歐洲城市污水處理技術(shù)新概念--可持續(xù)生物除磷脫氮工藝(下)

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　摘要：傳統(tǒng)污水處理工藝以能消能，消耗大量有機(jī)碳源，剩余污泥產(chǎn)量大，同時(shí)釋放較多CO2（因耗能）到大氣之中。當(dāng)今，全球普遍強(qiáng)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)模式在污水處理領(lǐng)域也得到體現(xiàn)。因此，研發(fā)以節(jié)省能（資）源消耗、并最大程度回收（用）有用能（資）源的可持續(xù)污水處理工藝已勢(shì)在必行，在詳細(xì)介紹兩種新近在歐洲出現(xiàn)的可持續(xù)處理工藝——反硝化除磷、厭氧氨（氮）氧化的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)以轉(zhuǎn)換有機(jī)能源（甲烷）、回收磷酸鹽（鳥糞石）、回用處理水（非飲用目的）為目標(biāo)的可持續(xù)城市污水生物除磷脫氮推薦工藝。

　　關(guān)鍵詞：歐洲 污水處理技術(shù) 除磷 脫氮

　　4、可持續(xù)生物除磷脫氮推薦工藝

　　4.1 推薦工藝

　　以BCFS工藝為代表的反硝化除磷， 及CANON 工藝為代表的厭氧氨氧化作為可持續(xù)除磷脫氮關(guān)鍵技術(shù)的藍(lán)本，荷蘭-中國(guó)大學(xué)間合作研究提出了一針對(duì)城市污水處理的可持續(xù)除磷脫氮推薦工藝，如圖7 所示。這個(gè)推薦工藝突出COD 甲烷化、磷酸鹽回收以及處理水回用等與可持續(xù)性密切相關(guān)的內(nèi)容。

　　為了有效轉(zhuǎn)換污水中過(guò)剩COD 為甲烷，早年德國(guó)人開發(fā)的AB 法[42 ]中A 段被推薦用于濃縮COD.A 段采用很短的污泥齡（8～25 h） ；以這種方式，細(xì)菌快速繁殖，約70 %～80 %的懸浮狀和溶解狀的進(jìn)水COD 能被合成為細(xì)菌細(xì)胞。在A 段后生物污泥被沉淀分離，然后被送往污泥消化池進(jìn)行消化、轉(zhuǎn)化。與來(lái)自二沉池的生物污泥相比較，由A 段產(chǎn)生的污泥有著較好的可消化性，最終會(huì)導(dǎo)致較低的消化剩余污泥（熟污泥） .A 段濃縮COD 的同時(shí)，也必然將相當(dāng)數(shù)量的氮、磷合成于細(xì)菌細(xì)胞之中。

　　經(jīng)A 段處理之后水/ 物流被分成兩股： ①泥水分離后的上清液； ②通往消化池的污泥。上清液中所剩COD 被剛好用來(lái)脫除剩余的氮和磷。顯然，對(duì)這股水/ 物流采用BCFS工藝脫除氮、磷能最小化COD 的消耗量；從BCFS工藝中產(chǎn)生的高磷含量污泥也被送往消化池消化。消化后產(chǎn)生的消化液一般氮、磷濃度很高，且水溫較高（應(yīng)至少為30 ℃） .一些以回收磷酸鹽為目的的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明[43～45 ] ，污泥消化液是污水處理場(chǎng)中最理想的磷源回收之處。因此，污泥消化液首先被引入一沉淀單元內(nèi)，通過(guò)投加鎂化合物（如氯化鎂等） 形成磷酸銨鎂化合物（MAP ，即鳥糞石） 而分離出磷。鳥糞石能被用作植物生長(zhǎng)所需之磷源。磷被回收后的消化液采用CANON 工藝脫除濃度仍然很高的氨氮最為合適，因?yàn)橄簬缀醪缓珻OD ，加之較高水溫對(duì)獲得較完全的厭氧氨氧化率十分有利。

　　雖然經(jīng)CANON 工藝處理后的出水氨氮濃度一般并不能直接達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但此股水流流量很小，同來(lái)自于BCFS工藝的出水（大流量、低濃度） 混合后能被稀釋到排放標(biāo)準(zhǔn)以下?？紤]回用時(shí)，COD ，N ，P 已分別達(dá)標(biāo)（排放標(biāo)準(zhǔn)） 的出水只需經(jīng)簡(jiǎn)單的后處理便可實(shí)現(xiàn)回用于非飲用目的。

　　4.2 效率分析

　　為了定量說(shuō)明圖7 所示推薦工藝所能完成的處理效率，此處以荷蘭一正在建設(shè)中的城市污水處理廠所接收的水質(zhì)、水量為例進(jìn)行處理效率分析。該處理廠所接收的平均污水量為8 500 m3/ d ；平均水質(zhì)如下： COD = 625 mg/ L ， TKN = 60 mg/ L ， TP =9.5 mg/ L .

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，約有40 %的進(jìn)水總氮在A 段中能被合成到細(xì)菌細(xì)胞中。如果以離心機(jī)來(lái)分離消化液，高達(dá)1 200 mg/ L 的氨氮會(huì)出現(xiàn)在消化液中[46 ] .假設(shè)來(lái)自A 段普通生物污泥含氮、磷量分別為8 %和2 %（來(lái)自于BCFS工藝生物污泥磷含量可高達(dá)12 %） ；進(jìn)入消化池的污泥COD 有一半可轉(zhuǎn)化為甲烷（這些假設(shè)數(shù)據(jù)均為實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值） .理論上，這意味著高達(dá)300 mg/ L 的磷可能存在于消化液中?？梢?，從消化液中回收磷酸鹽是十分必要的。

　　以上述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及15 ℃水溫為依據(jù)，可借助于數(shù)學(xué)模擬以及各處理單元可達(dá)到的實(shí)際處理效果建立有關(guān)COD ，N ，P 的物料平衡，計(jì)算結(jié)果詳見圖8 .按40 %進(jìn)水氨氮在A 段內(nèi)被合成到細(xì)菌體內(nèi)計(jì)算，則相應(yīng)有74 %的進(jìn)水COD（其中約1/ 3 被氧化供合成能量之用） 和60 %的進(jìn)水總磷在A 段內(nèi)被轉(zhuǎn)化。剩余26 %的COD 被引入BCFS工藝，以去除剩余60 %的氮（至出水到8 mg/ L） 和37 %的磷（至出水到0.5 mg/ L） .BCFS工藝以20 d 污泥齡運(yùn)行，產(chǎn)生的剩余污泥量很少（僅為進(jìn)水總COD 的6.6 %） .

　　因約50 %污泥形式的COD 在消化階段被轉(zhuǎn)化為甲烷，所以，相應(yīng)會(huì)有一半的氮、磷由于細(xì)胞的分解而釋放到環(huán)境中（消化液） ；另一半COD ，N ， P 則以熟污泥形式存在。如果使用氯化鎂作為沉淀劑，消化液中97 %的磷能以鳥糞石形式沉淀[44 ] ，這相當(dāng)于有46.2 %的進(jìn)水磷可被回收。

　　CANON 工藝被作為最后一個(gè)處理單元，處理磷回收后氨氮含量仍然很高的消化液。對(duì)CANON工藝的數(shù)學(xué)模擬表明，在30 ℃，如果工藝參數(shù)控制得當(dāng)， 可以達(dá)到90 % 的總氮去除率[40 ] .盡管CANON工藝并不能將消化液中的氨氮去除殆盡，但此股水流流量較小，同來(lái)自于BCFS工藝很大出水流量混合后并不會(huì)使總的出水濃度升值太高。在此例中，出水總的COD ，N ， P 的濃度分別為30 mg/ L（非生物降解性） 、9 mg/ L 和0.6 mg/ L .

　　4.3 可持續(xù)性

　　上述舉例分析中，COD 直接氧化（分解） 而生成CO2 的數(shù)量被減低到了最小程度。A 段中26 %的COD 的分解是為另外48 %的COD 合成提供能量，是生物污泥形成（COD 濃縮） 所必不可少的條件；A段后剩余26 %COD 剛好被用于反硝化除磷，而非簡(jiǎn)單分解。因?yàn)閮H60 %的進(jìn)水總氮負(fù)荷需經(jīng)反硝化除磷脫除，所以，脫氮所必需的碳源（COD） 也相應(yīng)節(jié)省。這樣，被節(jié)省或過(guò)剩的COD（共48 %） 便能被用于甲烷化。再者，無(wú)論是COD 氧化、反硝化除磷、還是亞硝化都能節(jié)省很多耗氧量，因此，推薦工藝的可持續(xù)性顯而易見。推薦工藝與傳統(tǒng)工藝計(jì)算所得重要處理效率數(shù)據(jù)見表2 .

　　注：表中數(shù)據(jù)表示去除單位質(zhì)量的污染物，所消耗的或產(chǎn)生的物質(zhì)的量，如0.48 kgP/ kgP 表示去除1 kgP 可回收磷酸鹽（以P 計(jì)） 0.48kg.

　　與傳統(tǒng)工藝相比較，推薦工藝在表2所列的各個(gè)方面均具可觀的可持續(xù)性。

　　4.4 工藝評(píng)估

　　推薦工藝中雖涉及多個(gè)處理單元，但象AB 法、BCFS工藝、污泥消化、磷酸鹽回收等多已用于工程實(shí)際，并取得了良好的運(yùn)行效果。在建筑結(jié)構(gòu)方面，新穎的BCFS工藝同心圓平面設(shè)計(jì)成為真正意義上的“UNITAN K”構(gòu)造。盡管CANON 工藝仍在研發(fā)之中，但試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀察以及對(duì)其所做的數(shù)學(xué)模擬無(wú)疑會(huì)加速它在工程中的應(yīng)用。因此，推薦工藝并不存在任何技術(shù)方面的難題。

　　多個(gè)處理單元被合并于推薦工藝中無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)（工程建設(shè)與材料等） 費(fèi)用增高。然而，推薦工藝之可持續(xù)性的貢獻(xiàn)必將降低運(yùn)行管理費(fèi)用（主要是電力消耗和污泥處置） .此外，磷酸鹽回收與處理水回用還能帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)緩解磷與水資源危機(jī)有現(xiàn)實(shí)意義；顯著減少的CO2 釋放量對(duì)控制溫室效應(yīng)也有著不可低估的積極作用。