欧洲城市污水处理技术新概念——可持续生物除磷脱氮工艺(上) 22页

'..欧洲城市污水处理技术新概念--可持续生物除磷脱氮工艺(上) 作者:郝晓地　汪慧贞　钱易来源:给水排水　2002年第28卷第6期类别:污水处理资料日期:2002.12.12今日/总浏览:2/7 提要　传统污水处理工艺以能消能，消耗大量有机碳源，剩余污泥产量大，同时释放较多CO2(因耗能)到大气之中。当今，全球普遍强调的可持续开展经济模式在污水处理领域也得到表达。因此，研发以节省能(资)源消耗、并最大程度回收(用)有用能(资)源的可持续污水处理工艺已势在必行，在详细介绍两种新近在欧洲出现的可持续处理工艺--反硝化除磷、厌氧氨(氮)氧化的根底上，提出一个以转换有机能源(甲烷)、回收磷酸盐(鸟粪石)、回用处理水(非饮用目的)为目标的可持续城市污水生物除磷脱氮推荐工艺。 关键词　可持续处理工艺　除磷脱氮　反硝化除磷　厌氧氨(氮)氧化　亚硝化　COD甲烷化..word.zl. ..欧洲城市污水处理技术新概念--可持续生物除磷脱氮工艺(上) 作者:郝晓地　汪慧贞　钱易来源:给水排水　2002年第28卷第6期类别:污水处理资料日期:2002.12.12今日/总浏览:2/7 提要　传统污水处理工艺以能消能，消耗大量有机碳源，剩余污泥产量大，同时释放较多CO2(因耗能)到大气之中。当今，全球普遍强调的可持续开展经济模式在污水处理领域也得到表达。因此，研发以节省能(资)源消耗、并最大程度回收(用)有用能(资)源的可持续污水处理工艺已势在必行，在详细介绍两种新近在欧洲出现的可持续处理工艺--反硝化除磷、厌氧氨(氮)氧化的根底上，提出一个以转换有机能源(甲烷)、回收磷酸盐(鸟粪石)、回用处理水(非饮用目的)为目标的可持续城市污水生物除磷脱氮推荐工艺。 关键词　可持续处理工艺　除磷脱氮　反硝化除磷　厌氧氨(氮)氧化　亚硝化　COD甲烷化..word.zl. ..磷酸盐回收　处理水回用 　　　当今世界，污水处理的主要对象为有机物(COD)、氨氮和磷酸盐。传统上，COD和氨氮的脱除一般由生物氧化和硝化/反硝化完成；磷酸盐或通过细菌的生物聚集、或靠化学沉淀去除。传统工艺存在以下弊端： 　　①COD氧化和硝化耗能巨大，且在COD氧化中，无形中失去贮存在COD的大量化学能(每kg..word.zl. ..COD约含1.4×107J代热)； 　　②反硝化与磷的生物聚集均需消耗COD； 　　③剩余污泥量大； 　　④耗能造成大量二氧化碳释放，并进入大气。 　　污水排放标准的不断收紧是目前世界各国普遍的开展趋势；以控制富营养化为目的的氮、磷脱除已成为各国主要的奋斗目标。无疑，应付日趋严格的排放标准，传统工艺会因上述弊端而雪上加霜［1］。在此情形下，开展可持续污水处理工艺变失势在必行。所谓可持续污水处理工艺就是朝着最小的COD氧化、最低的CO2释放、最少的剩余污泥产量以及实现磷回收和处理水回用等方向努力。这就需要以较综合的方式来解决污水处理问题，即污水处理不应仅仅是满足单一的水质改善，同时也需要一并考虑污水及所含污染物的资源化和能源化问题，且所采用的技术必须以低能量消耗(防止出现污染转移现象)、少资源损耗为前提。 　　开展新颖的污水生物处理工艺依赖于在微生物学及生物化学方面的新发现或新认识。荷兰研究人员Mulder［2］在10年前发现了"厌氧氨(氮)氧化"现象。与此同时，南非、荷兰、日本等国科学家对生物摄/放磷代机理重新认识后确定了"反硝化除磷"新途径［4～5］。这两种新技术的研发与应用对开展可持续污水生物处理工艺具有划时代意义的推动作用。本文以"厌氧氨氧化"和"反硝化除磷"技术为蓝本，详细介绍它们的技术原理、工艺流程以及在欧洲的应用情况；在此根底之上提出一个以转换有机能源(甲烷)、回收磷化合物(鸟粪石)和回用处理水(非饮用目的)为目标的可持续城市污水生物除磷脱氮技术推荐工艺。 1　可持续生物除磷脱氮工艺技术根底 　　目前欧洲以单一去除COD为目的的污水处理工艺已不多见，代之以除磷脱氮为主要对象的生物营养物去除(BNR，BiologicalNutrientRemoval)工艺。一方面，这是迫于污水排放标准不断提高的压力；另一方面，COD氧化以能消能，同可持续污水处理概念相悖。从这个意义上说，污水处理过程中应最大限度地降低COD消耗量并使过剩的COD甲烷化。这样一个概念对实现可持续污水处理起着举足轻重的作用。 　　在污水生物除磷实践中，南非开普顿大学(UCT)研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一对磷的生物摄/放起作用的菌种，兼性反硝化细菌也有着很强的生物摄/放磷现象［3］。反硝化细菌的生物摄/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学(TUDelft)和日本东京大学(UT)研究人员合作研究确认，并冠名为"反硝化除磷"(denitrifying..word.zl. ..dephosphatation)［4～5］。在磷的生物摄/放过程中，反硝化除磷细菌以硝酸氮取代氧作为电子承受体，也就是说反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一。显然，在结合的除磷脱氮过程中，COD和氧的消耗量均能得到相应节省。比拟传统的专性好氧磷细菌去除工艺，反硝化除磷细菌能分别节省约50%和30%的COD与氧的消耗量，相应减少剩余污泥量50%［4，6］。在反硝化除磷过程中由于COD需要量的大为减少，过剩的COD因此能被别离，并使之甲烷化，从而防止COD单一的氧化稳定(至CO2)。归因于曝气能量的减少，以及过剩COD甲烷化后能量的产生，这种综合的能量节约最终会导致释放到大气的CO2量明显减少。因此，具有反硝化除磷细菌富集的处理系统可以被视为可持续处理工艺。 　　传统上，两个已得到充分确认的生物途径，硝化(NH+4→NO3-)与反硝化(NO3→N2)被应用于污水处理的生物脱氮。这种传统生物脱氮途径从可持续角度看并不是最正确的，因为充分地氧化氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源(因曝气)；其次，还需要有足够碳源(COD)来复原硝酸氮到氮气。对这一传统脱氮途径的改良可借助于新近由荷兰TUDelft研发的一种中温亚硝化技术--SHARON来实现［7］。在亚硝化/反硝化脱氮途径中，亚硝酸氮为仅有的中间过渡形态；这一途径无论对氧化(NH+4→NO2-)还是复原(NO2-→N2)均能起到最小量化的作用，意味着O2和COD消耗量的双重节约。显然，亚硝化/反硝化脱氮途径可以成为一种可持续的脱氮技术。 　　此外，荷兰TU..word.zl. ..Delft研究人员几乎在同一时期还试验确认了一种新的氨氮转换途径，这使得氨氮以亚硝酸氮作为电子承受体而被直接氧化至氮气成为可能［2，7］。这种厌氧条件下的氨氮氧化与亚硝化过程(如SHARON工艺)相结合在工程上能够实现氨氮的最短途径转换，这就意味着生物脱氮过程中能源与资源消耗量的最小化完全可能。污水处理过程中氮的所有可能转换途径列于图1。与传统脱氮工艺相比拟，很明显，由厌氧氨氧化与亚硝化工艺相结合的氮的完全自养转换方式是一种最可持续的污水脱氮途径。 　图1　污水生物脱氮的可能途径 2　反硝化除磷原理与工程实践 　2.1　生物除磷代模型 　　从印度研究人员Srinath等人于1959年首次提及污水生物除磷现象以来［8］，各国科学家对生物除磷机理进展了长达20余年的摸索研究。然而，早期生物除磷研究往往以实际污水处理工艺为主要研究对象，且注意力大多集中于好氧条件下的生物摄磷过程，并没有在意磷的厌氧释放同好氧摄取之间的关系。直到上世纪80年代初，荷兰研究人员Rensink才首次报道了好氧摄磷与厌氧放磷过程之间存在着某种必然联系［9］。在此根底上，生物除磷的一个完整生化代模型才由后续一些科学家完善、定型。图2显示了这个已根本定型的生物除磷生化代模型［5，10］。 图2　生物除磷生化代模型 　　HAc醋酸(COD)　Glycogen糖原　Poly-P多聚磷酸盐　ATP三磷酸腺甙　PHB聚-β-羟基-丁酸酯　　NADH2烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶) 　一般认为，污水中的基质(COD)首先在厌氧条件下被转化为细菌细胞的聚合物质--PHA(即PHB+PHV，以PHB为主要成分)，这个过程籍细胞多聚磷酸盐来提供所需能量。结果，磷酸盐被释放到细胞之外。当环境改变为好氧条件后，由于环境中缺乏COD而使得在厌氧条件下贮存的PHB被用来充当基质。籍基质所提供的能量，细菌在此条件下过量摄取环境中的磷酸盐而在细胞形成多聚磷酸盐，细菌同时得到增殖。此外，在好氧条件下糖源也得到补充。在好氧条件后别离增殖的细菌，磷便能随细菌细胞而被排除。聚磷细菌PAOs(PhosphateAccumulatingOrganisms)细胞的磷含量可高达12%(以细胞干重计)，而普通细菌细胞的磷含量仅为1%～3%［10］。可见，生物聚磷后的细菌别离可有效将污水中的磷酸盐脱除。 　　兼性反硝化细菌生物摄/放磷作用被确认不仅拓宽了磷的去除途径，而且，更重要的是这种细菌的生物摄/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。这就为可持续污水处理工艺的开展奠定了十分有力的技术根底。如图2所示，在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，反硝化除磷细菌DPB(DenitrifyingPhosphorusremovingBacteria)..word.zl. ..能够象在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被复原为氮气。显然，被DPB合并后的反硝化除磷过程能够节省相当的COD与曝气量，同时也意味着较少的细胞合成量。 　2.2　反硝化除磷工艺 　　事实上，在早先应用的UCT(UniversityofCapeTown)等生物脱氮除磷工艺中存在着一定数量的DPB，只不过当时没有被人们认识而已。在实际工程中，为最大程度地从工艺角度创造DPB的富集条件，一种变型的UCT工艺--BCFS在荷兰应运而生［11～12］。实际上，BCFS工艺以荷兰早年研发的氧化沟(污泥龄同氧化沟)和南非创造的UCT工艺原理为根底，将UCT反响池扩展为5个，具有3个循环和1个被结合的化学除磷单元。BCFS工艺流程详见图3。 　　厌氧池以推流方式运行可保持较低的污泥指数(SVI)，相当于一个厌氧选择池所起到的作用。在厌氧池后，一些溶解性的水解产物(COD)可能存在。实践证明，在厌氧和缺氧池之间增设一个接触池可起到第二选择池的作用。在接触池中，回流污泥与来自于厌氧池的混合液充分混合，以吸附在厌氧池中被水解的COD。这个过程仅需约10min即可完成，所以，接触池仅需一个很小的池容。接触池中的溶解氧为零，溶解性的COD被用来脱除由回流污泥带进的硝酸氮。在此情况下，丝状菌的繁殖被大大抑制。最近对荷兰几个已升级为BCFS工艺的处理场调查说明，一个稳定而又较低的SVI值(80～120)能够在运行中持续实现［12］..word.zl. ..。而在未增设第二选择池前，SVI普遍在150以上。 图3　BCFS工艺流程 　　在好氧池与缺氧池之间增设一缺氧/好氧池(混合池)，目的是为了在此池获得同时的硝化与反硝化，以保证出水含有较低的总氮浓度。这个新增设的反响池仅在需要时曝气(或因好氧池溶解氧浓度过低，或因好氧池和缺氧池中的氧化/复原电位太低)。在此情形下，这个增设的反响池可以被定义为"混合(曝气)池"(池溶解氧通常为0.5mg/L)。在好氧池之前加设混合池，可较容易地通过控制循环流量到达保证完全的反硝化和循环A中无(或极低)硝酸氮的目的。否那么，硝酸氮可能被回流到厌氧池中，导致普通兼性异养菌(反硝化作用)同除磷细菌(PAOs/DPB)竞争并消耗COD。此外，混合池能通过最大程度地富集DPB，起到使污泥得到良好矿化、降低SVI值与污泥产量之综合作用。 　　因为在BCFS工艺中的污泥龄通常被设计以满足硝化细菌增长所需要的生长条件，所以，容易导致较低的污泥产量。然而，这对除磷细菌的富集是不利的。另外，进水中COD/P比值过低也不利于除磷细菌的增长。在这两种情况下，生物除磷需辅以化学除磷来到达完全除磷的目的。生物除磷与化学除磷结合有助于使生物过程具有较高的选择性。进言之，细菌对磷酸盐具有较高的亲和性。因此，生物除磷与化学沉淀结合还能保证在较低化学药剂消耗量的情况下获得低的磷出水浓度(＜0.1mgP/L)。试验说明，完全生物除磷需要22mgCOD/mgP，而生物除磷与化学沉淀相结合会使最低COD需要量降至2mgCOD/mgP［13］。在图..word.zl. ..3所示的BCFS工艺中，化学沉淀除磷单元设置于厌氧池的末端(混合液中的磷浓度到达最大，通常为30～40mgP/L)，局部混合液以上清液形式(设小型沉淀单元)被抽出、并施以化学沉淀剂沉淀。以此种方式运行，一方面化学药剂的投放量可发挥其最大效率，另一方面化学污泥不会同生物污泥混合而影响污泥燃烧处置时的燃烧能力。 　3　厌氧氨(氮)氧化脱氮技术原理及应用前景 　3.1　自养脱氮技术原理 　　如图1所示，厌氧氨(氮)氧化辅以亚硝化是实现自养脱氮的最有效途径。厌氧氨氧化与中温亚硝化均是近十年来由荷兰代尔夫特工业大学Kluyver生物技术实验室所开发的新工艺。 　3.1.1　厌氧氨(氮)氧化(ANAMMOX) 　　厌氧氨氧化ANAMMOX(ANaerobicAMMoniumOXidation)指的是厌氧条件下氨氮以亚硝酸氮作为电子承受体直接被氧化到氮气的过程，其分解反响如下： NH+4+NO-2→N2+2H2O(1) ..word.zl. ..　　从这一反响中所产生的Gibbs自由能甚至比产生于好氧氨(氮)氧化(硝化)的能量还高，所以，能够支持自养细菌生长。早在20世纪70年代中期，Broda便从自由能理论计算中预测到自然界应该存在着ANAMMOX现象［14］，但它的现实发现是在理论预测10年之后。荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中发现了这一现象［2］。起ANAMMOX作用的微生物已被成功地分别在实验室流化床［15］与SBR反响器［16］中培养、富集到一定浓度，合成培养基为氨氮与亚硝酸氮的混合物。ANAMMOX微生物的增长率与产率是非常低的，但是氮的转换率却为0.25mgN/(mgSS·d)，这与传统好氧硝化的转换率相当［17］。ANAMMOX反响在10～43℃的温度围具有活性，适宜的pH为6.7～8.3。 　　ANAMMOX无需有机碳源存在，碳酸盐/二氧化碳是ANAMMOX微生物生长所需的无机碳源。ANAMMOX总试验计量化学式由方程(2)所表示，它是ANAMMOX分解(方程(1))与合成的总的表达式。ANAMMOX一个令人惊奇的性质是它在反响过程中需要转换局部亚硝酸氮到硝酸氮［15］，如方程(2)所示。因为ANAMMOX由自养微生物所完成，所以，为固定CO2并使之复原为有机碳需要有一个电子给予体。理论上，两种基质，氨氮(氧化到亚硝酸氮)及亚硝酸氮(氧化到硝酸氮)均可担当此任，但在现实中显然仅亚硝酸氮被用于此目的。 　　NH+4+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→ 　　0.066CH2O0.5N0.15+1.02N2+0.26NO3- 　　+2.03H2O　　　　　　　　　　(2) 　3.1.2　中温亚硝化(SHARON) 　　中温亚硝化英文简称SHARON(SinglereactorforHighAmmoniumRemovalOverNitrite..word.zl. ..)，氨氮氧化的终产物为亚硝酸氮［18～22］。众所周知，常温下的硝化是一个由两种不同的自养细菌所完成的生物化学过程：第一步，氨氮首先被氧化到亚硝酸氮(亚硝化)；第二步，亚硝酸氮继续被氧化成硝酸氮(硝化)。在环境温度下(如典型的10～20℃)，硝化细菌比亚硝化细菌增长速率要快。这暗示着亚硝酸氮作为一种中间过渡形态很难以聚集浓度存在于环境温度之下。然而，当温度增高之后，出现与常温下相反的情况，因为硝化细菌在温度提高后其增长率变得比亚硝化细菌要低。根据反响的活性能，荷兰研究人员Hunik［23］绘出了亚硝化细菌和硝化细菌的最小污泥龄与温度之间的关系，如图4。图4提醒，靠细致地选择污泥龄，硝化细菌完全有可能被从系统中排除，而仅仅使亚硝化细菌保持在反响器中。 　　图4　亚硝化细菌和硝化细菌的最小污泥龄与温度关系 　　SHARON工艺的根本工作原理便是利用了温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特点，使硝化细菌失去竞争［21～22］。此外，温度高有利于提高细菌的比增长率，这便有可能使微生物被保持在一有限容积的单一反响器中，而无需污泥停留(以恒化器方式运行)。在SHARON工艺中无污泥停留意味着污泥龄(SRT)完全等于水力停留时间(HRT)。因此，反响器的稀释率(1/HRT)能被设定在某一数值，使亚硝化细菌快速增长并停留在反响器中，而让硝化细菌排出系统。作为一个平安的运行温度，35℃被选择为SHARON工艺的工作温度。此时，亚硝化细菌的最大比增长率为2.1d-1，在实际情况下导致大约为1..word.zl. ..d左右的好氧污泥龄。 　　虽然SHARON工艺选择了快速增长的亚硝化细菌，但这样的微生物对氨氮具有较低的亲和性(即在反响动力学中具有较高的半饱和常数Ks)［20］。在实际中，这将导致出水含有较高浓度的氨氮(10～100mgN/L)。因此，SHARON工艺最适合于处理具有一定温度的高浓度(＞500mgN/L)氨氮污水。试验说明，亚硝化过程在pH下降到6.4左右时停顿，因为在此pH条件下硝化细菌变得活泼起来［21～22］。对SHARON工艺来说，最正确的运行pH在6.8～7.2之间。 　3.1.3　生物膜亚硝化 　　亚硝酸氮在生物膜的聚集是亚硝化的另一种形式，这种现象已在一些试验中低溶解氧浓度(0.5～1.5mgO2/L)的情况下被观察到，并被确认存在于现实之中［24～25］。硝化细菌与亚硝化细菌间对氧的亲和性之差异，以及传质限制等因素影响这两种微生物在生物膜的数量。许多研究人员从试验中已广泛地观察到，亚硝化细菌对氧的亲和常数..word.zl. ..(即半饱和常数)比硝化细菌要低很多［26～30］。如果生物膜的溶解氧受限制，这两种微生物间的竞争必定发生。竞争的结果总是亚硝化细菌获胜。在一个生物膜系统中，快速增长的细菌倾向于占据生物膜的表层［31］。微生物的这种性质对亚硝化细菌的增长非常有利，因为在环境中低DO/NH3-N比值情况下，氧通常是限制性基质，缺乏以向生物膜部扩散［32］。生物膜微生态进化的结果将是硝化细菌消失，而亚硝化细菌大量繁殖，至少在生物膜的表层情况如此。 　3.2　自养脱氮工艺应用现状与前景 　　ANAMMOX工艺的出现为工业污水或生活污水以较可持续方式脱氮处理创造了新的技术条件［2，33，34］。ANAMMOX与一亚硝化工艺相结合，氨氮能够被直接自养转换到氮气。以此种方式脱氮，传统上需以有机电子供体(COD)支持反硝化的问题便被完全防止。因此，污水中较多的COD便有可能被别离而转化为甲烷。进言之，一半以上的曝气量(为硝化)被节约。与ANAMMOX相结合的亚硝化工艺可以SHARON方式或者在生物膜实现。 　3.2.1　SHARON与ANAMMOX结合工艺 　　这种自养脱氮工艺见图5。主要针对高浓度氨氮污水。进水首先进入一悬浮增长、无污泥停留的SHARON单元，运行最正确温度为35℃。目前，世界上SHARON工艺的首例工程应用已在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理场实现［35］；它被用于污泥消化液(含有1000～1500mgN/L)反硝化的前处理(亚硝化)。这个SHARON亚硝化单元以实验室2L小试反响器为根底，通过数学模拟直接放大到现场1500m3处理构筑物。几年实际运行情况说明，这个亚硝化处理单元性能良好，亚硝化率几乎可达100%(需控制pH)。 　　事实上，上述SHARON亚硝化单元是为今后以ANAMMOX方式处理污泥消化液所做的前期技术准备。目前，对图5所示SHARON后接ANAM..word.zl. ..MOX的完全自养脱氮工艺已完成全部实验室研究工作。 　　图5　SHARON与ANAMMOX相结合的自养脱氮工艺流程 　　作为ANAMMOX的前处理单元，实验室中2L小试的SHARON亚硝化反响器(SBR)在30～40℃条件下运行，总的氮负荷为1.2gN/L，pH不受控制。SHARON反响器以pH不受控制方式运行的结果将是不完全亚硝化。试验说明［35］，有53%的消化液氨氮被亚硝化(见表1)。换句话说，SHARON反响器的出水实际上是氨氮与亚硝酸氮的混合液。这恰好就是ANAMMOX反响器所需的最正确进水基质。经一个运行在30～37℃的2LANAMMOX反响器处理后，来自SHARON反响器之混合液中的亚硝酸氮那么全部被去除。根据ANAMMOX的试验计量式(方程(2))，在SHARON反响器中57%的氨氮亚硝化应是在ANAMMOX反响器中全部去除氨氮与亚硝酸氮的最正确转换率。试验说明［35］，在SHARON反响器中氨氮的亚硝化率完全受pH〔在6.5～7.5间〕控制。所以，要想得到一个理想的亚硝化率可以靠控制pH来实现。 　　表1　SHARON与ANAMMOX结合自养脱氮小试氮平衡工程SHARONANAMMOX 进水出水进水出水 NH+4-N/mgN/L1.180.550.550.07 NO2--N/mgN/L00.600.600 NO3--N/mgN/L0000.15 NOx-N/mgN/L000..word.zl. ..0 　　鹿特丹Dokhaven污水处理场污泥消化液目前反硝化脱氮处理单元将会在不久的将来被ANAMMOX工艺所取代，有关ANAMMOX工程应用的中试正在设计之中。无疑，这将为高浓度氨氮的可持续脱除建立世界上首座示工程。 　3.2.2　生物膜自养脱氮工艺(CANON) 　　生物膜的亚硝化前已述及。如果在生物膜系统ANAMMOX微生物也能同时生长，那么生物膜一体化的完全自养脱氮工艺便可能实现。在实践中，这种一体化的自养脱氮现象确实已在一些工程或试验中被观察到［36～38］。这种自养脱氮工艺已被命名为CANON(pletelyAutotrophicNremovalOverNitrite)［39］。 　　CANON工艺的工作原理如图6，以方程(2)表示的ANAMMOX计量化学式为依据。在支持同时硝化与ANAMMOX的生物膜系统中，通常存在3种不同的自养微生物：亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌。这3种细菌相互间竞争氧、氨氮与亚硝酸氮。如上所述，由于亚硝化细菌与硝化细菌间对氧的亲和性不同，以及传质限制等因素，亚硝酸氮在生物膜表层的聚集是可能的。当氧向扩散到被全部消耗后，厌氧层出现，厌氧氨氧化细菌便有可能在此生长。随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸氮扩散至厌氧层，ANAMMOX反响便能进展。CANON工艺总的化学计量式由方程(3)表示。可见，环境中的氨氮与溶解氧是决定CANON..word.zl. ..工艺的两个关键因子。 图6　CANON工艺生物膜反响模型 　　NH+4+3/4O2→1/2N2+3/2H2O+H+(3) 　　虽然目前CANON工艺在世界围仍处于研发阶段，还没有真正的工程应用，但是它必将会给可持续污水脱氮技术带来革命性的变革。在ANAMMOX微生物学研究成果的根底上［17］，我们所做的数学模拟技术［40～41］已对CANON工艺的各个未知因素和影响因子进展了理论分析，识别了主要影响因子，从而为CANON工艺的工程应用提供了有力的中试根底。欧洲城市污水处理技术新概念--可持续生物除磷脱氮工艺(下) ..word.zl. ..作者:郝晓地　汪慧贞　钱易来源:给水排水　2002年第28卷第7期类别:污水处理资料日期:2002.12.12今日/总浏览:1/7 4可持续生物除磷脱氮推荐工艺 4.1推荐工艺 　　以BCFS工艺为代表的反硝化除磷，及CANON工艺为代表的厌氧氨氧化作为可持续除磷脱氮关键技术的蓝本，荷兰-中国大学间合作研究提出了一针对城市污水处理的可持续除磷脱氮推荐工艺，如图7所示。这个推荐工艺突出COD甲烷化、磷酸盐回收以及处理水回用等与可持续性密切相关的容。 图7　可持续城市污水处理除磷脱氮推荐工艺 　　为了有效转换污水中过剩COD为甲烷，早年德国人开发的AB法[42]中A段被推荐用于浓缩COD。A段采用很短的污泥龄(8-25..word.zl. ..h)；以这种方式，细菌快速繁殖，约70％～80％的悬浮状和溶解状的进水COD能被合成为细菌细胞。在A段后生物污泥被沉淀别离，然后被送往污泥消化池进展消化、转化。与来自二沉池的生物污泥相比拟，由A段产生的污泥有着较好的可消化性，最终会导致较低的消化剩余污泥(熟污泥)。A段浓缩COD的同时，也必然将相当数量的氮、磷合成于细菌细胞之中。 　　经A段处理之后水／物流被分成两股：①泥水别离后的上清液；②通往消化池的污泥。上清液中所剩COD被刚好用来脱除剩余的氮和磷。显然，对这股水／物流采用BCFS工艺脱除氮、磷能最小化COD的消耗量；从BCFS工艺中产生的高磷含量污泥也被送往消化池消化。消化后产生的消化液一般氮、磷浓度很高，且水温较高(应至少为30℃)。一些以回收磷酸盐为目的的现场试验说明[43--45]，污泥消化液是污水处理场中最理想的磷源回收之处。因此，污泥消化液首先被引入一沉淀单元，通过投加镁化合物(如氯化镁等)形成磷酸铵镁化合物(MAP，即鸟粪石)而别离出磷。鸟粪石能被用作植物生长所需之磷源。磷被回收后的消化液采用CANON工艺脱除浓度仍然很高的氨氮最为适宜，因为消化液几乎不含COD，加之较高水温对获得较完全的厌氧氨氧化率十分有利。 　　虽然经CANON工艺处理后的出水氨氮浓度一般并不能直接到达排放标准，但此股水流流量很小，同来自于BCFS工艺的出水(大流量、低浓度)混合后能被稀释到排放标准以下。考虑回用时，COD，N，P已分别达标(排放标准)的出水只需经简单的后处理便可实现回用于非饮用目的。 4.2..word.zl. ..效率分析 　　为了定量说明图7所示推荐工艺所能完成的处理效率，此处以荷兰一正在建立中的城市污水处理厂所接收的水质、水量为例进展处理效率分析。该处理厂所接收的平均污水量为8500m3／d；平均水质如下：COD=625mg／l,TKN=60mg／L，TP=9.5mg／L。 　　根据经历数据，约有40％的进水总氮在A段中能被合成到细菌细胞中。如果以离心机来别离消化液，高达1200mg／L的氨氮会出现在消化液中[46]。假设来自A段普通生物污泥含氮、磷量分别为8％和2％(来自于BCFS工艺生物污泥磷含量可高达12％)；进入消化池的污泥COD有一半可转化为甲烷(这些假设数据均为实际经历值)。理论上，这意味着高达300mg／L的磷可能存在于消化液中。可见，从消化液中回收磷酸盐是十分必要的。 　　以上述经历数据及15℃水温为依据，可借助于数学模拟以及各处理单元可到达的实际处理效果建立有关COD，N，P的物料平衡，计算结果详见图8。按40％进水氨氮在A段被合成到细菌体计算，那么相应有74％的进水COD(其中约1／3被氧化供合成能量之用)和60％的进水总磷在A段被转化。剩余26％的COD被引入BCFS工艺，以去除剩余60％的氮(至出水到8mg／L)和37％的磷(至出水到0.5mg／L)。BCFS工艺以20..word.zl. ..d污泥龄运行，产生的剩余污泥量很少(仅为进水总COD的6.6％)。 图8　推荐工艺物料平衡 　　因约50％污泥形式的COD在消化阶段被转化为甲烷，所以，相应会有一半的氮、磷由于细胞的分解而释放到环境中(消化液)；另一半COD，N，P那么以熟污泥形式存在。如果使用氯化镁作为沉淀剂，消化液中97％的磷能以鸟粪石形式沉淀L441，这相当于有46.2％的进水磷可被回收。 　　CANON工艺被作为最后一个处理单元，处理磷回收后氨氮含量仍然很高的消化液。对CANON工艺的数学模拟说明，在30℃，如果工艺参数控制得当，可以到达90％的总氮去除率[40]。尽管CANONS.艺并不能将消化液中的氨氮去除殆尽，但此股水流流量较小，同来自于BCFS工艺很大出水流量混合后并不会使总的出水浓度升值太高。在此例中，出水总的COD，N，P的浓度分别为30mg几(非生物降解性)、9mg／L和0.6mg／L。 4.3可持续性 　　上述举例分析中，COD直接氧化(分解)而生成C02的数量被减低到了最小程度。A段中26％的COD的分解是为另外48％的COD合成提供能量，是生物污泥形成(COD浓缩)所必不可少的条件；A段后剩余26％COD刚好被用于反硝化除磷，而非简单分解。因为仅60％的进水总氮负荷需经反硝化除磷脱除，所以，脱氮所必需的碳源(COD)也相应节省。这样，被节省或过剩的COD(共48％)便能被用于甲烷化。再者，无论是COD氧化、反硝化除磷、还是亚硝化都能节省很多耗氧量，因此，推荐工艺的可持续性显而易见。推荐工艺与传统工艺计算所得重要处理效率数据见表2。技术参数可持续工艺传统工艺 O2消耗量kg02／kgN2.6..word.zl. ..4.65 或kgO2/kgCOD0.290.6 脱氮COD消耗量kgCOD／kgN1.44-5 甲烷生产量kgCH4／kgCOD0.280 剩余污泥量kgSS／kgCOD0.290.4 磷酸盐回收量kgP／kgP0.490 C02释放量减少％180 处理水回用后处理难易程度简单复杂 　　注：表中数据表示去除单位质量的污染物，所消耗的或产生的物质的量，如0.48kgP／kgP表示去除1kgP可回收磷酸盐(以P计)0.48kg。 　　与传统工艺相比拟，推荐工艺在表2所列的各个方面均具可观的可持续性。 4.4..word.zl. ..工艺评估 　　推荐工艺中虽涉及多个处理单元，但象AB法、BCFS工艺、污泥消化、磷酸盐回收等多已用于工程实际，并取得了良好的运行效果。在建筑构造方面，新颖的BCFS工艺同心圆平面设计成为真正意义上的"UNITANK"构造。尽管CANON工艺仍在研发之中，但试验、现场观察以及对其所做的数学模拟无疑会加速它在工程中的应用。因此，推荐工艺并不存在任何技术方面的难题。 　　多个处理单元被合并于推荐工艺中无疑会导致根底建立(工程建立与材料等)费用增高。然而，推荐工艺之可持续性的奉献必将降低运行管理费用(主要是电力消耗和污泥处置)。此外，磷酸盐回收与处理水回用还能带来潜在的经济价值，对缓解磷与水资源危机有现实意义；显著减少的C02释放量对控制温室效应也有着不可低估的积极作用。..word.zl.'