(jìn)行反應(yīng),TN、TP去除效果較好。研究顯示,氧化溝系統(tǒng)對 TP 的去除效率隨C/N的升高而提高,C/N 由5提升至9的過程中,TP 去除效率由14.99%上升至94.75%,當(dāng)C/N>11時, 出水TP去除率接近100%[51-52]。

C/N在一定范圍內(nèi)的增加會使氧化溝脫氮效率提高[50-53]。綜上所述,C/N的值對氧化溝脫氮除磷影響較大,因此當(dāng)脫氮除磷效率較低時,可以從C/N值方面入手考慮。

4.4 pH

一個穩(wěn)定的酸堿平衡環(huán)境對硝化菌、聚磷菌的生長很重要,能使氧化溝脫氮除磷效率得到提高。生物脫氮過程的硝化階段,氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,需要消耗堿度,致使污水的緩沖能力降低,從而對硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響脫氮的效果。在除磷過程的釋磷階段,pH會影響聚磷菌吸收有機(jī)碳源,從而影響聚磷菌的生長速率,且會對聚磷階段產(chǎn)生影響。綜上,pH會對氧化溝工藝除磷效率帶來較大的影響,研究表明,當(dāng)pH<6.5時會出現(xiàn)大量磷釋放,因酸堿環(huán)境的改變會使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其功能受到損壞,細(xì)胞內(nèi)的聚磷將在酸性條件下被水解從而釋放[53]。當(dāng)pH越低,磷的釋放速率及釋放量都會越大[53-54]。這與磷來自細(xì)胞的酸溶性部分這一早期觀測結(jié)果是一致的[53]。但當(dāng)6.59時,混合液中的磷大都以難溶的磷酸鹽的形式沉積下來,溶解性的磷酸鹽基本不發(fā)生變化[55-56]。所以導(dǎo)致釋磷和聚磷的效率都低[53]。

圖5 脫氮除磷各階段最適pH濃度范圍Fig.5 The optimal pH range at each stage of nitrogen and phosphorus removal

4.5 污泥回流比

為提高氧化溝脫氮除磷效率,提供微生物生長足夠的基質(zhì),通常是通過對污泥回流比(R)的有效控制達(dá)到要求[39]。污泥回流比不僅可以給微生物生長提供基質(zhì),還可以滿足系統(tǒng)的負(fù)荷要求,對系統(tǒng)脫氮除磷有較大的影響。過高及過低的污泥回流比給氧化溝除磷階段帶來的影響具體如表3所示，所以污泥回流比的有效控制能夠使氧化溝脫氮除磷得到更好的效果。

表3 污泥回流比對氧化溝脫氮除磷各階段影響

廖建勝等[57]通過對比研究顯示,當(dāng)污泥回流比小于90% 時,生物處理系統(tǒng)對 TP 的去除率有一定的提高,但當(dāng)回流比繼續(xù)下降時提升作用并不明顯。夏嵐等[58]通過控制單一變量法研究顯示:總氮的去除率會隨著污泥回流比的增加而有所上升,由于污泥回流比的增大為反應(yīng)提供了足夠的基質(zhì),從而使得總氮的去除效果得到提高[59],該結(jié)論與馬菲菲等[60]研究結(jié)果基本一致。因此將污泥回流比控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷮γ摰仔蕰矸e極的影響,通常,污泥回流比值控制在80%左右較佳[36]。綜上,氧化溝系統(tǒng)最適污泥回流比為80%～90%。

4.6 溫度

溫度對氧化溝脫氮除磷的影響體現(xiàn)在以下方面。

(1)氧化溝處理污水是生物處理,利用酶促反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物降解的代謝過程,而溫度對酶活性影響很大[61]。溫度過高或過低易導(dǎo)致酶活性降低甚至失活,酶促反應(yīng)速率會大幅下降,使微生物代謝速率下降甚至死亡,所以會進(jìn)一步影響了生物處理的效果。

(2)脫氮階段的硝化菌、反硝化菌生長所需的最適溫度也不同,硝化、反硝化作用對溫度的變化非常敏感[62-63],溫度的高低會影響生長,從而影響脫氮的效果[64]。

大量研究表明,亞硝酸鹽菌、硝酸鹽菌及硝化反應(yīng)的最適生長溫度分別為35 ℃、35～42 ℃、4～45 ℃,溫度的大小對硝酸鹽菌的增長速率及其活性都會產(chǎn)生影響[65],進(jìn)而影響脫氮階段。而對于除磷階段的影響，姜體勝等[54]通過研究得到溫度的增加,對聚磷菌釋磷和吸磷速率影響都很小,可得溫度對除磷的影響很小。劉艷臣等[66]研究表明,小試Carrousel 氧化溝在1～11 ℃以下硝化效果很差,溫度在12 ℃以上時,硝化效果得到改善。在生活污水的處理中,為滿足活性污泥系統(tǒng)的正常運(yùn)行,溫度常保持在4～38 ℃的中溫范圍。

5 結(jié)論

(1)氧化溝工藝脫氮除磷環(huán)境因素的最適范圍為:主反應(yīng)區(qū)DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區(qū)DO濃度小于0.5 mg/L；pH控制在7～9內(nèi)；將溫度控制在4～38 ℃；工況因素的最適范圍為:在硝化階段，C/N=2～3時為最佳范圍；對于反硝化與除磷階段,C/N=5～13,越大越好；污泥齡控制在16～20 d；污泥回流比一般控制在80%～90%。

(2)將影響因素控制在最優(yōu)范圍,脫氮除磷效率能得到提升。但目前氧化溝工藝采用傳統(tǒng)的脫氮除磷方式,效率及成本可以通過以下措施得以改善:①對氧化溝工藝設(shè)備進(jìn)行一定的改進(jìn),將短程硝化反硝化脫氮方式及反硝化除磷方式應(yīng)用到其中,進(jìn)而改變傳統(tǒng)的脫氮除磷方式,降低成本；②通過微生物生長特征進(jìn)行工況調(diào)整,而不是傳統(tǒng)的通過調(diào)整工況調(diào)節(jié)微生物的生長；③將固定化酶分子技術(shù)結(jié)合到脫氮除磷過程中,達(dá)到提高效率的目的。