脱氮除磷污水处理工艺

以有利于ＮＯ2-的生成并抑制ＮＯ3-的生成; 二是限制反应器中反硝化所需的电子供体 (如硫化物或有机物等)的数量,以限制反硝 化的发生。此外,废水中高浓度的氨与限制 供氧相结合,可有效地获得氨和ＮＯ2-在反 应器中同时存在的条件。将式(1)乘2并与 式(2)相加得式(3),即废水经SHARON工 艺,50%的氨氮转化为ＮＯ2----Ｎ,再经 ANAMMOX工艺,等摩尔量的剩余ＮＨ4+和 所生成的ＮＯ2-经自养菌作用生成Ｎ2逸出,
的发现为利用生物法处理高氨、低BOD的 废水找到了一条最优的途径。理论上利用 这一原理将比传统工艺节省62.5%的O2 ［如式(1)、(2)所示］,同时不需任何外加 碱度和有机物(反硝化菌的碳源和电子供 体)。ANAMMOX反应过程如式(3)，该反应 是一个自发的过程。
传统脱氮过程：
NH4++2O2+0.83CH3OH→0.5N2+3.17H2O+H++
溶解质 ATP
ADP PHB
降解
PHB ADP
ATP 无机物
厌氧段
好氧段
聚磷菌的作用机理
短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、
反硝化除磷理论的工艺： SHARON工艺、ANAMMOX工艺、
CANON工艺、 SHARON与 ANAMMOX联合工艺、
PHOREDOX工艺、BCFS工艺
中温亚硝化(SHARON)
⑥使用生物除磷器获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可
⑦与Pasveer氧化沟的污泥负荷相同。
前景
BCFS工艺在荷兰的应用已有10例， 目前正在规划处理规模相当于 10×104m3/d的Rotterdam污水处
表2为3座采用BCFS工艺的城 市污水厂的设计及运行情况。
SHARON与ANAMMOX联合工艺
SHARON工艺又叫短程硝化-反硝化。SHARON 工艺是荷兰Delft技术大学开发的一种新型的脱 氮工艺。其基本原理可用方程式(1)表示,即碱度 充足的条件下,污水中50%的氨氮被亚硝化菌氧 化为ＮＯ2---Ｎ。因仅一半氨氮被氧化且硝化作 用仅进行到亚硝化阶段,SHARON常又称为半硝 化。
0.5ＮＨ4++0.75Ｏ2 → 0.5ＮＯ2-+Ｈ++0.5Ｈ2Ｏ (1)
除磷脱氮 DOKHAVEN污水处理厂在它1987年投入运行后已升级多次。除经济利益的驱动外，主要是因为环境标准的不断提
高。出水对磷的限制早在1995年便已非常严格，要求出水磷的浓度最高标准为1 mgP/L。这意味着原始设计不能满足 排放要求，处理工艺必须升级。因受场地限制，一种精心设计的化学方法被选择在 A段曝气池进行除磷，这是因为若 在B段曝气池实施化学除磷会影响硝化过程。一种铁盐、一种混凝剂、一种絮凝剂被结合在一起用于化学除磷，这种 方法称为“三药剂”方法。这种特殊的方法比传统化学方法能节省40%的运行费用。因此，可做到环境与经济效益上 的双赢。[KG)]
ＮＯ2-为硝化终产物。SHARON工艺适用于含高 浓度氨(>500ｍｇ/Ｌ)废水的处理工艺,
尤其适用于具有脱氮要求的预处理或旁路处 理,如污泥消化池上清夜的处理。目前荷兰已 有两家污水处理厂采用了此工艺。
ＳＨＡＲＯＮ工艺主要有2个反应条件,一是碱度,
另一是温度。从式(1)中可看出1ｍｏｌＮＨ+4需要1 ｍｏｌＨＣＯ-3,若碱度供应不足,ｐＨ会迅速下降, 若降至6 4以下,反应将停止,这与传统的硝化反应相 似。另一方面温度要求25℃以上。温度是用以使亚 硝化菌占优势从而控制硝化过程。图1显示了温度 对亚硝化菌和硝化菌的最小泥龄的影响。当温度高 于15℃时,亚硝化菌的最小泥龄低于硝化菌的最小泥 龄,因此在高温度条件下(图中为35℃)通过控制泥龄, 可将长泥龄的硝化菌清洗出系统,保证硝化过程停留 在半硝化(ＮＯ-2)阶段。
最近，荷兰BDG咨询公司在此基础上开发了BCFS的新型反应器。 该反应器由5个同轴圆环组成，依次构成功能相对专一的5个独立反 应器。这些同轴圆环使水流具有活塞流与完全混合流的优点，采用 预制混凝土建造这种一体化构筑物减少了工程投资，同时使污水厂
的布置简洁，节约了工程投资及建设用地。
BCFS工艺是在帕斯韦尔氧化沟（Pasveersloot）与 UCT工艺及原理的基础上开发的生物除磷脱氮新工艺， 它由5个功能相对专一的反应器组成，通过控制反应 器之间的3个循环来优化各反应器内细菌的生存环境， 具有污泥产率低、除磷脱氮效率高（均大于90％）等 特点，其出水总氮<5mg/L，正磷酸盐含量几乎为零。
②SVI值低(80～120mL/g)且稳定(夏季为80mL/g，冬季为 100mL/g，最大值为120m L/g)，从而可有效地减少曝气池及二沉 池的容积。
③控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳
④与常规污水厂相比，其污泥产量减少了10%，从而进一步减
⑤利用DPB实现生物除磷(测定结果表明，约50%的磷是由DPB 去除的)，使碳源(COD)能被有效地利用，从而使该工艺在 COD/(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态，同时使除
式或者在生物膜内实现。
图1 ANAMMOX流化床反应器装置 1.污水 2.亚硝酸盐溶液 3.4.5.泵 6.取样口 7.ANAMMOX流化床反应器 8.恒温水浴 9.水封
10.湿式气体流量计 11.出水
BCFS工艺
BCFS(Biologisch—Chemische—Fosfaat—Stikstof Verwijdering) 工艺是由荷兰DELFT科技大学的Mark教授在Pasveersloot和UCT工 艺及原理的基础上开发的，它充分利用DPB(反硝化除磷菌)的缺氧反 硝化除磷作用以实现磷的完全去除和氮的最佳去除，对于城市污水
自养型氨厌氧氧化菌生长慢，启动时间非常长，为 使ANAMMOX污泥保留在反应器中并得到足够的 生物量，需要有效的污泥截留(由此建议用生物膜 反应器)。另外ANAMMOX过程的营养需求，是否 出现羟胺、肼类化合物，二氧化氮等代谢中间产 [HJ]物和二次污染问题等都是新工艺实际运行中要 解决的问题。
前景
厌氧氨(氮)氧化(ANAMMOX)
氨氮厌氧氧化(ANAMMOX)是1995年荷兰Delft 技术大学Mulder等在研究生物反硝化时发现 氨氮和硝酸盐同时消失的现象后开发的一种 新的处理工艺。研究表明，化能自养型细菌 可以在无分子态氧的条件下以CO2(CO32-)作为 碳源、NO2-为电子受体、NH4+作为电子供体， 将NH4+和NO2-共同转化为N2。这一反应过程
图4 ANAMMOX反应塔现场实物
ANAMMOX
随着氮素污染的加剧，除氮技术的研究和应用引起了人们的关注. 在氮素污染物的控制中，目前国内外主要采用生物脱氮技术，研究的热 点集中在如何改进传统的硝化-反硝化工艺.从微生物学的角度看，硝化 和反硝化是两个相互对立的生化反应.前者借助硝化细菌的作用，将氨氧 化为硝酸，需要氧的有效供给；而后者则是一个厌氧反应，只有在无氧 条件下，反硝化细菌才能把硝酸还原为氮气.此外，在环境中存在有机物 时，自养型硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力劣于异养型微生物，其 生长速度很容易被异养型微生物超过，并因此而难以在硝化中发挥应有 的作用；但要使反硝化反应顺利进行，则必须为反硝化细菌提供合适的 电子供体(通常为有机物如甲醇等).最近发现，氨可直接作为电子供体进 行反硝化反应，即所谓的厌氧氨氧化(ANAMMOX，Anaerobic Ammonia Oxidation).这一重大的新发现为改进传统的生物脱氮技术提供了理论依 据.若能开发利用厌氧氨氧化进行生物脱氮，不仅可以大幅度地降低硝化 反应的充氧能耗，免去反硝化反应的外源电子供体，而且还可改善硝化 反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的状况.其中后两项对控制化学试 剂消耗，防止可能出现的二次污染具有重要作用.
ANAMMOX又叫厌氧氨氧化,原理用式(2)表示, 在自养菌的作下,1mol氨氮作为电子供 体,1molＮＯ2----Ｎ作为电子受体,最终产物 为Ｎ2。ＮＨ4++ＮＯ2- →Ｎ2+2Ｈ2Ｏ(2)实现 ANAMMOX的先决条件是在同一反应器中同 时存在氨和ＮＯ2-,且反应器处于无氧状态。 产生ＮＯ2-的途径有二:一是限制反应器的供 氧,
图3 SHARON工艺实际构筑物
SHARON反应器使一半的氨氮氧化至亚硝酸氮（无需 控制pH），剩余一半氨氮与转化而来的亚硝酸氮 （进水总氨氮的一半）刚好形成1∶1 ANAMMOX所需 的摩尔关系，使氨氮和亚硝酸氮自养直接转化为氮 气。与传统的硝化/反硝化过程相比， SHARON/ANAMMOX过程可使运行费用减少90%，CO2排 放量减少88%，不产生N2O 有害气体，无需有机物， 不产生剩余污泥，节省占地50%，具有显著的可持续 性与经济效益特点。图4显示了气体循环ANAMMOX反 应塔现场实物图片（利用一废弃浓缩池改建而成）。 经SHARON/ANAMMOX对污泥消化液单独进行脱氮处理 可使整个处理厂出水氮浓度下降至少5 mgN/L，与原 始设计相比出水刚好能满足未来出水标准。
该工艺的本质是通过控制环境温度造成两类细 菌不同的增长速率,利用该动力学参数的不同造 成“分选压力” 。使用无需污泥停留(以恒化器 方式运行,其SRT=HRT)的单个CSTR反应器来实 现,在较短的HRT(即SRT)和30 ~40℃的条件下, 可有效地通过种群筛选产生大量的亚硝酸盐氧 化菌,并使硝化过程稳定地控制在亚硝化阶段,以
工艺流程
BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用 空间分隔开来，并通过不同的循环系统
BCFS工艺流程如图1 由图1可见，BCFS工艺由5个功能相 对专一的独立反应器(厌氧池、选择池、 缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循 环系统构成，各循环的作用如表1所示。
BCFS工艺的主要特点
①对氮、磷的去除率高，可使出水中总氮＜5mg/L，正磷酸盐含 量几乎为零。
从2006年起对出水氮的限制将由现在的TKN改为总氮控制。显然，原始设计不能满足新的要求，不得不寻求适合 该处理厂特点的新方法。SHARON和ANAMMOX这两项最新的现代技术因此成了单独处理污泥消化液的首选。根据SHARON 技术原理，带余温的污泥硝化液刚好满足中温亚硝化对温度的需要。SHARON技术除节省 1/4供氧量的特点外，还具有 低的投资费用、低的运行费用、不产生化学副产品、运行维护简单、启动容易、对高进水SS浓度不敏感、无异味等运 行优势。图3为一SHARON工艺的现场图片。
0.83CO2
(1)
亚硝酸盐型硝化+氨的厌氧氧化过程:
NH4++0.75O2→0.5N2+1.5H2O+H+
(2)
NH4++NO2-→N2+2H2O(ΔG＝-358kJ/mol) (3)
该反应的微生物属自养型厌氧细菌，生长速 率非常低，但将氨氮厌氧转化能力非常高， 可以达到4.8kgTN/(m3·d)，最佳运行条件： 温度为10～43℃，pH值为6.7～8.3。
脱氮除磷污水处理工艺
生物法脱氮的理论基础:
废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐
氮等四种形态存在。其中有机氮占生活污水含氮量的 40%~60%，氨氮占50%~60%，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 仅占0%~5%。因此在传统的生物处理中将
氨化菌 硝化菌
↓
↓
有机氮—→氨氮—→亚硝态氮、硝态氮
↓ ←反硝化
菌
氮气
生物法除磷的理论基础:
生物除磷是利用聚磷菌一类的微生物，能够过量 地，在数量上超过其生理需要，从外部环境摄取 磷，并将磷以聚合的形态储藏在体内，形成高磷 污泥，排出系统外，达到从污水中除磷的效果。
有机磷 ADP
ATP 无机磷
释放
无机磷 ATP
ADP 有机磷
聚磷
聚磷菌
→源自文库
聚磷菌
合成
ANAMMOX工艺的出现为工业污水或生活污水以较 可持续方式脱氮处理创造了新的技术条件［2，33， 34］。ANAMMOX与一亚硝化工艺相结合，氨氮能 够被直接自养转换到氮气。以此种方式脱氮，传统上 需以有机电子供体(COD)支持反硝化的问题便被完全 避免。因此，污水中较多的COD便有可能被分离而转 化为甲烷。进言之，一半以上的曝气量(为硝化)被节约。 与ANAMMOX相结合的亚硝化工艺可以SHARON方