同步脫氮除磷工藝是具有同步脫氮、除磷為目的工藝，例如我們常用的AAO、氧化溝等工藝，但是，在實(shí)際運(yùn)行過程中，同步脫氮除磷技術(shù)還存在一些問題，會導(dǎo)致氨氮與TP的交替超標(biāo)。

1、泥齡問題

作為硝化過程的主休,硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌.這類微生物的一個(gè)突出特點(diǎn)是繁殖速度慢,世代時(shí)間較長.在冬季,硝化菌繁殖所需世代時(shí)間可長達(dá)30d以上;即使在夏季,在泥齡小于5d的活性污泥中硝化作用也十分微弱.聚磷菌多為短世代微生物,為探討泥齡對生物除磷工藝的影響,Rensink等(1985年)用表1歸納了以往的研究成果,并指出降低泥齡將會提高系統(tǒng)的除磷效率。

由表1可見聚磷微生物所需要泥齡很短。泥齡在3.0d左右時(shí),系統(tǒng)仍能維持較好的除磷效率.此外,生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥.為了保證系統(tǒng)的除磷效果就不得不維持較高的污泥排放量,系統(tǒng)的泥齡也不得不相應(yīng)的降低.顯然硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在著矛盾.若泥齡太高,不利于磷的去除;泥齡太低,硝化菌無法存活,且泥量過大也會影響后續(xù)污泥處理.針對此矛盾,在污水處理工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中,一般所采用的措施是把系統(tǒng)的泥齡控制在一個(gè)較窄范圍內(nèi),兼顧脫氮與除磷的需要.這種調(diào)和,在實(shí)踐中被證明是可行的。

為了能夠充分發(fā)揮脫氮與降磷兩類微生物的各自優(yōu)勢,可采取的其它對策大致上有兩類。

第一類是設(shè)立中間沉淀池,搞兩套污泥回流系統(tǒng)使不同泥齡的微生物居于前后兩級(見圖1),第一級泥齡很短,主要功能是除磷;第二級泥齡較長,主要功能是脫氮.該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成功地把兩類泥齡不同的微生物分開.但是,這類工藝也是存在局限性.第一,兩套污泥回流系統(tǒng),再加上中間沉淀池和內(nèi)循環(huán),使該類工藝流程長且比較復(fù)雜.第二,該類工藝把原來常規(guī)A2/O工藝中同步進(jìn)行的吸磷和硝化過程分離開來,而各自所需的反應(yīng)時(shí)間又無法減少,因而導(dǎo)致工藝總的停留時(shí)間變長.第三,該工藝的第二級容易發(fā)生碳源不足的情況,致使脫氮效率大受影響.此外,由于吸磷和硝化都需要好氧條件,工藝所需的曝氣量也可能有所增加。

第二類方法是在A2/O工藝好氧區(qū)的適當(dāng)位置投放填料.由于硝化菌可棲息于填料表面不參與污泥回流,故能解決脫氮除磷工藝的泥齡矛盾.這種作法的優(yōu)點(diǎn)是既達(dá)到了分離不同泥齡微生物的目的,又維持了常規(guī)A2/O工藝的簡捷特點(diǎn)。

但是該工藝也必須解決好以下幾個(gè)問題:①投放填料后必須給懸浮性活性污泥以優(yōu)先的和充分的增殖機(jī)會,防止生物膜越來越多而MLSS越來越少的情況發(fā)生;②要保證足夠的攪拌強(qiáng)度,防止因填料截留作用致使污泥在填料表面間大量結(jié)團(tuán);③填料投放量必須適中,投放量太少難以發(fā)揮作用,太多則難免出現(xiàn)對污泥的截留.此外,填料的類型和布置方式都應(yīng)作慎重考慮。

2、碳源問題

碳是微生物生長需要要最大的營養(yǎng)元素.在脫氮除磷系統(tǒng)中,碳源大致上消耗于釋磷,反硝化和異養(yǎng)菌正常代謝等方面.其中釋磷和反硝化的反應(yīng)速率與進(jìn)水碳源中的易降解部分,尤其是揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸(VFA)的數(shù)量關(guān)系很大. 一般來說,城市污水中所含的易降解COD的數(shù)量是十分有限的,以VFA為例,通常只有幾十mg/L.所以在城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)的釋磷和反硝化之間,存在著因碳源不足而引發(fā)的競爭性矛盾。

解決這一問題一般需要從兩個(gè)方面來考慮.一是從工藝外部采取措施,增加進(jìn)水易降解COD的數(shù)量,例如取消初沉池,污泥消化液回流,將初沉池改為酸化池等都有一定作用,還可考慮外加碳源的方法.二是從工藝內(nèi)部考慮,權(quán)衡利弊,更合理地為反硝化和釋磷分配碳源,常規(guī)脫氮除磷工藝總是優(yōu)先照顧釋磷的需要,把厭氧區(qū)放在工藝的前部,缺氧區(qū)置后.這種作法當(dāng)然是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提.但是,釋磷本身并不是脫氮除磷工藝的最終目的.就工藝的最終目的而言.把厭氧區(qū)前置是否真正有利,利弊如何,是值得進(jìn)一步研究的.根據(jù)對厭氧有效釋磷可能并不是好氧過度吸磷充分必要條件的新認(rèn)識,倒置A2/O工藝(見圖3)將缺氧區(qū)放在工藝最前端,厭氧區(qū)置后。經(jīng)過這種改變,脫氮菌可以優(yōu)先獲得碳源,反硝化速率得到大幅度提高.同時(shí),原來困擾脫氮除磷工藝的硝酸鹽問題不存在了,所有污泥都將經(jīng)歷完整的釋磷和吸磷過程,除磷能力不僅未受影響,反而有所增強(qiáng)。這種新的碳源分配方式對脫氮除磷工藝的實(shí)踐和機(jī)理研究都有重要意義。

3、硝酸鹽問題

在常規(guī)A2/O工藝中,由于厭氧區(qū)在前,回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區(qū).硝酸鹽的存在嚴(yán)重影響了聚磷蓖的釋磷效率,尤其當(dāng)進(jìn)水中VFA較少,污泥的含磷量又不高時(shí),硝酸鹽的存在甚至?xí)?dǎo)致聚磷菌直接吸磷.所以在常規(guī)A2/O工藝框架下,如何避免硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)干擾釋磷一度成為研究熱點(diǎn),并圍繞這一問題產(chǎn)生了諸如UCT工藝,JHB工藝,EASC工藝等,其中最著名的應(yīng)屬UCT工藝(如圖4) 。

解決硝酸鹽問題的關(guān)鍵是如何在回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)之前,設(shè)法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉.一種方法是在回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)之前,先進(jìn)處一個(gè)附設(shè)的缺氧池,在這個(gè)缺氧池中回流污泥攜帶的硝酸鹽利用污泥本身的碳源反硝化。由于沒有外加碳源, 這種反硝化實(shí)際上多屬內(nèi)源代謝, 因此反硝化速率不高。作為對第一種方法的改進(jìn), 另一種方法通過投加外加碳源或引入一部分污水來提高附設(shè)缺氧池的反應(yīng)速率。

UCT 工藝另辟蹊徑, 把常規(guī) A2/ O 工藝的缺氧區(qū)分為前后兩個(gè)部分( 如圖 4) 。內(nèi)循環(huán) 1 將硝化液從好氧區(qū)( O) 回流至缺氧區(qū)( A2) , 內(nèi)循環(huán)2將A2區(qū)前部的混合液循環(huán)至A1區(qū), 回流污泥不是直接進(jìn)入A1區(qū), 而是先進(jìn)入A2區(qū)前部。這種作法實(shí)際上是劃出一個(gè)小的缺氧區(qū)專門消耗回流污泥中的硝酸鹽, 故避免了回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區(qū)的沖擊,改善了聚磷菌的釋磷環(huán)境。但是, 進(jìn)入A2區(qū)前部的回流污泥實(shí)際上只有一小部分由內(nèi)循環(huán)2運(yùn)至A1區(qū), 其余大部分未經(jīng)釋磷直接進(jìn)入后續(xù)工藝。也就是說, 在所排除的剩余污泥中只有一小部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷全過程, 其實(shí)際除磷效果可能因此而大受影響。常規(guī)A2/O工藝實(shí)際上也存在類似缺陷。

4、系統(tǒng)的硝化和反硝化容量問題

硝化和反硝化是生物除磷脫氮系統(tǒng)密不可分的兩個(gè)過程。硝化不充分, 出水氨氮必然升高, 反硝化能力也發(fā)揮不出來; 反硝化不充分出水硝酸鹽就會上升。怎樣配置恰當(dāng)?shù)南趸头聪趸萘? 充分發(fā)揮它們的潛力, 是脫氮除磷工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行的一個(gè)重要問題。系統(tǒng)的硝化和反硝化能力首先是決定于各自相應(yīng)區(qū)域的水力停留時(shí)間( 或有效容積) 。對于城市污水來說, 一般夏季的反硝化和硝化分別需要 1~ 2h和 3~ 4h, 考慮冬季低溫的影響通常確定反硝化時(shí)間為2~3h, 硝化時(shí)間為5~ 6h。決定硝化和反硝化能力的第二個(gè)因素是工藝布置形式。例如和常規(guī) A2/O工藝相比, 缺氧區(qū)前置的倒置A2/ O工藝可明顯提高系統(tǒng)反硝化能力。而在好氧區(qū)適當(dāng)投放填料則會提高系統(tǒng)的硝化能力。

通過改變運(yùn)行參數(shù)也可以對系統(tǒng)的硝化和反硝化能力進(jìn)行調(diào)整。延長泥齡, 加強(qiáng)曝氣和攪拌, 有利于提高好氧區(qū)的硝化能力; 適當(dāng)縮短泥齡, 降低溶解氧水平, 則有利于提高系統(tǒng)的反硝化能力。

對于前置反硝化來說, 內(nèi)循環(huán)比是十分重要的運(yùn)行參數(shù), 對硝化、反硝化以及釋磷、吸磷都有重要影響。表面上, 內(nèi)循環(huán)是把硝化液從硝化區(qū)回流至反硝化區(qū)。在一定范圍內(nèi), 內(nèi)循環(huán)比越大, 出水硝酸鹽越少。但是, 內(nèi)循環(huán)給系統(tǒng)帶來的一個(gè)不可忽視的問題是, 硝化液中的溶解氧對缺氧環(huán)境具有破壞作用。當(dāng)存在溶解氧時(shí), 脫氮菌總是優(yōu)先利用游離氧作為電子受體氧化有機(jī)物, 反硝化過程因而被阻礙。而且, 隨著內(nèi)循環(huán)加大, 系統(tǒng)中的短流現(xiàn)象也會越來越明顯。所以即使不考慮動力消耗, 內(nèi)循環(huán)比也不宜過大。此外, 對于常規(guī) A2/ O 工藝, 若內(nèi)循環(huán)比過大, 則參與釋磷吸磷過程的污泥比例將會嚴(yán)重減少, 影響除磷效率。因此, 對于一定的工藝系統(tǒng),內(nèi)循環(huán)比應(yīng)有一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶? 并隨水質(zhì)、水量和溫度的變化而適當(dāng)調(diào)整。

5、釋磷與吸磷的容量問題

釋磷和吸磷是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)過程。一般認(rèn)為, 聚磷菌只有經(jīng)過充分的厭氧環(huán)境并釋磷才能更好地吸磷, 而且, 也只有吸磷良好的聚磷菌才會在厭氧或缺氧條件下大量釋磷。關(guān)于釋磷、吸磷的機(jī)理至今還有許多方面尚未研究清楚。對于運(yùn)行良好 城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)來說, 一般夏季的釋磷和吸磷時(shí)間分別需要115~ 215h和2~ 3h, 冬季低溫環(huán)境下兩者所需的時(shí)間均應(yīng)適當(dāng)延長。

在 A2/O工藝中, 吸磷和硝化是同步進(jìn)行的, 而硝化時(shí)間較長, 故吸磷容量通常不成問題。從系統(tǒng)的角度看, 微生物的厭氧釋磷過程似更為關(guān)鍵。以往關(guān)于厭氧釋磷過程時(shí)間的確定, 多是就釋磷本身以釋磷曲線為依據(jù)進(jìn)行研究的。但是, 釋磷并不是處理系統(tǒng)的最終目的, 當(dāng)把釋磷和吸磷過程以及最終的除磷效果聯(lián)系起來進(jìn)行考察時(shí)就會發(fā)現(xiàn), 單純按照上述方法來確定厭氧區(qū)的HRT是不充分的。根據(jù)有關(guān)厭氧歷時(shí)對除磷效率影響的研究表明: 在一定范圍內(nèi), 適當(dāng)延長厭氧反應(yīng)時(shí)間, 降低厭氧區(qū)氧化還原電位, 可以明顯提高系統(tǒng)的除磷效率。因此, 脫氮除磷工藝厭氧區(qū)的HRT 還應(yīng)進(jìn)一步延長, 例如夏季采用2~3h, 冬季采用3~4h。

編輯：趙凡