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彭永臻:新型生物脫氮除磷能否解決污水處理瓶頸?

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(yíng)費(fèi)用非常高,節(jié)能降耗是永恒的主題。另外隨著中國(guó)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(wèn)題??梢哉f(shuō)脫氮除磷成為當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的重大問(wèn)題,特別是城市污水。

 

我們國(guó)家水污染中脫氮除磷存在的問(wèn)題。我國(guó)大多數(shù)的污水處理廠都沒(méi)有達(dá)到一級(jí)a的排放標(biāo)準(zhǔn),其中瓶頸問(wèn)題是總氮沒(méi)有達(dá)標(biāo)。我國(guó)的污水處理標(biāo)準(zhǔn)過(guò)嚴(yán)了,不是這樣,達(dá)到一級(jí)a的標(biāo)準(zhǔn),仍然遏制不了富營(yíng)養(yǎng)化的蔓延。我國(guó)應(yīng)該針對(duì)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(guó)家一級(jí)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(méi)有必要到一級(jí)a的標(biāo)準(zhǔn)。臺(tái)灣不用搞脫氮除磷,臺(tái)灣周邊是公海,排點(diǎn)氮磷往海里一放,給海里增加到富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)。黑龍江往往沒(méi)有必要脫氮除磷。還有一些區(qū)域?qū)嶋H上也沒(méi)有富營(yíng)養(yǎng)化,從來(lái)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)特別大的河流有富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題。富營(yíng)養(yǎng)化有幾個(gè)條件,氮磷、溫度、陽(yáng)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(wèn)題傳統(tǒng)污水生物處理工藝和問(wèn)題。從全世界來(lái)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(yíng)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(lái)越復(fù)雜,帶來(lái)很多技術(shù)問(wèn)題,處理工程,包括機(jī)械儀表處理問(wèn)題。脫氮除磷的問(wèn)題納入處理流程之外,提出了非常多的科學(xué)問(wèn)題。

 

再看看脫氮除磷的大問(wèn)題,污水除磷可以通過(guò)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(duì)于城市污水來(lái)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(méi)有聽(tīng)說(shuō)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(duì)于城市污水處理來(lái)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(lái)完成脫氮的問(wèn)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(méi)有氧的條件下,把磷從細(xì)胞中釋放出來(lái),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(guò)程中,把水中磷聚集在細(xì)胞中,攝取磷,而且是過(guò)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(jiǎn)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(lái)既除磷又脫氮,厭氧、缺氧和好氧。對(duì)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(wàn)噸的經(jīng)常用這樣一種工藝。

 

我們看到什么問(wèn)題,無(wú)論對(duì)a/o都存在這樣的問(wèn)題。缺氧,有機(jī)物進(jìn)來(lái)這個(gè)是氨氮,缺氧池沒(méi)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?lái)源于這個(gè)地方,就是說(shuō)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(bǔ)/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?zhuān)虼宋勰酀舛缺容^高。

 

iceas工藝是我們國(guó)家用的比較多的工藝,可以說(shuō)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(shuō)明什么?說(shuō)明在曝氣階段,一邊曝氣一邊進(jìn)水,我們國(guó)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(méi)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(guó)現(xiàn)在的iceas幾乎用我說(shuō)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(shuō)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(guò)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(guò)程,氮?dú)饪梢匀コ6坛滔趸^(guò)程簡(jiǎn)捷。亞硝酸氮這個(gè)過(guò)程減少了曝氣量,這個(gè)過(guò)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(guó)在內(nèi),全世界污水處理廠都沒(méi)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)程這兩個(gè)過(guò)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(kāi)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(méi)有給它反應(yīng)條件,沒(méi)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?,氨氮需要氧需要生物參與,氧化為亞硝態(tài)氮。逐步經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟還原為氮?dú)猓瓿晌鬯幚砻摰?0年之前人們認(rèn)為氮循環(huán)只能沿著這樣一個(gè)過(guò)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(shuō)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)狻R话攵嘁稽c(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(guò)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(méi)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(méi)有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要經(jīng)過(guò)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(méi)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(guó)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(duì)工業(yè)富水中本來(lái)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(guò)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^(guò)程。

 

比如說(shuō)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(méi)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(guò)來(lái)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(guò)程。這是短程硝化耦合厭氧氨氧化最艱難的過(guò)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(duì)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(wàn)噸,多則幾十萬(wàn)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。

 

來(lái)源:中國(guó)水網(wǎng)

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