生物膜与活性污泥结合工艺脱氮除磷研究

刘俊新¹，丛丽²，王宝贞²，J.W.van Groenesin³，H.J.Doddema³
（1.中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085；2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.荷兰应用科学研究院）

　　摘要：常规生物脱氮除磷工艺存在相互影响和制约的因素，因此脱氮和除磷效果难以同时达到最佳。根据研究提出了生物膜与活性污泥结合的新工艺，可同时高效地脱氮、除磷和去除有机物。试验结果表明，氨氮去除率达99%以上，TN、TP和COD的去除率分别达到85%、95%和95%。
　　关键词：污水处理；生物膜；活性污泥；脱氮；除磷
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2000)12-0001-05

Research on Nitrogen and Phosphorous Removal by Biofilm-Activated Sludge Process
LIU Jun-xin¹，CONG Li²，WANG Bao-zhen²，J.W.van Groenestijn³，H.J.Doddema³
(1.Res.Center for Eco-Environ.Sci.,Chinese Academy of Sci.,Beijing 100085,China;
2.School of Munic.and Environ.Eng.,Harbin Institute.of Tech.,Harbin 150090,China;
3.TNO Institute of Environ.Sci.,Energy Res.and Process Innovation,7300 AH Apeldoorn,the Netherlands)

　　Abstract：Some factors that are mutually affected and restrained exist in traditional processes for biological removal of nitrogen and phosphorus from wastewater.Therefore,it is difficult to obtain the optimum results of nitrogen and phosphorus removal at the same time.A new biofilm-activated sludge process is described in thispaper.The high efficiencies of nitrification,denitrification and phosphorus removal can be simultaneously obtained by the new process.The experimental resultsshowed that the efficiency of ammonia-N removal is over 99%,and the removal fficiencies of TN,TP and COD are 85%、95% and 95% respectively.
　　Keywords: wastewater treatment;biofilm;activated sludge;nitrogen removal;phosphorus removal

　　在常规的生物脱氮除磷工艺(A²/O工艺)中，污泥在厌氧、缺氧和好氧段之间往复循环。该污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其他多种微生物组成，但由于不同菌群的最佳生长环境不同，脱氮与除磷之间存在着矛盾^［1］，实际应用中经常出现脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳的情形^［2］。某些研究发现，如果厌氧和缺氧段内污泥量占工艺总污泥量的40%以上，要达到完全硝化是很困难的，但此时却有非常好的除磷效果；要保持良好的硝化作用，厌氧和缺氧段的污泥占工艺总污泥量的比例则不能超过40%^［3］。此外，回流到厌氧段污泥中的硝酸盐含量也影响磷的释放和超量磷的摄取，导致磷的去除率下降^［4］。影响该工艺有效运行的相互影响和制约的因素主要表现为：①厌氧和缺氧段内污泥量被限定后，厌氧与缺氧段污泥量的分配比将影响磷释放或硝态氮反硝化的效果。厌氧段污泥量大则磷释放效果好，但反硝化效果差；反之，则反硝化效果好，而磷释放效果差。②原水经厌氧段进入缺氧段，磷释放与硝态氮反硝化争夺碳源。当原水中碳源不足时，磷释放或反硝化不完全。③硝化菌世代繁殖时间长，要求较长的泥龄，但磷从系统中被去除主要是通过剩余污泥的排放，因此要提高除磷效率则要求缩短泥龄。
　　生物膜与活性污泥结合工艺则针对常规生物脱氮除磷工艺存在的问题，将其相互影响和制约的因素分解，使不同的菌类生长在各自最佳环境条件下，因而使脱氮和除磷效果可以同时达到最佳，而且工艺的可控性增强。

　　1 工艺特点

　　根据生物脱氮除磷原理，硝化菌和反硝化菌可以分别放置在好氧和缺氧装置内，而含氮液体在它们之间循环，这样可使硝化菌和反硝化菌分别在各自的最佳环境中充分发挥作用，同时除磷菌在厌氧和好氧之间循环以完成磷的释放和超量吸收。综合考虑生物脱氮除磷对环境条件的要求，以及生物膜法和活性污泥法的各自特点，确定试验工艺流程如图1所示。

　　本工艺特点：①缺氧段采用生物膜法，反硝化菌均匀分布在整个缺氧池内，不需要污泥搅拌设备，操作简便。由于反硝化菌被固定在缺氧段，缺氧段的污泥量不再受到限制，反硝化更加充分。②好氧和厌氧段采用活性污泥法便于对泥龄进行控制，有利于硝化菌和除磷菌的生
长繁殖。③原水进入缺氧段，有机物主要被用于反硝化，因此反硝化效率提高。④二沉池污泥进入厌氧段释放磷。由于污泥浓度高，因此受硝酸盐氮的影响很小，而且厌氧释放磷不需要外加碳源，污泥本身吸附的有机物可保证磷释放。⑤含有高浓度磷的浓缩液从工艺系统内
被分离出来，并通过化学法除磷。因此，泥龄不再是影响除磷效率的主要因素，而排放的剩余污泥是经释放磷的污泥，减少了污泥处理过程中产生的磷的二次污染。

　　2 试验条件与方法

　　试验装置用不锈钢制成，缺氧、好氧和厌氧池的容积分别为165L、480L和120L；二沉池和污泥浓缩池的总容积分别为145L和50L(包括泥斗)。厌氧池内安装搅拌器，二沉池和污泥浓缩池内安装刮泥设备。
本试验研究主要在荷兰应用科学研究院(荷兰Delft市)进行，部分试验在原哈尔滨建筑大学完成。试验用水为城市污水(水质见表1)，由于雨水和季节的影响，水质变化幅度较大。试验装置连续运行，在正常运行期间，系统的总水力停留时间(HRT)为20～25h。缺氧池内反硝化菌附着生长在填料上，污泥量为10 g/L，比较稳定，无需特殊管理。浓缩池回流污泥浓度(VSS)达到15～20g/L，SVI为30～50mL/g。好氧池污泥浓度保持在2～4g/L，SVI保持在50～80mL/g，没有出现污泥膨胀现象。

　　3 试验结果与分析

　　3.1 总氮的去除
　　总氮包括氨氮、有机氮和硝态氮，在本试验条件下，氨氮去除率在99%以上，出水中氨氮浓度＜2mg/L。氨氮转化为硝态氮只是氮的形态的转变，就总氮而言并没有减少，只有将硝态氮回流到缺氧池反硝化，最终以N₂的形式从污水中逸出，才能使总氮含量降低。当缺氧池内硝态氮负荷＜0.4kg/(m³·d)时，反硝化效率＞90%。图2是回流比保持在3～6时，对总氮去除的试验结果。

　　由图2可见，系统对总氮的去除效率保持在75%～85%。虽然提高回流比可进一步提高总氮的去除率，但回流所需动力消耗及运行费用增加较大，因此通常控制回流比为3～4。
　　3.2 总磷的去除
　　厌氧条件下释放的磷排出工艺系统后，可采用化学法去除，因此除磷效率较高。试验工艺进、出水的总磷含量及其去除率如图3所示。

　　由图3可见，在表1的水质条件下，系统出水中平均TP浓度为0.76mg/L，平均去除率在94%以上。在厌氧池内，磷能够被有效地释放，污泥浓缩池出水中总磷浓度为40～100mg/L。因为浓缩池出水流量很小，便于化学法除磷，而且投药量低于传统化学除磷工艺的投药量。
　　3.3 COD的去除
　　根据生物脱氮除磷理论，反硝化和磷的释放都需要有机物作为能源，因此脱氮、除磷和去除COD可同时完成。图4为系统对COD去除的试验结果。
　　在系统运行期间，进水COD浓度120～900mg/L，平均为462mg/L；出水COD浓度20～80mg/L，平均为45mg/L；COD去除率为85%～95%，平均90%以上。

　　根据对试验结果的统计，缺氧池、好氧池和厌氧池对COD的去除量分别占总去除量的60%、35%和5%。因此，COD的去除主要在缺氧池和好氧池内完成，厌氧去除的COD很少，此结果也表明原水中的有机物主要被缺氧池内硝态氮的反硝化所利用。

　　4 控制条件

　　4.1 厌氧与好氧污泥比
　　根据硝化菌和除磷菌的特性，若好氧池内污泥量远多于厌氧池时，有利于硝化和磷的吸附，但磷的释放量将减少，最终也将影响系统对总磷的去除；反之，若厌氧池内污泥量远多于好氧池，则由于硝化菌被抑制，硝化效率降低，而除磷效率也会由于在好氧池内除磷菌吸磷不充分而下降。因此，只有好氧和厌氧池内污泥量的比例适当时，才能使硝化和除磷同时达到最佳效果。

　　图5是氨氮的硝化率和总磷的去除率随厌氧池内污泥量与总污泥量之比变化的情况。
　　根据试验结果，当厌氧池的污泥量与总污泥量之比很低时，硝化效率很高(≥99%)，但除磷效率较低；随着厌氧池污泥量比值的增加，除磷效率显著增加，硝化效率基本不变；当厌氧池污泥量与总污泥量之比为0.5左右时，硝化和除磷效率同时达到最大；厌氧池污泥量与总污泥量之比＞0.5时，硝化效率明显降低，除磷效率由于好氧池内污泥对磷的吸收不充分而略有降低。因此控制厌氧池污泥量与总污泥量之比在0.5左右时，即厌氧池内污泥量与好氧池内污泥量之比为1∶1时，脱氮除磷的效果最佳。
　　4.2 好氧停留时间
　　图6是好氧池在不同水力停留时间(HRT)时，二沉池出水中氨氮的变化情况。

　　由图6可见，当进水氨氮浓度在80～110mg/L，好氧池HRT＞14h时，氨氮完全被硝化，出水中氨氮浓度＜0.5mg/L；当好氧池HRT＜14h时，出水中氨氮随HRT的减少而增加；当好氧池HRT＜12h时，出水中氨氮浓度≥10mg/L。因此，好氧池HRT的确定应考虑出水水质要求。
　　4.3 厌氧条件下磷的释放
　　将VSS浓度为7.3g/L的二沉池污泥分别装入2个2.5L的瓶子内，采用磁力搅拌器搅拌，并分别放在5℃和20℃的环境中进行磷释放试验。
　　图7是二沉池污泥在厌氧条件下释放磷的试验结果。
　　由图7可知，随着厌氧时间的延长，污泥释放的磷不断增加，直至污泥所吸附的磷被全部释放出来。在20℃的条件下，经过30h的厌氧释放磷，微生物吸附的磷被全部释放出来，而在5℃时，达到相同的磷释放量则需要95h。由此可见，厌氧时间影响磷的释放量，而温度影响磷的释放速率，特别是在温度低于15℃时更为明显。

　　在实际生物脱氮除磷工艺中，并不需要将污泥中所有的磷全部释放出来。磷在厌氧池内的释放量可根据原水中含磷量及出水水质要求而确定，通常只要部分磷被释放即可达到除磷要求。
　　厌氧池内磷的释放需要有机物作为能源，有研究表明^［5］，磷的释放速率与有机物类型有关，低分子有机物质能够被迅速利用，而葡萄糖和污水中的大分子有机物不能被直接利用，这些有机物必须在厌氧条件下首先转化为低分子的酸类才能被有效地利用。
　　在本试验中，厌氧池污泥来自二沉池且没有原水进入。为明确外加碳源后是否对本试验的磷释放有促进作用，又进行了投加葡萄糖、加原水条件下的两组磷释放试验。试验污泥(VSS为12g/L)被分别装入3个2.5L的玻璃瓶内，在20℃条件下采用磁力搅拌器搅拌。初始硝态氮浓度为6mg/L左右，单位污泥负荷为0.5mgNOx-N/gVSS，经1.5h厌氧运行，取样测定时已无硝态氮存在。磷释放的试验结果如图8所示。

　　由图8可看出，外加葡萄糖和原水对磷的释放没有明显促进作用，这表明厌氧池内的高浓度污泥本身吸附的有机物可以满足磷释放的要求。
　　在本试验中，进入厌氧池的污泥浓度高、硝态氮含量少，因此受硝态氮的影响较小。当进入厌氧池的硝态氮较多时，通过适当延长厌氧停留时间仍可保证磷的释放。图9是厌氧池内硝态氮含量与硝态氮消失所需时间的试验结果。

　　9的试验温度为14 ℃，当温度增加时，所需的反硝化时间将缩短。

　　5 结论

　　试验结果表明，生物膜与活性污泥结合工艺将常规生物脱氮除磷工艺中存在的相互影响和制约的因素分解，能够同时有效地从污水中去除氮、磷和有机物。在本试验条件下，氨氮去除率达99%以上，总氮、总磷和COD的去除率分别达到85%、95%和95%。当厌氧段与好氧段污泥量比为1∶1时，硝化率和除磷效率可同时达到最大。

　　参考文献：
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作者简介：刘俊新(1957-)，男，中国科学院生态环境研究中心研究员，博士，主要研究方向：水污染控制技术。
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收稿日期：2000-05-10