城市污水生物脱氮除磷技术发展

内回流
厌氧
缺氧
好氧
二沉池
厌氧
缺氧
好氧
沉淀
缺氧
污泥回流
缺氧
图4 JHP工艺
• 而随着研究的深入，“聚磷菌释磷需绝对 厌氧环境（即DO≈0且NO3—Ｎ≈0 ）”的 认识被打破，人们发现通过补充碳源可以 缓解厌氧区反硝化与释磷之间的竞争，从 而保证脱氮除磷系统的稳定运行。于是改 善进水水质、改变进水方式成为第二种改 进思路。
• 因此设计中通常出水最高与最低水位之差 （即撇水高度）不超过池体总高的40 %， 一般取 2.0～2.2ｍ，安全高度一般取0.6～0.9 ｍ。由此，每个周期的处理量只占总反应 容积的30%～40%，降低了反应器的容积利 用率，因此处理城市污水时序批系统的停 留时间通常需要15～40hr。
• 其次，由于序批中循序出现厌氧—缺氧— 好氧环境，环境边界条件变化范围大，某 种环境下优势菌种的生化反应是一个渐变 和滞后发生的过程。Colunga对生物膜SBR反 应器除磷效果研究中发现，由于受前一个 周期好氧环境的影响，新周期中厌氧阶段 磷的释放现象滞后1小时出现，而且随好氧 阶段的开始，释磷立即停止，无形中缩短 了厌氧释磷实际反应时间。
从此之后，脱氮除磷被统一在一个系 统中，既简化了污水处理的操作，又 增加了处理工艺的功能。
• 然而实际应用表明脱氮与除磷之间存在一 些矛盾，很难在同一系统中同时获得氮磷 的高效去除。其中最主要的矛盾是厌氧环 境下反硝化与释磷对碳源的竞争。
• 根据生物除磷原理，在厌氧条件下，聚磷 菌通过菌种间的协作，将有机物转化为挥 发酸，借助水解聚磷释放的能量将之吸收 到体内，并以聚β羟基丁酸（PHB）贮存， 提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖 所需的磷源和能量。如果厌氧区存在较多 的硝酸盐，反硝化菌会以有机物为电子供 体进行反硝化，消耗进水中有机碳源，影 响厌氧产物PHB的合成，进而影响到后续除 磷效果。
• 在欧洲和美国已有 90多家污水处理厂正在 使用此项技术，还有很多Bio-Denipho氧化 沟处于设计和建造阶段。Bio-Denipho氧化 沟主要由四大部分组成：厌氧池，二沉池 和两个交替曝气或搅拌的氧化沟。以一个 反应周期为两小时的六阶段系统为例，各 反应阶段的流程如图8所示。
图8 Bio-Denipho工艺
• 3、尽可能减少剩余污泥排量，确保厌氧过 程的有效性，使得活性污泥中聚磷菌比例 超高，减少污泥量排出量可以实现除磷脱 氮的统一； • 4、在设置及控制除磷脱氮工艺时要尽可能 做到“碳—氧隔离”，也就是我过去几年 强调的通俗语言“碳不见氧，氧不见碳”。
• 5、同步硝化反硝化、好氧反硝化两种现象 值得进行一定的学术研究，甚至在个别情 况下（污水中内在碳源多余）可以用于工 程实践，但是不值得全面推行，原因是不 利于碳源高效利用且不利于曝气节能； • 6、短程反硝化、反硝化除磷（尤其是亚反 硝化除磷）是有望的实用技术，值得大力 研究开发及技术推广。
缺氧+厌氧
微氧
二沉池
厌氧
微氧
沉淀
污泥回流
图6 ECOSUNIDE工艺
• 《国家科技成果重点推广计划》项目
发明专利：“一 种污水生物处理 高效硝化工艺”
典型工艺流程
污水
尾水
二沉池
回流污泥
剩余污泥
厌氧区
缺氧区
好氧区
图3 ECOSUNIDE工艺流程 Fig.3 ECOSUNIDE process
以天津纪庄子污水厂为代表，该工艺在天津、山东、安徽、 云南多地多个大型污水处理厂正在应用。
• 这一点对于脱氮除磷工艺而言很有意义。 因为在城市污水厂运行中，常规连续流脱 氮除磷工艺往往因为设计时水质资料不准 确或进水水质波动较大等原因，造成资源 浪费或很难使实际运行结果达到既定目标。
• 目前文献报道的AAA工艺（Alternating Aerobic Anoxic Process）、T型、DE型（Bio-Denipho） 氧化沟、NOGCO—PLUS工艺[15]以及同济大 学顾国维等研究的MSBR都属于这种类型。它 们既保留了连续流工艺进出水连续的运行特点 又增加了系统的调节性。其中，Bio-Denipho氧 化沟是目前研究最多，应用最广的工艺。
• 尽管调节功能增强，序批式工艺也存在一 些明显的不足。首先，不论是SBR还是 CAST，绝大多数序批反应都是间歇进水间 歇排水的，为了实现连续运行，进出水往 往需要在几个序批反应器之间频繁切换。
• 进水出水期间，反应器内的水位处于一种 动态的变化之中，为了确保出水时池底沉 淀的污泥不会因水位逐渐下降受到扰动， SBR容积设计中需要留有贮泥容积并在排水 的最低水位与污泥泥面水位之间留有一定 安全距离。
内回流
二沉池
厌氧
缺氧1
缺氧2
好氧
沉淀
内回流 污泥回流
图3 MUCT工艺
MUCT工艺有两个缺氧池，前一个接受二 沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液， 使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减 少硝酸盐进入厌氧区的可能。
JHB工艺是在Ａ2/Ｏ工艺的厌氧区污泥回流线路中增加
了一个缺氧池，以减少回流污泥中硝酸盐的含量（图 4）。
• 一般而言，要同时达到氮磷的去除目的， 城市污水中碳氮比(COD/TKN）至少为 9。 当城市污水中碳源低于此要求时，由于大 多数处理工艺流程都把缺氧反硝化置于厌 氧释磷之后，反硝化效果受到碳源量的限 制，大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污 泥进入厌氧区，干扰厌氧释磷的正常进行， 最终影响到整个营养盐去除系统的稳定运 行。
单泥系统
• 单泥反硝化除磷脱氮系统主要由中国矿 业大学环境工程学科研究开发 。 • 至目前为止，中国矿业大学在原3项国 家发明专利基础上，又获得了反硝化除磷 相关的4项国家发明专利。
多级厌氧好氧并流尾端缺氧活性污泥法工艺
多级缺氧厌氧循环尾端缺氧活性污泥法工艺
缺氧好氧循环活性污泥法工艺
• 最新通知一种中位沉淀污水处理工艺 | 2012-7-12 | 201210240713.6 已经授权
图8 MSBR流程图
• 序批式单泥反硝化除磷工艺
进水出水
混合
沉淀
我的几点认识：
• 1、正确理解好氧、缺氧、厌氧三个核心过 程； • 好氧=有氧（微氧也算） • 缺氧=无氧+丰富氧化剂（硝态氮等） • 厌氧=无氧+无氧化剂
• 2、正确设置及控制好氧、缺氧、厌氧三个 核心过程； • 好氧尽可能控制在低氧状态，尾端要求 无氧； • 缺氧反应时间要充足，缺氧池要足够大， 缺氧池要控制在无氧。 • 厌氧要尽可能减少硝态氮的影响，厌氧 池要求不得有氧，厌氧池的搅拌要符合以 上要求。
• 为了改善城市污水脱氮除磷系统在进水碳 源不足时的处理效果，研究者们进行了大 量工艺改进，归纳下来主要有以下三种思 路。
• 第一种思路是改进污泥回流路线或增加反 硝化环节，以控制厌氧区回流污泥中的硝 酸盐含量。UCT、VIP、JHB等工艺都属于 这种思路的产物。南非Cate Town大学的 UCT工艺将Ａ2/Ｏ中的污泥回流由厌氧区改 到缺氧区，使污泥经反硝化后再回流至厌 氧区，减少了回流污泥中硝酸盐含量（图 2）。
城市污水处理除磷脱氮技 术的发展 中国矿业大学张雁秋 2013年源自月25日于徐州1 前言
• 生物脱氮除磷技术（Biological Nutrient Removal）的研究和应用已逾40年，在工艺 形式和工艺流程上都发生了一系列革新， 新工艺层出不穷。尤其是近年来，自控技 术在城市污水处理领域的广泛应用，更促 进了生物脱氮除磷技术向高效低能耗方向 的发展。
随着除磷研究在微生物学领域的深化， 研究者发现一些聚磷菌在氧化PHB的过程 中能以硝酸盐代替氧作电子受体，实现同 时反硝化和过度摄磷，即所谓“一碳（指 PHB）两用”。这对于解决除磷系统反硝 化碳源不足的问题和降低系统的充氧能耗 都具有一定的意义。于是产生了第三种改 进思路—反硝化除磷系统。
双泥系统
•
因此，如何确定合理的泥龄是提高除磷 脱氮效率的技术关键。不可只偏重于其中 一个方面。 • 在特殊的情况下，可以改变泥龄的长短 来调节除磷脱氮的重心。
2
连续流脱氮除磷工艺的 革新与发展
• 连续流脱氮除磷工艺的发展主要是围绕 着在同一污水处理系统中实现脱氮与除 磷所存在的矛盾展开的。最初，脱氮和 除磷是在不同的生物处理工艺中实现的。
内回流
厌氧
缺氧
好氧
二沉池
厌氧
缺氧
好氧
沉淀
内回流
污泥回流
图2 UCT工艺
• 与Ａ2/Ｏ工艺相比，在适当的COD/TKN比 例下，缺氧区的反硝化可使厌氧区回流污泥 中硝酸盐含量接近于0。当进水COD/TKN较 高时，缺氧区无法实现完全的脱氮，仍有部 分硝酸盐进入厌氧区，因此又产生改进UCT 工艺(MUCT）（图 3）。
竹石和夫提出可以将厌氧区进水部分分流到缺氧区， 以兼顾了除磷和反硝化的碳源需求，提高系统除磷脱
氮的整体效果(图5）。
厌氧 好氧
缺氧
好氧
二沉池
厌氧 好氧
缺氧
好氧
沉淀
内回流 污泥回流
图5 竹石和夫工艺
中国矿业大学张雁秋等根据他本人提出的统一动力学理 论，提出了通过促进弱势种群-消化菌种群密度促进消化速度 的猜想，并提出了ECOSUNIDE工艺（见图6），实现了3.1 小时曝气将氨氮从35毫克/升脱除95%以上的高效硝化效果。
• 除磷脱氮工艺在涉及泥龄上的矛盾： • 1）除磷需要泥龄短 • 生物除磷主要靠排出剩余污泥而带走磷， 因此，如要除磷效率高，就必须加大污泥 排泥量。
• 从θ =VX/Δ X 可以看出，VX是系统效率的 基本参数， Δ X可以看作变量，调整Δ X可 以调整泥龄。
• 2）脱氮需要泥龄长 • 脱氮的关键步骤是硝化，消化过程不充 分，则无法提高脱氮效率。 • 但是，硝化菌（包括亚消化菌）是一类增 值速度较慢的微生物，所需要的世代时间 比较长，通常需要3-5天，因此在泥龄短的 系统中，硝化菌量极少。