废水处理生物处理高效硝化新工艺.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o J ，3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号i 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 9 7 0 3 废水处理生物处理高效硝化新工艺 张雁秋，张洁，许翱天，李若谷 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要对短时硝化、短程硝化反硝化、同时硝化反硝化及缺氧硝化等生物脱氮新技术的研究和开 发进展进行了分析．在理论研究的基础上，提出了生态优势硝化反硝化生物脱氮新工艺，并指出 了生态优势硝化反硝化新工艺的特点和研究开发应用的前景． 关键词生物脱氮} 短程硝化反硝化；同时硝化反硝化；缺氧硝化；生态优势硝化反硝化 中图分类号；x7 0 3 ．1文献标识码A A d v a n c e si nI n v e s t i g a t i o no fN e wT e c h n o l o g i e so n B i o l o g i c a lN i t r o g e nR e m o v a lo fW a s t eW a t e rT r e a t m e n t Z H A N GY a h q i u ，Z H A N GJ i e ，X UA o t i a n ，L IR u o g u S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dS p a t i a lI n f o r m a t i c s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o g r e s s e so fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lo fw a s t ew a t e r ，s u c ha st h ei n v e s t i g a t i o no n s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r 主f i c a t i o n ，s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n S N D ，a n o x i c a m m o n i u mo x i d a t i o n A N A M M O X a n d e c o l o g y s u p e r i o r n i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n E C O S U N I D E w e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ．T h ea d v a n t a g eo ft h en e wt e c h n o l o g yw a sc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s ．I tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h en e wt e c h n o l o g yi sp r o m i s i n gf o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n sa n da p p f i c a t i o n s ． K e yw o r d s b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ；s i m u k a n e o u s n i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o nfa n o x i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ；e c o l o g ys u p e r i o rn i t r i f i c a t i o n 1生物脱氮技术进展 由于生物法脱氮是一种经济、有效的方法，因 此，目前废水的脱氮处理大多采用生物法．传统生 物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化 和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成， 由于对环境条件的要求不同，这两个过程一般认为 不能同时发生，而只能序列式进行．由此而发展起 来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形 成分级硝化反硝化工艺使硝化与反硝化独立地进 行． ‘ 1 ．1 短程硝化反硝化 早在1 9 7 5 年。V o e t s 等[ ”发现了硝化过程中 N 0 2 一积累的现象，并提出了短程硝化反硝化的概 念．此后，T u r k 和M a v i n i e [ ”进行了短程硝化反硝 化生物脱氮的研究并取得了成功．荷兰D e l f t 技术 大学于1 9 9 7 年开发了S H A R O N s i n g l er e a c t i o n f o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e 工 艺o ] ．但该工艺需要较高水温，这对大多数废水的 处理不太现实． 1 ．2 同时硝化反硝化 近年来发展的同时硝化反硝化 S N D 工艺是 一种新型的生物脱氮工艺．目前，对S N D 生物脱氮 的机理已初步形成了三种解释即宏观环境解释、 微环境解释和生物学解释．宏观环境解释认为由 于生物反应器的混合形态不均，可在生物反应器内 形成缺氧段．微环境解释认为o ] 由于氧扩散的限 制，在微生物絮体内产生D O 梯度从而导致微环境 收精日期l2 0 0 3 1 0 1 0 作者筒介；张雁秋 1 9 5 6 一 ，男，江苏省泗阳县人，中国矿业大学教授，从事水污染控制工程理论与技术方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 的S N D ．生物学解释认为许多好氧反硝化菌同时 也是异养硝化菌“] ，能够直接把N H 4 转化为N 而逸出，因此，同时硝化反硝化生物脱氮也就成为 可能．目前，对S N D 生物脱氮技术的研究主要集中 在氧化沟，R B C 及S B R 反应器系统．R i t t m a n n 等口3 19 8 5 在工业规模的氧化沟中成功地实现了 S N D ，有力地支持了微环境解释．G u p t a 等“3 19 9 4 研究了R B C 反应器中的S N D 现象，证实了 某种细菌具有好氧反硝化的功能．W a t a n a h e 等”] 1 9 9 5 研究了在单一R B C 中实现S N D 的方式． 1 ．3 缺氧氨氧化 缺氧氨氧化是指在缺氧条件下，微生物直接以 N H 4 为电子供体，以N 0 3 一或N O ’为电子受体， 将这三种氮的化合物转变成N 。的生物氧化过程． 早在1 9 7 7 年，B r o d a 口3 就做出了自然界应该存 在反硝化氨氧化菌 d e n i t r i f y i n ga m m o n i a o x i d i z e r s 的猜测．1 9 9 4 年，K u e n e n 等口3 发现某些 细菌在硝化反硝化反应中能利用N 0 2 一或N O ”作 电子受体将N H 4 氧化成N ；1 9 9 5 年，M u l d e r 和 V a n d e g r a a f 等D o ] 用流化床反应器研究生物反硝化 时，发现了缺氧硝化现象，证实了B r o d a 的猜测． 在缺氧硝化反应研究的基础上，正在开发的有 关脱氮工艺有A N A M M O X a n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o n 工艺和O L A N D o x y g e n l i m i t e d a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n 工艺两种． A N A M M O X 工艺为荷兰D e l f t 技术大学所开发， 该工艺主要采用的是流化床反应器．A N A M M O X 工艺由于直接利用N H 4 作电子供体，无需外碳 源，故能耗低．与传统的硝化反硝化工艺或同时硝 化反硝化工艺相比，缺氧硝化具有突出的优点1 无需有机物作电子供体，可节省费用；2 每氧化1 m o l N H 4 只需要0 ．7 5t o o l 氧，耗氧下降6 2 ．5 ％，可 使耗氧能耗大为降低． 厌氧 a n a e r o b i c 和缺氧 a n o x i c 在氧化还原电 位上有严格的区别，前者呈还原态，后者为氧化态 有N 0 3 - ，N 0 2 一等氧化剂存在 ，因此笔者认为原 文的a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n 写法在概念上 有误，最好称作a n o x i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ．中文 应表示为缺氧氨氧化，而不要受原作者不严谨的局 限． 2 生态优势硝化反硝化生物脱氮新工艺 2 ．1 研究思路 一般说来，硝化过程是整个活性污泥法工艺的 瓶颈，主要因为硝化菌的增值速度缓慢，曝气时间 较短的工艺硝化程度较低，而较长时间曝气则要较 大投资；总氮的脱除主要依靠反硝化过程，而没有 亚硝态氮及硝态氮则无法脱除总氮；污水处理后的 尾水中的氮主要有氨态氮及硝态氮，相对而言氨氮 的佳害更大．所以，硝化过程是活性污泥法工艺中 的经济关键、技术关键和环境保护关键．因此我们 把研究集中在硝化过程这一焦点上． 2 ．2 理论基础 2 ．2 ．1 统一动力学理论 为了解决废水生物处理反应动力学中长期悬 而未决的一相说与两相说的矛盾，我们重新推导生 物化学学科中的酶反应过程，提出了一个废水生物 处理反应统一动力学方程n ” d S ，K X S ．／ K X S 2 - 4 X S ⋯ 一出一2 。1 ～’L 1 ’ 式中s 为底物；x 为生物； 为底物最大比降解速 度常数；K 为半饱和常数，即底物浓度达到K 时实 际降解速度达到最大降解速度的一半． 以方程 1 为基础的统一动力学理论揭示了生 物因子非线性反应的启示。即生物浓度较高时，反 应速度与生物浓度之间关系为非线性 增加生物浓 度时反应速度增加较少 ．就脱碳和硝化脱氮这两 大主要目标来说，活性污泥中微生物其中有脱碳菌 类和硝化菌类两大类．一般情况下，这两类生物中， 脱碳菌类占据优势，而硝化菌类因生长慢，在活性 污泥中比例较小，一般不超过1 0 ％，因此城市污水 处理通常需要较长的泥龄，硝化过程是主要焦点． 也就是说，增加活性荇泥浓度可以相对提高硝化菌 的优势．在这种情况下，脱碳苗类因浓度过高而生 长速度下降，使得硝化菌的比例有所提高．由此可 知，在同样的污泥总黄情况下，短时高污泥浓度要 比延时低污泥浓度在硝化脱氮方面更为有效．这是 我们开发研究短时硝化脱氯工艺的主要理论根据． 2 ．2 ．2 动力学负荷理论 我们以一相说为例应用废水生物处理有机物 降解动力学理论，首次提出动力学负荷的理论及相 应设计方法‘”] U d k S ／ K 5 “ ， 2 V a U d - b ， 3 式中U d 为动力学负荷；S 。为反应器内底物对数平 均值． 对于城市污水处理来说，将通过资料分析结合 我们的实验研究，一般说来，降解B O D 过程的 约 为2k g B O D ／k g M L V S S ／d ，K 可取1 0 0 ～1 5 0 m g ／L ．对于氨氮的硝化过程来说， 为0 ．2k g 氨 万方数据 第2 期张雁秋等废水生物处理高教硝化新工艺 氮 ／k g M L V S S ／d 左右，K 则为0 ．5m g ／L 左右． Ⅱ取0 ．6k g M L V S S ／k g B O D ；污泥衰减系数b 取0 ．0 1k g M L V S S ／k g M L V S S ／d ． 根据式 2 及式 3 可以分别计算脱碳微生物 及硝化微生物在不同浓度下的的比增值速度y 增 长率 图1 ．从图1 可以看出，要提高硝化微生物 在活性褥泥总量中的比例，造成硝化过程优势，必 须使B O D ，N H 4 浓度小于图1 上两条曲线的交 点． f 莹 ● 彗 g 01 0 2 0 3 0 4 0 5 0 s ’／ m g 。0 1 1 图1 在不同B O D 及N H ‘十浓度下的微生物比增值速度 F i g ．1B i o l o g i c a ls p e c i a lg r o w t hr a t e 。nd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no fB O Da n dN H j 2 ．2 ．3 同时硝化反硝化 根据同时硝化反硝化理论，控制曝气池溶解氧 浓度，造成活性污泥絮体内外的溶解氧梯度，使活 性污泥絮体内部进行反硝化． 2 ．3 新工艺猜想 根据以上的理论，我们提出了高污泥浓度及低 营养状态促进硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌繁殖的 生态优势硝化反硝化E c O s u N I D E e c o l o g i c a l s u p e r i o rn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i e a t i o n 猜想．并由此猜 想提出了E c O s u N I D E 工艺，其工艺流程见图2 ． 图2E C O S U N I D E 工艺流程 F i g ．2E C O S U N I D Ep r o c e S s E C 0 s u N I D E 的技术要点为 1 适当增加回流比且全流程分点进水，以实 现高污泥浓度} 2 适当增加流程最后段的进水水量，以实现 全程低营养状态； 3 控制较低的D O 水平，促进短程硝化反硝 化和同步硝化反硝化过程． 2 ．4 新工艺的实施 通过小试、中试研究，实验数据完全证实了新 工艺高效消化的可行性．继而又在徐州污水处理厂 进行了大规模 1 6 ．5 万t ／d 工业性应用，实现了厌 氧2h ，曝气3 ．1h ，将氨氮从3 5m g ／L 左右硝化 9 0 ％以上、总氯脱除8 0 ％以上、总磷从4 ．5m g ／L 脱除8 0 ％以上的高效性，并证实了这一猜想的正 确性． 新工艺运行一年多来还表现出运行费用较为 节省 同时消化反硝化技术 、不易发生污泥膨胀 厌氧选择作用 、不易发生二沉池飘泥 污泥硝态 氮浓度较低 的显著优点． 3 新工艺应用前景 笔者以E C O S U N I D E 工艺对徐州污水处理厂 进行了工艺改造，使出水得到全面改善，从二级改 善为优于一级．整个工艺改造仅进行了少量的管道 调整，未增加任何构筑物或设备，花费了3 2 0 多万 元，与某设计院提供的传统工艺改造方案相比，一 次性节约了4 千多万元，同时节约了一个初沉池供 今后它用．我国尚有大量污水处理厂仍然处于二级 污水处理工艺，在因地制宜的基础上，都可以利用 此项新工艺进行污水处理厂的改造，在花费少量改 造投资费用的基础上，可以大幅度地改善我国城市 污水处理厂尾水水质． 煤炭在很长的一段时间内仍将作为我国的主 要能源，煤炭的开采伴随着大量的工业废水和生活 污水．此项新工艺水力停留时间较短而投资费用较 低，采用了同时消化反硝化技术而运行费用较为节 省、运行管理较为方便、出水水质优异且稳定，非常 适用于矿区生活污水及类似废水的处理，一定能够 为煤炭的绿色开采做出重要的贡献． 参考文献 [ 1 ] V o e t sJP ．R e m o v a lo fn i t r o g e nh i g h l yn i t r o g e n o u s w a s t ew a t e x [ J ] ，J W P C E F ，1 9 7 5 4 7 3 9 4 3 9 8 ． [ 2 ] J e t t e nMSM ．T ow a r d sam o r es u s t a i n a b l em u n i c i p a l w a s t ew a t e rt r e a t m e n t ss y s t e m [ J ] ．W a t e rS c iT e c h ． 1 9 9 7 ，3 5 9 1 7 1 1 8 0 ． I s ] D a i g g e rG T ，L i t t l e t o nHX ．O r b a l 氧化淘同时硝化／ 反硝化及生物除磷的机理研究口] ．中国给水排水． 1 9 9 9 ，1 5 3 1 7 ． [ 4 3 R o b e r t s o nLA ，V a nN i e lEWJ ，T o r r e n m a n sRA M ．S i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni n a e r o b i cc h e m o s t a t c u l t u r e so f T h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a [ J ] ．A p p lE n v i rM i c r o b i o l ，1 9 8 8 ，5 4 1 1 t 2 8 1 2 - 2 8 1 8 ． [ 5 ] R i t t m a n nBE ，L a n g e lWE ，S i m u l t a n e o u sd e n i t r i f i c a t i o nw i t hn i t r i f i c a t i o n s i n g l e c h a n n e lo x i d a t i o n d i t c h e s [ J ] ．J W P C F ，1 9 8 5 ．5 7 4 3 0 0 3 0 8 ． 下转第2 0 4 页 万方数据 2 0 4 中国矿业大学学报第3 3 卷 上接第1 9 9 页 [ 7 ] W a t a n a b eS ．O k a b eY tH i r a t aK ．S i m u l t a n e o u sr e m ． o v a lo fo r g a n i cm a t e r i a l sa n dn i t r o g e nm i c r o a e r o b i c f i l m s [ J ] ．W a t e rS c iT e c h ，19 9 5 ，3 1 1 1 9 5 2 0 3 ． [ 8 ] B r o d aE ．T w ok i n d so { l i t h o t r o p h sm i s s i n gi nn a t u r e [ J ] ．ZA u gM i c r o b i o l ，1 9 7 7 1 7 4 9 1 4 9 3 ． [ 9 ] K u e n e nJG ，R o e r t s o nLA ．C o m b i n e dn i t r i f i c a n t i o n 。 d e n i t r i f i e a t i o np r o c e s s [ J ] ．E M SM i c r o b i o lR e v ，1 9 9 4 ， 1 5 2 1 0 0 1 1 7 ． [ 1 0 ] [ 1 1 ] M u l d e rAA A ，V a n d e r g r a a fLA ．A n a e r o b i ca t o m o n i u mo x i d a t i o nd i s c o v e r e di nad e n i t r i f i c a t i o n f l u i d i z e db e dr e a c t o r [ J ] ．F E M SM i c r o b i o lE c o l ， 1 9 9 5 1 6 1 7 7 1 8 3 ． Z h a n gYQ ，X uAT ，L iG ．R e s e a r c hO nd y n a m i c s d e s i g nf o ra c t i v a t e ds l u d g es y s t e m [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ．1 2 2 1 4 8 1 5 1 ． 责任编辑陈其泰 万方数据