城市污水处理厂生物脱氮除磷工艺的选择

中图分类号： U664.9 文献标识码： A

【摘要】：通过对生物脱氮除磷和化学脱氮除磷的比选，生物脱氮除磷原理、较常用的生物脱氮除磷工艺的分析，选择适合当地的污水处理工艺。

【关键词】： 污水处理厂生物脱氮除磷工艺选择

目前，我国现行《室外排水设计规范》（GB50014-2006），污水处理厂的处理效率（见下表）。从表中看，二级活性污泥法的处理效率最高。根据有关资料表明，常规二级处理工艺仅能有效地去除BOD5、COD和SS，对氮和磷的去除是有一定的限度，氮的去除率约为10～20%，磷的去除率约为12～19%，一般达不到通常要求的城市污水处理厂“一级B标”的排放标准。因此，要提高处理效率，选用污水脱氮除磷工艺。

污水处理厂的处理效率

1、生物脱氮除磷与物化脱氮除磷

目前，污水脱氮除磷的方法有生物法和物化法。

污水脱氮方法主要有生物脱氮和物理化学脱氮两大类。目前生物脱氮是主流，也是城市污水处理中比较经济和常用的方法；物理化学法脱氮从经济、运行管理等方面均不适宜在城市污水处理厂中使用。

污水除磷主要有生物除磷和化学除磷两大类。对于城市污水一般采用生物除磷为主，必要时辅以化学除磷，以确保出水的磷浓度在标准以内。化学除磷是向污水中投加药剂，使药剂与水中溶解性磷酸盐形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离将磷从污水中去除。但化学除磷的方法使沉淀污泥的产量增加、浓度降低、污泥体积增大，使污泥处理的难度增加，从而增大了污泥处理与处置的费用。

据资料记载，国外从六十年代开始系统地进行了脱氮除磷的物化处理方法的研究，认为物化法的缺点是耗药量大、污泥多、运行费用高等。因此，一般不推荐城市污水处理厂采用。七十年代之后，国外开始研究并逐步采用活性污泥法生物脱氮除磷。我国从八十年代开始研究生物脱氮除磷技术，在八十年代后期逐步得以应用，并取得较好的效果。

综上所述，生物脱氮除磷优于物化脱氮除磷，城市污水处理厂工程采用生物脱氮除磷工艺较适。

2、生物脱氮除磷的基本原理

⑴生物脱氮基本原理

污水中的有机氮、蛋白氮等在好氧条件下首先被氨化菌转化为氨氮，而后在硝化菌的作用下变成硝酸盐氮，此阶段称为好氧硝化。随后在缺氧条件下，由反硝化菌作用，并有外加碳源提供能量，使硝酸盐氮还原成氮气从污水中逸出，此阶段称为缺氧反硝化。

在硝化与反硝化过程中，影响脱氮效率的因素主要是温度、溶解氧、pH值以及反硝化碳源。在生物脱氮系统中，硝化菌增长速度较缓慢，所以，要有足够的污泥龄。反硝化菌的生长主要在缺氧条件下进行，并且要有充足的碳源提供能量，才可促使反硝化作用顺利进行。

按照上述原理，要进行脱氮，必须具有缺氧/好氧过程，即A/O系统。A/O系统要有足够的污泥龄和进水的碳氮比。

⑵生物除磷基本原理

生物除磷是利用污水中的聚磷菌在厌氧条件下，释放出体内的磷酸盐，同时产生能量用以吸收快速降解的有机物，并转化为PHB（聚β羟丁酸）储存起来。当这些聚磷菌进入好氧条件时就降解体内储存的PHB产生能量，用于细胞的合成和吸收磷，形成含磷量高的污泥，随剩余污泥一起排出系统，从而达到除磷的目的。

影响生物除磷的因素是要有厌氧条件（DO=0），同时要有可快速降解的有机物，即BOD5/P比值恰当。

⑶BOD5：N：P的比值是影响生物脱氮除磷的重要因素，

氮和磷的去除率随着BOD5/N和BOD5/P比值的增加而增加。从理论上讲，BOD5/N>2.86才能有效地进行脱氮，实际运行资料表明，BOD5/N>3时才能使反硝化正常运行，在BOD5/N=4～5时，氮的去除率大于60%，磷的去除率也可达60%左右。对于生物除磷工艺，要求BOD5/P≥17，且BOD5/N≥4。

3、污水生物脱氮除磷工艺的选择

污水处理工艺应优先选用技术先进、安全可靠、低能耗、低投入、少占地和操作管理方便的成熟处理工艺。下面对主要工艺的特点进行分析，以便选择适合的工艺。

目前，用于城市污水处理具有一定脱氮除磷效果的工艺可以分为两大类：第一类为按空间进行分割的连续流活性污泥法；第二类为按时间进行分割的间歇式活性污泥法。

⑴ 按空间分割的连续流活性污泥法

按空间分割的连续流活性污泥法是指各种功能在不同的空间（不同的池子）内完成。目前，较成熟的工艺有：A2／O法、UCT法、MUCT法、改良A2/O法、氧化沟法和AB法。

1）传统A2／O法

A2／O工艺是一种典型的脱氮除磷工艺，其生物反应池由厌氧――缺氧――好氧三段组成，其典型工艺流程见下图，这是一种推流式的前置反硝化型BNR工艺，其特点是厌氧、缺氧和好氧三段功能明确，界线分明，可根据进水条件和出水要求，只要碳源充足，便可根据需要 ，人为地创造和控制三段的时空比例和运转条件，达到比较高的处理效果。

A2／O工艺流程图

2）UCT工艺

UCT工艺与A2／O工艺的区别在于，回流污泥首先进入缺氧段，而缺氧段部分出流混合液再回至厌氧段（见下图）。这样可以避免因回流污泥中的NO3-N回流至厌氧段，干扰磷的厌氧释放，而降低磷的去除率。回流污泥带回的NO3-N将在缺氧段中被反硝化。当入流污水的BOD5/TKN或BOD5/TP较低时，较适用UCT工艺。

UCT工艺流程图

3）MUCT工艺

MUCT工艺系在UCT工艺的基础上，将缺氧段一分为二，形成二套独立的内回流。因而，MUCT是UCT的改良工艺（见下图）。进行这样的改良，与UCT相比有两个优点：一是克服UCT工艺不易控制缺氧段的停留时间，二是避免控制不当，DO仍会影响厌氧区。

MUCT工艺流程图

4）改良A2/O工艺

为了解决常规A2／O工艺的缺点，即由于厌氧区居前，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响，改良A2／O工艺在厌氧池之前增设厌氧/缺氧调节池（见下图）。二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入调节池，停留时间为20～30min，微生物利用约10%进水中的有机物去除回流的硝态氮，消除硝态氮对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性。目前，城市污水厂较广泛采用。

改良A2/O工艺流程图

5）氧化沟法

目前在国内外较为流行的氧化沟有：卡鲁塞尔氧化沟、奥伯尔氧化沟、双沟式氧化沟、三沟式氧化沟。

氧化沟是活性污泥法的一种改进型，其曝气池为封闭的沟渠，废水和活性污泥的混合液在其中不断循环流动，因此氧化沟又名“连续循环曝气池”。过去由于其曝气装置动力小，使池深及充氧能力受到限制，导致占地面积大，土建费用高，使其推广及运用受到影响。近十年来由于曝气装置的不断改进、完善及池形的合理设计，弥补了氧化沟过去的缺点。

①卡鲁塞尔氧化沟是荷兰DHV公司开发的。该工艺在曝气渠道端部装有低速表面曝气机。在曝气渠内用隔板分格，构成连续渠道。表曝机把水流推向曝气区，水流连续经过几个曝气区后经堰口排出。卡鲁塞尔氧化沟的缺点是池深较浅，一般为4.0m，占地面积大，土建费用高。也有将卡鲁塞尔氧化沟池深设计为6m或更深的情况，但需采用潜水推流器提供额外动力。

②奥伯尔（orbal）氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，是由南非的休斯曼构想，南非国家水研究所研究和发展起来的，之后该技术转让给美国的Envirex公司后得到了不断的改进及推广应用。

奥伯尔氧化沟是椭圆型式，通常有三条同心曝气渠道（也有两条或更多条渠道）。污水通过淹没式进水口从外沟进入，按顺序流入下一条渠道，由内沟道排出，并在氧化沟前面增加一座厌氧选择池，污水和回流污泥首先进入厌氧选择池，停留时间约1小时，在厌氧池中完成磷的释放，混合液进入氧化沟同时进行硝化、反硝化，构成生物脱氮除磷系统。

奥伯尔氧化沟的缺点是池深较浅，一般为4.3m左右，占地面积较大，因为池型为椭圆型，对地块的有效利用较差。

③双沟式氧化沟和三沟式氧化沟是丹麦克鲁格公司开发的。

双沟式氧化沟是由两个容积相同，交替进行的曝气沟组成。沟内设有转刷和水下搅拌器。氧化沟与二沉池分建，有独立的污泥回流系统，可按脱氮除磷（或脱氮）等多种工艺运行。由于周期性的变换进、出水方向（需启闭进出水堰门）和变换转刷和水下搅拌器的运行状态，因此必须通过计算机控制操作，对自控要求较高。

三沟式氧化沟集曝气沉淀于一体，工艺更为简单。三沟交替进水，两外沟交替出水，两外沟分别作为曝气或沉淀交替运行，不需设二沉池及污泥回流设备。

这两种氧化沟由于采用转刷曝气，池深较浅，占地面积大。双沟式和三沟式各沟又交替进行，设备配置多，设备利用率低（三沟式的设备利用率只有58%），使一次性设备投资较大，并对自控要求较高。

6）AB法

AB法是一种生物吸附―降解两段活性污泥法,A段负荷高，曝气时间短，仅0.5h左右，污泥负荷高达2～6kgBOD5/kgMLSS・d。B段污泥负荷较低,为0.15～0.30 kgBOD5/kgMLSS・d。该法对有机物、氮和磷都有一定的去除率，适用于处理浓度较高、水质水量变化较大的污水。通常进水BOD5≥250mg/L，AB法才有明显的优势。

（2）按时间分割的间歇式活性污泥法

间歇式活性污泥法又称序批式活性污泥法，近几年来，已发展成多种改良型，主要有：传统SBR法、CASS法、CAST法、Unitank法和MSBR法。

1）传统SBR法

其反应是在同一容器中分时段进行搅拌、曝气、沉淀，形成厌氧、缺氧、好氧完成脱氮除磷过程。这种方法与以空间进行分割的连续流系统有所不同，它不需要回流污泥，也无专门的厌氧区、缺氧区、好氧区，总容积利用率低，一般小于50%，因此适用于中、小型污水处理厂。

2）CASS法及CAST法

CASS循环式活性污泥系统（Cyclin Activated Sludge System）是Goronszy教授在ICEAS的基础上开发出来的。与ICEAS相比，预反应区革新为容积小、设计更加优化合理的生物选择器，且将主反应区中部剩余污泥回流到选择器，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长，并可以提高活性污泥活性，使其快速地去除废水中溶解性易降解基质，进一步有效抑制丝状菌的生长和繁殖，具有较高的脱氮除磷效果，自动化程度高，操作简单，布置紧凑，占地少，分期建设和扩建方便。

在CASS工艺基础上，Goronszy教授又提出了CAST工艺，其结构更简单，特点是取消了预曝气区，运行上沉淀阶段不进水。处理效果与CASS相似，但池容比CASS大，耐冲击负荷不如CASS工艺。

3）Unitank法

Unitank工艺，又称单池系统，是SBR法的另一种形式，为八十年代后期比利时的史格斯公司所开发，其专利权归比利时WespelearSehgers工程公司所有。由三个矩形池组成，三个池水力相通，每个池内均设有供氧设备，在外边两侧矩形池设有固定出水堰和剩余污泥排放口。中间池连续曝气，两侧池内间断曝气，交替作为沉淀池和曝气池。三个池交替地在缺氧、好氧和沉淀的状态下工作，通过自控程序，控制曝气器运转和改变进水点可使池中发生硝化和反硝化作用，在去除BOD5、SS的同时，达到生物脱氮的目的。其优点是不需污泥回流、无二沉池、布置紧凑、占地面积小。但由于无专门的厌氧区，因此生物除磷效果差。其总的容积利用率为67%。

4）MSBR法

MSBR法是一种改良型序批式活性污泥法，是八十年代后期发展起来的技术，目前其专利技术归美国所有。其实质是A2/O系统后接SBR，是二级厌氧、缺氧和好氧过程，连续进水、连续出水。因此，其具有A2/O生物脱氮除磷效果好和SBR的一体化、流程简洁、不需二沉池、占地面积小和控制灵活等特点。

MSBR工艺流程图

4、结语

城市污水处理厂工艺的选择应根据设计进水水质、出水水质、用地面积、工程规模、各生物脱氮除磷工艺的特点、现有类似污水处理厂工艺及运行情况、建设单位的建设资金和运行人员素质等多种因素进行分析，因地制宜，综合考虑，选择最适合当地的工艺。这样，不仅可以降低工程投资，有利于污水处理厂的运行维护和维修管理、减少常年运行费用，都有很大的益处。