摘要 目前工程實(shí)踐中強(qiáng)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(shí)現(xiàn)EBPR 基本條件的分析, 提出了要實(shí)現(xiàn)生物膜EBPR 至少要解決 的三個(gè)問題: 反應(yīng)器構(gòu)型的優(yōu)化選擇, 運(yùn)行模式的變換與運(yùn)行周期的優(yōu)化設(shè)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(shí)現(xiàn)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(yīng)器EBPR 的開發(fā)與研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞 生物膜 強(qiáng)化生物除磷 反應(yīng)器構(gòu)型 運(yùn)行模式 淹沒式固定床生物膜反應(yīng)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(xué)除磷, 而單純利用生物膜 法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化生物除磷(EBPR) 的成功范例至今還不多見。相對于傳統(tǒng)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(chǎn)率等特點(diǎn)而彰顯優(yōu)勢, 構(gòu)型各異的生物膜工藝一直是競相追逐的熱點(diǎn)研究 領(lǐng)域, 如曝氣生物濾池( BAF) 、流化床生物膜反應(yīng)器 ( FBBR) 、移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR) 等, 但是, 利用生物膜工藝實(shí)現(xiàn)生物除磷的研究還很有限 , 生物膜技術(shù)在實(shí)現(xiàn)EBPR 方面一直面臨挑戰(zhàn)并因此遭受質(zhì)疑 , 如連續(xù)流淹沒式生物膜系統(tǒng), 很多研究者認(rèn)為, 該工藝只能有效去除有機(jī)物及氨氮, 但卻不能有效除磷 ; 此外, 固定床生物膜工藝在常規(guī)運(yùn)行模式下難以實(shí)現(xiàn)高效生物除磷, 須輔以化學(xué)除磷方能達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn), 但化學(xué)除磷將產(chǎn)生大量的化學(xué)污泥并導(dǎo)致運(yùn)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(gè)緊迫課題。

近些年, 強(qiáng)化生物膜法除磷技術(shù), 如固定床生物膜工藝嘗試通過運(yùn)行模式的變換實(shí)現(xiàn)EBPR、生物膜與活性污泥的復(fù)合集成工藝等逐步得到了開發(fā)與應(yīng)用, 但是, 這些改良式的生物膜工藝在實(shí)現(xiàn)EBPR方面仍然暴露出許多矛盾和弊端。如BAF為強(qiáng)化生物除磷而采用間歇運(yùn)行模式, 但這無疑為本已較為復(fù)雜的BAF 控制回路又增加了控制系統(tǒng)上的復(fù)雜性; 此外, 如果反應(yīng)器內(nèi)部微生物主要以附著形式存在, 那么要增強(qiáng)除磷效果必須加大排泥, 這樣勢必導(dǎo)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(shí), 生物膜污泥排放量在實(shí)踐中不像 常規(guī)活性污泥工藝那樣易于控制。EBPR 對厭氧/ 好氧的交替環(huán)境有著極為苛刻的要求, 與傳統(tǒng)懸浮生長工藝不同, 生物膜反應(yīng)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(tài)則受時(shí)間和空間的制約, 因此, 要實(shí)現(xiàn)生物膜高效除磷將會面臨很復(fù)雜的工藝難題, 如反應(yīng)器構(gòu)型調(diào)整、運(yùn)行模式優(yōu)化及過程控制集成等一系列問題需要解決和優(yōu)化。

1 實(shí)現(xiàn)生物膜除磷須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

1. 1 EBPR 生物膜反應(yīng)器構(gòu)型的選擇

要實(shí)現(xiàn)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(huán)境, 同時(shí)在厭氧段要提供足夠的快速降解有機(jī)物, 為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的, 有兩種不同反應(yīng)器構(gòu)型可供選擇:

一是若采用單一生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)除磷, 則需要單一反應(yīng)器內(nèi)部順序提供厭氧/ 好氧環(huán)境, 如間歇曝氣生物膜反應(yīng)器( SBBR) 或FBBR, 常見的反應(yīng)器構(gòu)型, 固定床SBBR在厭氧段需要循環(huán)回流強(qiáng) 化攪拌功能(見圖1a) ; FBBR在中心筒升流區(qū)域曝氣進(jìn)行好氧吸磷過程, 而在外環(huán)筒區(qū)域不曝氣處于厭氧狀態(tài)進(jìn)行釋磷過程 。

二是采用兩個(gè)( 組) 單獨(dú)的生物反應(yīng)器, 即厭氧/ 好氧系統(tǒng), 生物載體在反應(yīng)器內(nèi)以懸浮流化狀態(tài)存在, 并使生物膜載體在A/ O 系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)回流循環(huán), 但問題關(guān)鍵在于能否順利將富磷生物膜污泥適度剝落并排出系統(tǒng), 這在工程實(shí)踐中目前還難以實(shí)現(xiàn), 同時(shí)要求同步脫氮除磷時(shí)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(shí)現(xiàn)EBPR, 但復(fù)合工藝就完全有可能實(shí)現(xiàn), 近些年涌現(xiàn)的/ 活性污泥- 生物膜0組合工藝( 見圖1c) 為實(shí)現(xiàn)高效生 物除磷展現(xiàn)了前景, 該工藝特點(diǎn)在于系統(tǒng)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷 。

1. 2 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的變換及運(yùn)行周期的優(yōu)化

可通過運(yùn)行模式的變換及運(yùn)行周期的設(shè)置使生物膜交替處于A/ O環(huán)境, 運(yùn)行模式的變換可尋求通過時(shí)間或空間上的變換來實(shí)現(xiàn), 如采用間歇曝氣/ 非曝氣模式; 或者通過周期性調(diào)整不同生物膜反應(yīng)器 之間的水流方向?qū)崿F(xiàn)厭氧/ 好氧或厭氧/ 缺氧模式的順序切換。

運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換可以強(qiáng)化對磷的去除效率。周健等人對比研究了連續(xù)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(jié)論是連續(xù)曝氣( 氣水比5 B 1, HRT 為8 h) 模式下, TP去除率最高只能達(dá)到38. 4%, 出水TP無法達(dá)標(biāo), 間歇曝氣模式下TP能達(dá)到5城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)6( GB 18918 ) 2002) 的一級B標(biāo)準(zhǔn), 與連續(xù)曝氣相比, 間歇曝氣對T P去除率提高了20% ~ 40%; 顧丹亭等人的研究也證明了間歇曝氣能強(qiáng)化常規(guī)生物濾池對磷的去除, 他們對傳統(tǒng)兩級串聯(lián)BAF運(yùn)行模式進(jìn)行了改良, 在第二級BAF 進(jìn) 行間歇曝氣, 曝氣和停曝時(shí)間分別為2 h 和1 h, 系統(tǒng)采用好氧時(shí)段排水, 厭氧時(shí)段不排水的間歇出水方式, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 系統(tǒng)對TP 的去除主要發(fā)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(tǒng)對TP 的去除率高達(dá)72% , 當(dāng)原水T P 濃度為 4. 40~ 8. 85 mg/ L 時(shí), 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(tǒng)的除磷率; 類似的研究也發(fā)現(xiàn)間歇曝氣模式可以解決傳統(tǒng)BAF 除磷率低的問題。

上述的研究表明, 可以通過運(yùn)行模式的調(diào)整達(dá)到EBPR的目的, 但這無疑在一定程度上增加了生物膜EBPR運(yùn)行控制上的復(fù)雜性, 而這種復(fù)雜性源于生物除磷對厭氧/ 好氧交替環(huán)境條件的苛刻要求, 鄭蓓等采用厭氧濾池) 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(xù)運(yùn)行, 兩個(gè)IABF通過曝氣控制實(shí)現(xiàn)A/ O交替運(yùn)行和連續(xù)流出水, 并提出了/ ACF0運(yùn)行模式概念, 但值得注意的是, ACF運(yùn)行方式特點(diǎn)是需要周期性地排除厭氧富磷液并進(jìn)行化學(xué)除磷, 同時(shí)在好氧段頭1 h 內(nèi)還需要間歇曝氣以改善出水水質(zhì), 雖然該工藝對TP平均去除率達(dá)到85. 2% , 出水TP平均為0. 59 mg/ L, 但筆者認(rèn)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(jià)是需要輔以化學(xué)除磷, 嚴(yán)格意義而言整個(gè)系統(tǒng)是生物和化學(xué)協(xié)同除磷, 另外, 由于采用了/ ACF0模式運(yùn)行, 該生物膜組合工藝EBPR 的過程控制也略顯繁瑣。

運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換還可以通過借助反應(yīng)器間水流方向的切換實(shí)現(xiàn)EBPR目的。Falkentoft 等人 推薦了利用生物濾池系統(tǒng)在連續(xù)流條件下實(shí)現(xiàn)反硝化和除磷的運(yùn)行模式, 進(jìn)水首先到厭氧反應(yīng)器( 釋磷) , 然后進(jìn)缺氧反應(yīng)器( 以NO- 3 ) N 為電子受體吸磷) , 最后到好氧反應(yīng)器( 硝化) , 好氧反應(yīng)器硝化液回流到缺氧反應(yīng)器。反應(yīng)器R3 始終在好氧硝化模式運(yùn)行, 而反應(yīng)器R1、R2 通過硝化液交替回流實(shí)現(xiàn)厭氧/ 缺氧模式的交替切換, 厭氧段進(jìn)行釋磷, 缺氧段以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行吸磷, 從而實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。(來源：給水排水 作者：劉智曉 崔福義 王樹濤 趙志偉)

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