高污泥浓度与生物脱氮除磷

摘要：通过污水厂运行实践发现在脱氮处理工艺中高污泥浓度有利于提高脱氮除磷效率，主要介绍了高污泥浓度在硝化、反硝化除磷过程中的有利点。具体从反应速率、回流溶解氧、有机碳源分配、同程反硝化等方面进行脱氮除论述。在处理设施允许的条件下应尽量提高污泥浓度已提高系统的脱氮除磷效率。  

一、概述
    通过对一些污水处理厂的实地考察发现，部分污水处理厂在具有良好脱氮除磷效果时，其生物池内的污泥浓度都相对较高。例如：酒仙桥污水处理厂氧化沟工艺、清河污水处理厂的倒置A2/O工艺等，尤其酒仙桥污水处理厂MLSS一度达到了6000～7000mg/L，约为设计值的两倍，在其二沉池出水SS指标正常情况下，其TP<1mg/L、TN<10mg/L。一般的脱氮除磷理论极少有介绍污泥浓度与脱氮除磷之间的直接关系问题，但从微生物量与去除有机物、N、P的速率以及DO之间的关系等方面分析，可以初步解释在具有脱氮除磷功能的工艺中控制相对较高的污泥浓度对脱氮除磷是有利的。
    二、脱氮除磷的控制因素
    普遍观点认为任何理想的脱氮除磷工艺应控制以下几个关键点：
    1、泥龄控制应大于硝化菌、聚磷菌所需的最小泥龄。
    2、回流至厌氧区的回流污泥尽可能少的携带氧包括：分子氧、离子氧（NO3-N）。
    3、回流至缺氧段反硝化的混合液尽可能少的携带分子氧。
    4、进水碳源应满足厌氧池有效释磷、缺氧池反硝化。
    5、各生物处理功能单元应满足在正常污泥浓度下各自所需的反应时间。
    三、污泥浓度与脱氮关系
    生物脱氮过程中，硝化作用的程度往往是生物脱氮的前提，其控制相对比较简单；反硝化作用是生物脱氮的关键，其受诸多因素影响较大，同时反硝化效果也很大程度上影响系统除磷。
    1、污泥浓度对硝化影响
    影响硝化反应的环境因素有很多包括：PH、温度、SRT、DO、BOD/TKN、污泥浓度、有毒物质等。实际污水处理厂在工艺的运行中只能对SRT、DO、BOD/TKN、污泥浓度等参数进行控制。
    a. 在好氧硝化过程中较高的污泥浓度其硝化细菌的浓度相对较高，因此好氧硝化反应的速率在高污泥浓度条件下较高。
    b. 一定污泥泥龄是保证生物污泥中的硝化细菌存在的条件，同时创造良好的硝化细菌生存条件更能提高其在微生物菌群中所占比例，从而提高硝化细菌浓度。高污泥浓度下在厌氧阶段会有更多的BOD被消耗，进入好氧阶段其BOD/TKN也就相对更低些。一些研究表明活性污泥中硝化细菌所占的比例，与BOD/TKN呈反比关系。由于硝化菌是一类自养菌，有机基质的浓度并不是它的生长限制因素，但若有机基质浓度过高，会使生长速率较高的异氧菌迅速繁衍，争夺溶解氧，从而使自养菌的生长缓慢且好氧的硝化菌得不到优势，结果降低硝化速率。
    c. DO值一般是污水处理厂硝化阶段的重要重要指标，一般情况下DO值在2mg/L以上。在大多数氧化沟工艺中其沟内平均DO值都很难达到2mg/L，一般维持在1mg/L或更低水平，但其硝化效果仍然良好，分析原因为氧化沟特有的相对较高污泥浓度虽然其沟内DO值较低，但其它有利于硝化的因素增强。污泥浓度增高，也就增大生物处理池的的有效容积，同时降低了负荷等。从另一角度分析提高污泥浓度其微生物好氧量也相应增加，在同等曝气量条件下，溶解氧仪显现出来的数值也应该较低。以上几点说明提高污泥浓度，生物池中的DO值可适当降低，硝化效果仍可维持良好水平。
    d. 为保证活性污泥中硝化细菌的正常生长繁殖，泥龄一般应控制在8天以上。但为了使硝化细菌与其它异氧细菌有相对平衡的生存竞争力，应在污泥不发生严重老化前提下提高泥龄，相应也就是增大生物系统的污泥浓度。
    2、污泥浓度对反硝化影响
    生物反硝化作用即为在缺氧条件下反硝化细菌利用硝酸盐中的离子氧分解有机物的过程，硝酸盐即被还原为N2，完成脱氮过程。反硝化过程中的反硝化细菌是大量存在于污水处理系统中的异氧型兼性细菌，在有氧存在条件下，反硝化细菌利用氧进行呼吸、氧化分解有机物。在无分子氧的条件下，同时存在硝酸和亚硝酸离子时，它们能用这些离子中的氧进行呼吸，使有机质氧化分解。反硝化细菌能够利用各种各样的有机基质作为反硝化过程中的电子供体，其中包括：碳水化合物、有机酸类、醇类以及甚至像烷烃类、苯酸盐类和其它的苯衍生物这些化合物，它们往往是废水的主要组分。影响反硝化速率的因素较多，包括PH值、温度、DO、碳氮比、污泥浓度等，实际污水处理厂在工艺的运行中只能对DO、污泥浓度等参数进行控制。碳氮比虽然是反硝化反应中最重要的影响因素但其和来水水质有很大关系一般实际运行中很难控制。
    a. 反硝化反应过程中要求在无分子氧存在的条件下反硝化细菌才能利用硝酸盐及亚硝酸盐中的离子氧分解有机物。之前提到，高污泥浓度的生物系统在硝化过程中可适当降低溶解氧值，同时保持硝化效果，因此使硝化末端降低溶解氧可以有效的减少硝酸盐回流液中所携带的溶解氧含量，降低分子氧在缺氧区对反硝化进程的影响，提高反硝化菌利用碳源的反硝化能力。同时高污泥浓度自身内源代谢好氧量也相对较强，可以进一步消耗回流及缺氧段中的溶解氧。再有非常高的污泥浓度会改变混合液的粘滞性，增大扩散阻力，从而也使回流携带的溶解氧降低，在一些使用明渠作为回流通道的处理工艺中可以减小回流跌落的充氧量。总之高污浓度对于降低实际工艺运行中反硝化阶段的DO值有较大作用。
    b. 由于反硝化细菌是异氧型兼性细菌在污水处理系统大量存在，提高系统中的污泥浓度可有效的提高反硝化细菌的浓度。反硝化反应速度与硝酸盐亚硝酸盐浓度基本无关，而与反硝化细菌的浓度呈一级反应。因此在实际工艺运行中高污泥浓度可以缩短反硝化的时间减小缺氧段的有效容积。在缺氧段有效容积一定的件下，高污泥浓度的反硝化反应可以更好的利用有机基质中相对较难降解的有机物作为碳源进行反硝化反应。这一点对于脱氮除磷工艺，尤其C源不足的情况尤为重要。
    c. 高污泥浓度其微生物菌胶团直径相对较大，在硝化反应过程中受溶解氧低的影响，氧的压力梯度较小，菌胶团内部容易形成缺氧环境从而发生反硝化反应。所以高污泥浓度可以促进同程反硝化。
    四、污泥浓度与生物除磷
    生物除磷的关键点是提高聚磷菌在活性污泥系统中所占比例，同时在系统运行过程中大量增长繁殖，在排出系统时聚磷菌体内含磷量维持在一个较高水平。
为了提高系统中聚磷菌所占活性污泥的比例就要为聚磷菌营造更优越的适合其生长繁殖的环境及水力条件，即工艺流程上有良好的厌氧、好氧环境，厌氧区的环境因素控制对聚磷菌的生长繁殖，以及除磷功能的实现尤为重要。厌氧区的高污泥浓度对于聚磷菌更为有利。
    a.  高污泥浓度在厌氧区其聚磷菌浓度也相应较高，释磷的微生物量增多，后续好氧吸磷微生物量也就会相应增加，增大了系统整体的除磷作用。
    b. 厌氧区聚磷菌吸收VFA释磷，同时厌氧区在高污泥浓度的条件下可作为系统的厌氧酸化段，对水中的高分子难降解有机物起到厌氧水解作用，聚磷菌释磷过程中释放的能量，可供聚磷菌主动吸收乙酸、H+、等使之形成PHB形式贮存在菌体内，从而促进有机物的酸化过程，提高污水的可生化性增大后续处理过程中的反硝化反应所用碳源。
    总之，在脱氮除磷的污水处理工艺中在处理设施充足情况下应适当提高生物池内的污泥浓度，增强系统脱氮除磷能力。
    a. 高污泥浓度可提高处理工艺各单元的的反应速率，减小所需的反应时间。
    b. 高污泥浓度其菌胶团直径相对较高，其菌胶团内更容易形成缺氧反硝化，可能会发生同程反硝化。
    c. 高污泥浓度可有效降低回流中溶解氧含量，提高厌氧有效释磷、反硝化脱氮的有机物利用率。
    d. 高污泥浓度其相应具有较高的泥龄，生物系统内的优势菌种一般不受泥龄限制。因此在脱氮除磷工艺中各类主要功能细菌在适应脱氮除磷环境时形成优势菌种。
    e. 高污泥浓度在厌氧阶段的水解酸化作用，有利于后续反硝化作用时有机物的更好吸收利用。
    当然，高污泥浓度对污水处理厂也同样存在不利的影响因素，如曝气时扩散阻力增大，供氧的利用率下降；增大了二沉池的污泥负荷。同时在生物脱氮除磷过程中排泥是除磷的必需过程，排泥量的多少很大程度上影响系统的除磷效果，因此在污水厂运行时，应保证每天一定量排泥除磷的前提下，采用高污泥浓度运行。
五、生物脱氮除磷新工艺及发展趋势
1 生物脱氮新技术
污水生物脱氮的基本原理是：在好氧条件下通过硝化反应先将氨氮氧化为硝酸盐，再通过缺氧条件下的反硝化反应将硝酸盐异化还原成气态氮从水中去除。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区和好氧区分开，形成分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立进行。
近年来，一些研究者在研究中陆续观察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象。比如将好氧硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，然后在缺氧条件下直接反硝化的亚硝酸型生物脱氮；在一定的条件下,硝化和反硝化可以在同一个反应器内同时完成；异养硝化以及厌氧氨氧化等。这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论主要从物理学角度研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质(如DO、有机物、NO3--N 和NO2--N等)传递的变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致的微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。在宏观环境中微好氧状态时，由于氧扩散的限制，微生物絮体内产生了溶解氧梯度，也就形成了不同的微环境。生物学角度的解释不同于传统理论，微生物学家发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌，它们甚至可在完全厌氧的条件下发生硝化作用。有些好氧反硝化菌同时也是异养型硝化菌，它们能够在好氧条件下直接将氨转化为最终的气态产物。以上这些现象的发现为研究者研究新的生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向，使他们不断开发出了许多新型脱氮工艺。如：SND(同时硝化反硝化工艺)、SHARON(Single reactor high activity ammonia removal over nitrite，亚硝化反应器)工艺、OLAND(Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification，氧限制自氧硝化—反硝化)工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺等。
2 生物除磷新工艺
污水生物除磷是通过厌氧段和好氧段的交替操作，利用活性污泥的超量吸磷特性，使细胞含磷量相当高的细菌群体能够在处理系统的基质竞争中取得优势，剩余污泥的含磷量为3%～7%。
近年来，研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”(DPB)，它可以在缺氧条件下利用NO3-作为电子受体氧化细胞内贮存的PHA，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和过度摄磷。兼性反硝化菌生物摄/放磷作用的确认，不仅拓宽了除磷的途径，而且更重要的是这种细菌的摄/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。该工艺具有处理过程中COD和O2消耗量较少、剩余污泥量小等特点，并且利用DPB实现生物除磷，能使碳源得到有效利用，使该工艺在COD/(N+P)值相对较低的情况下仍能保持良好的运行状态，并使除磷的化学药剂量大大减少，同时除磷器内可获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可能。
目前，在不同环境条件下DPB的诱导增殖与代谢途径变化规律以及系统中DPB菌群演化数量的判定和调控方式等都是急待研究的课题。该工艺中50%的磷均由DPB去除。该工艺由5个功能相对专一的反应器组成，通过控制反应器之间的3个循环来优化各反应器内细菌的生存环境。其充分利用了DPB的缺氧反硝化除磷作用，实现了磷的完全去除和氮的最佳去除；充分利用了磷细菌对磷酸盐的亲和性，将生物摄磷与富磷上清液(来自厌氧释放)离线化学沉淀有机结合，使系统在稳定的SVI(SVI<120mL/g)下能获得良好的出水水质(总磷<0.2mg/L,总氮<5mg/L)。
3 生物脱氮除磷技术的发展趋势
污水排放标准的不断严格是目前世界各国的普遍发展趋势，以控制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚，投入的资金也十分有限，研究水平仍处于发展阶段。目前在生物脱氮除磷技术基础理论没有重大革新之前，充分利用现有的工艺组合，开发技术成熟、经济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方向，主要体现在：
(1)开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发，优化生物脱氮除磷组合工艺，开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合工艺。
(2)发展可持续污水处理工艺，朝着节约碳源、降低CO2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。
(3)大力开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。