活性污泥—生物膜共生、厌氧氨氧化污水处理技术

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正文开始

　　活性污泥法自1912年被提出以来，经过100多年发展，已经成为了众多污水处理技术中应用最为广泛的方法。20世纪80年代在传统活性污泥法基础上发展起来的活性污泥—生物膜共生技术(Integrated Fixed-Film Activated Sludge，IFAS)结合了活性污泥和生物膜的优势，使污水处理效果得到了提升。近年来，随着工业化和城市化程度地不断提升，城镇污水排放量和氮磷污染物不断增加，导致了生活废水中低COD质量浓度和水体富营养化的现状，而氮磷是引起水体富营养化的主要因素。随着国家众多环保政策的出台，给污水处理领域提出了更高要求，越来越多的水处理厂面临着深度脱氮除磷、脱除重金属的挑战，为了满足需求，只能依赖价格高昂的纳滤膜或者反渗透膜，然而成本往往无法承受，因此亟需能够低成本实现污水深度处理与回用的新技术。厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)技术由于节省能量、剩余污泥产量低、节约投资成本和运行费用的优势，在处理低碳氮比的高氨氮浓度废水方面广泛应用。

　　本实验结合活性污泥—生物膜共生和厌氧氨氧化污水处理各自的优势，设计了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水处理技术，制成处理能力为0.5t/d的一体化污水处理装置，对装置运行过程中的悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH³-N)、总磷(TP)等数据进行跟踪分析，最终装置稳定运行后出水达到了我国GB18918—2002，城市污水处理厂水污染物排放标准一级A处理效果。

一、实验工艺介绍

　　格栅除渣的生活污水在经过预曝气之后，进入一体化IFASMox污水处理装置中，一体化污水处理装置中部格栅上放置经过改性的混合多孔微生物载体，工艺流程如图1所示。在经过一段时间微生物驯化富集培养之后，活性污泥在反应器中以悬浮生长的状态存在，微生物在载体表面及孔隙表面富集成膜，形成类颗粒污泥的三维立体生态结构。在活性污泥作用下，污水中的有机物被逐步降解消耗，达到去除COD的目的。经过预曝气的污水中富含溶解氧，进水流经载体所形成的颗粒污泥，在其表面形成具有高浓度溶解氧的好氧层，在载体内部，随着氧气消耗，逐渐变为厌氧状态，在溶解氧梯度变化的载体微生态坏境中，能够实现亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌协同共生，促进不同微生态层之间近距离物质传递，最终形成稳定的厌氧氨氧化反应达到脱氮的目的;另外，随着污水中溶解氧被消耗，沿反应器水流方向的溶解氧浓度逐渐降低，由最初的好氧状态转变为厌氧状态，在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下发生硝化—反硝化反应脱除氨氮。一体化装置内活性污泥和生物膜中的亚硝化、硝化、反硝化及厌氧氨氧化菌在协同作用下，最终达到深度脱氮的效果。多孔载体对污水中的重金属、磷和难降解有机物还有吸附脱除作用，进一步提高出水水质。

　　亚硝化反应(亚硝酸菌)：NH⁴⁺+1.5O²→NO^2-+H₂O+2H⁺

　　厌氧氨氧化反应化学计量学方程式：NH⁴⁺+1.32NO^2-+0.066HCO^3-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO^3-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

　　硝化反应(硝化菌)：NH⁴⁺+2O₂→NO^3-+2H⁺+H₂O

　　反硝化反应(反硝化菌)：6NO^3-+5CH₃OH→5CO₂+3N₂+7H₂O+6OH^-

二、实验过程

　　2.1微生物载体制备

　　选用多孔的石墨、火山岩、沸石混合物(体积比为1∶1∶1)为本实验的生物载体，对其进行酸/碱溶液浸泡腐蚀前处理过程，将多孔材料孔隙中的杂质溶解，随后用蒸馏水冲洗直至水洗液呈中性，最终填料形成了疏松多孔的立体絮状结构。经过前处理过程，填料比表面积由2左右增加到5以上，增加了生物膜有效附着面积，有利于其微生态环境的形成和后续实验的顺利展开。

　　2.2一体化污水处理装置

　　设计容积为0.6m³、日处理量为0.5t的一体化污水处理装置，在装置中部设置格栅，格栅上放置0.18m³载体。污水在进入一体化装置前，先经过格栅除渣和曝气处理，使进水中富含溶解氧;出水口后设置沉淀池，使泥水分离后出水。

　　本实验中，不投加外加碳源及菌种，进水为城市生活污水，具有COD浓度低、氨氮浓度高、进水污染物浓度波动小的特点，在30周的运行过程中，进水悬浮物(SS)浓度200mg/L，COD浓度为200mg/L，NH₃-N浓度40mg/L～50mg/L，TP浓度10mg/L。将该污水处理装置运行30周，期间定时取水样采用国家标准方法测定，对运行周期内的悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)和总磷(TP)数据进行跟踪分析。

三、装置运行情况

　　3.1 SS去除效果

　　设备运行30周，悬浮物去除效果如图2所示，在设备运行稳定后，去除率稳定在95%以上，出水SS浓度小于10mg/L，去除效果好。

　　3.2 COD去除效果

　　COD去除效果如图3所示。从图3中可以看出，装置运行4周后COD去除率基本稳定，均保持在80%以上，后期出水COD浓度小于50mg/L，去除效果良好，达到城市污水处理厂水污染物排放一级A标准。分析本实验进水中，仅有一次曝气处理，由于水中溶解氧限制，导致COD浓度进一步降低困难。

　　3.3 NH₃-N去除效果

　　运行期间，TN和NH₃-N去除效果如图4所示，从图4中数据可知，设备运行稳定后，TN整体去除率达到80%以上，TN浓度稳定在10mg/L左右。在设备运行前两周，氨氮去除率较低，仅为20%～40%，之后氨氮去除效果开始逐渐好转，第9周后氨氮去除率达到68.6%，总体去除效果良好。后期装置稳定运行后，氨氮的平均去除率为90.7%，且出水NH₃-N浓度小于5.0mg/L，达到城市污水处理厂水污染物排放一级A标准。从图4中可以看出，NH₃-N去除达到稳定状态用时较长，约为11周，这可能是由于厌氧氨氧化菌(在30℃～40℃条件下，其倍增时间为10d～14d)生长缓慢导致的。

　　3.4 TP去除效果

　　设备运行期间，TP去除情况如图5所示，从图5中数据可知，在运行的第1周和第2周，TP的去除效果为20%，从第3周开始，TP去除率升高，在装置稳定运行后，去除率达到95%以上，出水TP浓度稳定在0.5mg/L以下，达到城市污水处理厂水污染物排放一级A标准。设备总磷去除效果好，除了填料的吸附作用外，推测在装置内发生了“气化除磷”反应，即磷酸盐被还原为磷化氢以达到除磷的效果。目前，对磷化氢的产生机理尚未有定论。

四、结语

　　研究了将活性污泥—生物膜共生、厌氧氨氧化技术有机结合起来的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水处理技术，生活污水经过该技术处理，达到深度脱除氮磷的效果，装置稳定运行后，SS，COD，TN，NH₃-N及TP去除率均达到了城市污水处理厂水污染物排放一级A标准。该技术实现方式简单，无需外加碳源，仅经过一次预曝气处理、节省能量，且其处理效果良好，使得其在未来城市生活污水及其他低碳氮比废水处理领域上应用前景良好。

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