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
0 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[ 1] , 生 物膜技術在實現EBPR 方面一直面臨挑戰并因此遭 受質疑[ 2] , 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[ 3] ; 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[ 4] , 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[ 5] 、生 物膜與活性污泥的復合集成工藝[ 6] 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[ 7] 。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。
1 實現生物膜除磷須解決的關鍵技術問題
1. 1 EBPR 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 型見圖1, 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( 圖1b) 。
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[ 2] , 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[ 6] 。
1. 2 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[8] 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, T P 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[ 5] 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[ 9, 10] 。
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[ 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T P 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[ 12] 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( 見圖2) , 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。
………………
2 生物膜工藝實現EBPR 典型工藝路線
3 結語
( 1) 在生物膜反應期內可以實現EBPR, 但實 現EBPR 關鍵需要突破三個制約瓶頸, 主要是要選 擇適宜的反應器構型利于實現EBPR, 解決運行模 式轉換及運行周期的合理設定以及實現富磷生物膜 污泥的合理排放。
( 2) 在生物膜工藝內實現EBPR, 增加了運行控 制復雜性, 一定程度上削弱了生物膜法的技術優勢。
( 3) 活性污泥與生物膜的復合工藝解決了傳統 工藝在脫氮除磷上難于調和的矛盾, 既能實現 EBPR, 又能實現高效硝化反硝化, 可以采用短泥齡 及較低的水力停留時間設計或運行, 復合工藝無論 是在新建污水處理廠還是原有工藝升級改造方面, 都展示出了良好的發展和應用前景。
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