污水處理生物脫氮工藝的故事

時間：2019-07-29 10:34

來源：JIEI創新實驗室

作者：陳珺

1914年，Arden和Lockett發明了活性污泥法，從那時起污水處理技術的面貌便煥然一新，現代污水處理技術大廈的基石就此建立。Arden和Lockett在早期研究活性污泥法時便注意到了硝化的現象，并試圖回收污水中的氨，但并不成功。今天，世界各地污水處理廠的運行過程中經常會遇到二沉池反硝化浮泥的現象，70多年前Sawyer對此進行了深入的研究。所有這些現象為硝化理論的建立鋪平了道路。1964年英國水污染中心的Downing建立起硝化理論的基本法則，Downing的研究結果顯示，硝化過程依賴于自養硝化菌的最大比增長速率，該速率低于異養菌的比增長速率，運行的泥齡需要足夠長，以防止硝化菌的流失。

20世紀50年代，世界各地的水體富營養化現象促使研究者對脫氮除磷產生了濃厚的興趣。1962年，瑞士人Wuhrmann提出在硝化系統之后緊接著一個反硝化系統的工藝構型，這種工藝構型是在高負荷活性污泥系統中，利用內部存儲的碳源進行后置反硝化。為了獲得較高的脫氮效率，需要在后置的缺氧區投加碳源。另外，在后置缺氧區中內源呼吸會導致氨氮的釋放，從而影響出水水質。

也是在1962年，Ludzack和Egginger提出了“半好氧活性污泥法”的工藝，如下圖所示，該工藝是一個集成的反應器，在反應器中有一個沉淀的部分，沉淀后的污泥回到好氧區，同時硝化后的混合液通過曝氣的作用返回到前部的“半好氧區”，對于COD較低濃度的污水，脫氮的效果令人失望，主要原因是好氧區返回的大量DO影響了工藝的性能。

還是在1962年，年輕的Perry McCarty來到了斯坦福大學，7年之后他提出了在厭氧濾池中投加CH3OH進行反硝化的想法，并在加州圣華金谷地區排水系統中進行了實踐，McCarty的研究實際上成為后來反硝化濾池的早期實踐。

通過深入詳細的試驗，McCarty建立起了甲醇用于反硝化的投加量計算公式，這一公式今天仍被廣泛使用。

Cm=2.47N0+1.53N1+0.87D0

Cm：甲醇的投加量，mg/L

N0：起始的NO3-N濃度，mg/L

N1：起始NO2-N濃度，mg/L

D0：起始的DO濃度，mg/L

上世紀70年代初，一代大師Eckenfelder和Balakrishnan合作提出用接觸穩定工藝儲存的碳源來進行反硝化，首先污水中的有機物與微生物接觸吸附，然后進入第一個沉淀池進行沉淀，沉淀之后的污泥進入一個非曝氣的完全混合接觸區，利用吸附的有機物進行反硝化，沉淀之后的污水進入一個好氧硝化池。通過這種方式實現了85%的脫氮效果，但是由于第一個沉淀池中的一部分入流進入接觸池會導致出水氨氮不能達到很低的濃度。

上述的這些研究，人們極力想找到一種可靠、廉價的脫氮方式，但始終沒有找到一種性價比很高的工藝。當時在Eckenfelder的門下有個來自南非的學生叫James Barnard，當時他正在美國讀書，他目睹了Eckenfelder的研究。1971年，James Barnard告別了老師回到了故鄉南非。

James Barnard接受了McCarty采用厭氧濾池去除N03-N的想法，與McCarty不同的是，Barnard嘗試想盡量采用原污水中的碳源進行脫氮。他采用的試驗工藝路線還是Balakrishnan-Eckenfelder的工藝，但做了一些改進，Barnard將硝化后的混合液回流到穩定池進行反硝化，這樣就正好利用上了原污水中的碳源，由于從接觸池之后的沉淀池的底流有一部分直接進入穩定池后會有一部分氨氮直接穿出系統，因此在后續的環節中又加入了硝化工藝和反硝化單元（“厭氧濾池”），投加CH3OH進行反硝化，同時也省掉了最后的沉淀池。該工藝后來發展成為A/O脫氮工藝。

上述的工藝構型看起來頗為復雜，由于上述工藝的核心思想是將硝化后的出水回流到前端進行反硝化，因此James Barnard又進行了一個更為簡潔的工藝試驗，這次試驗是將厭氧在前、好氧在后，用較大的污泥回流比（200%~400%）進行回流，如圖1所示。

上述試驗獲得了大概70%的脫氮率，但沉淀池出現的反硝化浮泥現象令James Barnard并不滿意，結合之前的改良Balakrishnan-Eckenfelder工藝思路，他又在好氧區之后又加了一段“厭氧區”（現在實際上稱為缺氧區），大比例的污泥回流被第一好氧區末端的混合液回流所替代，同時最后一個小的好氧區用于吹脫氮氣和降解“厭氧區”釋放的氨氮，保證水質。至此，經典的Bardenpho污水處理脫氮工藝就此形成。在Bardenpho工藝的基礎上，A2/O、5段Bardenpho等各種工藝陸續出現。

編輯：趙凡

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