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1、城市污水生物脱氮除磷城市污水生物脱氮除磷技术的发展技术的发展张雁秋南京 2009年12月19日1前言前言生物脱氮除磷技术（生物脱氮除磷技术（Biological Nutrient Removal）的研究和应用已逾）的研究和应用已逾40年，在工艺年，在工艺形式和工艺流程上都发生了一系列革新，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进了生物脱氮除磷技术向高效低能耗方向的发展。的发展。 除磷脱氮工艺在涉及泥龄上的矛盾：1）除磷
2、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=VX/X 可以看出，VX是系统效率的基本参数， X可以看作变量，调整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。 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。连续流脱氮除磷工艺的连续流脱氮除磷工艺的革新与发展革新与发展连续流
3、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。1972年，Barnard在研究缺氧、好氧交替进行的Bardenpho脱氮工艺时发现废水中的磷也得以高效率的去除。于是，他在流程之初增加了一个厌氧区，提出同时实现脱氮除磷的Phoredox工艺，它的简化流程就是2/图1）。 从此之后，脱氮除磷被统一在一个系从此之后，脱氮除磷被统一在一个系统中，既简化了污水处理的操作，又统中，既简化了污水处理的操作，又增加了处理工艺的功能。增加了处理工艺的功能。 厌氧 缺氧 好氧 二沉池 内回流内回流内回流内回流污泥回流污泥回流污泥
4、回流污泥回流图图1 2/工艺工艺厌氧厌氧厌氧厌氧缺氧缺氧缺氧缺氧好氧好氧沉淀沉淀沉淀沉淀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。 一般而言，要同时达到氮磷的去除目的
5、，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。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。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2/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
6、回流污泥中硝酸盐含量（图2）。厌氧 缺氧 好氧 二沉池内回流内回流内回流内回流污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流图图2 UCT工艺工艺内回流内回流内回流内回流厌氧厌氧厌氧厌氧缺氧缺氧缺氧缺氧好氧好氧沉淀沉淀沉淀沉淀与2/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）。 MUCT工艺有两个缺氧池，前一个接受二工艺有两个缺氧池，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，沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，使污泥
7、的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减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。少硝酸盐进入厌氧区的可能。 厌氧厌氧厌氧厌氧 缺氧缺氧缺氧缺氧1 1 缺氧缺氧缺氧缺氧2 2 好氧好氧好氧好氧 二沉池 内回流内回流内回流内回流 污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流图图图图3 MUCT3 MUCT工艺工艺工艺工艺 内回流内回流内回流内回流沉淀沉淀沉淀沉淀 JHBJHB工艺是在工艺是在工艺是在工艺是在2/2/工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了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（图一个缺
8、氧池，以减少回流污泥中硝酸盐的含量（图一个缺氧池，以减少回流污泥中硝酸盐的含量（图一个缺氧池，以减少回流污泥中硝酸盐的含量（图 4 4）。）。）。）。 厌氧 缺氧 好氧 二沉池内回流内回流内回流内回流污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流图图图图4 JHP4 JHP工艺工艺工艺工艺 缺氧厌氧厌氧厌氧厌氧缺氧缺氧缺氧缺氧好氧好氧沉淀沉淀沉淀沉淀缺氧缺氧缺氧缺氧而随着研究的深入，“聚磷菌释磷需绝对厌氧环境（即DO0且NO30 ）”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。 另一种思路由中国矿业
9、大学张雁秋教授提出，这种思路是用生态学思想指导技术改革，并根据他提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、污泥浓度优化理论、种群密度控制理论、种群营养控制理论等先进理论作为新工艺的主要理论基础。 中国矿业大学张雁秋等根据他本人提出理论系统，中国矿业大学张雁秋等根据他本人提出理论系统，中国矿业大学张雁秋等根据他本人提出理论系统，中国矿业大学张雁秋等根据他本人提出理论系统，发明了发明了发明了发明了ECOSUNIDEECOSUNIDE工艺（见图工艺（见图工艺（见图工艺（见图6 6），实现了高效硝），实现了高效硝），实现了高效硝），实现了高效硝化效果。化效果。化效果。化效果。 缺氧+厌氧 微氧 二沉池污泥
10、回流污泥回流污泥回流污泥回流图图图图6 ECOSUNIDE6 ECOSUNIDE工艺工艺工艺工艺厌氧厌氧厌氧厌氧 微氧微氧沉淀沉淀沉淀沉淀 技术先进性 依靠准确的分点配水计算方法结合厌氧、好氧、缺氧反应时间的合理安排，使得活性污泥系统中的生态系统得到人工优化，从而提高出水水质、大幅度降低工程投资； 分点配水造成的高污泥浓度，使硝化菌群及聚磷菌群处于生长优势，提高脱氮除磷效率； 采用了节能集成技术，包括分级多次硝化反硝化技术、同步硝化反硝化、高效曝气技术、无内回流技术、高污泥浓度梯度污泥减量技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术，可节约运行费用20%左右。 技术成熟性 该技术已在徐州国祯水务运营有限公
11、司、临沂市污水处理厂、临沂润泽水务有限公司、德州联合润通水务有限公司得到成功应用，在天津某大型污水处理厂及西安某大型污水处理厂已经经历了一年的成功验证。 典型工艺流程 回流污泥剩余污泥污水二沉池尾水厌氧区缺氧区好氧区图3 ECOSUNIDE工艺流程Fig.3 ECOSUNIDE process天津某大型污水处理厂（1月23-现在）：HRT=9.8 ,t=13-15，T/N=2.0-2.4, 达到一级B(95%保证率)技术要点1)1)适当增加回流比且全流程分点进水适当增加回流比且全流程分点进水, ,以实现高污以实现高污泥浓度；泥浓度；2)2)适当增加流程最后段的进水水量适当增加流程最后段的进水水
12、量, ,以实现全程低以实现全程低营养状态；营养状态；3)3)最后一个进水点在曝气区尾部进入，充分利用最后一个进水点在曝气区尾部进入，充分利用活性污泥的吸附现象；活性污泥的吸附现象；4)4)控制较低的控制较低的DODO水平水平, ,促进短程硝化反硝化和同促进短程硝化反硝化和同步硝化反硝化过程步硝化反硝化过程. .；5)5)污水只进入厌氧区及缺氧区，避免好氧区消耗污水只进入厌氧区及缺氧区，避免好氧区消耗碳源，充分利用有限的碳源供聚磷菌及反硝化菌碳源，充分利用有限的碳源供聚磷菌及反硝化菌增殖。增殖。工艺特点 主要发现：主要发现：主要发现：主要发现： 根据统一动力学理论发现了生物因子非线性反应根据统一
13、动力学理论发现了生物因子非线性反应增长现象，增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌、反增长现象，增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌、反硝化菌、聚磷菌在生物相中所占的比例。硝化菌、聚磷菌在生物相中所占的比例。 根据该动力学负荷理论发现了厌氧反应段的不完根据该动力学负荷理论发现了厌氧反应段的不完全进水可提高活性污泥法硝化效率这一技术关键，通全进水可提高活性污泥法硝化效率这一技术关键，通过全程合理分点、多点配水，将有限的碳源合理分配，过全程合理分点、多点配水，将有限的碳源合理分配，从而能进一步相对提高硝化菌、反硝化菌、聚磷菌在从而能进一步相对提高硝化菌、反硝化菌、聚磷菌在生物相中所占比例。生物相中所占比例。
14、 主要发明：主要发明：主要发明：主要发明： 分点进水厌氧分点进水厌氧- -多级好氧缺氧活性污泥法工艺系统。多级好氧缺氧活性污泥法工艺系统。 主要创新点：主要创新点：主要创新点：主要创新点： 厌氧反应段的不完全进水方法。厌氧反应段的不完全进水方法。发明专利：发明专利：“ “一一种污水生物处理种污水生物处理高效硝化工艺高效硝化工艺” ” 随着生物学机理的深入揭示生态学思想和相随着生物学机理的深入揭示生态学思想和相关学科的发展与渗透，脱氮除磷领域的技术革新关学科的发展与渗透，脱氮除磷领域的技术革新与新工艺层出不穷。生物脱氮除磷的理论研究为与新工艺层出不穷。生物脱氮除磷的理论研究为处理过程的计算机模拟、工艺的设计与改造提供处理过程的计算机模拟、工艺的设计与改造提供了理论依据和指导，使生物处理工艺日趋成熟。了理论依据和指导，使生物处理工艺日趋成熟。自动控制和传感器等其他领域技术的引入，提高自动控制和传感器等其他领域技术的引入，提高了生物处理的可控程度与运行的可靠性、稳定性，了生物处理的可控程度与运行的可靠性、稳定性，实现了资源的有效配置，使处理系统向高效低能实现了资源的有效配置，使处理系统向高效低能耗方向发展，促进了生物脱氮除磷工艺的推广应耗方向发展，促进了生物脱氮除磷工艺的推广应用。用。 谢谢！谢谢！
