彭永臻：新型生物脫氮除磷能否解決污水處理瓶頸？
時(shí)間：2020-11-18 16:57
來源：工業(yè)水處理
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現(xiàn)在城市污水處理有兩大難題。第一污水脫氮除磷難。第二污水處理廠的優(yōu)化和節(jié)能降耗。因?yàn)槌鞘形鬯\(yùn)營費(fèi)用非常高，節(jié)能降耗是永恒的主題。另外隨著中國污水處理率的提高，黑臭水體的解決，氮磷超標(biāo)排放日益嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)化日益普遍。風(fēng)險(xiǎn)化成為全球性的水污染問題�？梢哉f脫氮除磷成為當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的重大問題，特別是城市污水。
我們國家水污染中脫氮除磷存在的問題。我國大多數(shù)的污水處理廠都沒有達(dá)到一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中瓶頸問題是總氮沒有達(dá)標(biāo)。我國的污水處理標(biāo)準(zhǔn)過嚴(yán)了，不是這樣，達(dá)到一級A的標(biāo)準(zhǔn)，仍然遏制不了富營養(yǎng)化的蔓延。我國應(yīng)該針對敏感水環(huán)境區(qū)域制定更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。太湖、環(huán)渤海周邊等要制定嚴(yán)于國家一級A標(biāo)準(zhǔn)的排放。
還有另外一種情況，有些地區(qū)流域真沒有必要到一級A的標(biāo)準(zhǔn)。臺灣不用搞脫氮除磷，臺灣周邊是公海，排點(diǎn)氮磷往海里一放，給海里增加到富營養(yǎng)化物質(zhì)。黑龍江往往沒有必要脫氮除磷。還有一些區(qū)域?qū)嶋H上也沒有富營養(yǎng)化，從來沒有聽說特別大的河流有富營養(yǎng)化的問題。富營養(yǎng)化有幾個(gè)條件，氮磷、溫度、陽光、擾動(dòng)，因此標(biāo)準(zhǔn)該嚴(yán)的嚴(yán)，該松的松。
下面是比較具體，第二個(gè)問題傳統(tǒng)污水生物處理工藝和問題。從全世界來看，在兩個(gè)世紀(jì)有固體沉淀，處理城市污水的懸浮物，上世紀(jì)20年代初，我記得上學(xué)到上海參加污水處理廠特別驚訝，20年代在上海建立一個(gè)活性污泥法污水處理廠。上世紀(jì)70、80年代，全世界脫氮除磷，富營養(yǎng)化在全世界爆發(fā)了。
隨著BOD、脫氮除磷，使污水處理工藝越來越復(fù)雜，帶來很多技術(shù)問題，處理工程，包括機(jī)械儀表處理問題。脫氮除磷的問題納入處理流程之外，提出了非常多的科學(xué)問題。
再看看脫氮除磷的大問題，污水除磷可以通過生物除磷和化學(xué)除磷。污水脫氮，只有生物脫氮才是最經(jīng)濟(jì)有效的，而且對于城市污水來講是唯一的，不僅是經(jīng)濟(jì)有效而且是唯一的方法，到現(xiàn)在還沒有聽說哪個(gè)城市污水處理廠不用生物脫氮。原因是什么?
混凝沉淀不能去除微濾、納濾口徑，區(qū)別不了水分子大小，只有反滲透才能區(qū)別水分子大小。反滲透處理是中水，對于城市污水處理來講生物脫氮是唯一選擇的。
城市污水總氮代表是關(guān)鍵難點(diǎn)。
生物脫氮反兩步，第一個(gè)硝化，第二個(gè)反硝化。一個(gè)電子供體，一個(gè)是電子受體，水中氨氮和有機(jī)氮從污水處理分離出來完成脫氮的問題，一個(gè)需要氧氣，一個(gè)需要有機(jī)碳源，這是關(guān)鍵點(diǎn)。
生物除磷，有除磷微生物和菌，沒有氧的條件下，把磷從細(xì)胞中釋放出來，可以使水中磷從3每升毫克達(dá)到幾十毫克，在耗氧和曝氣過程中，把水中磷聚集在細(xì)胞中，攝取磷，而且是過量的，把含有磷的污泥排除污水處理系統(tǒng)就完成了處理，就是這樣簡單。
這是我們用的工藝AN/O除磷工藝，釋放出磷，然后曝氣、好氧，然后沉淀池，然后處理水。還有反硝化反應(yīng)器缺氧然后到硝化反應(yīng)器好氧，然后到沉淀池，到處理水。這個(gè)兩個(gè)結(jié)合起來既除磷又脫氮，厭氧、缺氧和好氧。對小型的污水處理廠應(yīng)用廣泛的是序批式活性污泥法，小于5萬噸的經(jīng)常用這樣一種工藝。
我們看到什么問題，無論對A/O都存在這樣的問題。缺氧，有機(jī)物進(jìn)來這個(gè)是氨氮，缺氧池沒有變化，在好氧池，此消彼漲形成硝態(tài)氮，用有機(jī)物還原硝態(tài)氮�；亓髦械南蹼A氮和出水的硝階氮相同，因?yàn)樗麄兌紒碓从谶@個(gè)地方，就是說出水和回流污泥和剩余污泥中硝階氮、氨氮、總氨是一樣的，這種工藝很難徹底深度的脫氮。
有一種工藝是分段進(jìn)水，把A/O分成四段，假定硝化能夠100%，反硝化100%充分的。如果分成四段，進(jìn)入第一段原水和有機(jī)物，把回流污泥的硝態(tài)氮還原，回流污泥假設(shè)100%，回流污泥量等于進(jìn)水量，把總氨去掉了，第一段產(chǎn)生的而第二段還原了，第三段被第四段水有機(jī)物還原掉了，前三段總氮全部被去掉，只有第四段的氨氮被氧化產(chǎn)生硝態(tài)氮，才能隨出水流出。第四段有污泥回流比100%，第四段有一半的總氮可以去掉，這個(gè)工藝去掉1/8的總氮。
但是這四段比較繁瑣，我們經(jīng)常用三段，這個(gè)工藝可以完成深度脫氮。三段可以去掉6/5總氮。如果進(jìn)水總氮30，出水氮達(dá)到5。它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，微生物濃度非常高，第一段回流污泥濃度被1/3的水稀釋，因此污泥濃度比較高。
ICEAS工藝是我們國家用的比較多的工藝，可以說80%的ICEAS都按照這樣一個(gè)工藝，下面的模式在運(yùn)行。這個(gè)是攪拌。這個(gè)表示曝氣，這個(gè)表示沉淀，這個(gè)表示進(jìn)水，但是進(jìn)貫穿始終，說明什么?說明在曝氣階段，一邊曝氣一邊進(jìn)水，我們國家脫氮的重大障礙就是缺少碳源，有機(jī)物濃度比較低，氨氮總氮比較高，反應(yīng)的時(shí)候沒有碳源，往往加碳源。三小時(shí)一邊曝氣一邊進(jìn)水，用珍貴能源，曝氣需要能源，去除了可貴的碳源，因此既浪費(fèi)了能量又把有機(jī)物去掉了。
把進(jìn)水在攪拌進(jìn)水中進(jìn)，曝氣中不進(jìn)，不僅可以大量節(jié)省碳源，提高效率，而且節(jié)能降耗，有機(jī)物不需要能量去除，用反應(yīng)化去除，幾個(gè)工程實(shí)踐都收到很好的效果。我國現(xiàn)在的ICEAS幾乎用我說的剛才模式運(yùn)行。
第三個(gè)新型生物脫氮除磷技術(shù)。有一種技術(shù)叫做短程硝化。剛才說了什么是硝化反硝化，特別城市污水中90%以氨氮形式出現(xiàn)的總氮，還有一部分有機(jī)氮，有機(jī)氮一曝氣就轉(zhuǎn)化成氨氮了，氨氮經(jīng)過曝氣變成硝態(tài)氮，有機(jī)碳源作用下，這時(shí)候不曝氣了，變?yōu)榈獨(dú)�，完成脫氮的過程，氮?dú)饪梢匀コ�。短程硝化過程簡捷。亞硝酸氮這個(gè)過程減少了曝氣量，這個(gè)過程減少了外加碳源，減少20%氧氣，減少20%二氧化碳的釋放等等。它為實(shí)現(xiàn)厭氧提供了底物。
全世界包括中國在內(nèi)，全世界污水處理廠都沒有實(shí)現(xiàn)短程硝化，有的僅僅一部分。這是我們學(xué)校的中試基地，實(shí)現(xiàn)了三年短程硝化，而且規(guī)模比較大一點(diǎn)。
剛才我說了除磷的基本原理，厭氧、吸磷、放磷，放磷在耗氧狀態(tài)下吸收磷，然后把污泥排出處理。反硝化除磷，這個(gè)過程既完成反硝化又完成了磷的吸收，一個(gè)碳源兩用。我們把含有富有磷的污泥排除系統(tǒng)完成了污水生物處理。
在生物脫氮過程當(dāng)中需要水污染被還原成氮?dú)�，除磷也是這樣，反硝化和除磷過程這兩個(gè)過程可以同時(shí)完成，減少能源、生物量、減少氧等等優(yōu)點(diǎn)。
最近開發(fā)了A2O-BAF同步脫氮除磷，就是反硝化除磷。這個(gè)曝氣占2/9，BAF完成硝化，意味著提供大量的硝態(tài)氮進(jìn)入蓄養(yǎng)池，跟污泥結(jié)合在一起，不想讓它反硝化除磷都很難，沒有給它反應(yīng)條件，沒有氧給電子受體，只給硝態(tài)氮，占整個(gè)反應(yīng)器的2/3，這里完成了反硝化除磷。
厭氧氨氧化脫氮技術(shù)。奧地利Broda從熱力學(xué)角度，預(yù)言存在。荷蘭MULDER生物流化床首次發(fā)現(xiàn)。第一座ANAMMOX反應(yīng)器建立于荷蘭鹿特丹。
我們看看厭氧氨氧化，有機(jī)氮變?yōu)榘钡凶霭被钡枰跣枰飬⑴c，氧化為亞硝態(tài)氮。逐步經(jīng)過幾個(gè)步驟還原為氮?dú)�，完成污水處理脫氮�?0年之前人們認(rèn)為氮循環(huán)只能沿著這樣一個(gè)過程。
厭氧氨氧化怎么樣?厭氧氨氧化就是發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化微生物一種細(xì)菌。把氨氮的一部分可以說60%氧化為亞硝，用亞硝氧化氨氮，必須有厭氧氨氧化的推進(jìn)。
有將近一半的氨氮不用動(dòng)就被氧化為氮?dú)�。一半多一點(diǎn)被氧化為亞硝態(tài)氮厭氧氨氧化。全世界生活污水主流依然按照這個(gè)過程脫氮，這還有生物固氮。全世界都在研究城市污水處理包括工業(yè)污水，能不能這樣脫氮。由于高氨氮的廢水，垃圾滲濾液等完成了工程化應(yīng)用。城市污水處理還沒有實(shí)現(xiàn)這樣一種工藝。而且這個(gè)工藝有什么好處?很少有氧化氮的產(chǎn)生。
我們可以看到這些完全一部分氨氮沒有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要經(jīng)過下一步到這就完了，因此可以節(jié)省碳源、能源、節(jié)省有機(jī)物100%、節(jié)省曝氣量60%、溫室氣體小。這是厭氧氨氧化的發(fā)展歷程，現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用，有了很多實(shí)際工程應(yīng)用。
全世界比較著名的奧地利STRASS污水處理廠，沒有實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化，但是實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化處理污泥消化液的應(yīng)用。污泥液氧發(fā)酵的消化液進(jìn)行厭氧處理，實(shí)現(xiàn)了。這是北排搞得厭氧氨氧化的工程。
這是新加坡樟宜污水處理廠實(shí)現(xiàn)了部分厭氧氨氧化的脫氮。
國內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化的部分，大大提高效率。厭氧氨氧化瓶頸是短程硝化很難實(shí)現(xiàn)，短程硝化一旦實(shí)現(xiàn)，厭氧氨氧化比較好實(shí)現(xiàn)。
我們發(fā)明的技術(shù)短程反硝化耦合厭氧氨氧化。部分氨氮演化成硝態(tài)氮還原成亞硝態(tài)氮，對工業(yè)富水中本來有很多硝態(tài)氮，可以把它還原為亞硝，和城市污水同步處理。
如果含有兩千毫升的氨氮經(jīng)過厭氧氨氧化處理，產(chǎn)生220毫升的硝態(tài)氮也很高，厭氧氨氧化用短程反硝化也是非常好。短程反硝化就是把硝態(tài)氮還原成亞硝，不是還原成氮?dú)獾倪^程。
比如說一個(gè)污水處理廠短程硝化很難，我們讓它全程硝化，有機(jī)物沒有了，把氨氮硝化成亞硝，我們硝化成硝態(tài)氮，把這個(gè)水回流過來和原水混合，這里有硝態(tài)氮、氨氮和有機(jī)物，把這里硝態(tài)氮還原成亞硝，自然和水中氨氮產(chǎn)生反應(yīng)。
我們看一看，這是傳統(tǒng)的硝化反硝化的過程。這是短程硝化耦合厭氧氨氧化最艱難的過程。如果是短程反硝化耦合厭氧氨氧化，把氨氮全部硝化成硝態(tài)氮，也是很難的。短程硝化耦合厭氧氨氧化，僅僅把部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝，完全不用有機(jī)物，節(jié)省100%的碳源。
厭氧氨氧化處理城市污水的展望。主要存在三個(gè)瓶頸，第一個(gè)低氨氮。城市污水氨氮非常低。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都是高氨氮的廢水，少則一千，多則幾千，每升毫克的氨氮，包括高濃度的工業(yè)廢水，低氨氮的很難實(shí)現(xiàn)。
第二個(gè)低溫。城市污水溫度隨季節(jié)變化，常常在20攝氏度以下，因此很難達(dá)到30度，因此對厭氧氨氧化應(yīng)用產(chǎn)生非常大的障礙。
第三個(gè)厭氧氨氧化富集非常慢，氨氮濃度低于，城市污水量大，少則幾萬噸，多則幾十萬噸，主流污水利用厭氧氨氧化困難也比較大，三個(gè)瓶頸阻礙厭氧氨氧化在主流城市污水中的應(yīng)用與發(fā)展。
今后展望，可以在城市污水強(qiáng)化部分厭氧氨氧化，部分厭氧氨氧化也是相當(dāng)節(jié)能或者降耗，節(jié)省碳源。第二個(gè)也可以考慮污泥發(fā)酵作為碳源實(shí)現(xiàn)短程反硝化和厭氧氨氧化結(jié)合。
