在现代城市发展和工业进步的双重驱动下,水资源污染问题日益严峻,尤其是氮和磷等营养物质超标引发的环境问题广泛存在。为了有效控制水体中的营养盐浓度,保护生态环境,生物营养物去除技术(Biological Nutrient Removal,简称BNR)应运而生,并逐步成为污水处理领域的重要手段。生物营养物去除技术利用微生物的代谢作用,去除污水中的总氮和总磷,实现排放水质的达标和环境负荷的减轻。本文将从生物营养物的定义、BNR的基本过程、影响因素、技术优势与挑战等多个角度进行详细解读,旨在为城市污水处理和环保技术应用提供深入参考。 生物营养物是指在生物降解过程中产生的非危险性可生物降解物质,主要包括氮和磷两大营养元素,这两者是水生态系统中植物和微生物生长的关键因子。尽管营养物质是生态系统必需的,但当其浓度过高时,会引发水体富营养化,造成藻类大量繁殖,扰乱水体生态平衡,甚至导致水质恶化和水生生物死亡。
因此,去除污水中的总氮和总磷是城市污水处理厂的重要目标。 总氮的定义涵盖了水中所有形式的氮,主要包括总凯氏氮(Total Kjeldahl Nitrogen,TKN)、亚硝酸盐(NO2)和硝酸盐(NO3)等。总凯氏氮由氨氮(NH3)和有机氮两部分组成。氨氮是未与氯结合的游离氨,常以NH3分子或NH4+离子的形式存在,具体形态受到水体的pH和温度等因素影响。总磷则是水中所有形态的磷的总和,包括正磷酸盐、磷酸酯、膦酸盐和多磷酸盐等多种形式。准确测定这些营养物质的含量,是设计和运行污水处理系统的基础。
生物营养物去除技术主要依赖微生物在适宜环境条件下的代谢作用,将氮和磷从水体中去除。氮的去除过程涉及氨化、硝化和反硝化三个关键阶段。氨化阶段是有机氮转化为氨氮的过程,这一转换多在线路运输至处理厂的管网中进行。硝化过程发生在曝气池中,氨氮先被氧化为亚硝酸盐,随后进一步氧化为硝酸盐,这一步骤需要充足的氧气和特定的硝化细菌。反硝化过程则在缺氧环境下由反硝化细菌完成,它们将硝酸盐还原为氮气,使氮气随气泡逸出水体,实现氮的永久去除。 磷的生物去除则主要通过厌氧和好氧交替的条件实现。
在厌氧区,微生物摄取并消耗挥发性脂肪酸,同时释放储存在细胞内的磷,释放的磷进入水体。随后进入好氧区,这些微生物再次摄取磷,将其积累于细胞内,从水体中去除磷元素。这种动态的能量储存和释放机制被称为增强生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR),是传统BNR中重要的组成部分。通过这种方式,污水处理中磷以生物质的形式被浓缩并从水中移除。 影响生物氮去除效率的因素众多,其中五天生化需氧量与总凯氏氮的比值(BOD5/TKN)极大地影响反硝化过程,因为反硝化细菌需要有机碳源作为电子供体。水温也是关键因素,温度越接近微生物最适生长温度,降解效率越高。
此外,混合液回流率直接影响氮的循环利用,为硝化和反硝化提供必要的物质基础,因此应合理控制回流参数来优化处理效果。 磷去除的有效性则受高磷含量微生物数量、挥发性脂肪酸供应以及混合液回流率的限制。高磷含量微生物富含聚磷酸盐,这些微生物的比重越大,去磷效果越明显。挥发性脂肪酸是厌氧区微生物获取能量的关键,BOD5与总磷的比值须达到一定水平才能确保微生物具备足够能量完成磷的释放与吸收过程。此外,如果污泥在系统中储存过长,由于厌氧环境的形成,微生物可能反向释放磷,导致治疗效果倒退。因此,日常污泥的合理排放和污泥浓缩工艺是维持高效去磷的保障。
与化学沉淀等传统手段相比,BNR技术生态友好且运行成本相对较低。它减少了对药剂的依赖,降低了化学品使用带来的二次污染风险,同时还能实现污泥的资源化利用。然而,BNR技术也面临诸多挑战。操作过程对温度敏感,寒冷季节反应速率降低,处理效率下降。曝气能耗较高,需在经济性和环保性之间做权衡。此外,实时监控和控制系统的缺失可能导致气氛条件不稳定,影响微生物活性和去除效果。
在技术发展方面,现代污水处理厂开始采用智能化、自动化控制系统,通过在线传感器实时监测溶解氧、氨氮、磷酸盐等参数,实现动态调节曝气和回流量,提升BNR系统的稳定性和处理效率。同时,间歇曝气模式也成为优化资源利用的有效策略,虽然能提高磷的去除率,但能耗增加带来的碳足迹问题仍需综合考虑。 总结来看,生物营养物去除技术作为城市污水处理的重要组成部分,能够有效去除总氮和总磷,防止水体富营养化,保障水环境质量。掌握其运行机制、工艺流程和影响因素,对于提升污水处理厂的整体性能具有重要意义。未来,伴随智能化技术和微生物生态学的深入研究,BNR系统将实现更加高效、节能和稳定的运行,助力城市实现绿色可持续发展目标。 。
