生物脫氮除磷

1、6.2.1 生物脫氮除磷 氮和磷的排放會加速導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化，其次是氨氮的好氧特性會使水體的溶解氧降低，此外，某些含氮化合物對人和其他生物有毒害作用。因此，國內(nèi)外對氮磷的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。本章闡述生物脫氮除磷技術(shù)。生物脫氮除磷技術(shù)是近20年發(fā)展起來的，一般來說比化學(xué)法和物理化學(xué)法去除氮磷經(jīng)濟，尤其是能有效地利用常規(guī)的二級生物處理工藝流程進(jìn)行改造達(dá)到生物脫氮除磷的目的，是日前應(yīng)用廣泛和最有前途的氮磷處理方法。1 1 生物脫氮原理及影響因素生物脫氮原理及影響因素 一、生物脫氮原理一、生物脫氮原理 污水中氨主要以有機氮和氨氮形式存在。在生物處理過程中，有機氮很容易通過微生物的分解和水解轉(zhuǎn)化成氨氮

2、，即氨化作用。傳統(tǒng)的硝化反硝化生物脫氮的基本原理就在于通過硝化反應(yīng)先將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，再通過反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮從水中逸出，從而達(dá)到脫氮的目的。氮在水中的存在形態(tài)與分類N無機NNOx-N(硝態(tài)氮)TKN(凱氏氮)總N(TN)NH3-NNO3-NNO2-N有機N（尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)）氨化與硝化反應(yīng)過程HOHNO3/2O：NH2-223亞硝化菌硝化-3-2NO1/2ONO硝酸菌-4232NH2ONOH O2H 硝化菌3222NHCORCOOHO)COOH：RCH(NH氨化菌氨化硝化反應(yīng)的條件硝化反應(yīng)的條件（1 1）好氧狀態(tài)：）好氧狀態(tài)：DO2mg/LDO2mg/L

3、；1gNH1gNH3 3-N-N完全硝化需氧完全硝化需氧4.57g4.57g，即硝化需氧量。即硝化需氧量。（2 2）消耗廢水中的堿度：）消耗廢水中的堿度：1gNH1gNH3 3-N-N完全硝化需堿度完全硝化需堿度7.1g7.1g（以（以CaCOCaCO3 3計），廢水中應(yīng)有足夠堿度，以維持計），廢水中應(yīng)有足夠堿度，以維持pHpH值不變。值不變。（3 3）污泥齡）污泥齡C C（10-1510-15）d d。（4 4）BOD520mg/LBOD520mg/L。 反硝化-1 反硝化包括異化反消化和同化反消化，以異化反消化為反硝化包括異化反消化和同化反消化，以異化反消化為主主, ,反硝化菌在反硝化菌在

4、DODO濃度很低的環(huán)境中，利用硝酸鹽中的氧作濃度很低的環(huán)境中，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機物作為碳源及電子供體而得到降解。當(dāng)利為電子受體，有機物作為碳源及電子供體而得到降解。當(dāng)利用的碳源為甲醇時：用的碳源為甲醇時：NONO3 3- -+1.08CH+1.08CH3 3OH+0.24HOH+0.24H2 2COCO3 30.056C0.056C5 5H H7 7COCO2 2+0.47N+0.47N2 2+1.68H+1.68H2 2O + HCOO + HCO3 3- -NONO2 2- -+0.67CH+0.67CH3 3OH+0.53HOH+0.53H2 2COCO3 30.04C0

5、.04C5 5H H7 7COCO2 2+0.48N+0.48N2 2+1.23H+1.23H2 2O+HCOO+HCO3 3- - 反硝化反應(yīng)可使有機物得到分解氧化，實際是利用了硝反硝化反應(yīng)可使有機物得到分解氧化，實際是利用了硝酸鹽中的氧，每還原酸鹽中的氧，每還原1gNO1gNO3 3- -N-N所利用的氧量約所利用的氧量約2.6g2.6g。 反硝化-2 當(dāng)缺乏有機物時，則無機物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體 （1）反硝化菌屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在缺氧條件下，進(jìn)行厭氧呼吸，以NO3-O為電子受體，以有機物的氫為電子供體。 （2）反硝化過程中，硝酸態(tài)氮有二種轉(zhuǎn)化途徑同化反硝化（合

6、成細(xì)胞）和異化反硝化（還原為N2），但以異化反硝化為主。 （3）反硝化反應(yīng)的條件 反硝化反應(yīng)的條件nDO0.5mg/L，一般為0.20.3mg/L（處于缺氧狀態(tài)），如果DO較高，反硝化菌利用氧進(jìn)行呼吸，氧成為電子受體，阻礙NO3-O成為電子受體而使N難還原成N2。但是反硝化菌體內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分只有在有氧條件下，才能合成。反硝硝化菌以在缺氧-好氧交替的環(huán)境中生活為宜。nBOD5/TN35，否則需另投加碳源，現(xiàn)多采用CH3OH，其分解產(chǎn)物為CO2+H2O，不留任何難降解的中間產(chǎn)物，且反硝化速率高。 n目前反硝化投加有機碳源一般利用原污水中的有機物。 n還原1g硝態(tài)氮能產(chǎn)生3.57g堿度，而在硝化

7、反應(yīng)中，1gNH3-N氧化為NO3-N要消耗7.14g堿度，在缺氧-好氧中，反硝化產(chǎn)生的堿度可補償硝化消耗堿度的一半左右。 內(nèi)源反硝化 n微生物還可通過消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化 C5H7NO2+4NO3-5CO2+NH3+2H2+4OH- n內(nèi)源反硝化的結(jié)果是細(xì)胞物質(zhì)減少，并會有NH3的生成。 廢水處理中不希望此種反應(yīng)占主導(dǎo)地位，而應(yīng)提供必要的碳源。 硝化、反硝化反應(yīng)中氮的轉(zhuǎn)化n表1 硝化過程中氮的轉(zhuǎn)化 n表2 反硝化反應(yīng)中氮的轉(zhuǎn)化 氮的氧化還原態(tài)氨離子NH4+羥胺NH2OH0+硝?；鵑OH+亞硝酸根NO2+硝酸根NO3氮的氧化還原態(tài)氨離子NH4+羥胺NH2OH0N2+硝酰基NOH

8、+亞硝酸根NO2+硝酸根NO3 脫氮新理念 （1）短程硝化-反硝化 由傳統(tǒng)硝化-反硝化原理可知，硝化過程是由兩類獨立的細(xì)菌催化完成的兩個不同反應(yīng)，應(yīng)該可以分開；而對于反硝化菌，亞硝酸根或硝酸根均可以作為最終受氫體。該方法就是將硝化過程控制在亞硝化階段而終止，隨后進(jìn)行反硝化，在反硝化過程將亞硝酸根作為最終受氫體，故稱為短程(或簡捷)硝化-硝化。 控制硝化反應(yīng)停止在亞硝化階段是實現(xiàn)短程硝化-反硝化生物脫氮技術(shù)的關(guān)鍵，其主要影響因素有溫度、污泥齡、溶解氧、pH值和游離氨等。控制較高溫度、較低溶解氧和較高pH值和極短的污泥齡條件等，可以抑制硝酸菌生成，使亞硝酸菌占絕對優(yōu)勢，從而使硝化過程控制在亞硝化階

9、段。 （2）厭氧氨氧化 厭氧氨氧化是荷蘭Delft大學(xué)1990年提出的一種新型脫氮工藝。基本原理是在厭氧條件下以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體，將氨氮氧化氮氣，或者說利用氨作為電子供體將亞硝酸鹽或硝酸鹽還原成氮氣。參與厭氧氨氧化的細(xì)菌是自養(yǎng)菌。厭氧氨氧化過程無需有機碳源在。 （3）亞硝酸型完全自養(yǎng)脫氮 基本原理是先將氨氮部分氧化成亞硝酸氮，控制氨根離子與亞硝酸根離子比例為1：1，然后通過厭氧氨氧化作為反硝化實現(xiàn)脫氮的目的。全過程為自養(yǎng)的好氧亞硝化反應(yīng)結(jié)合自養(yǎng)的厭氧氨氧化反應(yīng)無需有機碳源，對氧的消耗比傳統(tǒng)硝化/反硝化減少62.5%，同時減少堿消耗量和污泥生成量。 二、硝化反硝化過程影響因素 1溫度

10、 硝化反應(yīng)的適宜溫度范圍是3035，溫度不但影響硝化茵的比增長速率，而且影響硝化菌的活性，在535的范圍內(nèi)，硝化反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，僅超過30時增加幅度減少，當(dāng)溫度低于5時，硝化細(xì)菌的生命活動幾乎停止。對于同時去除有機物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)，溫度低于15即發(fā)現(xiàn)硝化速率迅速降低，低溫對硝酸菌的抑制作用更為強烈，因此在低溫1214時常出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。在3035較高溫度下，亞硝酸菌的最小倍增時間要小于硝酸菌，因此，通過控制溫度和污泥齡，也可控制反應(yīng)器中亞硝酸菌的絕對優(yōu)勢。 反硝化反應(yīng)的最佳溫度范圍為3545，溫度對硝化菌的影響比反硝化菌大。 2溶解氧 硝化反應(yīng)必須在好氧條件下進(jìn)行，一般應(yīng)

11、維持混合液的溶解氧濃度為23mg/L，溶解氧濃度0.50.7 mg/L，是硝化菌可以忍受的極限。硝化可在高溶解氧狀態(tài)下進(jìn)行，高達(dá)60mg/L的溶解氧濃度也不會抑制硝化的進(jìn)行，為了維持較高的硝化速率，污泥齡降低時要相應(yīng)地提高溶解氧濃度。溶解氧對反硝化反應(yīng)有很大影響，主要由于氧會同硝酸鹽競爭電子供體。同時分子態(tài)氧也會抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，3pH值 硝化反應(yīng)的最佳pH值范圍為7.58.5,硝化菌對pH值變化十分敏感，當(dāng)pH值低于7時，硝化速率明顯降低低于6和高于9.6時，硝化反應(yīng)將停止進(jìn)行。反硝化過程的最佳pH值范圍為6.57.5，不適宜的PH值會影響反硝化菌的生長速率和反硝化酶的活性。當(dāng)

12、pH值低于6.0或高于8.0時，反硝化反應(yīng)將受到強烈抑制。4C/N比 C/N比值是影響硝化速率和過程的重要因素。硝化菌是自養(yǎng)菌，硝化菌產(chǎn)率或比增長速率比活性污泥異養(yǎng)菌低得多，若廢水中BOD5值太高，將有助于異養(yǎng)菌迅速增殖，從而使微生物中的硝化菌的比例下降，一般認(rèn)為，只有BOD5低于20mg/L時，硝化反應(yīng)才能完成。反硝化過程需要充足的碳源，理論上lgNO2還原為N2需要碳源有機物2.86g。一般認(rèn)為，當(dāng)廢水的BOD5/TKN值大于46時，可認(rèn)為碳源充足，不需另外投加碳源，反之則要投加甲醇或其他易降解的有機物作碳源。5、污泥齡 為使硝化菌能在連續(xù)流的反應(yīng)系統(tǒng)中存活并維持一定數(shù)量，微生物在反應(yīng)器的

13、停留時間即污泥齡應(yīng)大于硝化菌的最小世代期。一般應(yīng)取系統(tǒng)的污泥齡為硝化最小世代期的兩倍以上。較長的污泥齡可增強硝化反應(yīng)的能力，并可減輕有毒物質(zhì)的抑制作用。6抑制物質(zhì) 對硝化反應(yīng)有抑制作用的物質(zhì)有：過高濃度氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)以及有機物。一般來說，同樣毒物對亞硝酸菌的影響比對硝酸菌大。反硝化菌對有毒物質(zhì)的敏感性比硝化菌低很多，與一般好氧異養(yǎng)菌相同。在應(yīng)用一般好氧異養(yǎng)菌文獻(xiàn)數(shù)據(jù)時，應(yīng)該考慮馴化的影響。 生物脫氮工藝包括含碳有機物的氧化、氨氮的硝化、硝態(tài)氮的反硝化等生物過程，即碳化-硝化-反硝化過程。從完成這些過程的反應(yīng)器來分，脫氮工藝可分為活性污泥脫氮系統(tǒng)和生物膜脫氮系統(tǒng)，其分別采用活性污泥法反應(yīng)

14、器與生物膜反應(yīng)器作為好氧/缺氧反應(yīng)器，實現(xiàn)硝化/反硝化以達(dá)到脫氮的目的。從完成這些過程的時段和空間不同，活性計泥脫氮系統(tǒng)的碳化、硝化、反硝化可在多池中進(jìn)行，也可在單池中進(jìn)行。 n三級活性污泥生物脫氮工藝三、生物脫氮工藝傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝n二級活性污泥生物脫氮工藝分建式缺氧分建式缺氧好氧活性污泥生物脫氮好氧活性污泥生物脫氮回流污泥回流污泥處理水內(nèi)循環(huán)（硝化液回流）回流污泥反硝化反應(yīng)器BOD去除、硝化反應(yīng)反應(yīng)器(缺氧)沉淀池堿N2(好氧)圖 21-3 分建式缺氧-好氧活性污泥脫氮系統(tǒng)合建式合建式A1/O工藝工藝硝化BOD去除回流污泥反硝化沉淀池處理水內(nèi)循環(huán)N2內(nèi)循環(huán)原污水

15、空氣圖 21- 4 合建式缺氧-好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)優(yōu)點： 同時去除有機物和氮，流程簡單，構(gòu)筑物少，只有一個污泥回流系統(tǒng)和混合液回流系統(tǒng)，節(jié)省基建費用。 反硝化缺氧池不需外加有機碳源，降低了運行費用。 因為好氧池在缺氧池后，可使反硝化殘留的有機物得到進(jìn)一步去除，提高了出水水質(zhì)（殘留有機物進(jìn)一步去除）。 缺氧池中污水的有機物被反硝化菌所利用，減輕了其它好氧池的有機物負(fù)荷，同時缺氧池中反硝化產(chǎn)生的堿度可彌補好氧池中硝化需要堿度的一半。（減輕了好氧池的有機物負(fù)荷，堿度可彌補需要的一半）。 缺點： 脫氮效率不高，一般N=（7080）% 好氧池出水含有一定濃度的硝酸鹽，如二沉池運行不當(dāng)，則會發(fā)生反硝化

16、反應(yīng)，造成污泥上浮，使處理水水質(zhì)惡化。 2 2 生物除磷原理及影響因素生物除磷原理及影響因素一、生物除磷原理 有一類特殊的細(xì)菌，在厭氧狀態(tài)釋放磷，在好氧狀態(tài)可以過量地、超出其生理需要地從污水中攝取磷酸鹽。生物除磷主要由一類統(tǒng)稱為聚磷菌的微生物完成。該類微生物均屬異養(yǎng)型細(xì)菌。在厭氧區(qū)內(nèi)，聚磷菌在既沒有溶解氧也沒有原子態(tài)氧的厭氧條件下，吸收乙酸等低分子脂肪酸(來自兼性細(xì)菌水解產(chǎn)物或來自原污水)，并合成聚-羥基丁酸鹽(PHB)貯于細(xì)胞內(nèi)，所需的能量來源于菌體內(nèi)聚磷的分解，并導(dǎo)致磷酸鹽的釋放。在好氧區(qū)內(nèi)，聚磷菌以游離氧為電子受體，將積貯在胞內(nèi)的PHB好氧分解，并利用該反應(yīng)產(chǎn)生的能量，過量攝取水體中的磷

17、玻鹽，在胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為聚磷，這就是好氧吸磷，好氧吸磷量大于厭氧放磷量，通過剩余污泥排放可實現(xiàn)生物除磷的目的。在厭氧狀態(tài)下放磷愈多，合成的PHB愈多，則在好氧狀態(tài)下合成的聚磷量也愈多，除磷的效果也就愈好。二、生物除磷影響因素1溶解氧和氧化態(tài)氮 溶解氧分別對攝磷和放磷過程影響不同。在厭氧區(qū)中必須控制嚴(yán)格的厭氧條件，既沒有分子態(tài)氧，也沒有化合態(tài)氧。溶解氧的存在，將抑制厭氧菌的發(fā)酵產(chǎn)酸作用和消耗乙酸等低分子脂肪酸物質(zhì)；硝態(tài)氮的存在，影響聚磷菌的代謝，也會消耗部分乙酸等低分子脂肪酸物質(zhì)而發(fā)生反硝化作用，都影響磷的釋放，從而影響在好氧條件下對磷的吸收。在好氧區(qū)中要供給足夠的溶解氧，以滿足聚磷菌對PHB的分解和

18、攝磷所需。一般厭氧段的溶解氧應(yīng)嚴(yán)格控制在0.2mgL以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mgL左右。2污泥齡 由于生物脫磷系統(tǒng)主要是通過排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多少將決定系統(tǒng)的脫磷效果。一般污泥齡較短的系統(tǒng)產(chǎn)生較多的剩余污泥，可以取得較高的脫磷效果。短的泥齡還有利于好氧段控制硝化作用的發(fā)生而利于厭氧段的充分釋磷，因此，僅以除磷為目的的污水處理系統(tǒng)中，一般宜采用較短的泥齡。研究表明，當(dāng)污泥齡為30天時，除磷率為40，污泥齡為17天時，除磷率為50%，污泥齡降至5天時，除磷率可提高到87%。3BOD負(fù)荷和有機物性質(zhì) 一般認(rèn)為，較高的BOD負(fù)荷可取得較好的除磷效果，有人提出BOD/TP20是正常進(jìn)行生物除磷的低限。不同有機物為基質(zhì)對磷的厭氧釋放及好氧攝取也有差別。一般低分子易降解的有機物易被聚磷菌吸收、誘導(dǎo)磷釋