[工程科技]脱氮除磷

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1、第六章 生物脱氮除磷技术,水体中氮磷等营养物质超量，是造成水体富营养化的主要原因之一。近年来，我国沿海地区水体富营养化日益严重，发生赤潮的频率逐年增高 ，范围逐年扩大。1993-1997年间，就东海，黄海和南海共发生265次。1999年7月，渤海再不到10天的时间内，就延续发生了两起大面积赤潮。,天然水体中的藻类本来以硅藻绿藻为主，蓝藻的大量出现是高营养化的征兆，随着营养化的发展，最后变成以蓝藻为主。这些大量蓝藻覆盖在水面，在湖泊中称“水华”，在海洋中则叫做赤潮。 水体中p含量0.02mg/l，可视为高营养化。 大量藻类和浮游生物分解时要消耗水体中氧气，使溶解氧浓度降低到一定程度时，就会造成鱼

2、类死亡。,一 生物除氮：,1 除氮原理： 在新鲜污水中，含氮化合物存在方式 有机氮：蛋白质，氨基酸，尿素等 氨态氮 ：（NH3，NH4+） 硝酸盐氮,生物除氮主要分三阶段：氨化，硝化和反硝化,（1）氨化反应： 有机氮化合物，在氨化菌（异氧菌）的作用下分解，转化为氨态氮。这一过程称“氨化反应”。 含氮有机物 + O2 含碳有机物 + CO2 +NH3,（2）硝化反应 在硝化菌的作用下，氨态氨分两个步骤进一步分解氧化， NH4+ + O2 亚硝酸菌 NO2-+ H2O+2H+ NO2- + O2 硝酸菌 NO3- 归纳硝化反应的总公式为： NH4+2O2 NO3- + H2O+ 2H+,考虑细菌增

3、殖则：,氧化1g氮需氧气4.57g（亚硝化反应需氧3.43g，硝化反应需氧1.14g），同时需7.14gHCO3-碱度（以CaCO3计）。,硝化细菌呼吸链,适合硝化的条件,1、氧量 温度小于28度时，硝化系统中氨氮氧化速率较慢，而亚硝酸氮氧化速率较快。这时氨氮氧化成为硝化反应的限制性因素,2、有机物,3、PH值 硝化细菌对PH值的变化非常敏感；发生硝化反应最佳pH直8.0-8.4。此时硝化细菌的硝化速率、最大比增值速率最大；PH值为6.5-7.5时，可维持合理的硝化反应速率；当PH值低于6.8时，硝化速率显著下降 硝化反应释放H离子，会致使PH值下降；为维持适宜PH，废水中需有足够碱度起缓冲作

4、用，若废水中原有碱度不足，可投加石灰苏打粉碳酸氢钠或氢氧化镁等。,4、温度 硝化反应的适宜温度是20-30度。15度以下硝化速率下降：低于5度，硝化反应将会完全停止。 0， 温度为20及T 时硝化菌的比增值速率 温度系数 T温度 亚硝化菌的温度系数为1.1-1.13，硝化菌为1.07，比一般活性污泥温度系数1.0-1.04大。从算式中推算出T20 时， 0 ； T20 时， 0,5、有毒物质 硝化细菌对许多有机物质和无机物质都很敏感。毒性有机物质包括有机溶剂、胶体蛋白质、单宁、含酚化合物、乙醇、氰酸盐、醚、氨基甲酸盐和苯等。有些时候，一些物质的毒性甚至足以能够灭活硝化细菌。对硝化细菌有影响的毒

5、性无机物质主要是重金属，例如Ni、Cr和C u对氨氮氧化菌的完全抑制浓度分别为0.25、0.25和0.10mg/l。,游离氨NH3、非离子态亚硝酸HN02也抑制生物硝化，抑制程度取决于各氨形态浓度、水温及pH值。据报道，在20、PH7的条件下，当NH3-N浓度分别为l00mgL和20mg/l时，就会开始分别对NH3-N和NO2-N的氧化造成抑制作用；当N02-N浓度为280mgL时，将会对N02-N的氧化造成抑制。,6、泥龄 典型的SRT在l0时可为10-20d，在20时为4-7d。,(3)反硝化反应:,氨化硝化反应只是将有机氮变成了无机氮,最终变成了硝酸盐并没真正去除水中氮. 反硝化反应则实

6、在低氧或无氧条件下,通过反硝华细菌的作用,先把NO3-还原成NO2-,再把NO2-还原成氮气,从水中去除。 NO2- NH2OH 有机体（同化反硝化） NO3- NO2- N2O N2（异化反硝化）,反硝化副球菌硝酸盐、亚硝酸盐呼吸电子传递体系,反硝化菌群,完成反硝化的微生物是反硝化菌，既有异养菌又有自养菌。 假单胞菌属是最常见和分布最广的异养反硝化菌。 大多数异养菌为兼性厌氧微生物，可以利用氧气、硝酸氮或亚硝酸氮做电子受体，有机物作为电子供体；在没有硝酸氮或氧气存在条件下，还能发生发酵反应。,在反硝化过程中，自养反硝化细菌还可以利用氢气和还原态硫化物作为电子供体，硝酸氮或亚硝酸氮做电子受体。

7、,反硝化条件,1、氧气 溶解氧对硝酸氮还原酶具有抑制作用，反硝化反应只有在水中DO浓度较低时(如小于0.2mg/l才能进行。假设K。为0.1mg/l,以硝酸为电子受体时，当水中的DO分别为0.1mgL、0.2mg/l和0.5mg/l时，底物利用速率将分别为最大底物利用速率的50、33和17。,对于后置缺氧反硝化工艺来讲，微生物主要是在缺氧环境下形成并且选择了单有机底物，其主体是反硝化细菌，因而在反应动力学中的底物利用速率不需要修正。,而当缺氧段内溶解氧浓度较高(如DO0.5mgI，)，反硝化菌将利用氧进行呼吸，抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，氧成为电子受体，阻碍硝酸氮的还原。 另一方面，反

8、硝化菌体内的某些酶系统只有在有氧条件下才能合成。 少量氧的状态下，污泥絮体内部仍为厌氧状态，所以要求氧量小于0.5mg/L，而不是完全无氧。 这样，反硝化菌适于在缺氧、好氧交替的环境中生活。,2、硝酸氮 同好氧异养菌降解有机物的动力学方程相似，底物是降解反应速率的限制因素。 但硝酸氮质量浓度在大于0.1mg/l时，一般不会成为底物降解动力学的控制因素。,3、底物 能为反硝化菌所利用的碳源是多种多样的，包括废水中碳源和外加碳源。废水中所含碳源是比较经济的。一般认为，当废水中BOD5TN3-5时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源；当原废水中碳、氮比值过低时，则需另投加有机碳源。否则反硝化过程中将大量

9、生成N2O，而N2产量将减少。外加碳源多采用甲醇，因为其分解产物为CO2和H2O，不留任何难于降解的中间产物，而是有助于提高反硝化速率。,Cm投加的甲醇量，mg/L N0初始NO3-N浓度， mg/L N初始的NO2-N浓度， mg/L DO初始的溶解氧浓度， mg/L,4、PH值 PH值是影响反硝化反应的因素之 ，对反硝化菌最适宜的pH值是65-75，此pH值的条件下，反硝化速率最高。反硝化发生时产生碱度的同时会提高pH值，可部分补偿硝化反应的碱度损耗。,5、温度 反硝化反应的适宜温度是15-35，低于10时，反硝化菌的增殖速率和代谢速率都降低，从而影响了反硝化速率。提问：在冬季低温季节，如

10、何做？,同步硝化反硝化,1、活性污泥菌胶团内部存在多种微环境类型。由于氧扩散机理的限制，在微生物絮体内产生溶解氧梯度变化，微生物絮体外表面溶解氧较高，以好氧菌、硝化菌为主；微生物絮体内部氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区或者厌氧区，反硝化菌占优势。控制系统内溶解氧的变化，调整缺氧厌氧微环境及好氧微环境所占的比例，从而促进反硝化作用，达到同步硝化反硝化脱氮的目的。 2、传统的脱氮理论认为，硝化反应是由自养型好氧微生物完成，而反硝化反应是在缺氧厌氧条件下完成的。但最近几年，已有报道发现了许多异养微生物能够对有机及无机含氮化合物进行硝化作用。与自养硝化菌相比，异养硝化菌生长快，产量高，能忍受较

11、低的溶解氧浓度和较低的pH 值环境，大多数异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌，因此可以完成同步硝化反硝化。,传统的生物脱氮,工艺存在很多不足之处：（1）工艺流程较长，占地面积大，基建投资高；（2）由于硝化菌增殖速率慢且难以维持较高浓度，必须同时进行污泥和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用；（3）系统抗冲击能力较弱，高浓度NH3N废水会抑制硝化菌生长；（4）硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，既增加了处理费用又可能带来二次污染。,同步硝化反硝化,在一定条件下，异养和自养硝化菌完成硝化反应。 好氧条件下，异养硝化菌可以完成反硝化反应。,2.生物除氮工艺流程,(1) 传统工艺 由巴茨(Barth)开创

12、的所谓三级活性污泥法流程.。它是严格按着氨化硝化和反硝化3项反应过程为基础建立的。 一级曝气池为一般二级处理曝气池，其主要功能去除BOD，COD使有机氮转化成NH3，NH4+，完成氨化工程。 污水BOD5已降至15-20mg/l.出水进入硝化曝气池 。 第二级硝化曝气池进行硝化反应，使NH3及NH4氧化为NO3- -N。因此此反应要消耗碱度，因此需要投碱，以防PH下降。 第三级为反硝化池，缺氧条件，NO3- N还原为N2逸入大气。该阶段一般采用厌氧缺氧交替方式。碳源可投入CH3OH（甲醇）补充或投入原污水。,优点：（1）氨化，硝化和反硝化菌在各自反应器内增长繁殖，回流污泥来自沉淀池。 （2）反

13、应速度快且彻底 缺点： （1）处理设备繁多，管理不便 （2）投资高。,（2）两级生物脱氮系统 即将氨化和硝化两道反应放在同一反应器内进行。,每还原1当量硝酸氮将会产生l当量的碱度，即3.57g碱度(以CaCO3计)g硝酸氮。由于在硝化反应中每氧化1g氨氮会消耗7.14g碱度(以Cac03计)，因此反硝化反应可以补充将近50由硝化反应消耗的碱度。 提问：工艺上可以怎样,（3）缺氧好氧法（Anoxic/Oxic）脱氮系统（A/O法、 A1/O法脱氮工艺）A/O法工艺是80年代初开创的工艺，主要特点是将反硝化反应器放置在系统之首故又称为前置反硝化生物膜脱氮系统，这是目前广泛采用的脱氮工艺。 A/O法

14、：分建式和合建式,A/O优点,（1）流程简单，构筑物少，节省基建费用，运行费也低，占地小。 （2）好氧池在缺氧池后面，可进一步去除BOD,确保出水水质达标。 （3）回流硝化液中含一定易降解有机物，为缺氧反硝化提供碳源，保证了脱氮的生化条件。 （4）缺氧池放置在前面可以减轻好氧池负荷，还可以改善活性污泥的沉降性能，不易出现污泥膨胀。 （4）反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程碱度的消耗。,但A/O缺点是脱氮效率不高。脱氮与回流成比例。一般脱氮率为 70%80%。此外，如果沉淀池运行不当，则会在沉淀池内发生反硝化反应，造成污泥上浮，使处理水水质恶化。,脱氮率与混合液回流比的关系,二 .生物除磷,聚

15、磷菌（PAOs）：常见的异养菌细胞中磷的含量一般为1.5-2.0。然而有许多细菌具有将磷转化为高能磷酸盐贮存物的能力，结果细胞干重中磷的含量可高达20-30。如不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等。,厌氧释磷,在城市废水中，磷的含量一般为5-8mgL，然而在厌氧区的液相中，正磷酸盐的浓度可高达40mg/l,这表明在厌氧区发生了释磷过程。在厌氧区内还发现，大量的聚羟基丁酸酯(PHB)被贮存在细胞内。,厌氧区首先将废水中COD发酵成乙酸， PAOs优先利用低相对分子质量的发酵型底物乙酸，因此厌氧区也称作选择器。,好氧贮存,聚磷菌在好氧条件下，氧化PHB，具有过量吸收磷，形成聚磷酸盐。 厌氧：污水处

16、理区基本没有硝态氮(最好小于0.2mgL。)溶解氧浓度低于0.7mgL，最好低于0.4mgL。 缺氧:污水区内BOD 的代谢由硝态氮完成,其初始浓度不低于0.4mgL。,除磷条件,1、溶解氧 （1）氧影响PA0s的磷释放能力，及利用有机底物合成PHB的能力（反硝化时O接受电子能力比NO3-强） （2）氧的存在引起非聚磷菌的需氧生长并消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生挥发性脂肪酸(VFAs，如乙酸、甲酸、内酸等)供PAOs使用，造成PAOs的生长受到抑制。 厌氧段的溶解氧质量浓度应控制在0.2mg/l以下。在好氧段，为供给足够的溶解氧以维持PA0s的好氧呼吸,溶解氧质量浓度应控制在1.5-2.5mg/l。,2、有机物及乙酸 为了保证脱氮除磷的效果，脱氮系统的BOD5TKN应在4-6以上。除磷系统中进水的