南通集裝箱一體化污水處理設備專業(yè)靠譜

隨著工業(yè)化步伐的加快、人口的增長和水污染問題的嚴重，使原本十分有限的淡水資源更加稀缺，我國多個大中城市中有半數(shù)以上缺水尚有的城市沒有污水處理廠，大量生活污水直接排放，造成越來越嚴重的環(huán)境污染問題。解決水環(huán)境污染問題迫在眉睫。

目前，我國污水處理廠的二級處理率仍然很低，而且污水處理大部分仍然局限在有機物和懸浮固體的去除。雖然近年來，我國已經(jīng)開展了脫氮除磷方面的研究，并且取得了一定的進展。但是近十多年來，我國污水處理廠的工藝升富營養(yǎng)化問題不但沒有解決，反而還在加重。水體富營養(yǎng)化是指湖泊、河流、水庫等水體中氮磷等植物性營養(yǎng)物質(zhì)含量過多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。由于水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的富集,引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成藻類、浮游生物、植物、水生物和魚類衰亡甚至絕跡的污染現(xiàn)象。二級出水中氮磷等營養(yǎng)物的過多排放引起的水體富營養(yǎng)化問題仍然是我國面臨的最主要的水污染問題之一。

污水生物處理過程的脫氮技術是上個世紀年代才開始逐漸發(fā)展并應用于工程實踐中。磷可以通過生物法去除，同時也可以通過化學法去除，通過投加藥劑生成含磷污泥沉淀排出系統(tǒng)。由于含氮的化合物一般都是分子態(tài)，分子量較小，目前生物法去除是經(jīng)濟可取的方法。

但是目前的實際情況是，我國污水處理廠仍然普遍存在技術人員缺乏，運行管理水平較低等問題，所以積極探索適合我國國情，在投入較少的情況下，獲得更好的處理效果，降低運行成本，對于發(fā)展我國的污水處理事業(yè)顯得尤為重要。隨著我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準一》的頒布實行，對于我國城鎮(zhèn)污水處理廠的氮磷排放提出了更高的要求。實現(xiàn)對于已建成城鎮(zhèn)污水處理廠的脫氮除磷改造突出的擺在我們面前。

氧化溝工藝由于其運行穩(wěn)定，管理方便等優(yōu)點在國內(nèi)污水處理廠，尤其是許多城市污水處理廠中得到了廣泛的應用。針對氧化溝工藝的降耗運行和脫氮改造將對于提高我國的污水處理技術水平，提高運行管理具有重要的理論意義和實踐價值。

同時，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市污水廠的進水水質(zhì)也發(fā)生了顯著的變化，目前許多城市污水處理廠都面臨著進水碳氮比較低，反硝化過程探源不足的問題。如何優(yōu)化低碳氮比污水的脫氮處理工藝，降低處理費用也成為目前研究的熱點問題之一。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

自世紀年代起，世界各國開始普遍研究利用生物法去除污水中氮和磷等植物性營養(yǎng)鹽的工作。年國際水污染控制和研究協(xié)會在丹麥哥本哈根舉行了第一次關于氮磷去除的國際會議，這是污水除磷脫氮技術研究和工程應用取得重大進展的標志。進入世紀年代，歐洲各國都制定了各自的法律法規(guī)，對于排放的二級出水中的氮、磷等植物性營養(yǎng)物質(zhì)都提出了明確的要求。我國也先后頒布了如《污水綜合排放標準一》以及《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準一》，對于城鎮(zhèn)污水廠排放的污水中氮、磷等提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的順序硝化一反硝化工藝的基礎上，目前又開發(fā)了許多新的脫氮工藝，如同時硝化反硝化，短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化等。

2.1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝

對于污水處理進行硝化過程主要基于以下幾點考慮氨氮對于水生動物的毒性和對于水中溶解氧的消耗控制水體富營養(yǎng)化，進行脫氮的需要以及水資源的回用，包括地下水回灌等的需要。生物脫氮過程一般都包括兩部分好氧區(qū)，使硝化能夠發(fā)生缺氧區(qū)在空間或者時間存在，使通過氨氮氧化形成的亞硝酸鹽及硝酸鹽還原實現(xiàn)總氮去除成為可能。亞硝酸鹽或者硝酸鹽的還原需要電子供體，而反硝化過程的電子供體通常有以下三種來源進水中可以生物降解的有機物、活性污泥的內(nèi)源碳源和外投加碳源。而反硝化過程碳源不足則會導致污水脫氮不。

2.2 傳統(tǒng)脫氮工藝

為了防止水體富營養(yǎng)化問題，當向敏感水體中排放污水時，通常都需要考慮脫氮。脫氮既可以是一個生物處理系統(tǒng)的一部分，也可以是已建污水處理廠的擴建改造部分。對于懸浮生長的生物脫氮系統(tǒng)，可以分為單污泥系統(tǒng)和雙污泥系統(tǒng)。單污泥意味著系統(tǒng)中只有一個污泥分離裝置通常為二沉池。活性污泥反應器可能被分成不同的實現(xiàn)缺氧或者好氧環(huán)境，通常設置混合液內(nèi)回流。雙污泥系統(tǒng)通常由硝化和反硝化兩個單元構成，各自都有單獨的污泥分離系統(tǒng)。單污泥系統(tǒng)在實際中比較常用。

磷(P)作為所有生命必須的營養(yǎng)元素，在我們的生態(tài)環(huán)境及人類活動中扮演不可替代的作用。但是，磷的廣泛使用也給我們的環(huán)境帶了一定的問題，如磷礦石的開采，磷肥的使用以及磷添加劑的使用，導致河流、湖泊等水體中磷含量增加，引起水體富營養(yǎng)化問題。為保證水生態(tài)環(huán)境的安全，各個國家都針對磷元素制定了嚴格的污水中磷的排放標準，嚴格限制磷的排放閾值。同時，磷礦資源也是一資源，目前磷礦產(chǎn)業(yè)仍在擴張，對磷的需求量仍在增加，歐盟委員會于2014年宣布磷礦石是一種關鍵的原材料，有預測稱可開采的磷礦儲量在100年內(nèi)可能變?yōu)槎倘辟Y源。故開發(fā)磷的回收和再利用技術的正成為越來越迫切的環(huán)境、經(jīng)濟和社會問題。

基于污水中相對較高的磷負荷，污水處理廠(Wastewater Treatment Plant，WWTP)是一個很大的磷資源庫，污水處理廠為磷的回收提供了可能，從其中來獲取磷資源，污水處理廠便可替代部分的磷礦開采。這樣一方面可促進磷資源的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，同時也減少了磷對環(huán)境的污染。近年來各國學者都在深入研究和開發(fā)從污水中回收磷的技術。本文回顧了當前在污水處理廠工藝中使用的磷去除技術化學沉淀，強化生物除磷技術(EBPR)和從各種污泥處理技術中回收磷的技術。

1、磷在污水處理中的存在形態(tài)

1.1 污水處理過程中磷的存在形態(tài)

城市污水中的磷濃度一般低于10mgP/L，P在污水中以溶解態(tài)和顆粒形式存在，針對不同的P形態(tài)所采用的處理工藝也會有所不同。其中以顆粒物形式存在的磷更容易通過沉淀作用得到去除，而溶解態(tài)的無機磷和有機磷則需要更有針對性的化學或生物學過程來去除。Petzet和Cornel報道稱，污水處理廠的進水總磷中有17%-26%的磷是以顆粒形式存在的，這部分磷主要在初沉池進行去除。在污水二級處理過程中，污水中的溶解性磷主要通過生物作用去除和(或)添加化學藥劑進行沉淀去除。通常經(jīng)一級和二級處理后，出水中的磷濃度仍達不到排放標準，在常規(guī)的二級處理工藝中(活性污泥法)，進水中約31%-48%的磷被轉移到污泥中。結合一級處理中去除的磷，總共去除的磷占進水磷負荷的50%左右，這就表明，后續(xù)還需采用強化除磷技術來實現(xiàn)剩余的50%的磷的去除。專門用于從污水中去除磷的技術可以按操作分類為化學、生物或物理法。其中應用比較廣泛的為化學沉淀技術和強化生物除磷(EBPR)技術。這兩種技術都是基于將各種溶解態(tài)的磷形式轉化成固體形態(tài)來進行去除。

1.2 化學法去除污水中的磷

通常化學法除磷主要是通過添加Fe、Al或Ca的二價或三價金屬鹽與P生成沉淀物來進行去除。污水中磷的形態(tài)主要分為以溶解態(tài)存在的HPO42-、H2PO4-或H3PO4(這幾種形式的存在主要取決于污水的pH值)以及有機P和顆粒形態(tài)的P，它們主要通過投加絮凝劑以形成金屬磷酸鹽污泥，經(jīng)絮凝和沉淀作用去除。當溶液中磷濃度較高時，化學沉淀除磷用于處理的初始階段會更高效。鐵和鋁鹽被認為是最合適的，這兩類鹽通常以氯化物或硫酸鹽的形式投加，也可以使用鈣鹽，一般以石灰(Ca(OH)2)形式加入。通常從經(jīng)濟上考慮會優(yōu)選Fe鹽作為沉淀劑。

另外，當前比較新興的一項技術是采用高鐵酸鉀用于P沉淀和污水消毒。高鐵酸鉀是用作強氧化劑，而Fe-P的沉淀反應是通過Fe(VI)的還原而發(fā)生。高鐵酸鉀的消毒速率比相同濃度的氯更快。在二級出水中磷濃度為1.46mgP/L的情況下，投加5-25mgFe/L的高鐵酸鹽，即能夠去除80%以上的磷。由于化學沉除磷具有需要投加化學藥劑造成成本增加，以及產(chǎn)生的大量不可資源化利用的含磷化學污泥，使其應用具有一定的局限性。目前很多研究也在考察采用工農(nóng)業(yè)廢料作為潛在的磷沉淀劑。紅泥是一種豐富的采礦廢棄物，由于其含有大量的鋁和鐵，因此目前已開展了關于其潛在的沉淀磷的能力的研究。Poulin等人研究發(fā)現(xiàn)紅泥對P的去除率與商業(yè)沉淀劑相似，紅泥可對磷濃度范圍在5-100mgP/L的溶液中的P去除率可達到70%-98%。另外，粉煤灰也被用作磷沉淀劑，其對磷的去除率約為6mgP/g。

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1.3 強化生物除磷(EBPR)EBPR

是在20世紀70年代開發(fā)的生物除磷技術，如今已得到全球各地污水處理廠的廣泛使用。目前大多數(shù)的磷回收技術都需要采用EBPR工藝預先積聚P(作為含磷生物污泥)。EBPR依賴于聚磷菌(PAOs)或反硝化聚磷菌(DPAOs)，以聚磷酸鹽顆粒的形式在細胞內(nèi)聚集P，因此避免了化學除磷所需要的一些反應條件。EBPR工藝通過交替的厭氧和好氧條件實現(xiàn)；PAOs在厭氧階段吸收污水中的揮發(fā)性脂肪酸，將其儲存為聚羥基鏈烷酸酯，隨后在好氧階段進行分解代謝，釋放能量，以滿足PAOs將污水中的磷積聚在體內(nèi)合成多聚磷酸鹽時所需的能量，然后含磷的微生物作為剩余污泥排出處理系統(tǒng)，實現(xiàn)磷從系統(tǒng)中的去除。高富含PAO的污泥可以積累的P占污泥干重的20%左右，而非PAO富集污泥中的P含量占污泥干重的1%-2%。細菌不動桿菌屬被認為是EBPR系統(tǒng)中的聚磷菌，但目的是污水處理廠的磷去除主要是由放線菌屬Tetrasphaera和細菌β-變形桿菌屬中的Candidatus Accumulibacter Phosphatis完成的。

在實際污水處理廠中，EBPR工藝通常可以去除城市污水進水中85%以上的磷，出水的磷濃度通常低于0.1mgP/L。但是EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定性總是會受到一些環(huán)境條件的影響。其中EBPR系統(tǒng)的運行失敗的原因之一是由于聚糖菌(GAOs)的競爭作用。GAOs也需要在厭氧/好氧交替的環(huán)境下生長，故其在EBPR系統(tǒng)中可得到積累，但GAOs可與PAOs競爭碳源底物，卻不具有在好氧條件下吸收磷的作用，從而導致PAOs聚磷效果受到影響。因此，為保持EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要調(diào)控系統(tǒng)的運行條件以抑制GAOs在系統(tǒng)的生長。研究表明，在pH8時，GAO的活性會受到限制，而PAOs的活性處于良好的狀態(tài)；研究發(fā)現(xiàn)較低的溫度有利于PAO生長，與20℃相比，高溫30℃可促使GAO生長；低溶解氧也有利于PAOs的生長。此外，碳源類型及其濃度對EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也極為重要；例如研究發(fā)現(xiàn)丙酸鹽比乙酸鹽底物更有利于PAOs的生長。而進水中有毒物質(zhì)如Cr(VI)(≥0.5mg/L)的存在則會對PAOs產(chǎn)生毒性，從而抑制系統(tǒng)對磷的去除。富含磷的生物污泥可以直接作為肥料使用，不過這需要取決于污泥中重金屬、致病菌等污染物的存在情況。

與化學工藝相比，EBPR工藝被認為是更具經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。EBPR需要的化學添加較少或不需要化學添加，并且具有回收P的潛力。這些含磷生物污泥可通過進一步的處理，生成諸如鳥糞石(MgNH4PO4•6H2O)形式的磷進行回收。然而，在EBPR除磷效率低和(或)立法要求污水排放中的P濃度保持在較低的水平的情況下，大型污水處理廠也常常使用化學除磷和EBPR除磷相結合的工藝，以確保達到排放要求。這就減少了通過生物磷污泥消化后回收磷或作為肥料直接施用的再利用磷量。

2、污水處理中磷的回收利用

通過化學沉淀回收P的一個主要缺點是沉淀劑中金屬離子、污水中的重金屬離子、有機物、病原體或病毒等可能會與磷共沉淀到含磷化學污泥中。這限制了最終的含磷化學污泥作為肥料的直接利用以及作為磷產(chǎn)品的回收利用。如高濃度的鋁對酸性土壤中的植物有毒害作用，另外，以Al-P和Fe-P形式存在的P固體穩(wěn)定性較高，不容易溶解后以離子的形態(tài)被植物利用。

生物除磷后的含磷生物污泥也可以直接作為肥料使用，雖然有研究發(fā)現(xiàn)脫水后的生物磷污泥的肥效與礦物肥料一樣有效，但也存在化學和生物污染物轉移到食物中影響健康的問題。已有研究表明，生物污泥施用于土壤雖然增加了土壤中有效的營養(yǎng)成分，但也增加了土壤和植物中的重金屬濃度。在印度生物污泥施用量為高于20t/ha時，稻谷中的鎘濃度高于印度農(nóng)業(yè)所規(guī)定的安全限值。瑞士已經(jīng)禁止在農(nóng)業(yè)中直接使用生物污泥。直接使用污水廠處理后的剩余污泥的其他問題包括運輸和應用的困難，因為污泥體積龐大、含水量高。污泥脫水可以減少運輸成本，消除專業(yè)農(nóng)場設備的必要性，但會產(chǎn)生能源和經(jīng)濟成本。這就需要通過其他技術處理生物污泥以從污水中獲得更純凈和更有效形式的磷。

2.1 污泥厭氧消化和脫水

厭氧消化(Anaerobic Digestion,AD)是的污泥穩(wěn)定化的技術，它可實現(xiàn)分解有機固體物和病原體并以甲烷的形式進行能量回收。生物磷污泥經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生的消化液濃度比污水廠進水高約10倍-50倍。經(jīng)消化后污泥中的大部分重金屬仍保留在消化后的污泥中，而污泥中的磷經(jīng)生物降解后釋放到消化液中。據(jù)估計，生物污泥中約30%的總磷被釋放到消化液中，而在化學污泥經(jīng)消化后，大約只有不足10%的P釋放到溶液相中。這是由于溶液中Fe、Al、Ca和Mg的沉淀作用或污泥的吸附作用將P重新固定到污泥相中。目前商業(yè)中的磷回收技術主要是通過含磷生物污泥的厭氧消化以促進磷的溶解釋放從而生成鳥糞石來進行的，例如NuReSys®，Pearl®，Phosnix®和PHOSPAQ™Schoumans技術等。但在厭氧消化液中存在的新型有機污染物轉移到回收P的產(chǎn)品如鳥糞石中也是值得關注和進一步研究的問題。已有研究發(fā)現(xiàn)在厭氧消化過程中，大多數(shù)的新型污染物是不會被AD過程降解的，消化液中存在的新型污染物，例如的主要代謝產(chǎn)物抗抑郁和苯甲酰，它們會優(yōu)先被吸附并積聚在回收的磷固體物質(zhì)內(nèi)，從而污染回收的磷產(chǎn)品。