CAST工艺脱氮的研究
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此外 , 选择器还可以发生比较显著的反硝化作用. 由于选择器的缺氧环境
而且回流污泥混合液中通常含有少量的硝态氮 , 在此环境下的反硝化细菌可以利用原水中的有机碳源 作为电子供体 , 以回流污泥混合液中的硝态氮为电子 受体进行厌氧呼吸 。从动力学的角度分析 , 其反硝化 过程应属于零级反应 。多数学者认为 : 当反硝化过程 中有充足的有机碳源 , 同时硝酸盐的浓度高于 011mg/ L 时 , 此时的反硝化速率与硝酸盐的浓度无关 , 而只 与反硝化菌的数量有关 , 其所去除的氮可占总去除量 的 20 %左右 。
Nitrogen Removal in Cycl ic Activated Sludge Technology ZHAN G Xiao2xian , DON G Jing , HAO Ji
( School of Civil Engi neeri ng , Tianji n U niversity , Tianji n 300072 , Chi na)
Key words : SBR ; CAST ; nitrogen removal ; nitrification ; denitrification
1 综 述
间歇式活性污泥 ( SBR) 工艺的发展虽然只有 20 年的时间 , 但由于运行控制方便 , 结构简单 , 因而引 起 世 人 的 兴 趣 , 许 多 专 利 型 SBR 工 艺 不 断 出 现 , CAST (Cyclic Activated Sludge Technology) 工艺就是 应用较广的一种 。在其很简单的形式中 , 曝气 、沉淀 和排水等过程连续的 、动态的在一个前端设有生物选 择器的变容积反映器中完成 。生物选择器的设计严格 遵循活性污泥的基质积累 —再生理论 , 创造合适的微 生物生长条件 , 使活性污泥在选择器中经历一个高负 荷的吸附阶段 (基质积累) , 随后在主反应区经历一个 较低负荷的基质降解阶段 , 以完成基质降解的全过程 和污泥再生 。设计合理的生物选择器可以有效地抑制 丝状菌的大量繁殖 , 克服污泥膨胀 , 提高系统的稳定 性。
2 CAST 系统的生物选择器
生物选择器的选择性理论是依据对丝状菌和絮状 菌的动力学分析 , 使选择器内的生态环境有利于选择 性地发展菌胶团细菌 , 应用生物竞争机制抑制丝状菌 的过度生长和繁殖 , 从而控制污泥膨胀 。
CAST 的选择器一般为缺氧选择器 。整个过程都 遵循生物积累 —再生规律 , 即使生物经历了高负荷下 的反应阶段和低负荷下的反应阶段 , 在主反应器中发 生微生物的增殖 , 并以间歇脉冲的形式连续补给到生 物选择器中 。微生物的增殖导致了体内储存营养物质
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
— 29 —
如精元 、多羟基丁酸 ( PHB) 和多元醇 ( PHA) 的消 耗 , 从而有效的抵消了积累过程[1 ] 。生物体பைடு நூலகம்适量的 增殖只能去除相当于其本身有效去除能力的溶解性基 质 。如增殖量过少 , 生物选择增长原理就不能发挥其 作用 , 生物选择的作用就不大了 。
收稿日期 :2003207212 作者简介 :张效先 (1944 - ) ,男 ,河北蠡县人 ,1969 年毕业于天津大学水
力工程系河川枢纽及水电站建筑专业 ,副教授 。
CAST 工艺中 , 进水与由主反应区回流的活性污 泥在生物选择器内混合接触 。污泥循环经过高有机负 荷的选择器 , 低负荷的反应器 , 容易形成小颗粒絮凝 性的污泥 , 这种污泥表面积较大 , 可以吸附大量的有 机质 。通过对反应区合适的供氧 , 从微生物絮体的表 面到内部可以形成好氧到缺氧 , 溶解氧呈梯度降低的 环境 , 所以在 CAST 反应池中 , 硝化 、反硝化过程就 可以借助生物絮体 , 在絮体的表面和内部同时发生 , 以达到脱氮效果 。
其次 , 硝化是由硝化细菌来完成的[1 ] 。硝化细菌 是一种化能自养菌 ; 有机物降解由异养细菌完成 。当 这两种细菌混合培养时 , 由于存在对底物和溶解氧的 竞争 , 硝化菌的生长将受到抑制 , 难以成为优势种群 。 由于异养细菌对氨的同化作用速率远大于硝化细菌对 氨的氧化速率 , 当进水有机负荷较高时 , 在生物处理 系统中占优势的异养氧化菌种将会利用氨物质进行合 成代谢 , 大量消耗溶解氧 , 抑制硝化作用 。有机物抑 制脱氮的另一因素为某些有机物对硝化细菌具有直接 的毒害或抑制作用 。
根据设计平均水力负荷和高于设计平均设计水力负荷
分类 。
表 1 Portage Catawaba 污水处理厂的运行结果 (19911811～1993112131)
项 目
进水实际水利负荷 低于设计负荷时
50 %积累 频率
90 %积累 频率
实际水力负荷为设计 负荷的 1～218 倍时
50 %积累 频率
再有 , 系统硝化去除效果稳定性较差 。硝化菌对 温度 、p H、重金属等环境影响显著 , 混合生长的异养 细菌和硝化细菌比单独生长的硝化菌对温度更加敏感 。 在一个 CAST 系统中除供给足够的溶解氧外 , 很难控 制其它因素来保证硝化反应的完成 , 从而维持稳定的
— 30 —
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
Abstract : The practice of manipulating activated sludge reaction environments to obtain maximum nitrogen removal has been opti2
mized by using Cyclic Activated Sludge Technology ( CAST) . The efficiencies of conventional and cyclic processes were compared t hrough parallel operation over a one2year period. Through examination and comparison of t he nitrification rates , t he stability of co2current nitrification / denitrification and t he biological p hosp horus removal , it was found t hat t he cyclic system was demonstrably superior in treatment efficiency when operated at t he same loading conditions as t he conventional process.
另外 , 在进水期 、反应后期 、沉淀和排水阶段都 可以发生反硝化 。在 CAST 系统中进水初期高浓度的 碳源有机物首先消耗水中的溶解氧 , 活性污泥在进水
期也 会 吸 附 污 水 中 有 机 物 并 以 多 聚 物 形 式 储 存 起 来[3 ] 。当反应达到部分硝化后 , 减少或停止向混合液 中供氧 , 则储存的碳源释放 , 反硝化菌以污水中碳源 有机物作为电子供体 , 将池内硝态氮还原为氮气 , 完 成反硝化过程 。在反应后期 , 污水中的含碳有机物浓 度已大为减少 , 此时可减少或停止曝气 , 非曝气阶段 中的沉淀污泥也可以利用内源碳进行反硝化 。通过污 泥回流 , 将部分硝酸盐氮带入生物选择器中 , 也有部 分反硝化功能 。
脱氮效率较为困难 。 因此在 CAST 系统中 , 要根据处理污水的实际情
况及时调整运行参数 , 创造有利于系统脱氮的条件与 外部环境 。
5 CAST 工艺脱氮效果
在原型反应器运行过程中 , 设计的负荷周期通常是 4h , 其中 2h 曝气并同时进行混合 , 2h 用来沉淀和排水 。
这种循环运行模式通常应用于单池或多池污水处理设施 中 。为了保持脱氮除磷的效果以及微生物新陈代谢的活 力 , 生物质中需要贮存有一定量的碳源[2] , 以确保在厌 氧条件下反硝化反应的更好的进行。因此 , 在周期运行 过程中就可以引入了一个 “进水 —非反应”的扩展阶 段 , 污水在此阶段进入反应器而不进行曝气和排水。在 这样的处理设施中 , 扩展进水阶段覆盖整个 6h 的运行 过程 。6h 周期运行过程如图 1 :
CAST 系统的一个重要特征是在工艺过程中不设 缺氧混合阶段 , 高效的进行硝化和反硝化 , 从而达到 深度去除氮的目的[2 ] 。CAST 工艺一个典型的工作周 期为 4h , 进水曝气 2h , 沉淀排水各 1h 。运作良好的 CAST 系统首先由生物选择器的选择功能筛选出絮凝 性污泥 , 由内到外形成氧的传质梯度 。在曝气的 2h 中 , 硝化和反硝化过程在曝气阶段同时完成 。运行过 程中控制供氧强度以及曝气池中溶解氧的浓度[2 ] , 使 污泥絮体的外周保证有一个好氧环境进行硝化 ; 由于 氧在污泥絮体内部的渗透传递作用受到限制 , 而较高 的硝酸盐浓度 (梯度) 则能较好地渗入到絮体内部 。 因此 , 硝化菌可以在高溶解氧浓度 (正氧化还原电位) 的区域中存在 , 同时 , 反硝化菌在较低溶解氧浓度 (负氧化还原电位) 的区域中依然活跃 , 并有效地进行 反硝化过程 。
图 1 CAST 工艺 6 小时周期运行过程
表 1 记述了美国 Portage/ Catawaba 污水处理厂的
氮和磷的去除数据[3 ] 。Portage/ Catawaba 污水处理厂
最大处理城市污水量 15500m3/ d 。CAST 池中可以同
时完成硝化和反硝化以及生物除磷的功能 。这些数据
— 28 —
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
·试验研究 ·
CAST 工艺脱氮的研究
张效先 , 董 晶 , 郝 冀
(天津大学建筑工程学院 , 天津 300072 )
摘要 : 在 CAST 工艺中 , 通过控制活性污泥工艺的反应环境可以使氮的去除过程优化 。将传统的处理方法和周期循环运行过程 的处理效果做长时间的比较 , 通过检测比较硝化速率 , 同时硝化反硝化以及除磷效果 , 可知 , 当运行负荷相同时 , 周期循环 运行过程是一种很有优势的污水处理方法 。 关 键 词 : 间歇式活性污泥法 ; CAST ; 脱氮 ; 硝化 ; 反硝化 中图分类号 : X70311 文献标识码 :A 文章编号 :100123644 (2004) 0220028203
4 CAST 工艺脱氮过程的分析
首先 , CAST 工艺生物脱氮效率不高首先是因为 硝化不完全 , 而造成硝化不完全的原因在于充分曝气 时间不够 。由于硝化作用较有机物降解难 , 因而要达 到完全硝化 , 通常需要较长的曝气时间 。一般而言 , CAST 的一个运行周期为 4 小时 , 其中曝气时间为 2 小时 , 按 30 %的充水比计算 , 实际曝气时间为 6～7 小时 。这对于以 BOD 去除为目的的好氧生物降解而言 是充分的 , 但对以硝化为目的的生物处理 , 尤其在混 合菌种培养时是不足的 。
当进水中氮的浓度比较大的情况下 , 控制选择器 中的初始反应条件 , 可以抑制硝酸盐氮的产生并形成 亚硝酸盐氮 , 发生短程硝化 ———反硝化反应[4 ] , 从而 加快氮的去除反应 。所以 , 在氧化反应和反硝化反应 的过程中如果发生了短程硝化 ———反硝化反应 , 则在 C/ N 比一定的情况下可以提高 TN 的去除率 , 减少需 氧量和需碳量 、缩短反应时间并且相应的减小了反应 器的体积 。
3 CAST 系统中的硝化反硝化反应
311 基本机理 从微生物学角度而言 , 一般认为生物脱氮是由硝
化和反硝化两个生化过程完成的 , 废水先在好氧条件 下进行硝化 , 使含氮有机物被细菌分解成氨 , 氨进一 步转化为硝态氮 , 然后在缺氧条件下进行反硝化 , 硝 态氮还原为氮气溢出 。 312 硝化 —反硝化功能的实现
而且回流污泥混合液中通常含有少量的硝态氮 , 在此环境下的反硝化细菌可以利用原水中的有机碳源 作为电子供体 , 以回流污泥混合液中的硝态氮为电子 受体进行厌氧呼吸 。从动力学的角度分析 , 其反硝化 过程应属于零级反应 。多数学者认为 : 当反硝化过程 中有充足的有机碳源 , 同时硝酸盐的浓度高于 011mg/ L 时 , 此时的反硝化速率与硝酸盐的浓度无关 , 而只 与反硝化菌的数量有关 , 其所去除的氮可占总去除量 的 20 %左右 。
Nitrogen Removal in Cycl ic Activated Sludge Technology ZHAN G Xiao2xian , DON G Jing , HAO Ji
( School of Civil Engi neeri ng , Tianji n U niversity , Tianji n 300072 , Chi na)
Key words : SBR ; CAST ; nitrogen removal ; nitrification ; denitrification
1 综 述
间歇式活性污泥 ( SBR) 工艺的发展虽然只有 20 年的时间 , 但由于运行控制方便 , 结构简单 , 因而引 起 世 人 的 兴 趣 , 许 多 专 利 型 SBR 工 艺 不 断 出 现 , CAST (Cyclic Activated Sludge Technology) 工艺就是 应用较广的一种 。在其很简单的形式中 , 曝气 、沉淀 和排水等过程连续的 、动态的在一个前端设有生物选 择器的变容积反映器中完成 。生物选择器的设计严格 遵循活性污泥的基质积累 —再生理论 , 创造合适的微 生物生长条件 , 使活性污泥在选择器中经历一个高负 荷的吸附阶段 (基质积累) , 随后在主反应区经历一个 较低负荷的基质降解阶段 , 以完成基质降解的全过程 和污泥再生 。设计合理的生物选择器可以有效地抑制 丝状菌的大量繁殖 , 克服污泥膨胀 , 提高系统的稳定 性。
2 CAST 系统的生物选择器
生物选择器的选择性理论是依据对丝状菌和絮状 菌的动力学分析 , 使选择器内的生态环境有利于选择 性地发展菌胶团细菌 , 应用生物竞争机制抑制丝状菌 的过度生长和繁殖 , 从而控制污泥膨胀 。
CAST 的选择器一般为缺氧选择器 。整个过程都 遵循生物积累 —再生规律 , 即使生物经历了高负荷下 的反应阶段和低负荷下的反应阶段 , 在主反应器中发 生微生物的增殖 , 并以间歇脉冲的形式连续补给到生 物选择器中 。微生物的增殖导致了体内储存营养物质
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
— 29 —
如精元 、多羟基丁酸 ( PHB) 和多元醇 ( PHA) 的消 耗 , 从而有效的抵消了积累过程[1 ] 。生物体பைடு நூலகம்适量的 增殖只能去除相当于其本身有效去除能力的溶解性基 质 。如增殖量过少 , 生物选择增长原理就不能发挥其 作用 , 生物选择的作用就不大了 。
收稿日期 :2003207212 作者简介 :张效先 (1944 - ) ,男 ,河北蠡县人 ,1969 年毕业于天津大学水
力工程系河川枢纽及水电站建筑专业 ,副教授 。
CAST 工艺中 , 进水与由主反应区回流的活性污 泥在生物选择器内混合接触 。污泥循环经过高有机负 荷的选择器 , 低负荷的反应器 , 容易形成小颗粒絮凝 性的污泥 , 这种污泥表面积较大 , 可以吸附大量的有 机质 。通过对反应区合适的供氧 , 从微生物絮体的表 面到内部可以形成好氧到缺氧 , 溶解氧呈梯度降低的 环境 , 所以在 CAST 反应池中 , 硝化 、反硝化过程就 可以借助生物絮体 , 在絮体的表面和内部同时发生 , 以达到脱氮效果 。
其次 , 硝化是由硝化细菌来完成的[1 ] 。硝化细菌 是一种化能自养菌 ; 有机物降解由异养细菌完成 。当 这两种细菌混合培养时 , 由于存在对底物和溶解氧的 竞争 , 硝化菌的生长将受到抑制 , 难以成为优势种群 。 由于异养细菌对氨的同化作用速率远大于硝化细菌对 氨的氧化速率 , 当进水有机负荷较高时 , 在生物处理 系统中占优势的异养氧化菌种将会利用氨物质进行合 成代谢 , 大量消耗溶解氧 , 抑制硝化作用 。有机物抑 制脱氮的另一因素为某些有机物对硝化细菌具有直接 的毒害或抑制作用 。
根据设计平均水力负荷和高于设计平均设计水力负荷
分类 。
表 1 Portage Catawaba 污水处理厂的运行结果 (19911811～1993112131)
项 目
进水实际水利负荷 低于设计负荷时
50 %积累 频率
90 %积累 频率
实际水力负荷为设计 负荷的 1～218 倍时
50 %积累 频率
再有 , 系统硝化去除效果稳定性较差 。硝化菌对 温度 、p H、重金属等环境影响显著 , 混合生长的异养 细菌和硝化细菌比单独生长的硝化菌对温度更加敏感 。 在一个 CAST 系统中除供给足够的溶解氧外 , 很难控 制其它因素来保证硝化反应的完成 , 从而维持稳定的
— 30 —
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
Abstract : The practice of manipulating activated sludge reaction environments to obtain maximum nitrogen removal has been opti2
mized by using Cyclic Activated Sludge Technology ( CAST) . The efficiencies of conventional and cyclic processes were compared t hrough parallel operation over a one2year period. Through examination and comparison of t he nitrification rates , t he stability of co2current nitrification / denitrification and t he biological p hosp horus removal , it was found t hat t he cyclic system was demonstrably superior in treatment efficiency when operated at t he same loading conditions as t he conventional process.
另外 , 在进水期 、反应后期 、沉淀和排水阶段都 可以发生反硝化 。在 CAST 系统中进水初期高浓度的 碳源有机物首先消耗水中的溶解氧 , 活性污泥在进水
期也 会 吸 附 污 水 中 有 机 物 并 以 多 聚 物 形 式 储 存 起 来[3 ] 。当反应达到部分硝化后 , 减少或停止向混合液 中供氧 , 则储存的碳源释放 , 反硝化菌以污水中碳源 有机物作为电子供体 , 将池内硝态氮还原为氮气 , 完 成反硝化过程 。在反应后期 , 污水中的含碳有机物浓 度已大为减少 , 此时可减少或停止曝气 , 非曝气阶段 中的沉淀污泥也可以利用内源碳进行反硝化 。通过污 泥回流 , 将部分硝酸盐氮带入生物选择器中 , 也有部 分反硝化功能 。
脱氮效率较为困难 。 因此在 CAST 系统中 , 要根据处理污水的实际情
况及时调整运行参数 , 创造有利于系统脱氮的条件与 外部环境 。
5 CAST 工艺脱氮效果
在原型反应器运行过程中 , 设计的负荷周期通常是 4h , 其中 2h 曝气并同时进行混合 , 2h 用来沉淀和排水 。
这种循环运行模式通常应用于单池或多池污水处理设施 中 。为了保持脱氮除磷的效果以及微生物新陈代谢的活 力 , 生物质中需要贮存有一定量的碳源[2] , 以确保在厌 氧条件下反硝化反应的更好的进行。因此 , 在周期运行 过程中就可以引入了一个 “进水 —非反应”的扩展阶 段 , 污水在此阶段进入反应器而不进行曝气和排水。在 这样的处理设施中 , 扩展进水阶段覆盖整个 6h 的运行 过程 。6h 周期运行过程如图 1 :
CAST 系统的一个重要特征是在工艺过程中不设 缺氧混合阶段 , 高效的进行硝化和反硝化 , 从而达到 深度去除氮的目的[2 ] 。CAST 工艺一个典型的工作周 期为 4h , 进水曝气 2h , 沉淀排水各 1h 。运作良好的 CAST 系统首先由生物选择器的选择功能筛选出絮凝 性污泥 , 由内到外形成氧的传质梯度 。在曝气的 2h 中 , 硝化和反硝化过程在曝气阶段同时完成 。运行过 程中控制供氧强度以及曝气池中溶解氧的浓度[2 ] , 使 污泥絮体的外周保证有一个好氧环境进行硝化 ; 由于 氧在污泥絮体内部的渗透传递作用受到限制 , 而较高 的硝酸盐浓度 (梯度) 则能较好地渗入到絮体内部 。 因此 , 硝化菌可以在高溶解氧浓度 (正氧化还原电位) 的区域中存在 , 同时 , 反硝化菌在较低溶解氧浓度 (负氧化还原电位) 的区域中依然活跃 , 并有效地进行 反硝化过程 。
图 1 CAST 工艺 6 小时周期运行过程
表 1 记述了美国 Portage/ Catawaba 污水处理厂的
氮和磷的去除数据[3 ] 。Portage/ Catawaba 污水处理厂
最大处理城市污水量 15500m3/ d 。CAST 池中可以同
时完成硝化和反硝化以及生物除磷的功能 。这些数据
— 28 —
四川环境 2004 年第 23 卷第 2 期
·试验研究 ·
CAST 工艺脱氮的研究
张效先 , 董 晶 , 郝 冀
(天津大学建筑工程学院 , 天津 300072 )
摘要 : 在 CAST 工艺中 , 通过控制活性污泥工艺的反应环境可以使氮的去除过程优化 。将传统的处理方法和周期循环运行过程 的处理效果做长时间的比较 , 通过检测比较硝化速率 , 同时硝化反硝化以及除磷效果 , 可知 , 当运行负荷相同时 , 周期循环 运行过程是一种很有优势的污水处理方法 。 关 键 词 : 间歇式活性污泥法 ; CAST ; 脱氮 ; 硝化 ; 反硝化 中图分类号 : X70311 文献标识码 :A 文章编号 :100123644 (2004) 0220028203
4 CAST 工艺脱氮过程的分析
首先 , CAST 工艺生物脱氮效率不高首先是因为 硝化不完全 , 而造成硝化不完全的原因在于充分曝气 时间不够 。由于硝化作用较有机物降解难 , 因而要达 到完全硝化 , 通常需要较长的曝气时间 。一般而言 , CAST 的一个运行周期为 4 小时 , 其中曝气时间为 2 小时 , 按 30 %的充水比计算 , 实际曝气时间为 6～7 小时 。这对于以 BOD 去除为目的的好氧生物降解而言 是充分的 , 但对以硝化为目的的生物处理 , 尤其在混 合菌种培养时是不足的 。
当进水中氮的浓度比较大的情况下 , 控制选择器 中的初始反应条件 , 可以抑制硝酸盐氮的产生并形成 亚硝酸盐氮 , 发生短程硝化 ———反硝化反应[4 ] , 从而 加快氮的去除反应 。所以 , 在氧化反应和反硝化反应 的过程中如果发生了短程硝化 ———反硝化反应 , 则在 C/ N 比一定的情况下可以提高 TN 的去除率 , 减少需 氧量和需碳量 、缩短反应时间并且相应的减小了反应 器的体积 。
3 CAST 系统中的硝化反硝化反应
311 基本机理 从微生物学角度而言 , 一般认为生物脱氮是由硝
化和反硝化两个生化过程完成的 , 废水先在好氧条件 下进行硝化 , 使含氮有机物被细菌分解成氨 , 氨进一 步转化为硝态氮 , 然后在缺氧条件下进行反硝化 , 硝 态氮还原为氮气溢出 。 312 硝化 —反硝化功能的实现