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
　　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 , 生物膜技术在实现EBPR 方面一直面临挑战并因此遭受质疑 , 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 ; 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, 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、生物膜与活性污泥的复合集成工艺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。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。
　　实现生物膜除磷须解决的关键技术问题
　　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, 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 。
　　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, 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 。
　　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, TP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。
　　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TP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 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, 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。(来源：给水排水 作者：刘智晓 崔福义 王树涛 赵志伟
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