污水處理懸浮填料強(qiáng)化脫氮技術(shù)

　近幾年，隨著同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrificationand Denitrification，SND)現(xiàn)象在各種污水處理工藝中不斷被發(fā)現(xiàn)，SND逐漸成為了脫氮領(lǐng)域的研究熱點，這也為簡化生物脫氮流程、降低建設(shè)投資提供了新的發(fā)展方向。研究表明，在傳統(tǒng)活性污泥工藝中投加懸浮填料，能夠創(chuàng)造缺氧微環(huán)境，在增強(qiáng)生物膜對碳源吸附能力的同時可有效實現(xiàn)SND。這不僅能夠大幅增加原反應(yīng)器內(nèi)的生物量，提高活菌比例，而且能夠提高微生物對溶解氧的利用率，使反應(yīng)器在低曝氣量下仍能保持較好的處理效果。筆者結(jié)合近年來懸浮填料與常規(guī)污水處理工藝相結(jié)合強(qiáng)化脫氮的研究成果，對實際運(yùn)用過程中存在的問題進(jìn)行分析，探討懸浮填料強(qiáng)化脫氮技術(shù)今后的發(fā)展方向。

　　1、SND脫氮原理

　　傳統(tǒng)的生物脫氮是根據(jù)脫氮過程的兩階段理論，將好氧硝化與缺氧反硝化分置于2個獨(dú)立的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。而SND則是在同一個反應(yīng)器內(nèi)直接實現(xiàn)氨氮到氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化，將脫氮過程的2個反應(yīng)階段由宏觀空間(時間)上的好氧池與缺氧池，轉(zhuǎn)化為微觀空間上的微生物絮體表層與內(nèi)部，并通過運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整使污泥表層與內(nèi)部分別實現(xiàn)硝化與反硝化的反應(yīng)條件，從而達(dá)到脫氮的目的。由于受到傳質(zhì)阻力的影響，微生物絮體由外至內(nèi)存在溶解氧和COD的質(zhì)量濃度變化梯度，依次形成了擴(kuò)散區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)。微生物絮體表層由于溶解氧質(zhì)量濃度較高，以硝化細(xì)菌為主，主要發(fā)生有機(jī)物和氨氮的氧化過程;微生物絮體內(nèi)部由于氧氣的大量消耗以及傳質(zhì)阻力的影響，形成缺氧區(qū)，反硝化細(xì)菌利用傳遞來的有機(jī)物反硝化脫氮。

　　懸浮填料屬于分散式填料的一種，一般用聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯等特制塑料或樹脂制成，形狀規(guī)則，多為立方體或顆粒狀。懸浮填料內(nèi)部孔隙率較大，比表面積大，極大地增加了微生物的附著面積，有利于生物膜的形成，使系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力顯著提高。懸浮填料脫氮原理與微生物絮體類似，隨著污泥質(zhì)量濃度的增大，附著生長的生物膜內(nèi)層產(chǎn)生缺氧或厭氧環(huán)境，為SND脫氮提供了有利條件。

　　2、懸浮填料強(qiáng)化脫氮技術(shù)污泥形式和微生物特性

　　微生物是污水處理的主力軍，因此反應(yīng)器內(nèi)生物量的多少直接影響到污染物的去除效果。懸浮填料由于其內(nèi)部孔隙的存在，有利于缺氧環(huán)境的形成，且比表面積較大，為反硝化細(xì)菌的生長提供了更大的空間。另外，填料表面的微生物主要以生物膜的形式存在，而常規(guī)活性污泥法反應(yīng)器內(nèi)的污泥處于游離狀態(tài)，前者對營養(yǎng)物質(zhì)的捕獲能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，加之懸浮填料處于流化狀態(tài)，在水流剪力的作用下，老化的生物膜能夠及時脫落，始終保持較高的代謝活性，從而使反應(yīng)器在較低的碳源條件下仍能保持較好的反硝化效果。

　　向活性污泥法中投加懸浮填料能在很大程度上增加反應(yīng)器內(nèi)的總生物量和種類，改善其存在形式以及傳質(zhì)方式，大大提高凈化效率和處理能力。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，懸浮填料由于其巨大的比表面積和內(nèi)部孔隙的存在，能夠吸附大量的絲狀菌，在強(qiáng)化污染物凈化能力的同時，控制污泥膨脹及上浮，使系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力顯著提高。同時，反應(yīng)器內(nèi)生物固體平均停留時間較長，有益于自養(yǎng)微生物的生存，還會形成大量的輪蟲、鐘蟲、累枝蟲等原生動物和后生動物，有利于水質(zhì)的進(jìn)一步提升。

　　3、懸浮填料強(qiáng)化脫氮技術(shù)的應(yīng)用形式

　　研究表明，向傳統(tǒng)活性污泥法中投加懸浮填料，能夠強(qiáng)化脫氮能力，使氨氮、總氮去除率明顯提高，并且與傳統(tǒng)活性污泥法相比，在低溫下仍能保持較好的氨氮去除效果。

　　龐丹等以寧安市污水處理廠為研究對象探究北方中小城鎮(zhèn)污水處理廠在低溫條件下對氨氮的去除效果，研究表明，向傳統(tǒng)AO工藝中投加懸浮填料與CASS工藝相比，在低溫低曝氣量條件下仍能保持較好的污染物去除效果，并且具有運(yùn)行管理簡單、投資造價低、占地面積小等優(yōu)勢。

　　為了探究強(qiáng)化反硝化脫氮除磷效果的方法，呂絳等向傳統(tǒng)的A2/O生物池中投加聚乙烯懸浮填料，投配比為20%，總氮和總磷去除率均有顯著提升，當(dāng)污泥齡為8h時，相應(yīng)去除率最高可達(dá)75%和91.4%。

　　王濤等通過向氧化溝好氧段投加懸浮填料探究溶解氧含量、污泥回流比和污泥齡對脫氮效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)溶解氧含量為0.8～1.2mg/L，污泥回流比為75%～100%，污泥齡為10～15d時，出水COD、氨氮和總氮可達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

　　為了探究低C/N比生活污水的處理方法，薛軍等以聚丙烯作為懸浮填料投加到SBR反應(yīng)器內(nèi)，發(fā)現(xiàn)在低C/N比下，反應(yīng)器仍能保持較高的生物量以及較好的TN去除效果。郭海燕等發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)SBR反應(yīng)器相比，懸浮填料SBR反應(yīng)器對水中DO利用率更高，低曝氣量下仍能保持較好的處理效果。因此，懸浮填料的投加能夠顯著提高常規(guī)SBR反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷能力，強(qiáng)化脫氮效果，且在外在條件發(fā)生波動后仍能保持較好的污染物去除性能。

　　程一橋等通過向平板膜生物反應(yīng)器中投加聚丙烯多面空心球懸浮填料，使得總氮、總磷去除效果和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。另外，懸浮污泥生物膜與懸浮污泥之間存在競爭關(guān)系，從而使污泥產(chǎn)量明顯降低。楊期勇等通過對比普通膜生物反應(yīng)器和投加多孔柔性聚氨酯懸浮填料的復(fù)合式膜生物反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)懸浮填料的投加能夠形成微湍流，加大流體運(yùn)行的不穩(wěn)定性，有效地改善了膜生物反應(yīng)器的過濾性能，使膜污染速率下降30%以上。

　　4、懸浮填料強(qiáng)化脫氮在實際運(yùn)用中存在的問題

　　雖然懸浮填料的投加能夠強(qiáng)化反硝化脫氮效果，但仍然存在一些問題：

　　1)由于懸浮填料內(nèi)部孔隙的存在，長時間運(yùn)行后會產(chǎn)生較多沉積物堆積，導(dǎo)致生物膜活菌率降低;

　　2)對于懸浮填料生物膜來說，雖然比表面積較大，但液相基質(zhì)與固相微生物之間的傳質(zhì)阻力較大;

　　3)受反應(yīng)器流態(tài)影響較大，與活性污泥形成的生物絮凝體相比，懸浮填料表層的生物膜在較大的水流剪力作用下易脫落，無法形成穩(wěn)定的生物膜結(jié)構(gòu);

　　4)目前，由于原材料價格較高，導(dǎo)致前期投資較大。

　　5、懸浮填料用于中小城鎮(zhèn)污水處理廠強(qiáng)化脫氮的展望

　　隨著我國城鎮(zhèn)化水平的持續(xù)提高，中小城鎮(zhèn)數(shù)量迅速增加，但往往發(fā)展不均衡、設(shè)施建設(shè)水平低、運(yùn)行管理不完善，導(dǎo)致其污水處理率與大中城市相差甚遠(yuǎn)。中小城鎮(zhèn)污水處理有其鮮明的特點：污水處理量小、水質(zhì)水量變化大、排水管網(wǎng)不健全以及建設(shè)投資有限等。因此，探索占地省、自動化程度高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定的污水處理工藝是中小城鎮(zhèn)實現(xiàn)污水處理設(shè)施健康發(fā)展的技術(shù)難題。

　　針對我國中小城鎮(zhèn)污水處理量小、C/N比低、投資有限的特點，采取投加一定比例的懸浮填料能夠明顯提升常規(guī)活性污泥工藝的脫氮性能，并且無需更改池型，僅需增設(shè)填料攔截裝置，投資較小。另外，投加懸浮填料不僅能夠在原有反應(yīng)器的基礎(chǔ)上強(qiáng)化脫氮效果，增強(qiáng)出水水質(zhì)穩(wěn)定性，還能進(jìn)一步減小曝氣強(qiáng)度，大幅節(jié)約運(yùn)行成本。因此，對于已建成的中小城鎮(zhèn)活性污泥反應(yīng)池投加懸浮填料是提標(biāo)改造、強(qiáng)化脫氮性能的有效手段，為今后傳統(tǒng)活性污泥法污水處理廠提標(biāo)改造提供了更經(jīng)濟(jì)合理的發(fā)展方向。