水处理第十二讲II

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1、第十二讲(II) 污水的生物处理活性污泥法,2,主要内容,生物脱氮理论 生物除磷理论 生物脱氮除磷工艺及研究进展,3,1.氮的吹脱,一、生物脱氮理论,2.污泥生物脱氮原理,污水生物处理中氮的转化：同化、氨化、硝化和反硝化作用（菌）,a, 同化作用 剩余污泥排出 去除2040%,b, 氨化作用 氨化菌（异养菌），好氧或厌氧条件下 进行有机氮化合物的脱氨基作用，生成NH3,图1 氮素的转化过程,有机氮 (蛋白质、尿素等),氨氮 (NH4+-N),亚硝酸盐 (NO2-N),硝酸盐 (NO3-N),氮气(N2) 氧化二氮(N2O),氨化作用,O2,硝化作用,有机碳,有机碳,反硝化作用,反硝化作用,O2

2、,硝化作用,4,c, 硝化作用 在硝化菌作用下，氨态氮进一步分解氧化。 硝化过程分为两步 第一步在亚硝酸菌的作用下，NH4+-NNO2-N 第二步在硝酸菌的作用下， NO2-N NO3-N 这两类细菌统称为硝化细菌，它们利用无机碳化物（CO32-，HCO3-和CO2）作为碳源，从NH3，NH4+，或NO2-的氧化反应中获取能量。,一、生物脱氮理论,5,硝化菌对环境的要求: 两类自养硝化细菌对环境十分敏感，需要严格的好氧环境。亚硝酸氧化细菌对氧的要求比氨氧化细菌更高，并且都是严格的自养细菌。 这两类细菌一般在微碱性环境中生长良好，亚硝酸细菌生长的pH范围是79，硝酸细菌为58，当pH5时硝化作用

3、全部停止。 在硝化反应过程中，由于释放H+离子，使pH值下降，因此为了保持适宜的pH值，应当在废水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化。1mg氨氮（以N计）完全硝化，需要碱度（以CaCO3计）7.1mg。,一、生物脱氮理论,6,d, 反硝化作用 反硝化反应是由一类异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧或低氧条件下，利用各种有机物作为反硝化过程中的电子供体，以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为电子受体，将其还原为氮氧化物或氮气，从水中逸出，以达到脱氮的目的。 反硝化过程产生部分碱度，还原1mg的NO3-N产生碱度（以CaCO3计）3.47mg。当反硝化微生物以甲醇作为反硝化过程所需碳源时的反应式如

4、下,一、生物脱氮理论,7,3, 硝化反硝化过程的影响因素 生物脱氮过程本身就是一个矛盾统一体。 （1）一方而，硝化反应需要污泥龄较长的硝化菌和好氧条件；另一方而，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧条件； （2）二者对有机物的存在也是有矛盾的：自养硝化菌在大量有机物存在时，对氧气和营养物质的竟争不如好氧异养菌从而致使反应器内异养菌成为优势菌种，而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体完成脱氮过程。 其影响因素有： a, 温度 硝化反应的最适宜温度范围是3035，温度影响硝化菌的比增长速率及其活性。,一、生物脱氮理论,8,b ,进水碳源（C/N比） 一般认为，BOD5应控制在20mg/L以下，且BO

5、D负荷应控制在0.060.1kgBOD5/kgMLSSd。 反硝化过程需要消耗碳源，反硝化碳源可以是： 易生物降解的溶解性有机物（如甲醇、乙醇和葡萄糖）， 反硝化速率最快； 可慢性生物降解的有机物（如淀粉、蛋白质等）； 细菌细胞质成分，称之为内碳源，反硝速率最慢。 当污水中BOD5/TKN为58时，认为碳源是充足的，不须投加碳源，否则应补充投加适当的碳源（一般以甲醇为主）。,一、生物脱氮理论,9,一、生物脱氮理论,DO对反硝化过程的影响主要表现在两个方面： 反硝化菌是兼性菌，由于含碳有机物好氧生物氧化时所产生的能量高于缺氧氧化时产生的能量，当同时有分子态氧和硝酸盐时，反硝化菌会优先进行有氧呼吸

6、降解有机物而抑制了硝酸盐的还原； 微生物无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸酶，分子态氧存在会抑制这类酶的合成及活性。所以DO对反硝化过程有很大的影响。 一般认为，系统混合液中DO应保持在0.3mg/L以下，反硝化过程才能正常进行。但在附一着生长的系统中，由于生物膜对氧传递的阻力较大，可容许适当提高DO值。,c ,溶解氧（DO） 硝化反应是在好氧条件下进行的，DO浓度将影响硝化反应速率和硝化菌的比增长速率。一般应维持混合液中的DO为23mg/L为宜； 当DO低于0.50.7mg/L时，硝化反应过程将受到抑制，但近来许多研究表，低DO值有利于NO2-N的积累，实现亚硝化。,10,一、生物脱氮理论,d ,

7、 pH 由于硝化反应要消耗碱度，当污水中碱度不足时，随着硝化的进行，pH值会急剧下降。通常，硝化菌生长的pH值范围为5.88.5，最适生长的pH范围7.58.0属于嗜碱菌。 反硝化过程最适宜的pH值范围为7.08.5。不适宜的pH值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当pH值高于8.5或低于6时，反硝化速率会明显下降。,另外，影响因素还有泥龄、有毒有害物质等。,生物脱氮工艺技术，P421423(4344),11,1.化学除磷,二、生物除磷理论,2.生物除磷（聚磷菌PAOs）;好氧、厌氧交替的环境是生物除磷的必要条件。,图1聚磷菌生物放磷、吸磷机理图 E能量，gly糖原，维持细胞生存，细胞

8、繁殖增长,12,在厌氧段，PAOs充分吸收醋酸盐或其他挥发性脂肪酸（VFAs）以生物聚合物的形式贮存在细胞内（主要是PHB）。聚磷酸盐是一种高能分子，在厌氧状态下水解放出大量的能量，为微生物吸收有机底物并在细胞内把这些有机底物转化为PHAs所用。聚磷酸盐水解生成了正磷酸盐（PO43-P）释放到污水中，所以厌氧状态下PHAs合成的同时伴随着PO43-P的释放。 在好氧段，好氧的PAOs活力得到恢复，PAOs以氧为电子受体，利用胞内的PHB作为碳源及能源进行正常的好氧代谢。由于胞内PHB的好氧代谢提供了大量能量，PAOs可吸收所有厌氧段的释放的磷及污水中的磷酸盐，此时，富磷污泥中磷的含量可达干重的

9、5%7%，甚至高达10%以上。,二、生物除磷理论,13,生物除磷系统的主要影响因素有： 1、DO；DO的影响体现在厌氧区和好氧区两个方面。 （1）首先必须在厌氧段中控制严格的厌氧条件。 （2）其次在好氧段则应供给足够的溶解氧 一般厌氧段的溶解氧应严格控制在0.2mg/L以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mg/L左右。 2、有机负荷及其性质： 分子量较小的易降解的有机物易于被PAOs利用，诱导释磷能力较强，而高分子难降解的有机物诱导释磷能力较弱。 一般认为，进水BOD5/TP应控制在20，出水中磷的浓度可达到1.0mg/L以下。,二、生物除磷理论,14,3、厌氧区的硝态氮； 如果厌氧区存在硝酸盐

10、成分，（1）一方面会被在除磷过程中担负发酵产酸作用的气单胞菌利用作为电子受体进行反硝化，抑制其对溶解性BOD的发酵产酸作用；（2）另一方面，反硝化菌会与PAOs竟争污水中有限的溶解性BOD（特别是VFAs）。 有资料认为，为保证厌氧区的高效释磷，一般应将NO3-N浓度控制在0.2mg/L以下。 4、温度； 温度对除磷效果影响不如对生物脱氮过程影响那么明显，在一定温度范围内，温度的变化不是十分大时，生物除磷都能成功运行。 5、泥龄及出水悬浮固体浓度。 仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的污泥龄。但过短的泥龄可能会使出水的BOD5和COD达不到要求。以除磷为目的的生物处理工艺泥龄一般控

11、制在3.57天。,二、生物除磷理论,15,1、A2/O（anaerobic/anoxic/oxic）生物脱氮除磷工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,该工艺具有构造简单、总水力停留时间短、运行费用低、控制复杂性小、不易产生污泥膨胀等优点。 然而A2/O工艺存在的问题有：回流污泥中携带的硝酸盐抑制了厌氧池磷的释放，使除磷效率降低，同时由于脱氮效果取决于回流比，而A2/O工艺的混合液回流比又不能太高。,生物脱氮除磷工艺,16,2、Phostrip工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,优点：由于采用了化学沉淀法使磷排出处理系统之外，这与生物除磷工艺系统相比，其回流污泥的磷含量较低，因而其对进水水质波动的适应

12、性较强，即对进水中的P/C比没有特殊的限制。 泥量小。 对于工艺改造只需在污泥回流管线上增设小规模的处理单元即可，改选中不必中断处理系统的正常运行。,17,3、UCT工艺及改良的UCT工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,改良UCT工艺基本解决了UCT工艺存在的问题，最大限度地消除了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对释磷的不利影响，但由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，其运行费用较高。,18,4、改良的A2/O（anaerobic/anoxic/oxic）生物脱氮除磷工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,避免了改良UCT工艺增加一套回流系统引起的厌氧污泥浓度低，以及A2/O抗回流硝酸盐影响能力不够强的弱点 。,

13、19,5、倒置A2/O（anoxic/anaerobic/oxic）工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,聚磷菌厌氧释磷后直接进入好氧环境，其在厌氧状态下形成的吸磷动力可以得到充分利用，故倒置的A2/O工艺较传统A2/O工艺出水磷含量明显降低，同时因为缺氧段位于首端，反硝化可优先获得碳源，因此反硝化速率也可提高3059% 。,6、VIP工艺,相对于UCT做了改进，厌氧池、缺氧池和好氧池的每一部分都有两个以上的池子组成，将一系列体积较小的完全混合式反应格串联在一起，形成了有机物梯度分布而充分发挥了PAOs作用，提高了厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速度，其释磷和吸磷速率都很快；污泥龄比UCT工艺短，负

14、荷比UCT工艺高，因而运行速率高，除磷效率高，所需的反应设备容积也较小。,20,7、氧化沟工艺,三、生物除磷工艺及研究进展,氧化沟工艺系统由于流程简单、处理效果稳定，基建费用低等优势，欧洲国家污水处理中应用较多 。,8、序批式反应器（sequencing batch reactor）工艺系统,通过调整运行周期以及控制各工序时间的长短，可以实现对氮磷等营养物的去除。在SBR反应器内可以灵活的实现厌氧、缺氧和好氧环境，是一个理想的脱氮除磷反应器。但SBR工艺也存在残留硝酸盐对厌氧环境的影响的问题。,21,1、短程硝化反硝化,三、生物除磷工艺及研究进展,这种工艺的潜在优势在于：节省25%的硝化曝气量

15、； 节省40%的反硝化碳源；减少50%的污泥生成量；缩短反应时间，相应反应器容积减少。因此短程硝化反硝化成为废水生物脱氮的一个研究热点。,2、同步硝化反硝化,目前关于同步硝化反硝化的解释，主要基于以下几种理论：微环境理论、中间产物理论、和微生物学理论。,生物脱氮除磷理论及工艺的发展,微环境理论认为：DO控制在0.5mg/L1.0mg/L时，可以在活性污泥或生物膜体系中获得较高程度的同步硝化反硝化作用，而在相同DO时，同步硝化反硝化程度受污泥絮凝体尺寸和生物膜厚度影响。,22,三、生物除磷工艺及研究进展,中间产物理论：好氧反硝化所呈现出的最大特征是好氧阶段总氮的损失。一方面，这一现象可由存在的好氧反硝化菌的微生物学理论予以解释；另一方面，从生物化学途径中产生的中间产物，也能够解释一部分总氮损失的原因,微生物学理论：生物学的解释有别于传统的理论，微生物学家已报导发现了好氧反硝化菌和异养硝化菌，甚至在完全厌氧条件下也会发生硝化作用。,3、反硝化除磷,聚磷菌能够在缺氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象 。 反硝化聚菌（ DPB）厌氧释磷机理与好氧聚磷菌相同 ，其缺氧吸磷机理与好氧聚磷菌类似 。,23,谢谢!,