氧化溝工藝脫氮除磷特征影響因素分析

王志康，蘭彬彬，李 凱，張 萍，王 晗

(貴州民族大學生態環境工程學院,貴陽 550025)

水環境污染日益成為社會焦點,為了實現綠色、高效、節能的污水處理效果,需要對污水處理工藝做出進一步改進。氧化溝工藝過程簡單、方法靈活、經濟性能好、運行性能穩定,當處理規模為3 785 m3/d時,氧化溝工藝的處理成本僅為活性污泥法的60%,生物濾池的62.5%,生物轉盤的40%[1]。然而,目前氧化溝能達到的最高脫氮效率為90%左右,而除磷的效率僅為80%左右,表明氧化溝同步脫氮除磷效果有待提高[2]。研究認為,由于在脫氮除磷過程中起主要作用的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌對生長環境的要求各不相同,導致細菌生長的最適條件產生沖突，不論時間或空間上都難以達到平衡,由此影響脫氮除磷的效率[3]。擬綜述氧化溝工藝研究進展,總結分析影響氧化溝脫氮除磷的因素,為氧化溝能更好進行脫氮除磷提供科學和數據的支持。

1 氧化溝工藝

如圖1所示氧化溝所采用的運行系統為延時曝氣的活性污泥系統,通過將連續環式反應池作為生化場所,利用可控制的攪動與曝氣裝置使空氣進入反應器,從而促使液體在閉合渠道中循環流動,讓氧化溝內形成厭氧、缺氧和好氧環境[4]。

圖1 氧化溝工藝圖Fig.1 Diagram of oxidation ditch process

氧化溝實現了曝氣設備最優位置布局,因此具備以下特性:①將推流和充分混合相結合,使其能克服短流和提高緩沖能力[5]；②具備適合硝化反硝化生物處理工藝的溶解氧(DO)梯度[6]；③功率密度的不均勻分配,使得氧傳遞、液體混合及污泥絮凝速率都得到提升[7]；④節省能量[6]；⑤溝內循環流量使污水被快速稀釋[8],提高了處理效果。

2 氧化溝工藝的發展

世界上首個氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭建立,歷經幾十年發展,國外先后開發了多種多樣的氧化溝工藝[9],其分類及典型工藝類型如表1所示。自 20世紀60年代以來,該工藝在世界許多地區得到廣泛應用[17]。據E2O環境平臺公布的數據顯示,中國已建成并運營的污水處理廠數量有4 000座左右,其中運用的工藝據數據統計30種左右,而氧化溝工藝占比達到20%,充分說明其是中國污水處理工藝的主導之一[18]。污水處理廠提標改造方案的提出,推動了氧化溝工藝的發展。第1代氧化溝,如Passvee氧化溝,通過在空間上或時間上形成缺氧區,在去除有機物同時還可以反硝化脫氮去除污水中的植物性營養物[19-20]。第2代氧化溝,如Carrousel(卡魯塞爾)2 000氧化溝,通過在結構方面進一步優化,改變曝氣孔的安裝方式，對厭氧、好氧區的規格,進出水的裝置進行改變,及對工藝運行工況進行調整等。使得脫氮除磷的效果相對第一代氧化溝工藝有了一定的提升[21]。第3代與第4代的氧化溝通過不斷改進運行工況、裝置、環境因素等,使氧化溝處理能力有了很大的提升,反應過程也更加穩定。

3 氧化溝工藝脫氮除磷機理分析

表1 氧化溝工藝發展歷程

圖2 硝化、反硝化階段Fig.2 Flowsheet of nitrification and denitrification stages

氧化溝采用兩階段生物法除磷,如圖3所示,好氧環境吸收磷,厭氧環境釋放磷。首先在厭氧環境中,聚磷菌會吸收發酵產物和有機酸,并將所吸收物質運輸到細胞內,同化成細胞內能源儲存物質,此過程所需能量通過聚磷水解及細胞內糖酵解提供。由此導致了磷酸鹽在厭氧環境中的釋放[27]。然后在好氧環境中,通過氧化分解獲得能量,聚磷菌活性得到恢復,大量吸收在厭氧階段釋放的磷及原污水中的磷[28],完成磷的積累,在細胞體內合成聚磷酸鹽并儲存起來,形成富磷污泥,并通過剩余污泥排出系統[29-33],達到除磷目的。

表2 硝化過程反應機理

圖3 生物除磷過程Fig.3 Biological phosphorus removal process

4 氧化溝脫氮除磷效果影響因素

影響脫氮除磷效率的因素分別有環境因子、工況和運行方式[34]。脫氮過程主要由亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌相互協調作用,亞硝化菌、硝化菌的生長會受溫度、DO、pH的影響,反硝化菌為異養生物,它的生長除會受到DO、pH、溫度的影響外還會受到C/N的影響。此外,對于生物除磷,在好氧區吸收磷,厭氧區釋放磷,所以DO對除磷效率的影響很大；除磷主要通過污泥排出系統,所以污泥齡、水力停留時間對它也會產生影響。因此就環境因素:DO、pH、溫度和工況因素：C/N、污泥齡、污泥回流比等,及運行方式進行分析討論。

4.1 DO

DO是影響微生物生長的重要因素之一,因此反應器內維持適宜的DO濃度梯度是脫氮除磷的必要條件。脫氮硝化階段需要在缺氧區與限制性供氧區完成,此階段的亞硝化菌與硝化菌適宜生長的DO濃度范圍分別為0.2～0.4 mg/L、1.2～1.5 mg/L。因此DO濃度過低,對硝酸菌生長不利。同理,除磷過程的聚磷階段需要在好氧區完成,此階段最適DO濃度范圍為2～3 mg/L。如果DO濃度太低,會影響聚磷菌分解儲存的聚-β-羥丁酸(PHB)類物質獲得能量來吸收污水中的溶解性磷酸鹽合成細胞聚磷。且過低的DO濃度,不能滿足微生物去除COD及氨氮所需的氧,會使得污泥沉降性變差,污泥變黑。脫氮反硝階段及除磷釋放磷階段需要在厭氧環境下完成,即DO濃度小于0.2 mg/L[35]。因此DO濃度過高,一方面會破壞缺氧環境,使得反硝化受到抑制,脫氮效率降低；另一方面會消耗PHB,使得吸磷率與釋磷率難以達到平衡[36],從而降低生物除磷能力[37-38]。綜上,氧化溝中DO濃度會影響脫氮除磷的效果[36]。各細菌最適DO濃度范圍如圖4所示。

圖4 不同細菌適宜的DO濃度范圍Fig.4 Suitable DO range for different bacteria

為了確定最適DO濃度范圍對氧化溝脫氮除磷產生的影響,黃祖安等[39]對Carrousel氧化溝研究得到:反應系統存在一個最適DO濃度范圍,當反應器內DO濃度高于臨界值則能取得較好硝化效果,低于臨界值將會導致系統硝化效果變差,Carrousel氧化溝DO濃度臨界值為0.8～1.2 mg/L。張磊[40]通過研究DO對脫氮除磷的影響,得出將DO濃度控制在2～2.5 mg/L,總氮的去除率為93%,總磷去除率為78%。但李柏林[41]通過在中試條件下對氧化溝進行研究,將反應系統需劃分為主反應區與缺氧區,認為同時滿足硝化與反硝化反應時,主反應區DO濃度維持在1.0～1.5 mg/L。然而劉祖文等[42]認為主反應區DO濃度為2.0～3.0 mg/L、缺氧區DO濃度小于0.5 mg/L 有利于提高同步脫氮除磷效果,實現節約碳源和降低能耗。

因此為了提高同步脫氮除磷的效果,將氧化溝主反應區DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區DO濃度小于0.5 mg/L為最優DO濃度范圍。

4.2 污泥齡

硝化菌與聚磷菌的污泥齡有較大差異,脫氮泥齡大于10 d,而除磷低于10 d[42-43]。泥齡過高,不利于生物除磷,泥齡太低,硝化菌無法存活,會影響脫氮的效果[44],且剩余污泥泥量過大會增加后續污泥處理的負荷,對微生物產生較大影響。所以污泥齡的有效調節會使氧化溝脫氮除磷的效果更好。

孫海梅等[45]研究發現污泥齡(SRT)達16～25 d,系統對總磷的去除量與污泥齡相關性較好,污泥齡越小,去除量越大。王濤等[46]通過對復合式氧化溝進行研究得到,在SRT為20 d時,系統達到最優運行工況。由于溫度的變化會影響微生物的生長速率、生化速率,所以在實際運行控制中,污泥齡的有效控制需要與溫度相結合考慮,通過調整溫度的高低及污泥齡的大小來確保微生物的充分生長和脫氮除磷的效果[36]。張磊[40]根據對系統運行參數的調整及效果分析,將SRT控制在18 d及對污泥濃度、回流比、水力停留時間等進行同步控制,可使系統中TP、NOx去除率分別達到87%和75%。綜上所述,為實現較好的同步脫氮除磷效果,污泥齡一般控制在16～20 d,然后再通過結合污水水質特征、污泥負荷及其他因素做進一步的控制。

4.3 C/N

C/N大小對自養菌與異養菌的活性影響較大,即對硝化菌、反硝化菌、聚磷菌會產生影響,當C/N低時,反硝化菌的活性會受到抑制使得反硝化進行不徹底,導致出水含過量的硝酸鹽,硝酸鹽隨著回流污泥回到厭氧池,破壞厭氧環境從而對聚磷菌釋放磷產生影響[47],進而影響脫氮除磷效率；但當C/N較高時,反硝化菌與聚磷菌能獲得充足的碳源進行反硝化及釋磷,能獲得較好的脫氮除磷效率。C/N越高,自養生物硝化菌活性就會受到較大影響,導致污泥層中的硝酸鹽濃度越低,從而以硝酸鹽為基質的反硝化菌所需碳源就會降低,系統中的聚磷菌可利用碳源就越多,就越有利于釋磷[48-49]。

胡國山等[50]研究顯示C/N越大反硝化速率越快,亞硝酸鹽氮積累量越少,脫氮效果更好。在高C/N時,反硝化菌和聚磷菌都可獲得足量的碳源進行反應,TN、TP去除效果較好。研究顯示,氧化溝系統對 TP 的去除效率隨C/N的升高而提高,C/N 由5提升至9的過程中,TP 去除效率由14.99%上升至94.75%,當C/N>11時, 出水TP去除率接近100%[51-52]。

C/N在一定范圍內的增加會使氧化溝脫氮效率提高[50-53]。綜上所述,C/N的值對氧化溝脫氮除磷影響較大,因此當脫氮除磷效率較低時,可以從C/N值方面入手考慮。

4.4 pH

一個穩定的酸堿平衡環境對硝化菌、聚磷菌的生長很重要,能使氧化溝脫氮除磷效率得到提高。生物脫氮過程的硝化階段,氨氮轉化為硝態氮,需要消耗堿度,致使污水的緩沖能力降低,從而對硝化反應產生影響,進而影響脫氮的效果。在除磷過程的釋磷階段,pH會影響聚磷菌吸收有機碳源,從而影響聚磷菌的生長速率,且會對聚磷階段產生影響。綜上,pH會對氧化溝工藝除磷效率帶來較大的影響,研究表明,當pH<6.5時會出現大量磷釋放,因酸堿環境的改變會使得細胞結構及其功能受到損壞,細胞內的聚磷將在酸性條件下被水解從而釋放[53]。當pH越低,磷的釋放速率及釋放量都會越大[53-54]。這與磷來自細胞的酸溶性部分這一早期觀測結果是一致的[53]。但當6.59時,混合液中的磷大都以難溶的磷酸鹽的形式沉積下來,溶解性的磷酸鹽基本不發生變化[55-56]。所以導致釋磷和聚磷的效率都低[53]。

圖5 脫氮除磷各階段最適pH濃度范圍Fig.5 The optimal pH range at each stage of nitrogen and phosphorus removal

4.5 污泥回流比

為提高氧化溝脫氮除磷效率,提供微生物生長足夠的基質,通常是通過對污泥回流比(R)的有效控制達到要求[39]。污泥回流比不僅可以給微生物生長提供基質,還可以滿足系統的負荷要求,對系統脫氮除磷有較大的影響。過高及過低的污泥回流比給氧化溝除磷階段帶來的影響具體如表3所示，所以污泥回流比的有效控制能夠使氧化溝脫氮除磷得到更好的效果。

表3 污泥回流比對氧化溝脫氮除磷各階段影響

廖建勝等[57]通過對比研究顯示,當污泥回流比小于90% 時,生物處理系統對 TP 的去除率有一定的提高,但當回流比繼續下降時提升作用并不明顯。夏嵐等[58]通過控制單一變量法研究顯示:總氮的去除率會隨著污泥回流比的增加而有所上升,由于污泥回流比的增大為反應提供了足夠的基質,從而使得總氮的去除效果得到提高[59],該結論與馬菲菲等[60]研究結果基本一致。因此將污泥回流比控制在適當的范圍對脫氮除磷效率會帶來積極的影響,通常,污泥回流比值控制在80%左右較佳[36]。綜上,氧化溝系統最適污泥回流比為80%～90%。

4.6 溫度

溫度對氧化溝脫氮除磷的影響體現在以下方面。

(1)氧化溝處理污水是生物處理,利用酶促反應來實現有機污染物降解的代謝過程,而溫度對酶活性影響很大[61]。溫度過高或過低易導致酶活性降低甚至失活,酶促反應速率會大幅下降,使微生物代謝速率下降甚至死亡,所以會進一步影響了生物處理的效果。

(2)脫氮階段的硝化菌、反硝化菌生長所需的最適溫度也不同,硝化、反硝化作用對溫度的變化非常敏感[62-63],溫度的高低會影響生長,從而影響脫氮的效果[64]。

大量研究表明,亞硝酸鹽菌、硝酸鹽菌及硝化反應的最適生長溫度分別為35 ℃、35～42 ℃、4～45 ℃,溫度的大小對硝酸鹽菌的增長速率及其活性都會產生影響[65],進而影響脫氮階段。而對于除磷階段的影響，姜體勝等[54]通過研究得到溫度的增加,對聚磷菌釋磷和吸磷速率影響都很小,可得溫度對除磷的影響很小。劉艷臣等[66]研究表明,小試Carrousel 氧化溝在1～11 ℃以下硝化效果很差,溫度在12 ℃以上時,硝化效果得到改善。在生活污水的處理中,為滿足活性污泥系統的正常運行,溫度常保持在4～38 ℃的中溫范圍。

5 結論

(1)氧化溝工藝脫氮除磷環境因素的最適范圍為:主反應區DO濃度控制為2.0～3.0 mg/L、缺氧區DO濃度小于0.5 mg/L；pH控制在7～9內；將溫度控制在4～38 ℃；工況因素的最適范圍為:在硝化階段，C/N=2～3時為最佳范圍；對于反硝化與除磷階段,C/N=5～13,越大越好；污泥齡控制在16～20 d；污泥回流比一般控制在80%～90%。

(2)將影響因素控制在最優范圍,脫氮除磷效率能得到提升。但目前氧化溝工藝采用傳統的脫氮除磷方式,效率及成本可以通過以下措施得以改善:①對氧化溝工藝設備進行一定的改進,將短程硝化反硝化脫氮方式及反硝化除磷方式應用到其中,進而改變傳統的脫氮除磷方式,降低成本；②通過微生物生長特征進行工況調整,而不是傳統的通過調整工況調節微生物的生長；③將固定化酶分子技術結合到脫氮除磷過程中,達到提高效率的目的。