廢水生物化脫氮

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簡介： 本論文介紹幾種常用的生物化脫氮工藝，其中有傳統(tǒng)脫氮工藝, A/O法, 氧化溝生物膜法, SBR法, DAT-IAT工藝等幾種。
關(guān)鍵字：生物化脫氮 A/O法 氧化溝生物膜法 SBR法 DAT-IAT工藝

廢水生物脫氮工藝的研究始于1930年，Wuhrmann在生物濾池的深處確認了硝化脫氮反應(yīng)，從而建立了“脫氮菌還原硝酸鹽作為供氫體有效利用細胞內(nèi)物質(zhì)的生物脫氮法”，即Wuhrmann處理法。1960年Bringmann開發(fā)了外加碳源的生物脫氮工藝。通過實際的運行及技術(shù)的不斷改進，近20多年來又開發(fā)和提出了以A/O、Bardenpho等為主的新型廢水生物脫氮工藝，并不斷地在實際工程中得到推廣應(yīng)用。這些工藝從碳源來說，可分為外加碳源工藝和內(nèi)碳源工藝；從硝化和反硝化過程在工藝流程中的位置，可分為傳統(tǒng)工藝和前置反硝化工藝；從處理工藝中微生物的存在狀態(tài)，可分為懸浮生長型和附著生長型。常用生物脫氮工藝介紹如下：

　　1.傳統(tǒng)脫氮工藝

　　活性污泥法脫氮的傳統(tǒng)工藝^[1]是在1969年美國的巴茨（Barth）提出的，被稱為三級活性污泥法，是以氨化、硝化和反硝化3步反應(yīng)過程為基礎(chǔ)建立起來的?；钚晕勰嗪杏袡C物降解菌、硝化菌和反硝化菌，它們分別在各自的反應(yīng)池內(nèi)生長繁殖，并且有各自的沉淀池和回流設(shè)施，如圖1.2所示。在實踐中還可采用兩級生物脫氮系統(tǒng)（如圖1.3所示），將前兩級BOD去除和硝化兩道反應(yīng)過程合在同一反應(yīng)器內(nèi)進行，第一級池去除BOD，將有機氮轉(zhuǎn)化為NH₃、NH₄⁺，同時使NH₃、NH₄⁺進一步氧化成NO_x^－-N。第二級池在缺氧條件下，將NO_x^－-N還原為氮氣，并逸出大氣，應(yīng)采取厭氧－缺氧的運行方式。碳源，既可投加CH₃OH（甲醇）作為外加碳源，亦可引入原廢水作為碳源。該工藝優(yōu)點反應(yīng)速率大，而且比較徹底。缺點是處理設(shè)施多，占地面積大，造價高，管理不夠方便，因此在實踐中采用比較少。

　　圖1.2 傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝（三級活性污泥法流程）

　　Figure1.2  the nitrogen removal technique of tradition active sludge technique

　　圖1.3 兩級生物脫氮工藝

　　Figure1.3  two level biological nitrogen removal technique

　　2. A/O法

　　A/O脫氮工藝^[2]是80年代初開發(fā)出來的工藝流程（圖1.4）。廢水經(jīng)預(yù)處理和一級處理后，首先進入缺氧池，利用氨化菌將廢水中有機氮轉(zhuǎn)化成NH₃-N，與原廢水中的NH₃-N一并進入好氧池。在好氧池中，除與常規(guī)活性污泥法一樣對含碳有機物進行氧化外，在適宜的條件下，利用亞硝化菌及硝化菌，將廢水中NH₃-N硝化生成NO_x^－-N。為了達到廢水脫氮的目的，好氧池中硝化混合液通過內(nèi)循環(huán)回流到缺氧池，利用原廢水中有機碳作為電子供體進行反硝化，將NO_x^－-N還原成氮氣。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，A/O系統(tǒng)不用投加外加碳源，可利用原廢水中的有機物作為碳源進行反硝化，達到同時降低COD和脫氮的目的。缺氧池設(shè)在好氧池之前，當(dāng)水中堿度不足時，由于反硝化可增加堿度，因而可以補償硝化過程中對堿度的消耗。A/O工藝只有一個污泥系統(tǒng)，混合菌群交替處于好氧和缺氧狀態(tài)，有機物濃度高低交替條件，有利于控制污泥膨脹^[12]。近十幾年來A/O工藝在國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展較快，被認為是解決城市污水及含氮工業(yè)廢水氮污染的有效工藝^[3]。

　　圖1.4 A/O法 

　　Figure 1.4  A/O technique

　　3. 氧化溝

　　氧化溝是上世紀50年代由荷蘭巴斯韋爾（Pasveer）開發(fā)出來的一種廢水生物處理技術(shù)，屬于活性污泥法的一種變型^[4]。其基本特征是曝氣池呈封閉、環(huán)狀跑道式，廢水和活性污泥以及各種微生物混合在溝渠中作不停地循環(huán)流動，完成對廢水的硝化與反硝化處理。生物氧化溝兼有完全混合式、推流式和氧化塘的特點。在技術(shù)上具有凈化程度高、耐沖擊、運行穩(wěn)定可靠、操作簡單、運行管理方便、維修簡單、投資少、能耗低等特點。氧化溝在空間上形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，具有良好的脫氮功能。以卡魯塞爾氧化溝為例，其是在每組溝渠的轉(zhuǎn)彎處安裝一臺表面曝氣機，靠近曝氣機的下游為富氧區(qū)，而上游為低氧區(qū)，外環(huán)還可能成為缺氧區(qū)，這樣形成了生物脫氮的環(huán)境條件。目前常用的氧化溝主要有多溝交替式氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、一體化氧化溝(見圖1.5)。

　　a 多溝交替式氧化溝               b卡魯塞爾氧化溝

　　c奧貝爾氧化溝                     d一體化氧化溝

　　圖1.5 氧化溝

　　Figure 1.5  oxidation ditch

　　4. 生物膜法

　　生物膜法是在20世紀70年代才發(fā)展起來的工藝，特點是微生物吸附在濾料或者其它載體上生長繁殖而形成生物膜，廢水中的有機污染物和空氣中的氧被污泥團或生物膜吸附并擴散其中，吸附后再由生物膜中的微生物的酶進行分解使廢水得到凈化^[5]。生物膜法比較有代表性的工藝有生物接觸氧化法、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物濾塔、生物流化床等。

　　由于微生物固著在填料上生長，不像活性污泥法中的懸浮生長微生物那樣承受強烈的曝氣攪拌沖擊，因而具有穩(wěn)定的生態(tài)條件，微生物易于生長繁殖。同時生物固體平均停留時間長，在生物膜中易于存活世代時間較長，增殖較慢的微生物，如硝化菌^[6]。生物膜成熟后，生物膜的厚度不斷加厚，生物膜內(nèi)側(cè)由于氧不能透入到形成厭氧性膜，為反硝化作用提供了場所。綜上所述，在適宜的條件下生物膜法可以實現(xiàn)生物脫氮效果。

　　5. SBR法

　　SBR法是在20世紀70年代逐漸發(fā)展起來的一種生物處理技術(shù)，以序批間歇式操作為主要特征^[7-8]。所謂序列間歇式有兩種含義，一是運行操作在空間上按序排列的、間歇的。由于廢水大多是連續(xù)排放，且流量波動很大，這使得SBR至少兩個池或者多個池，各個池按一定順序和周期運行，也是間歇的。二是運行操作在時間上也是按序排列的、間歇的。一般按運行次序分五個階段，即進水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置階段，稱為一個運行周期，如下圖所示。

　　進 水        反 應(yīng)         沉 淀         排 水          閑 置

　　圖1.6 SBR法工序

　　Figure1.6  SBR technique working procedure

　　循環(huán)周期和各個階段的運行時間及運行狀態(tài)都可以根據(jù)具體廢水水質(zhì)和出水要求靈活控制。例如，在進水階段，可以按限制性曝氣（進水期間不曝氣）運行，也可以按半限制性曝氣（進水到一半時開始曝氣）運行，還可以按非限制性曝氣（邊進水邊曝氣）運行；在反應(yīng)階段，可以一直曝氣，為了實現(xiàn)生物脫氮除磷也可以曝氣后攪拌或者曝氣攪拌交替進行；剩余污泥排放可以在排水階段或排水后期排放。只要我們有效調(diào)節(jié)好SBR運行周期、各階段運行時間和運行狀態(tài)就可以達到多種功能的要求。

　　6. DAT-IAT工藝^[9]

　　DAT-IAT工藝是SBR工藝繼ICEAS、CASS、CAST、IDEA法之后不斷完善發(fā)展起來的一種新工藝，其主體構(gòu)筑物由需氧池（Demand Aeration Tank,簡稱DAT）和間歇曝氣池（Intermittent Aeration Tank,簡稱IAT）串聯(lián)組成（如圖1.7所示）。廢水進入DAT池后，在DAT池內(nèi)與以前的混合液以及回流液完全混合，并進行連續(xù)曝氣，具有較高的溶解氧，細菌的活性非常強，大部分可溶性有機物被去除，它的反應(yīng)機制以及有機物的去除機理與連續(xù)流活性污泥法（CFS）基本相同，但是在DAT池內(nèi)有機物濃度要高于連續(xù)流活性污泥法，有機物負荷高，降解速率快。IAT池與典型的SBR池相似，包括曝氣、沉淀、排水、閑置四個階段，也可以根據(jù)實際需要增加攪拌階段，處理后的上清夜和剩余污泥均在IAT池內(nèi)排放，但與SBR法又有不同點，其進水是連續(xù)的。由于DAT池對水質(zhì)的調(diào)節(jié)、均衡作用，使得進入IAT池內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定，有機物負荷低，提高了系統(tǒng)對水量水質(zhì)變化的適應(yīng)性。同時，由于有機物濃度低，為硝化菌繁殖創(chuàng)造了條件，有利于硝化反應(yīng)進行。IAT池間歇曝氣，并根據(jù)需要增加厭氧攪拌，使得微生物處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物降解作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。IAT池中底部沉降的活性污泥大部分作為該池下個處理周期使用，一部分污泥用污泥泵連續(xù)打回DAT池作為DAT池的回流污泥，多余的剩余污泥引至污泥處理系統(tǒng)進行污泥處理。  

　　    曝氣  攪拌       曝氣  曝氣      曝氣  沉淀       曝氣  排水

　　 圖1.7 DAT-IAT工藝工序

　　Figure1.7  DAT-IAT technique working procedure

　　參考文獻

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　　[9] 張大群，王秀朵,DAT-IAT廢水處理技術(shù)(M),北京-化學(xué)工業(yè)出版社,2003；