废水生物化脱氮

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简介： 本论文介绍几种常用的生物化脱氮工艺，其中有传统脱氮工艺, A/O法, 氧化沟生物膜法, SBR法, DAT-IAT工艺等几种。
关键字：生物化脱氮 A/O法 氧化沟生物膜法 SBR法 DAT-IAT工艺

废水生物脱氮工艺的研究始于1930年，Wuhrmann在生物滤池的深处确认了硝化脱氮反应，从而建立了“脱氮菌还原硝酸盐作为供氢体有效利用细胞内物质的生物脱氮法”，即Wuhrmann处理法。1960年Bringmann开发了外加碳源的生物脱氮工艺。通过实际的运行及技术的不断改进，近20多年来又开发和提出了以A/O、Bardenpho等为主的新型废水生物脱氮工艺，并不断地在实际工程中得到推广应用。这些工艺从碳源来说，可分为外加碳源工艺和内碳源工艺；从硝化和反硝化过程在工艺流程中的位置，可分为传统工艺和前置反硝化工艺；从处理工艺中微生物的存在状态，可分为悬浮生长型和附着生长型。常用生物脱氮工艺介绍如下：

　　1.传统脱氮工艺

　　活性污泥法脱氮的传统工艺^[1]是在1969年美国的巴茨（Barth）提出的，被称为三级活性污泥法，是以氨化、硝化和反硝化3步反应过程为基础建立起来的。活性污泥含有有机物降解菌、硝化菌和反硝化菌，它们分别在各自的反应池内生长繁殖，并且有各自的沉淀池和回流设施，如图1.2所示。在实践中还可采用两级生物脱氮系统（如图1.3所示），将前两级BOD去除和硝化两道反应过程合在同一反应器内进行，第一级池去除BOD，将有机氮转化为NH₃、NH₄⁺，同时使NH₃、NH₄⁺进一步氧化成NO_x^－-N。第二级池在缺氧条件下，将NO_x^－-N还原为氮气，并逸出大气，应采取厌氧－缺氧的运行方式。碳源，既可投加CH₃OH（甲醇）作为外加碳源，亦可引入原废水作为碳源。该工艺优点反应速率大，而且比较彻底。缺点是处理设施多，占地面积大，造价高，管理不够方便，因此在实践中采用比较少。

　　图1.2 传统活性污泥法脱氮工艺（三级活性污泥法流程）

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

　　图1.3 两级生物脱氮工艺

　　Figure1.3  two level biological nitrogen removal technique

　　2. A/O法

　　A/O脱氮工艺^[2]是80年代初开发出来的工艺流程（图1.4）。废水经预处理和一级处理后，首先进入缺氧池，利用氨化菌将废水中有机氮转化成NH₃-N，与原废水中的NH₃-N一并进入好氧池。在好氧池中，除与常规活性污泥法一样对含碳有机物进行氧化外，在适宜的条件下，利用亚硝化菌及硝化菌，将废水中NH₃-N硝化生成NO_x^－-N。为了达到废水脱氮的目的，好氧池中硝化混合液通过内循环回流到缺氧池，利用原废水中有机碳作为电子供体进行反硝化，将NO_x^－-N还原成氮气。与传统生物脱氮工艺相比，A/O系统不用投加外加碳源，可利用原废水中的有机物作为碳源进行反硝化，达到同时降低COD和脱氮的目的。缺氧池设在好氧池之前，当水中碱度不足时，由于反硝化可增加碱度，因而可以补偿硝化过程中对碱度的消耗。A/O工艺只有一个污泥系统，混合菌群交替处于好氧和缺氧状态，有机物浓度高低交替条件，有利于控制污泥膨胀^[12]。近十几年来A/O工艺在国内外的应用发展较快，被认为是解决城市污水及含氮工业废水氮污染的有效工艺^[3]。

　　图1.4 A/O法 

　　Figure 1.4  A/O technique

　　3. 氧化沟

　　氧化沟是上世纪50年代由荷兰巴斯韦尔（Pasveer）开发出来的一种废水生物处理技术，属于活性污泥法的一种变型^[4]。其基本特征是曝气池呈封闭、环状跑道式，废水和活性污泥以及各种微生物混合在沟渠中作不停地循环流动，完成对废水的硝化与反硝化处理。生物氧化沟兼有完全混合式、推流式和氧化塘的特点。在技术上具有净化程度高、耐冲击、运行稳定可靠、操作简单、运行管理方便、维修简单、投资少、能耗低等特点。氧化沟在空间上形成了好氧区、缺氧区和厌氧区，具有良好的脱氮功能。以卡鲁塞尔氧化沟为例，其是在每组沟渠的转弯处安装一台表面曝气机，靠近曝气机的下游为富氧区，而上游为低氧区，外环还可能成为缺氧区，这样形成了生物脱氮的环境条件。目前常用的氧化沟主要有多沟交替式氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟、奥贝尔氧化沟、一体化氧化沟(见图1.5)。

　　a 多沟交替式氧化沟               b卡鲁塞尔氧化沟

　　c奥贝尔氧化沟                     d一体化氧化沟

　　图1.5 氧化沟

　　Figure 1.5  oxidation ditch

　　4. 生物膜法

　　生物膜法是在20世纪70年代才发展起来的工艺，特点是微生物吸附在滤料或者其它载体上生长繁殖而形成生物膜，废水中的有机污染物和空气中的氧被污泥团或生物膜吸附并扩散其中，吸附后再由生物膜中的微生物的酶进行分解使废水得到净化^[5]。生物膜法比较有代表性的工艺有生物接触氧化法、生物滤池、生物转盘、生物滤塔、生物流化床等。

　　由于微生物固着在填料上生长，不像活性污泥法中的悬浮生长微生物那样承受强烈的曝气搅拌冲击，因而具有稳定的生态条件，微生物易于生长繁殖。同时生物固体平均停留时间长，在生物膜中易于存活世代时间较长，增殖较慢的微生物，如硝化菌^[6]。生物膜成熟后，生物膜的厚度不断加厚，生物膜内侧由于氧不能透入到形成厌氧性膜，为反硝化作用提供了场所。综上所述，在适宜的条件下生物膜法可以实现生物脱氮效果。

　　5. SBR法

　　SBR法是在20世纪70年代逐渐发展起来的一种生物处理技术，以序批间歇式操作为主要特征^[7-8]。所谓序列间歇式有两种含义，一是运行操作在空间上按序排列的、间歇的。由于废水大多是连续排放，且流量波动很大，这使得SBR至少两个池或者多个池，各个池按一定顺序和周期运行，也是间歇的。二是运行操作在时间上也是按序排列的、间歇的。一般按运行次序分五个阶段，即进水、反应、沉淀、排水和闲置阶段，称为一个运行周期，如下图所示。

　　进 水        反 应         沉 淀         排 水          闲 置

　　图1.6 SBR法工序

　　Figure1.6  SBR technique working procedure

　　循环周期和各个阶段的运行时间及运行状态都可以根据具体废水水质和出水要求灵活控制。例如，在进水阶段，可以按限制性曝气（进水期间不曝气）运行，也可以按半限制性曝气（进水到一半时开始曝气）运行，还可以按非限制性曝气（边进水边曝气）运行；在反应阶段，可以一直曝气，为了实现生物脱氮除磷也可以曝气后搅拌或者曝气搅拌交替进行；剩余污泥排放可以在排水阶段或排水后期排放。只要我们有效调节好SBR运行周期、各阶段运行时间和运行状态就可以达到多种功能的要求。

　　6. DAT-IAT工艺^[9]

　　DAT-IAT工艺是SBR工艺继ICEAS、CASS、CAST、IDEA法之后不断完善发展起来的一种新工艺，其主体构筑物由需氧池（Demand Aeration Tank,简称DAT）和间歇曝气池（Intermittent Aeration Tank,简称IAT）串联组成（如图1.7所示）。废水进入DAT池后，在DAT池内与以前的混合液以及回流液完全混合，并进行连续曝气，具有较高的溶解氧，细菌的活性非常强，大部分可溶性有机物被去除，它的反应机制以及有机物的去除机理与连续流活性污泥法（CFS）基本相同，但是在DAT池内有机物浓度要高于连续流活性污泥法，有机物负荷高，降解速率快。IAT池与典型的SBR池相似，包括曝气、沉淀、排水、闲置四个阶段，也可以根据实际需要增加搅拌阶段，处理后的上清夜和剩余污泥均在IAT池内排放，但与SBR法又有不同点，其进水是连续的。由于DAT池对水质的调节、均衡作用，使得进入IAT池内水质稳定，有机物负荷低，提高了系统对水量水质变化的适应性。同时，由于有机物浓度低，为硝化菌繁殖创造了条件，有利于硝化反应进行。IAT池间歇曝气，并根据需要增加厌氧搅拌，使得微生物处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物降解作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。IAT池中底部沉降的活性污泥大部分作为该池下个处理周期使用，一部分污泥用污泥泵连续打回DAT池作为DAT池的回流污泥，多余的剩余污泥引至污泥处理系统进行污泥处理。  

　　    曝气  搅拌       曝气  曝气      曝气  沉淀       曝气  排水

　　 图1.7 DAT-IAT工艺工序

　　Figure1.7  DAT-IAT technique working procedure

　　参考文献

　　[1] 张自杰,排水工程(下册,第四版）（M），中国建筑工业出版社，2000.6:312-315；

　　[2] 程晓如，杨开，设计A/O生物脱氮工艺应注意的几个问题[J],环境与开发,1996,       11(4):1-4；

　　[3] 王磊，兰淑澄，微生物固定化技术在污水生物脱氮中的应用[J]，环境科学，1995,16(6): 76-78;

　　[4] Xiaodi hao,Hans J Doddema, Conditions and mechanisms affecting simultaneous     nitrification and denitrification in a pasveer oxidation ditch[J], Bioresource Tchnology, 1997,59: 202-215；

　　[5] 师存杰,生物膜技术在水处理中的应用[J],青海大学学报 2001.10,19(5):32-33；

　　[6] 荣宏伟,序批式生物膜反应器脱氮除磷技术[J],哈尔滨商业大学学报,2002.10 18(5)：534-536；

　　[7] 陈国喜,詹伯,SBR生化系统的应用及其发展[J],环境科学进展,1998.4,Vol6 No.2:35-39;

　　[8] 赵丽珍，缪应祺，SBR技术研究及进展，江苏理工大学，2001，（3）：58-61；

　　[9] 张大群，王秀朵,DAT-IAT废水处理技术(M),北京-化学工业出版社,2003；