摘要 目前工程實(shí)踐中強(qiáng)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?；趯?duì)生物膜實(shí)現(xiàn)EBPR 基本條件的分析, 提出了要實(shí)現(xiàn)生物膜EBPR 至少要解決 的三個(gè)問題: 反應(yīng)器構(gòu)型的優(yōu)化選擇, 運(yùn)行模式的變換與運(yùn)行周期的優(yōu)化設(shè)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(shí)現(xiàn)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(yīng)器EBPR 的開發(fā)與研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞 生物膜 強(qiáng)化生物除磷 反應(yīng)器構(gòu)型 運(yùn)行模式 淹沒式固定床生物膜反應(yīng)器

0 前言

目前, 污水中磷的去除主要依靠懸浮生長(zhǎng)活性 污泥工藝生物除磷或化學(xué)除磷, 而單純利用生物膜 法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化生物除磷(EBPR) 的成功范例至今還不 多見。相對(duì)于傳統(tǒng)懸浮生長(zhǎng)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(chǎn)率等特點(diǎn)而彰顯優(yōu)勢(shì), 構(gòu)型各異的生物膜工藝一直是競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)研究 領(lǐng)域, 如曝氣生物濾池( BAF) 、流化床生物膜反應(yīng)器 ( FBBR) 、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR) 等, 但是, 利 用生物膜工藝實(shí)現(xiàn)生物除磷的研究還很有限[ 1] , 生 物膜技術(shù)在實(shí)現(xiàn)EBPR 方面一直面臨挑戰(zhàn)并因此遭 受質(zhì)疑[ 2] , 如連續(xù)流淹沒式生物膜系統(tǒng), 很多研究者 認(rèn)為, 該工藝只能有效去除有機(jī)物及氨氮, 但卻不能 有效除磷[ 3] ; 此外, 固定床生物膜工藝在常規(guī)運(yùn)行模 式下難以實(shí)現(xiàn)高效生物除磷, 須輔以化學(xué)除磷方能達(dá) 到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[ 4] , 但化學(xué)除磷將產(chǎn)生大量的化學(xué) 污泥并導(dǎo)致運(yùn)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(gè)緊迫課題。

近些年, 強(qiáng)化生物膜法除磷技術(shù), 如固定床生物 膜工藝嘗試通過運(yùn)行模式的變換實(shí)現(xiàn)EBPR[ 5] 、生 物膜與活性污泥的復(fù)合集成工藝[ 6] 等逐步得到了開 發(fā)與應(yīng)用, 但是, 這些改良式的生物膜工藝在實(shí)現(xiàn) EBPR 方面仍然暴露出許多矛盾和弊端。如BAF 為強(qiáng)化生物除磷而采用間歇運(yùn)行模式, 但這無(wú)疑為 本已較為復(fù)雜的BAF 控制回路又增加了控制系統(tǒng) 上的復(fù)雜性; 此外, 如果反應(yīng)器內(nèi)部微生物主要以附 著形式存在, 那么要增強(qiáng)除磷效果必須加大排泥, 這 樣勢(shì)必導(dǎo)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(shí), 生物膜污泥排放量在實(shí)踐中不像 常規(guī)活性污泥工藝那樣易于控制[ 7] 。EBPR 對(duì)厭 氧/ 好氧的交替環(huán)境有著極為苛刻的要求, 與傳統(tǒng)懸 浮生長(zhǎng)工藝不同, 生物膜反應(yīng)器中微生物主要以附 著形式生長(zhǎng), 要使其處于交替A/ O 狀態(tài)則受時(shí)間和 空間的制約, 因此, 要實(shí)現(xiàn)生物膜高效除磷將會(huì)面臨 很復(fù)雜的工藝難題, 如反應(yīng)器構(gòu)型調(diào)整、運(yùn)行模式優(yōu) 化及過程控制集成等一系列問題需要解決和優(yōu)化。

1 實(shí)現(xiàn)生物膜除磷須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

1. 1 EBPR 生物膜反應(yīng)器構(gòu)型的選擇

要實(shí)現(xiàn)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(huán)境, 同時(shí)在厭氧段要提供足夠的快速降解有機(jī)物, 為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的, 有兩種不同反應(yīng)器構(gòu)型可供選擇:

一是若采用單一生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)除磷, 則需要 單一反應(yīng)器內(nèi)部順序提供厭氧/ 好氧環(huán)境, 如間歇曝 氣生物膜反應(yīng)器( SBBR) 或FBBR, 常見的反應(yīng)器構(gòu) 型見圖1, 固定床SBBR 在厭氧段需要循環(huán)回流強(qiáng) 化攪拌功能( 見圖1a) ; FBBR 在中心筒升流區(qū)域曝 氣進(jìn)行好氧吸磷過程, 而在外環(huán)筒區(qū)域不曝氣處于 厭氧狀態(tài)進(jìn)行釋磷過程( 圖1b) 。

二是采用兩個(gè)( 組) 單獨(dú)的生物反應(yīng)器, 即厭氧/ 好氧系統(tǒng), 生物載體在反應(yīng)器內(nèi)以懸浮流化狀態(tài)存 在, 并使生物膜載體在A/ O 系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)回流循環(huán), 但問題關(guān)鍵在于能否順利將富磷生物膜污泥適度剝 落并排出系統(tǒng), 這在工程實(shí)踐中目前還難以實(shí)現(xiàn), 同 時(shí)要求同步脫氮除磷時(shí)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(shí)現(xiàn)EBPR, 但復(fù)合工藝就完全有可能實(shí)現(xiàn)[ 2] , 近些年涌現(xiàn)的/ 活 性污泥- 生物膜0組合工藝( 見圖1c) 為實(shí)現(xiàn)高效生 物除磷展現(xiàn)了前景, 該工藝特點(diǎn)在于系統(tǒng)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷[ 6] 。

1. 2 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的變換及運(yùn)行周期的優(yōu)化

可通過運(yùn)行模式的變換及運(yùn)行周期的設(shè)置使生 物膜交替處于A/ O 環(huán)境, 運(yùn)行模式的變換可尋求通 過時(shí)間或空間上的變換來實(shí)現(xiàn), 如采用間歇曝氣/ 非 曝氣模式; 或者通過周期性調(diào)整不同生物膜反應(yīng)器 之間的水流方向?qū)崿F(xiàn)厭氧/ 好氧或厭氧/ 缺氧模式的 順序切換。

運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換可以強(qiáng)化對(duì)磷的去除效率。周 健等人[8] 對(duì)比研究了連續(xù)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(jié)論是連續(xù)曝氣( 氣水比5 B 1, HRT 為8 h) 模 式下, T P 去除率最高只能達(dá)到38. 4%, 出水TP 無(wú) 法達(dá)標(biāo), 間歇曝氣模式下TP 能達(dá)到5城鎮(zhèn)污水處理 廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)6( GB 18918 ) 2002) 的一級(jí)B 標(biāo) 準(zhǔn), 與連續(xù)曝氣相比, 間歇曝氣對(duì)T P 去除率提高了 20% ~ 40%; 顧丹亭等人[ 5] 的研究也證明了間歇曝 氣能強(qiáng)化常規(guī)生物濾池對(duì)磷的去除, 他們對(duì)傳統(tǒng)兩 級(jí)串聯(lián)BAF 運(yùn)行模式進(jìn)行了改良, 在第二級(jí)BAF 進(jìn) 行間歇曝氣, 曝氣和停曝時(shí)間分別為2 h 和1 h, 系統(tǒng) 采用好氧時(shí)段排水, 厭氧時(shí)段不排水的間歇出水方 式, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 系統(tǒng)對(duì)TP 的去除主要發(fā)生在采用間 歇曝氣的BAF 中, 其對(duì)T P 的平均去除率為59%, 系統(tǒng)對(duì)TP 的去除率高達(dá)72% , 當(dāng)原水T P 濃度為 4. 40~ 8. 85 mg/ L 時(shí), 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(jí) 生物濾池在保證對(duì)COD 的去除效果前提下大大提 高了系統(tǒng)的除磷率; 類似的研究也發(fā)現(xiàn)間歇曝氣模 式可以解決傳統(tǒng)BAF 除磷率低的問題[ 9, 10] 。

上述的研究表明, 可以通過運(yùn)行模式的調(diào)整達(dá) 到EBPR 的目的, 但這無(wú)疑在一定程度上增加了生 物膜EBPR 運(yùn)行控制上的復(fù)雜性, 而這種復(fù)雜性源 于生物除磷對(duì)厭氧/ 好氧交替環(huán)境條件的苛刻要求, 鄭蓓等[ 11] 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(xù)運(yùn)行, 兩個(gè)IABF 通過曝氣控制實(shí) 現(xiàn)A/ O 交替運(yùn)行和連續(xù)流出水, 并提出了/ ACF0運(yùn) 行模式概念, 但值得注意的是, ACF 運(yùn)行方式特點(diǎn) 是需要周期性地排除厭氧富磷液并進(jìn)行化學(xué)除磷, 同時(shí)在好氧段頭1 h 內(nèi)還需要間歇曝氣以改善出水 水質(zhì), 雖然該工藝對(duì)T P 平均去除率達(dá)到85. 2% , 出 水TP 平均為0. 59 mg/ L, 但筆者認(rèn)為, 周期性地排 除厭氧富磷液雖然能延長(zhǎng)反沖洗周期, 但代價(jià)是需 要輔以化學(xué)除磷, 嚴(yán)格意義而言整個(gè)系統(tǒng)是生物和化 學(xué)協(xié)同除磷, 另外, 由于采用了/ ACF0模式運(yùn)行, 該生 物膜組合工藝EBPR 的過程控制也略顯繁瑣。

運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換還可以通過借助反應(yīng)器間水流 方向的切換實(shí)現(xiàn)EBPR 目的。Falkentoft 等人[ 12] 推 薦了利用生物濾池系統(tǒng)在連續(xù)流條件下實(shí)現(xiàn)反硝化 和除磷的運(yùn)行模式( 見圖2) , 進(jìn)水首先到厭氧反應(yīng) 器( 釋磷) , 然后進(jìn)缺氧反應(yīng)器( 以NO- 3 ) N 為電子 受體吸磷) , 最后到好氧反應(yīng)器( 硝化) , 好氧反應(yīng)器 硝化液回流到缺氧反應(yīng)器。反應(yīng)器R3 始終在好氧 硝化模式運(yùn)行, 而反應(yīng)器R1、R2 通過硝化液交替回 流實(shí)現(xiàn)厭氧/ 缺氧模式的交替切換, 厭氧段進(jìn)行釋 磷, 缺氧段以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行吸磷, 從而實(shí)現(xiàn) 脫氮除磷。

………………

2 生物膜工藝實(shí)現(xiàn)EBPR 典型工藝路線

3 結(jié)語(yǔ)

( 1) 在生物膜反應(yīng)期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)EBPR, 但實(shí) 現(xiàn)EBPR 關(guān)鍵需要突破三個(gè)制約瓶頸, 主要是要選 擇適宜的反應(yīng)器構(gòu)型利于實(shí)現(xiàn)EBPR, 解決運(yùn)行模 式轉(zhuǎn)換及運(yùn)行周期的合理設(shè)定以及實(shí)現(xiàn)富磷生物膜 污泥的合理排放。

( 2) 在生物膜工藝內(nèi)實(shí)現(xiàn)EBPR, 增加了運(yùn)行控 制復(fù)雜性, 一定程度上削弱了生物膜法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

( 3) 活性污泥與生物膜的復(fù)合工藝解決了傳統(tǒng) 工藝在脫氮除磷上難于調(diào)和的矛盾, 既能實(shí)現(xiàn) EBPR, 又能實(shí)現(xiàn)高效硝化反硝化, 可以采用短泥齡 及較低的水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)或運(yùn)行, 復(fù)合工藝無(wú)論 是在新建污水處理廠還是原有工藝升級(jí)改造方面, 都展示出了良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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