1、1城市可持续污水生物处理技术摘要：本文首先分析了传统城市污水处理的一些弊端，然后重点介绍了一些当前比较先进的可持续污水处理技术。 关键词：可持续；污水处理；技术 中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号： 可持续发展一直是当今比较流行的一种发展模式，这一点应该体现在我们生活生产中的各个方面，因此，可持续污水生物处理技术追求尽可能的减少能耗、高效节能和污水可回用,减少对环境的污染及消耗 ,推动污水处理技术不断前进。 1 传统城市污水处理的弊端 相对于可持续处理工艺,传统的城市污水处理系统一般存在着“以能耗能”和不考虑物质循环两个比较大的弊端。 “以能耗能”是指传统的截留、汇集、处理
2、城市污水的目的和方法,也就是采用一切可能的技术手段,以消耗大量资源、能量为代价将污水中所谓的各种污染物质去除殆尽。现代污水处理技术固然可以有效去除有机物(COD/BOD)、氮、磷等污染物,但处理过程所消耗的资源与能量的确较大。事实上,污水中的 COD 是一种潜在的绿色生物质能,每 1 kg COD 约含 14 MJ 的代谢热。以曝气方式通过微生物的新陈代谢作用降解 COD 除形成“以能耗能”的事实外,由于曝气对能量(主要指以化石燃料产生的能源,如电)的消耗还造成大量的 CO2向大气排放。结果,在“以能耗能”为代价而获得水质净化的同时又污染2了大气,以致这种传统的污水处理方式事实上成为一种污染转
3、嫁的技术手段,即将水污染演变为产生温室气体的大气污染。 传统污水处理中应用的最重要的脱氮技术是反硝化,而碳源(COD/BOD)在硝化过程中的作用是至关重要的。传统的污水处理过程有机物会被碳氧化所消耗,使得反硝化因碳源的缺乏而受阻。因此,在工程应用中为解决这一实际问题,不得不向污水中投加易于生物降解的碳源有机物。另外,传统的除磷工艺一般为化学方法和生物除磷。其中,向污水中投入化学药剂是比较常见的化学除磷方法,但是这种方法仅以单纯的去除为主,需要消耗大量的化学药剂,而且,化学沉淀形成的化学污泥一般脱水性很差,在工程上较难处置。生物除磷的原理是利用磷细菌过量摄磷的原理,以细胞的形式将污水中的磷转移到
4、生物污泥中。生物污泥较之化学污泥容易脱水,但剩余污泥的最终处置问题一直是传统污水处理令人烦恼的事情。 2 可持续污水生物脱氮技术 2.1 短程硝化/反硝化 传统硝化是一个两步过程,首先由氨氮氧化到亚硝酸氨(亚硝化或短程硝化)进而亚硝酸氮继续氧化到硝酸氮(硝化)过程。长期以来,无论是在污水生物脱氮理论上还是在工程实践中,都认为必须使 NH4+经历典型的硝化和亚硝化过程才能完全被去除。最近研究表明,生物脱氮过程中出现了一些超出传统认识的新现象,如亚硝酸型硝化,硝化不仅可以由自养菌完成,而且异氧菌也可以完成好氧硝化,某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用。有些研究者在实验中发现在厌氧条件下氨氮减
5、少的情况。从氨氮的微生物转化过程来看,氨氮被氧化成硝酸氮是由两类独立的3细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开。对于反硝化菌无论是硝酸氮还是亚硝酸氮均可以作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经NH4+-N0-N2 这样的途径完成。 1975 年 Voet 等发现在硝化过程中亚硝酸氮积累的现象并首次提出了亚硝酸型生物脱氮(也称不完全或短硝化/反硝化生物脱氮)。这种将硝化过程控制在亚硝酸阶段的短程生物脱氮工艺具有以下特点:对于活性污泥法,可节省氧供应量约 25%,降低能耗;节省反硝化所需碳源 4O%,在 C/N 比一定的情况下提高 TN 去除率;减少污泥生成量可达 50%;减少投碱量;缩短
6、反应时间,相应反应器容积减小,节省基建费用。针对这些新发现开发出多种生物脱氮新工艺。氧限制自养硝化反硝化(OLAND)工艺是由比利时Gent 微生物生态实验室开发的。该工艺技术关键是控制溶解氧浓度,使硝化过程仅进行到 NH4+氧化为 NO2-阶段。由于该过程缺乏电子受体,使得NH4+氧化产生的 NO2-直接氧化未反应的 NH4+而形成 N2。溶解氧浓度是硝化与反硝化过程中的重要因素。研究表明,低溶解氧下亚硝酸菌增殖速率加快,补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降,使得整个硝化阶段中氨氮氧化未受到明显影响,而亚硝酸氧化受到明显的抑制。研究表明,低氧下亚硝酸大量积累是由于亚硝酸菌对溶解氧的亲合力较硝酸
7、菌强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为 0.2-0.4 g/L,硝酸菌为 1.2-1.5 mg/L。OLAND 工艺就是利用这两类菌动力学特性的差异,实现了淘汰硝酸菌,使亚硝酸氮大量积累。 2.2 同时硝化反硝化 近年来好氧反硝化菌和异养菌的发现以及好氧反硝化、异养反硝化4等研究的进展,奠定了 SND 生物脱氮的理论基础。当好氧环境与缺氧环境在 1 个反应器中同时存在,硝化和反硝化在同 1 个反应器中同时进行称为同时硝化反硝化。同时硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中,如流化床、曝气生物滤池、生物转盘;也可以发生在活性污泥系统中,如曝气池、氧化沟。与传统生物脱氮工艺相比,SND 工艺具有明显的优越性
8、,主要表现在:硝化过程中碱度被消耗,而同步反硝化过程中产生了碱度,SND 能有效地保持反应器中 pH 稳定,而且无需另外添加碱,节省运行费用。SND意味着在同一反应器,相同的操作条件下,硝化反硝化能同时进行。如果能保证好氧反应器中一定效率的硝化反硝化反应同时进行,那么对于连续运行的 SND 工艺污水处理厂,可以省去缺氧池的费用,或至少减小其容积。对于仅由 1 个反应池组成的 SBR 反应器而言,SND 能够降低实现完全硝化反硝化所需的总时间。 3 可持续污水除磷工艺 典型的反硝化除磷工艺为 DEPHAONX。回流污泥完成在厌氧池中的放磷和 PHA 储备后在中间沉淀池中泥水分离;分离后的上清液直
9、接进入好氧固定膜反应池进行硝化;沉淀的污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧反应池内同时完成反硝化和摄磷(关键步骤);脱氮和摄磷后的混合液再进入曝气池再生(氧化细胞内残余的 PHA),使其在下一循环中发挥最大放磷和 PHA储备能力。该工艺不仅可以达到稳定的磷和氮的去除,而且还可以减少 50%的COD 需求量和减少 30%的需氧量以及减少 50%的产泥量。不仅如此,还避免了反硝化细菌和聚磷菌对有机物的竞争,也避免了两种细菌泥龄的差异。该工艺还可以抑制污泥膨胀的发生。系统适合 COD/N 较低的情形。当进5水 COD/N 较高时,由于缺乏足够的 NO3-,磷的去除不充分。这种情况下,在缺氧池后增加的好氧池
10、,可使剩余的磷通过 DPB 利用 O2 作为电子受体来去除。 4 城市污水可持续处理发展方向 (1)有机物尽可能实现能源化。污水中的有机物除满足反硝化脱氮和生物除磷碳源需要量外,多余的有机物应首先考虑将其转化为能源物质。 (2)推进氮、磷可持续转化途径。采取缩短硝化与反硝化路径可以降低耗氧量,采取生物脱氮与生物除磷有机结合的反硝化除磷工艺,既可以减少耗氧量,又可以将多余 COD 转化为有机能源,从而减少污泥量。 (3)从污水处理过程中回收磷。一方面全球目前正面临着磷矿产资源的日益匮乏,另一方面为控制水体富营养化而要求从污水中除磷,因此,有必要将污水除磷与回收磷进行统筹考虑。 (4)发展节省占地
11、型空间反应器。传统活性污泥法一般为平面布置,在设计时首先要考虑整个工艺的占地问题。因此,发展节省占地型生物反应器,或者向着“空间”反应器方向发展不但成为目前,也是今后污水处理工艺的重要工程应用方向。 (5)实现生态循环技术。污水中除了“水”这一污染物媒介主体具有回用价值外,污水中所含众多污染物也具有潜在的回收、利用价值。如果保留污水中的营养物质或在污水源头分离营养物质,那么不仅可以利用污水中的“水”资源,同时也利用了污水中的“肥”资源。 参考文献 1伊武军.资源、环境与可持续发展.北京:海洋出版社,2001. 62Jetten M S M, et a1. Towards a more sustainable municipal wastewater treatment system. Wat Sci Tech, 1997, 35(9): 171-180.
