生物膜工艺实现高效除磷的关键问题及技术路线
摘要 目前工程实践中强化生物除磷( EBPR) 仍以活性污泥工艺为主, 生物膜工艺的EBPR 还 处于研究阶段。基于对生物膜实现EBPR 基本条件的分析, 提出了要实现生物膜EBPR 至少要解决 的三个问题: 反应器构型的优化选择, 运行模式的变换与运行周期的优化设定, 以及要解决富磷污泥 的排放与持留之间的矛盾问题。介绍了若干利用生物膜工艺实现EBPR 的典型工艺路线及处理效 果, 以期为今后高效生物膜反应器EBPR 的开发与研究提供借鉴。
关键词 生物膜 强化生物除磷 反应器构型 运行模式 淹没式固定床生物膜反应器
0 前言
目前, 污水中磷的去除主要依靠悬浮生长活性 污泥工艺生物除磷或化学除磷, 而单纯利用生物膜 法实现强化生物除磷(EBPR) 的成功范例至今还不 多见。相对于传统悬浮生长活性污泥工艺, 生物膜 工艺自诞生以来凭借其集约紧凑的占地、高效的除 碳硝化性能及较低的污泥产率等特点而彰显优势, 构型各异的生物膜工艺一直是竞相追逐的热点研究 领域, 如曝气生物滤池( BAF) 、流化床生物膜反应器 ( FBBR) 、移动床生物膜反应器(MBBR) 等, 但是, 利 用生物膜工艺实现生物除磷的研究还很有限[ 1] , 生 物膜技术在实现EBPR 方面一直面临挑战并因此遭 受质疑[ 2] , 如连续流淹没式生物膜系统, 很多研究者 认为, 该工艺只能有效去除有机物及氨氮, 但却不能 有效除磷[ 3] ; 此外, 固定床生物膜工艺在常规运行模 式下难以实现高效生物除磷, 须辅以化学除磷方能达 到严格的排放标准[ 4] , 但化学除磷将产生大量的化学 污泥并导致运行成本的提高, 因此, 如何提高生物膜 工艺的除磷效能是摆在研究者面前的一个紧迫课题。
近些年, 强化生物膜法除磷技术, 如固定床生物 膜工艺尝试通过运行模式的变换实现EBPR[ 5] 、生 物膜与活性污泥的复合集成工艺[ 6] 等逐步得到了开 发与应用, 但是, 这些改良式的生物膜工艺在实现 EBPR 方面仍然暴露出许多矛盾和弊端。如BAF 为强化生物除磷而采用间歇运行模式, 但这无疑为 本已较为复杂的BAF 控制回路又增加了控制系统 上的复杂性; 此外, 如果反应器内部微生物主要以附 着形式存在, 那么要增强除磷效果必须加大排泥, 这 样势必导致生物膜上富磷污泥排放量与生物持有量 之间的矛盾, 同时, 生物膜污泥排放量在实践中不像 常规活性污泥工艺那样易于控制[ 7] 。EBPR 对厌 氧/ 好氧的交替环境有着极为苛刻的要求, 与传统悬 浮生长工艺不同, 生物膜反应器中微生物主要以附 着形式生长, 要使其处于交替A/ O 状态则受时间和 空间的制约, 因此, 要实现生物膜高效除磷将会面临 很复杂的工艺难题, 如反应器构型调整、运行模式优 化及过程控制集成等一系列问题需要解决和优化。
1 实现生物膜除磷须解决的关键技术问题
1. 1 EBPR 生物膜反应器构型的选择
要实现生物膜除磷, 必须为生物膜上聚磷菌 ( PAOs) 的富集提供厌氧/ 好氧或厌氧/ 缺氧的交替 环境, 同时在厌氧段要提供足够的快速降解有机物, 为实现这个目的, 有两种不同反应器构型可供选择:
一是若采用单一生物反应器实现除磷, 则需要 单一反应器内部顺序提供厌氧/ 好氧环境, 如间歇曝 气生物膜反应器( SBBR) 或FBBR, 常见的反应器构 型见图1, 固定床SBBR 在厌氧段需要循环回流强 化搅拌功能( 见图1a) ; FBBR 在中心筒升流区域曝 气进行好氧吸磷过程, 而在外环筒区域不曝气处于 厌氧状态进行释磷过程( 图1b) 。
二是采用两个( 组) 单独的生物反应器, 即厌氧/ 好氧系统, 生物载体在反应器内以悬浮流化状态存 在, 并使生物膜载体在A/ O 系统内实现回流循环, 但问题关键在于能否顺利将富磷生物膜污泥适度剥 落并排出系统, 这在工程实践中目前还难以实现, 同 时要求同步脱氮除磷时还面临硝化液回流与污泥回 流之间难以分离的矛盾。
单纯生物膜工艺很难真正意义上实现EBPR, 但复合工艺就完全有可能实现[ 2] , 近些年涌现的/ 活 性污泥- 生物膜0组合工艺( 见图1c) 为实现高效生 物除磷展现了前景, 该工艺特点在于系统中微生物 以悬浮( 活性污泥) 和附着( 生物膜) 两种形式存在, 研究证明该技术可以实现高效脱氮除磷[ 6] 。
1. 2 实现运行模式的变换及运行周期的优化
可通过运行模式的变换及运行周期的设置使生 物膜交替处于A/ O 环境, 运行模式的变换可寻求通 过时间或空间上的变换来实现, 如采用间歇曝气/ 非 曝气模式; 或者通过周期性调整不同生物膜反应器 之间的水流方向实现厌氧/ 好氧或厌氧/ 缺氧模式的 顺序切换。
运行模式的转换可以强化对磷的去除效率。周 健等人[8] 对比研究了连续曝气和间歇曝气(曝气1. 0 h, 停曝1. 5 h) 两种工况下折流式BAF 的脱氮除磷效 果, 结论是连续曝气( 气水比5 B 1, HRT 为8 h) 模 式下, T P 去除率最高只能达到38. 4%, 出水TP 无 法达标, 间歇曝气模式下TP 能达到5城镇污水处理 厂污染物排放标准6( GB 18918 ) 2002) 的一级B 标 准, 与连续曝气相比, 间歇曝气对T P 去除率提高了 20% ~ 40%; 顾丹亭等人[ 5] 的研究也证明了间歇曝 气能强化常规生物滤池对磷的去除, 他们对传统两 级串联BAF 运行模式进行了改良, 在第二级BAF 进 行间歇曝气, 曝气和停曝时间分别为2 h 和1 h, 系统 采用好氧时段排水, 厌氧时段不排水的间歇出水方 式, 试验发现, 系统对TP 的去除主要发生在采用间 歇曝气的BAF 中, 其对T P 的平均去除率为59%, 系统对TP 的去除率高达72% , 当原水T P 浓度为 4. 40~ 8. 85 mg/ L 时, 出水TP 浓度为0. 92~ 2. 83 mg/ L, 平均为1. 90 mg/ L, 表明曝气/ 间歇曝气两级 生物滤池在保证对COD 的去除效果前提下大大提 高了系统的除磷率; 类似的研究也发现间歇曝气模 式可以解决传统BAF 除磷率低的问题[ 9, 10] 。
上述的研究表明, 可以通过运行模式的调整达 到EBPR 的目的, 但这无疑在一定程度上增加了生 物膜EBPR 运行控制上的复杂性, 而这种复杂性源 于生物除磷对厌氧/ 好氧交替环境条件的苛刻要求, 郑蓓等[ 11] 采用厌氧滤池) 间歇曝气生物滤池 ( IABF) 组合生物膜工艺开展了生物膜除磷效能研 究, 厌氧滤池连续运行, 两个IABF 通过曝气控制实 现A/ O 交替运行和连续流出水, 并提出了/ ACF0运 行模式概念, 但值得注意的是, ACF 运行方式特点 是需要周期性地排除厌氧富磷液并进行化学除磷, 同时在好氧段头1 h 内还需要间歇曝气以改善出水 水质, 虽然该工艺对T P 平均去除率达到85. 2% , 出 水TP 平均为0. 59 mg/ L, 但笔者认为, 周期性地排 除厌氧富磷液虽然能延长反冲洗周期, 但代价是需 要辅以化学除磷, 严格意义而言整个系统是生物和化 学协同除磷, 另外, 由于采用了/ ACF0模式运行, 该生 物膜组合工艺EBPR 的过程控制也略显繁琐。
运行模式的转换还可以通过借助反应器间水流 方向的切换实现EBPR 目的。Falkentoft 等人[ 12] 推 荐了利用生物滤池系统在连续流条件下实现反硝化 和除磷的运行模式( 见图2) , 进水首先到厌氧反应 器( 释磷) , 然后进缺氧反应器( 以NO- 3 ) N 为电子 受体吸磷) , 最后到好氧反应器( 硝化) , 好氧反应器 硝化液回流到缺氧反应器。反应器R3 始终在好氧 硝化模式运行, 而反应器R1、R2 通过硝化液交替回 流实现厌氧/ 缺氧模式的交替切换, 厌氧段进行释 磷, 缺氧段以硝酸盐为电子受体进行吸磷, 从而实现 脱氮除磷。
………………
2 生物膜工艺实现EBPR 典型工艺路线
3 结语
( 1) 在生物膜反应期内可以实现EBPR, 但实 现EBPR 关键需要突破三个制约瓶颈, 主要是要选 择适宜的反应器构型利于实现EBPR, 解决运行模 式转换及运行周期的合理设定以及实现富磷生物膜 污泥的合理排放。
( 2) 在生物膜工艺内实现EBPR, 增加了运行控 制复杂性, 一定程度上削弱了生物膜法的技术优势。
( 3) 活性污泥与生物膜的复合工艺解决了传统 工艺在脱氮除磷上难于调和的矛盾, 既能实现 EBPR, 又能实现高效硝化反硝化, 可以采用短泥龄 及较低的水力停留时间设计或运行, 复合工艺无论 是在新建污水处理厂还是原有工艺升级改造方面, 都展示出了良好的发展和应用前景。
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