生物膜工藝實現高效除磷的關鍵問題及技術路線

　　摘要： 目前工程實踐中強化生物除磷( EBPR) 仍以活性污泥工藝為主, 生物膜工藝的EBPR 還 處于研究階段。基于對生物膜實現EBPR 基本條件的分析, 提出了要實現生物膜EBPR 至少要解決 的三個問題: 反應器構型的優化選擇, 運行模式的變換與運行周期的優化設定, 以及要解決富磷污泥 的排放與持留之間的矛盾問題。介紹了若干利用生物膜工藝實現EBPR 的典型工藝路線及處理效 果, 以期為今后高效生物膜反應器EBPR 的開發與研究提供借鑒。
　　關鍵詞： 生物膜 強化生物除磷 反應器構型 運行模式 淹沒式固定床生物膜反應器
　　前言
　　目前, 污水中磷的去除主要依靠懸浮生長活性污泥工藝生物除磷或化學除磷, 而單純利用生物膜 法實現強化生物除磷(EBPR) 的成功范例至今還不多見。相對于傳統懸浮生長活性污泥工藝, 生物膜 工藝自誕生以來憑借其集約緊湊的占地、高效的除 碳硝化性能及較低的污泥產率等特點而彰顯優勢, 構型各異的生物膜工藝一直是競相追逐的熱點研究 領域, 如曝氣生物濾池( BAF) 、流化床生物膜反應器 ( FBBR) 、移動床生物膜反應器(MBBR) 等, 但是, 利用生物膜工藝實現生物除磷的研究還很有限 , 生物膜技術在實現EBPR 方面一直面臨挑戰并因此遭受質疑 , 如連續流淹沒式生物膜系統, 很多研究者認為, 該工藝只能有效去除有機物及氨氮, 但卻不能有效除磷 ; 此外, 固定床生物膜工藝在常規運行模式下難以實現高效生物除磷, 須輔以化學除磷方能達到嚴格的排放標準, 但化學除磷將產生大量的化學污泥并導致運行成本的提高, 因此, 如何提高生物膜工藝的除磷效能是擺在研究者面前的一個緊迫課題。
　　近些年, 強化生物膜法除磷技術, 如固定床生物膜工藝嘗試通過運行模式的變換實現EBPR、生物膜與活性污泥的復合集成工藝等逐步得到了開發與應用, 但是, 這些改良式的生物膜工藝在實現EBPR方面仍然暴露出許多矛盾和弊端。如BAF為強化生物除磷而采用間歇運行模式, 但這無疑為本已較為復雜的BAF 控制回路又增加了控制系統上的復雜性; 此外, 如果反應器內部微生物主要以附著形式存在, 那么要增強除磷效果必須加大排泥, 這樣勢必導致生物膜上富磷污泥排放量與生物持有量之間的矛盾, 同時, 生物膜污泥排放量在實踐中不像 常規活性污泥工藝那樣易于控制。EBPR 對厭氧/ 好氧的交替環境有著極為苛刻的要求, 與傳統懸浮生長工藝不同, 生物膜反應器中微生物主要以附著形式生長, 要使其處于交替A/ O 狀態則受時間和空間的制約, 因此, 要實現生物膜高效除磷將會面臨很復雜的工藝難題, 如反應器構型調整、運行模式優化及過程控制集成等一系列問題需要解決和優化。
　　實現生物膜除磷須解決的關鍵技術問題
　　生物膜反應器構型的選擇
　　要實現生物膜除磷, 必須為生物膜上聚磷菌 ( PAOs) 的富集提供厭氧/ 好氧或厭氧/ 缺氧的交替環境, 同時在厭氧段要提供足夠的快速降解有機物, 為實現這個目的, 有兩種不同反應器構型可供選擇
　　一是若采用單一生物反應器實現除磷, 則需要單一反應器內部順序提供厭氧/ 好氧環境, 如間歇曝氣生物膜反應器( SBBR) 或FBBR, 常見的反應器構型, 固定床SBBR在厭氧段需要循環回流強 化攪拌功能(見圖1a) ; FBBR在中心筒升流區域曝氣進行好氧吸磷過程, 而在外環筒區域不曝氣處于厭氧狀態進行釋磷過程 。
　　二是采用兩個( 組) 單獨的生物反應器, 即厭氧/ 好氧系統, 生物載體在反應器內以懸浮流化狀態存在, 并使生物膜載體在A/ O 系統內實現回流循環, 但問題關鍵在于能否順利將富磷生物膜污泥適度剝落并排出系統, 這在工程實踐中目前還難以實現, 同時要求同步脫氮除磷時還面臨硝化液回流與污泥回流之間難以分離的矛盾。
　　單純生物膜工藝很難真正意義上實現EBPR, 但復合工藝就完全有可能實現, 近些年涌現的/ 活性污泥- 生物膜0組合工藝( 見圖1c) 為實現高效生 物除磷展現了前景, 該工藝特點在于系統中微生物以懸浮( 活性污泥) 和附著( 生物膜) 兩種形式存在, 研究證明該技術可以實現高效脫氮除磷 。
　　實現運行模式的變換及運行周期的優化
　　可通過運行模式的變換及運行周期的設置使生物膜交替處于A/ O環境, 運行模式的變換可尋求通過時間或空間上的變換來實現, 如采用間歇曝氣/ 非曝氣模式; 或者通過周期性調整不同生物膜反應器 之間的水流方向實現厭氧/ 好氧或厭氧/ 缺氧模式的順序切換。
　　運行模式的轉換可以強化對磷的去除效率。周健等人對比研究了連續曝氣和間歇曝氣(曝氣1. 0 h, 停曝1. 5 h) 兩種工況下折流式BAF 的脫氮除磷效果, 結論是連續曝氣( 氣水比5 B 1, HRT 為8 h) 模式下, TP去除率最高只能達到38. 4%, 出水TP無法達標, 間歇曝氣模式下TP能達到5城鎮污水處理廠污染物排放標準6( GB 18918 ) 2002) 的一級B標準, 與連續曝氣相比, 間歇曝氣對T P去除率提高了20% ~ 40%; 顧丹亭等人的研究也證明了間歇曝氣能強化常規生物濾池對磷的去除, 他們對傳統兩級串聯BAF運行模式進行了改良, 在第二級BAF 進 行間歇曝氣, 曝氣和停曝時間分別為2 h 和1 h, 系統采用好氧時段排水, 厭氧時段不排水的間歇出水方式, 試驗發現, 系統對TP 的去除主要發生在采用間 歇曝氣的BAF 中, 其對T P 的平均去除率為59%, 系統對TP 的去除率高達72% , 當原水T P 濃度為 4. 40~ 8. 85 mg/ L 時, 出水TP 濃度為0. 92~ 2. 83 mg/ L, 平均為1. 90 mg/ L, 表明曝氣/ 間歇曝氣兩級生物濾池在保證對COD 的去除效果前提下大大提高了系統的除磷率; 類似的研究也發現間歇曝氣模式可以解決傳統BAF 除磷率低的問題。
　　上述的研究表明, 可以通過運行模式的調整達到EBPR的目的, 但這無疑在一定程度上增加了生物膜EBPR運行控制上的復雜性, 而這種復雜性源于生物除磷對厭氧/ 好氧交替環境條件的苛刻要求, 鄭蓓等采用厭氧濾池) 間歇曝氣生物濾池( IABF) 組合生物膜工藝開展了生物膜除磷效能研究, 厭氧濾池連續運行, 兩個IABF通過曝氣控制實現A/ O交替運行和連續流出水, 并提出了/ ACF0運行模式概念, 但值得注意的是, ACF運行方式特點是需要周期性地排除厭氧富磷液并進行化學除磷, 同時在好氧段頭1 h 內還需要間歇曝氣以改善出水水質, 雖然該工藝對TP平均去除率達到85. 2% , 出水TP平均為0. 59 mg/ L, 但筆者認為, 周期性地排除厭氧富磷液雖然能延長反沖洗周期, 但代價是需要輔以化學除磷, 嚴格意義而言整個系統是生物和化學協同除磷, 另外, 由于采用了/ ACF0模式運行, 該生物膜組合工藝EBPR 的過程控制也略顯繁瑣。
　　運行模式的轉換還可以通過借助反應器間水流方向的切換實現EBPR目的。Falkentoft 等人 推薦了利用生物濾池系統在連續流條件下實現反硝化和除磷的運行模式, 進水首先到厭氧反應器( 釋磷) , 然后進缺氧反應器( 以NO- 3 ) N 為電子受體吸磷) , 最后到好氧反應器( 硝化) , 好氧反應器硝化液回流到缺氧反應器。反應器R3 始終在好氧硝化模式運行, 而反應器R1、R2 通過硝化液交替回流實現厭氧/ 缺氧模式的交替切換, 厭氧段進行釋磷, 缺氧段以硝酸鹽為電子受體進行吸磷, 從而實現脫氮除磷。(來源：給水排水 作者：劉智曉 崔福義 王樹濤 趙志偉
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