强化低碳源污水脱氮除磷技术研究进展

第41卷第13期2013年7月广州化工

Guangzhou Chemical Industry Vol.41No.13July.2013

强化低碳源污水脱氮除磷技术研究进展

衣兰凯1，赵乐乐2，许运良

2

(1中国民航机场建设集团公司，北京100101;2中国·城市建设研究院，北京100120)摘

要：低碳源污水已经成为污水脱氮除磷的一大瓶颈，影响污水处理达标排放，强化低碳源污水脱氮除磷技术已经成为

水处理行业的研究热点。概括了外加碳源、取消化粪池、污泥水解酸化、磷回收和新工艺等技术策略以强化脱氮除磷效果，展望将来主要研究方向，以期为低碳源污水处理提供参考。

关键词：低碳源污水；脱氮除磷；反硝化除磷；活性污泥；磷回收中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1001－9677（2013）13－0053－03

作者简介：衣兰凯（1985－），男，硕士，主要从事给排水设计及研究。

赵乐乐（1986－），女，博士，主要从事给排水设计及研发。

Progresses on the Technology of Nitrogen and Phosphorus

Ｒemoval for Sewage with Low Carbon Source

YI Lan －kai 1，ZHAO Le －le 2，XU Yun －liang 2

（1China Airport Construction Group Corporation ，Beijing 100101；

2China Urban Construction Design ＆Ｒesearch Institute ，Beijing 100120，China ）

Abstract ：The sewage with low carbon source was becoming an issue for nitrogen and phosphorus removal impacting wastewater treatment.Therefore ，the enhancing nitrogen and phosphorus removal technology was the experts focus.Exter-nal carbon source ，canceling septic －tank ，sludge hydrolysis and acidification ，phosphorus recovery and new technology was summarized to enhance nitrogen and phosphorus removal ，and the major research direction was prospected to provide the method of the sewage with low carbon source.

Key words ：sewage with low carbon source ；nitrogen and phosphorus removal ；denitrifying phosphorus removal ；activated sludge ；phosphorus recovery

污水传统脱氮除磷原理表明，传统反硝化菌和聚磷菌均为异养菌，其生长需要足够的外部碳源，碳源上两者形成竞争关系；而硝化菌世代时间较长，而聚磷菌世代时间较短，两者在污泥龄上又存在矛盾，因此强化脱氮除磷效果就是主要调和上述两种竞争关系。我国典型城市生活污水属于低碳源污水（COD ＜200mg /L 、COD /TN ＜5、COD /TP ＜25），对城市污水

处理厂达标排放的任务是一大瓶颈［1］

，研究低碳源污水脱氮除磷技术和策略已经成为水处理行业的一大热点。

为此，本文概括了外加碳源、取消化粪池、污泥水解酸化、磷回收和新工艺等强化脱氮除磷效果的技术策略，展望将来主要研究方向，以期为低碳源污水处理提供参考。

1外加碳源

污水常规生物脱氮除磷过程表明，碳源是聚磷菌和反硝化菌电子供体，针对低碳源污水，外加碳源无疑是最为直接的方式，通常向厌氧池或缺氧池投加葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠、天然植物或工业有机废水等碳源，提高污水的C /N 和C /P 比例，强化生物脱氮效果。

杨敏等［2］

对不同外加碳源的反硝化效能与技术经济性进行分析，结果显示，对于乙醇、乙酸和乙酸钠三种易降解外部碳

源，乙酸钠最省，反硝化COD /TN 约为3.66；投加成本，乙醇

最省（15.08元/kgNO －

3－N ），综合技术经济因素，乙酸是最

佳的投加碳源。肖蕾等［3］

对现有人工湿地反硝化碳源补充材料的优缺点进行分析，提出使用混合碳源和优化投加方式强化脱

氮效果。孙慧等［4］

考察外加碳源对反硝化除磷的影响，投加碳源在提高反硝化脱氮的同时，也会对反硝化吸磷产生不利影响，在实际运行过程中要合理控制碳源投加量，以恰好满足生

物脱氮需求为最佳值。杨巧林等［5］

对比甲醇、乙醇、乙酸、葡萄糖和麦芽糖对生物脱氮的强化作用，综合考虑运行效果、安全性、供应和成本因素，发现葡萄糖是最合适的外加碳源。

投加外碳源固然可以强化生物脱氮除磷效果，但也存在各种问题，液体碳源运输困难，甲醇等有较大毒性，天然固体有机碳源与微生物结合力相对较弱，处理效果受温度影响大。鉴于投加外碳源直接增加污水处理厂的运行管理费用，这种强化生物脱氮除磷效果的方法已逐步摈弃。

2取消化粪池

化粪池主要设置在排水系统不完善、污水处理厂建设相对滞后的地区，其主要作用是通过截留和沉淀杂质，在池内经过厌氧消化后处理部分有机物，保证排水管道顺畅，杀灭污水中

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的病毒和寄生虫，作为局部处理构筑物广泛应用于生活粪便污水的处理，对保护水体起到了举足轻重的作用。

然而，随着我国经济环境快速发展，化粪池的弊端逐步显现［6］。首先，大量化粪池投入运行后，运行管理跟不上，发现堵塞时才进行清理，对周围环境造成较大影响；其次，在小区建筑物周围设置化粪池，增加占地、布置分散、其他管线布置困难；最后，化粪池去除部分有机物（10% 20%），降低原污水的有机碳源，不利于污水处理厂生物脱氮除磷；影响污水厂运行，由于减少了污水中有机物含量，不利于细菌培养。鉴于上述原因，广州市旧城区实施取消或者改造化粪池的措施，自2006年起，新建楼盘不设化粪池［7］；杭州在国内率先出台《杭州市无化粪池污水管道设计与养护技术规程》（HZCG06－2006），对化粪池设置做了明确规定［8］。

生活污水经污水处理厂集中处理是目前城市污水处理的主要发展方向，取消化粪池可变分散处理为集中处理，然而，取消化粪池需要有相应的基础设施配套和相应政策来支撑。首先，城市排水管网设施健全，能容纳新增污水排放要求；其次，排水管道的设计与养护有明确的技术规程，政府监管有力；最后，居民应形成良好的生活习惯，避免将固体物质和难生物降解垃圾排入排水管道。因此，建议有条件的地区取消化粪池，以增加污水有机成分，强化污水脱氮除磷效果。

3污泥水解酸化

污泥水解酸化工艺是利用产酸性厌氧和兼性细菌，可将污水中大分子有机物分解成小分子有机物，将不溶解性有机物水解成可溶解性物质，提高污水的可生化性。污泥水解酸化可以补充进水中的碳源，提高生物脱氮除磷效果，对污泥进行减量和资源化，已成为研究热点。根据污泥来源不同，分初沉污泥和剩余污泥两种。

初沉污泥中富含原水中蛋白质、脂肪和碳水化合物，在初沉池内短时间沉淀后排出，经过发酵后产生易被微生物利用的可挥发性有机酸（VFAs），VFAs多少直接决定生物除磷效率。Bouzas等［9］研究初沉污泥发酵产物VFAs影响因素，结果显示较高的进水悬浮物能提高VFAs产量，当污泥龄超过6天时，延长污泥龄对VFAs产量提升并不明显；小于4天时，会明显影响VFAs产量。初沉污泥水解酸化已经工程化，瑞典Klagsh-amn污水处理厂［10］和加拿大Bonnybrook污水处理厂［11］均利用初沉污泥水解酸化来补充污水碳源，强化污水脱氮除磷。

与初沉污泥相比，剩余污泥水解酸化具有数量稳定、产物利用率较高、有利于工艺聚磷菌聚集等明显优势，其主要成分为碳水化合物、蛋白质和脂肪，所占比例分别为50.2%、26.7%和20%，三类物质可被微生物分解产生大量的溶解性COD和高浓度的VFAs［12］。当前，剩余污泥水解发酵补充进水有机物更受水处理者青睐。

刘智晓等［13－14］研究污泥作为污水厂内碳源的水解特性及工艺选择，并利用侧流活性污泥水解技术强化低碳源条件下生物脱氮除磷，并将该技术成功应用于巢湖流域某污水处理厂。黄祥荣等［15］针对低碳源城市污水脱氮难的问题，设计了水解/缺氧悬浮填料移动床/好氧（H/AMBBＲ/O）组合工艺，研究了其主要影响因素及最佳参数值下的处理效果，当水解池、AMBBＲ、好氧池的水力停留时间分别为2.5h、3h、6h，硝化液回流比为300%，填料投配率为30%，水解池的污泥回流频率为4次/天、回流量为5L/次时，组合工艺的处理效果最佳，将二沉池污泥回流至水解池，既增加了反硝化的碳源，又实现了污泥的减量化，减量率达56%以上。4磷回收

水将原污水中颗粒性有机物予以水解/酸化可以释放一定量的挥发性有机酸（VFAs），但这并不会增加进水中总的有机物含量；只要进水中总的COD/P（或COD/N）比值已经成为限制性因子，水解/酸化对生物脱氮除磷的促进作用则十分有限［16］。

由氮磷等营养元素引发的水体富营养化正日益加剧，水体中过量的磷可导致水生生物特别是藻类大量繁殖，使生物种群种类数量发生改变，破坏水体生态平衡；另一方面，目前全球范围内存在着磷资源匮乏和水体富营养化的矛盾，磷是一种不可再生、不可替代的自然资源，全球陆地上总磷储量虽然在数量上还可能维持人类再使用上百年的时间，但依靠现有开采技术，可经济开采出的磷矿实际上只有50年左右的使用时间［17］。

从污水中进行磷回收起到一箭双雕作用，将污水中磷变废为宝。磷回收方法一般是抽取工艺中的厌氧池上清液，利用化学沉淀、结晶技术和离子交换等技术将富磷上清液中的磷从污水中分离，剩余上清液回流到处理构筑物，不仅减少污水中磷负荷，而且可将磷元素用于化肥生产等。

胡学斌等［18］利用SBＲ工艺辅以污泥外循环厌氧释磷后排放富磷上清液的方式，对低碳源污水脱氮除磷效果进行试验研究，结果表明，回流至SBＲ反应器厌氧段的外循环释磷污泥，可以利用SBＲ系统的硝酸盐进行反硝化吸磷，保证了系统的除磷效果，出水水质达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的要求。黄健等［19］通过抽取不同量的厌氧池末端富磷上清液至化学除磷池，来研究系统的脱氮除磷效果及磷回收情况。最佳化学除磷比为15%，此时出水总磷浓度在0.5mg/L以下，出水水质达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级A标准；同时，回收的磷量可达到进水磷量的23% 29%，既可以增加污水处理厂的经济效益，又实现了磷的可持续发展。郝晓地等［20］以一营养物（BNＲ）去除工艺为研究对象，分别试验与模拟研究通过厌氧上清液侧流磷回收和外加碳源方式对低碳源污水生物除磷的强化作用。试验结果与模拟预测双双显示，对COD/P=50的真实生活污水实施30%厌氧上清液旁路磷沉淀，可明显强化生物除磷作用，使出水TP浓度从碳源抑制时的1.8mgP/L下降至 0.5mgP/L。侧流磷回收不仅可回收40%的进水磷负荷，亦可以节省27%外加碳源。

5新技术

21世纪以来，高效低耗水处理新技术弊端问世，出现反硝化除磷技术、厌氧氨氧化技术、中温亚硝化、生物膜内自养脱氮技术和短程硝化反硝化等，为强化低碳源脱氮除磷提供新思路。

5.1厌氧氨氧化技术

在厌氧条件下氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体直接被氧化到氮气的过程。厌氧氨氧化菌为自养菌，无需供应氧气，无需有机碳源，二氧化碳或碳酸盐为其提供无机碳源；厌氧氨氧化菌生长慢，差率较低，所产生的剩余污泥量较少。但，厌氧氨氧化菌培养时间较长，系统启动慢，最适温度较高（30 43?），这些缺陷阻碍了其发展。

李亚峰等［21］研究碳源对厌氧氨氧化脱氮性能试验研究，无机碳源对其影响主要起提供碳源和调节反应器pH的综合作用，较高浓度的COD对厌氧氨氧化反应具有抑制作用。吴鲜梅

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等［22］在（34?1）?，进水pH为7.40 7.64，DO≤0.1mg/L 条件下，接种厌氧氨氧化污泥，厌氧膨胀颗粒污泥床成功启动。

5.2中温亚硝化（Sharon）技术

常规反硝化过程是将氨氮氧化为亚硝氮，进而氧化为硝酸氮，硝酸氮在反硝化菌作用下脱氮，而中温亚硝化技术则是利用温度高（35?）有利于亚硝化菌增值这一特点，是硝化菌失去竞争力，该工艺与厌氧氨氧化技术结合适合处理高浓度氨氮，高温废水，例如污泥消化液。钟琼等［23］在进水pH=7.6，氨氮浓度750mg/L时，顺利启动sharon反应器，匹配厌氧氨氧化工艺，反应稳定运行。

5.3生物膜内自养脱氮工艺（CANON）

其原理为生物膜内亚硝酸细菌在好氧下把氨氧化成亚硝酸盐；厌氧氨氧化菌在厌氧条件下把氨和亚硝酸盐转化成氮气；利用亚硝酸细菌和厌氧氨氧化菌的协同作用，最终把氨氧化成氮气。CANON工艺反应无需有机碳源，能够在完全无机的条件下进行，可以节省100%外碳源和63%的供气量。刘涛等［24］研究CANON工艺在常温低氨氮基质条件下的宏观运行效能与微观生态系统研究，通过调节曝气量和水力停留时间实现工艺在不同进水氨氮浓度下的稳定运行。

6展望

低碳源污水脱氮除磷已经引起水处理专家的关注，强化其效果保证污水达标排放，保护水体已成为当务之急。在当前大力提倡绿色环保、低碳能耗的背景下，我国大部分污水处理厂面临升级改造，所采取的的技术措施应尽量遵循技术经济比较确定。反硝化除磷技术、厌氧氨氧化技术、中温亚硝化、生物膜内自养脱氮技术和短程硝化反硝化等技术具有耗能低、所需有机物较少等优势无疑将成为未来污水处理的发展方向。不管采用哪种技术措施强化低碳源污水脱氮除磷，运营者应首先掌握相关工艺运行管理常识，让这些工艺的最大优势得以充分体现。

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