廢水生物化脫氮

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簡(jiǎn)介： 本論文介紹幾種常用的生物化脫氮工藝，其中有傳統(tǒng)脫氮工藝, A/O法, 氧化溝生物膜法, SBR法, DAT-IAT工藝等幾種。
關(guān)鍵字：生物化脫氮 A/O法 氧化溝生物膜法 SBR法 DAT-IAT工藝

廢水生物脫氮工藝的研究始于1930年，Wuhrmann在生物濾池的深處確認(rèn)了硝化脫氮反應(yīng)，從而建立了“脫氮菌還原硝酸鹽作為供氫體有效利用細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的生物脫氮法”，即Wuhrmann處理法。1960年Bringmann開發(fā)了外加碳源的生物脫氮工藝。通過實(shí)際的運(yùn)行及技術(shù)的不斷改進(jìn)，近20多年來又開發(fā)和提出了以A/O、Bardenpho等為主的新型廢水生物脫氮工藝，并不斷地在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用。這些工藝從碳源來說，可分為外加碳源工藝和內(nèi)碳源工藝；從硝化和反硝化過程在工藝流程中的位置，可分為傳統(tǒng)工藝和前置反硝化工藝；從處理工藝中微生物的存在狀態(tài)，可分為懸浮生長(zhǎng)型和附著生長(zhǎng)型。常用生物脫氮工藝介紹如下：

　　1.傳統(tǒng)脫氮工藝

　　活性污泥法脫氮的傳統(tǒng)工藝^[1]是在1969年美國的巴茨（Barth）提出的，被稱為三級(jí)活性污泥法，是以氨化、硝化和反硝化3步反應(yīng)過程為基礎(chǔ)建立起來的?；钚晕勰嗪杏袡C(jī)物降解菌、硝化菌和反硝化菌，它們分別在各自的反應(yīng)池內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，并且有各自的沉淀池和回流設(shè)施，如圖1.2所示。在實(shí)踐中還可采用兩級(jí)生物脫氮系統(tǒng)（如圖1.3所示），將前兩級(jí)BOD去除和硝化兩道反應(yīng)過程合在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，第一級(jí)池去除BOD，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH₃、NH₄⁺，同時(shí)使NH₃、NH₄⁺進(jìn)一步氧化成NO_x^－-N。第二級(jí)池在缺氧條件下，將NO_x^－-N還原為氮?dú)?，并逸出大氣，?yīng)采取厭氧－缺氧的運(yùn)行方式。碳源，既可投加CH₃OH（甲醇）作為外加碳源，亦可引入原廢水作為碳源。該工藝優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)速率大，而且比較徹底。缺點(diǎn)是處理設(shè)施多，占地面積大，造價(jià)高，管理不夠方便，因此在實(shí)踐中采用比較少。

　　圖1.2 傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝（三級(jí)活性污泥法流程）

　　Figure1.2  the nitrogen removal technique of tradition active sludge technique

　　圖1.3 兩級(jí)生物脫氮工藝

　　Figure1.3  two level biological nitrogen removal technique

　　2. A/O法

　　A/O脫氮工藝^[2]是80年代初開發(fā)出來的工藝流程（圖1.4）。廢水經(jīng)預(yù)處理和一級(jí)處理后，首先進(jìn)入缺氧池，利用氨化菌將廢水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成NH₃-N，與原廢水中的NH₃-N一并進(jìn)入好氧池。在好氧池中，除與常規(guī)活性污泥法一樣對(duì)含碳有機(jī)物進(jìn)行氧化外，在適宜的條件下，利用亞硝化菌及硝化菌，將廢水中NH₃-N硝化生成NO_x^－-N。為了達(dá)到廢水脫氮的目的，好氧池中硝化混合液通過內(nèi)循環(huán)回流到缺氧池，利用原廢水中有機(jī)碳作為電子供體進(jìn)行反硝化，將NO_x^－-N還原成氮?dú)狻Ｅc傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，A/O系統(tǒng)不用投加外加碳源，可利用原廢水中的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行反硝化，達(dá)到同時(shí)降低COD和脫氮的目的。缺氧池設(shè)在好氧池之前，當(dāng)水中堿度不足時(shí)，由于反硝化可增加堿度，因而可以補(bǔ)償硝化過程中對(duì)堿度的消耗。A/O工藝只有一個(gè)污泥系統(tǒng)，混合菌群交替處于好氧和缺氧狀態(tài)，有機(jī)物濃度高低交替條件，有利于控制污泥膨脹^[12]。近十幾年來A/O工藝在國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展較快，被認(rèn)為是解決城市污水及含氮工業(yè)廢水氮污染的有效工藝^[3]。

　　圖1.4 A/O法 

　　Figure 1.4  A/O technique

　　3. 氧化溝

　　氧化溝是上世紀(jì)50年代由荷蘭巴斯韋爾（Pasveer）開發(fā)出來的一種廢水生物處理技術(shù)，屬于活性污泥法的一種變型^[4]。其基本特征是曝氣池呈封閉、環(huán)狀跑道式，廢水和活性污泥以及各種微生物混合在溝渠中作不停地循環(huán)流動(dòng)，完成對(duì)廢水的硝化與反硝化處理。生物氧化溝兼有完全混合式、推流式和氧化塘的特點(diǎn)。在技術(shù)上具有凈化程度高、耐沖擊、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、維修簡(jiǎn)單、投資少、能耗低等特點(diǎn)。氧化溝在空間上形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，具有良好的脫氮功能。以卡魯塞爾氧化溝為例，其是在每組溝渠的轉(zhuǎn)彎處安裝一臺(tái)表面曝氣機(jī)，靠近曝氣機(jī)的下游為富氧區(qū)，而上游為低氧區(qū)，外環(huán)還可能成為缺氧區(qū)，這樣形成了生物脫氮的環(huán)境條件。目前常用的氧化溝主要有多溝交替式氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、一體化氧化溝(見圖1.5)。

　　a 多溝交替式氧化溝               b卡魯塞爾氧化溝

　　c奧貝爾氧化溝                     d一體化氧化溝

　　圖1.5 氧化溝

　　Figure 1.5  oxidation ditch

　　4. 生物膜法

　　生物膜法是在20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來的工藝，特點(diǎn)是微生物吸附在濾料或者其它載體上生長(zhǎng)繁殖而形成生物膜，廢水中的有機(jī)污染物和空氣中的氧被污泥團(tuán)或生物膜吸附并擴(kuò)散其中，吸附后再由生物膜中的微生物的酶進(jìn)行分解使廢水得到凈化^[5]。生物膜法比較有代表性的工藝有生物接觸氧化法、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物濾塔、生物流化床等。

　　由于微生物固著在填料上生長(zhǎng)，不像活性污泥法中的懸浮生長(zhǎng)微生物那樣承受強(qiáng)烈的曝氣攪拌沖擊，因而具有穩(wěn)定的生態(tài)條件，微生物易于生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)生物固體平均停留時(shí)間長(zhǎng)，在生物膜中易于存活世代時(shí)間較長(zhǎng)，增殖較慢的微生物，如硝化菌^[6]。生物膜成熟后，生物膜的厚度不斷加厚，生物膜內(nèi)側(cè)由于氧不能透入到形成厭氧性膜，為反硝化作用提供了場(chǎng)所。綜上所述，在適宜的條件下生物膜法可以實(shí)現(xiàn)生物脫氮效果。

　　5. SBR法

　　SBR法是在20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來的一種生物處理技術(shù)，以序批間歇式操作為主要特征^[7-8]。所謂序列間歇式有兩種含義，一是運(yùn)行操作在空間上按序排列的、間歇的。由于廢水大多是連續(xù)排放，且流量波動(dòng)很大，這使得SBR至少兩個(gè)池或者多個(gè)池，各個(gè)池按一定順序和周期運(yùn)行，也是間歇的。二是運(yùn)行操作在時(shí)間上也是按序排列的、間歇的。一般按運(yùn)行次序分五個(gè)階段，即進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置階段，稱為一個(gè)運(yùn)行周期，如下圖所示。

　　進(jìn) 水        反 應(yīng)         沉 淀         排 水          閑 置

　　圖1.6 SBR法工序

　　Figure1.6  SBR technique working procedure

　　循環(huán)周期和各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行狀態(tài)都可以根據(jù)具體廢水水質(zhì)和出水要求靈活控制。例如，在進(jìn)水階段，可以按限制性曝氣（進(jìn)水期間不曝氣）運(yùn)行，也可以按半限制性曝氣（進(jìn)水到一半時(shí)開始曝氣）運(yùn)行，還可以按非限制性曝氣（邊進(jìn)水邊曝氣）運(yùn)行；在反應(yīng)階段，可以一直曝氣，為了實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷也可以曝氣后攪拌或者曝氣攪拌交替進(jìn)行；剩余污泥排放可以在排水階段或排水后期排放。只要我們有效調(diào)節(jié)好SBR運(yùn)行周期、各階段運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)就可以達(dá)到多種功能的要求。

　　6. DAT-IAT工藝^[9]

　　DAT-IAT工藝是SBR工藝?yán)^ICEAS、CASS、CAST、IDEA法之后不斷完善發(fā)展起來的一種新工藝，其主體構(gòu)筑物由需氧池（Demand Aeration Tank,簡(jiǎn)稱DAT）和間歇曝氣池（Intermittent Aeration Tank,簡(jiǎn)稱IAT）串聯(lián)組成（如圖1.7所示）。廢水進(jìn)入DAT池后，在DAT池內(nèi)與以前的混合液以及回流液完全混合，并進(jìn)行連續(xù)曝氣，具有較高的溶解氧，細(xì)菌的活性非常強(qiáng)，大部分可溶性有機(jī)物被去除，它的反應(yīng)機(jī)制以及有機(jī)物的去除機(jī)理與連續(xù)流活性污泥法（CFS）基本相同，但是在DAT池內(nèi)有機(jī)物濃度要高于連續(xù)流活性污泥法，有機(jī)物負(fù)荷高，降解速率快。IAT池與典型的SBR池相似，包括曝氣、沉淀、排水、閑置四個(gè)階段，也可以根據(jù)實(shí)際需要增加攪拌階段，處理后的上清夜和剩余污泥均在IAT池內(nèi)排放，但與SBR法又有不同點(diǎn)，其進(jìn)水是連續(xù)的。由于DAT池對(duì)水質(zhì)的調(diào)節(jié)、均衡作用，使得進(jìn)入IAT池內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定，有機(jī)物負(fù)荷低，提高了系統(tǒng)對(duì)水量水質(zhì)變化的適應(yīng)性。同時(shí)，由于有機(jī)物濃度低，為硝化菌繁殖創(chuàng)造了條件，有利于硝化反應(yīng)進(jìn)行。IAT池間歇曝氣，并根據(jù)需要增加厭氧攪拌，使得微生物處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達(dá)到對(duì)污染物降解作用，同時(shí)還具有較好的脫氮、除磷功能。IAT池中底部沉降的活性污泥大部分作為該池下個(gè)處理周期使用，一部分污泥用污泥泵連續(xù)打回DAT池作為DAT池的回流污泥，多余的剩余污泥引至污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行污泥處理。  

　　    曝氣  攪拌       曝氣  曝氣      曝氣  沉淀       曝氣  排水

　　 圖1.7 DAT-IAT工藝工序

　　Figure1.7  DAT-IAT technique working procedure

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