第四章：營養(yǎng)元素的生物去除——生物脫氮除磷原理與工藝4-1概述營養(yǎng)元素的危害氨氮會消耗水體中的溶解氧；氨氮會與氯反應(yīng)生成氯胺或氮氣，增加氯的用量；含氮化合物對人和其它生物有毒害作用：=1*GB3①氨氮對魚類有毒害作用；=2*GB3②NO3-和NO2-可被轉(zhuǎn)化為亞硝胺——一種“三致”物質(zhì)；=3*GB3③水中NO3-高，可導(dǎo)致嬰兒患變性血色蛋白癥——“Bluebaby”；加速水體的“富營養(yǎng)化”過程；——所謂“富營養(yǎng)化”就是指水中的藻類大量繁殖而引起水質(zhì)惡化，其主要因子是N和P（尤其是P）；（1）定義：指富含磷酸鹽和某些形式氮素的水，在光照和其他環(huán)境條件適宜的情況下，水中所含的這些營養(yǎng)物質(zhì)足以使水體中的藻類過量生長，在隨后的藻類死亡和隨之而來的異養(yǎng)微生物代謝活動中，水體中的溶解氧很可能耗盡，造成水體質(zhì)量惡化和水生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)破壞。（2）危害：a使水味變得腥臭難聞：b降低水體的透明度；c消耗水體的溶解氧；d向水體釋放有毒物質(zhì)；e影響供水水質(zhì)并增加制水成本；f對水生生態(tài)的影響；——控制污染源，降低廢水中的N、P含量；——對城市廢水，傳統(tǒng)的活性污泥法，對N的去除率只有40%左右，對磷的去除率只有20~30%。脫氮的物化法1）氨氮的吹脫法：調(diào)節(jié)pH調(diào)節(jié)pH值沉淀池出水排泥進水石灰或石灰乳吹脫法脫氨處理流程每mgNH4+--N被氧化為氮氣，至少需要7.5mg的氯。余氯脫除：A、二氧化硫脫余氯：SO2+HOCl+H2O=HCl+H2SO4B、活性炭床過濾脫除余氯；3）選擇性離子交換法去除氨氮：采用斜發(fā)沸石作為除氨的離子交換體。三、除磷的物化法（混凝沉淀法）1）鋁鹽除磷一般用Al2(SO4)3，聚氯化鋁（PAC）和鋁酸鈉（NaAlO2）2）鐵鹽除磷：FePO4Fe(OH)3一般用FeCl2、FeSO4或FeCl3Fe2(SO4)33）石灰混凝除磷向含P污水投加石灰，由于形成OH-，污水的pH值上升，P與Ca2+反應(yīng)，生成羥磷灰石。4-2生物脫氮技術(shù)4-1-1生物脫氮原理一、定義：=1*GB3①污水中的含氮有機物，在生物處理過程中被異養(yǎng)微生物氧化分解為氨氮——氨化；=2*GB3②由自養(yǎng)型的硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-——硝化；=3*GB3③再由反硝化菌將NO2-和NO3-還原轉(zhuǎn)化為N2——反硝化。二、硝化反應(yīng)（Nitrification）——分為兩步：=1*GB3①；=2*GB3②——由兩組自養(yǎng)型硝化菌分步完成：=1*GB3①亞硝酸鹽細(xì)菌（Nitrosomonas）；=2*GB3②硝酸鹽細(xì)菌（Nitrobacter）都是革蘭氏染色陰性、不生芽孢的短桿菌和球菌；強烈好氧，不能在酸性條件下生長；無需有機物，以氧化無機含氮化合物獲得能量，以無機C（CO2或HCO3-）為碳源；化能自養(yǎng)型；生長緩慢，世代時間長。（1）硝化反應(yīng)過程及反應(yīng)方程式：=1*GB3①亞硝化反應(yīng)：加上合成，則：亞硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.146g/gNH4+-N（113/55/14）；氧化1mgNH4+-N為NO2--N，需氧3.16mg（76′32/55/14）；氧化1mgNH4+-N為NO2--N，需消耗7.08mg堿度（以CaCO3計）（109′50/55/14）=2*GB3②硝化反應(yīng)：加上合成，則：硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.02g/gNO2---N(113/400/14)氧化1mgNO2--N為NO3—N，需氧1.11mg(195*32/400/14)幾乎不消耗堿度=3*GB3③總反應(yīng)：加上合成，則：總的細(xì)菌產(chǎn)率是：0.02g/gNO2---N(113/400/14)；氧化1mg為，需氧4.27mg(1.86*32/14)；氧化1mg為，需消耗堿度7.07mg(以CaCO3計)；——污水中必須有足夠的堿度，否則硝化反應(yīng)會導(dǎo)致pH值下降，使反應(yīng)速率減緩或停滯；——如果不考慮合成，則：氧化1mgNH4+-N為NO3—N，需氧4.57mg，其中亞硝化反應(yīng)3.43mg，硝化反應(yīng)1.14mg，需消耗堿度7.14mg(以CaCO3計)（2）硝化反應(yīng)動力學(xué)：硝化反應(yīng)過程中的決速步驟：亞硝化反應(yīng)A、亞硝化反應(yīng)的Monod方程B、氨氮氧化反應(yīng)速率方程：C、污泥齡與微生物增長速率的關(guān)系：：（3）硝化反應(yīng)的環(huán)境條件：——硝化菌對環(huán)境的變化很敏感：=1*GB3①好氧條件(DO不小于1mg/l)，并能保持一定的堿度以維持穩(wěn)定的pH值(適宜的pH為8.0~8.4)；=2*GB3②進水中的有機物的濃度不宜過高，一般要求BOD5在15~20mg/l以下；=3*GB3③硝化反應(yīng)的適宜溫度是20~30°C，15°C以下時，硝化反應(yīng)的速率下降，小于5°C時，完全停止；=4*GB3④硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間即污泥齡，必須大于其最小的世代時間(一般為3~10天)；=5*GB3⑤高濃度的氨氮、亞硝酸鹽或硝酸鹽、有機物以及重金屬離子等都對硝化反應(yīng)有抑制作用。二、反硝化反應(yīng)（1）反硝化反應(yīng)過程及反硝化菌——反硝化反應(yīng)是指硝酸鹽或亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（N2）的過程；——反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，并不是一類專門的細(xì)菌，它們大量存在于土壤和污水處理系統(tǒng)中，如變形桿菌、假單胞菌等，土壤微生物中有50%是這一類具有還原硝酸鹽能力的細(xì)菌；——反硝化菌能在缺氧條件下，以或為電子受體，以有機物為電子供體，而將氮還原；——在反硝化菌的代謝活動下，或中的N可以有兩種轉(zhuǎn)化途徑：=1*GB3①同化反硝化，即最終產(chǎn)物是有機氮化合物，是菌體的組成部分；=2*GB3②異化反硝化，即最終產(chǎn)物為的氮氣。（2）反硝化主要反應(yīng)及計算A、不考慮細(xì)菌合成及水中碳酸情況：B、考慮細(xì)菌合成及水中碳酸情況：還原1gNO-2—N需要:0.67×32/14=1.53g甲醇；還原1gNO-3—N需要:1.08×32/14=2.47g甲醇；當(dāng)水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應(yīng)式為：C、反硝化過程中甲醇的總用量Ca為：(2.47=1.08×32/141.53=0.67×32/140.87=0.93-0.056×1.08)D、反硝化過程中得細(xì)胞產(chǎn)量Cb為：(0.45=0.056×113/140.32=0.04×113/140.19=0.056×113/32)（3）反硝化反應(yīng)動力學(xué)：A、反硝化菌增長速率和硝酸鹽濃度的關(guān)系：B、硝酸鹽的去除速率與反硝化菌的比增長速率關(guān)系：C、污泥齡與硝酸鹽的去除速率關(guān)系：（3）反硝化反應(yīng)的影響因素碳源：一是原廢水中的有機物，當(dāng)廢水的BOD5/TKN大于3~5時，可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；適宜的pH值是6.5~7.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率將大大下降；反硝化菌適于在缺氧條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)，但另一方面，其某些酶系統(tǒng)只有在有氧條件下才能合成，所以反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧交替的條件下進行，溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/l以下；最適宜溫度為20~40°C，低于表生物脫氮反應(yīng)過程中各項生化反應(yīng)特征生化反應(yīng)類型去除有機物硝化反硝化亞硝化硝化微生物好氧菌及兼性菌Nitrosomonas自養(yǎng)型菌Nitrobacter自養(yǎng)型菌兼性菌異養(yǎng)型菌能源有機物化能化能有機物氧源(電子受體)O2O2O2NO2-、NO3-溶解氧1~2mg/l以上2mg/l以上2mg/l以上0~0.5mg/l堿度無變化氧化1mgNH4+--N需要7.14mg/l堿度無變化還原1mgNO3---N或NO2---N生成3.57mg堿度耗氧分解1mg有機物（BOD5）需氧2mg氧化1mgNH4+--N需氧3.43mg氧化1mgNO2---N需氧1.14mg分解1mg有機物(COD)需NO2---N0.58mg，NO3---N0.35mg所提供的化合態(tài)氧最適pH值6~87~8.56~7.56~8最適水溫15~25°30°30°34~37°增殖速度(d-1)1.2~3.50.21~1.080.28~1.44好氧分解的1/2~1/2.5分解速度70~870mgBOD/gMLSS.h7mgNH4+--N/gMLSS.h2~8mgNO3---N/gMLSS.h產(chǎn)率4-2-2生物脫氮工藝一、活性污泥法脫氮傳統(tǒng)工藝Barth開創(chuàng)的三級活性污泥法流程：第一級曝氣池的功能：=1*GB3①碳化——去除BOD5、COD；=2*GB3②氨化——使有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮；第二級是硝化曝氣池，投堿以維持pH值；第三級為反硝化反應(yīng)器，可投加甲醇作為外加碳源或引入原廢水?！鋬?yōu)點是氨化、硝化、反硝化是在各自的反應(yīng)器中進行，反應(yīng)速率快且較徹底；——缺點是處理設(shè)備多，造價高，運行管理較為復(fù)雜。兩級活性污泥法脫氮工藝特點：在系統(tǒng)的第一級中，同時完成去除BOD5、氨化和硝化等過程；經(jīng)過沉淀后在第二級中進行反硝化脫氮；該系統(tǒng)具有3級活性污泥法脫氮系統(tǒng)類似的優(yōu)點，但減少了一個中間沉淀池。（3）單級活性污泥法脫氮工藝特點：沒有中間沉淀池，僅有一個終沉淀池，故工藝流程簡單，處理構(gòu)筑物和設(shè)備少，克服了上述多級生物脫氮系統(tǒng)的缺點，經(jīng)濟實用，管理運行方便。二、缺氧——好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)（A—O工藝）（Anoxic/Oxic）——又稱“前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)”——工藝特征：反硝化反應(yīng)器在前，BOD去除、硝化反應(yīng)的綜合反應(yīng)器在后；反硝化反應(yīng)以原廢水中的有機物為碳源；含硝酸鹽的混合液回流到反硝化反應(yīng)器；在反硝化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的堿度可補償硝化反應(yīng)消耗的堿度的一半左右；硝化曝氣池在后，使反硝化殘留的有機物得以進一步去除，無需增建后曝氣池?！に囂匦郧€——A/O系統(tǒng)的不足之處a處理水來自硝化反應(yīng)器，在處理水中含有一定濃度的硝酸氮，如沉淀池運行不當(dāng)，不及時排泥，在池內(nèi)能夠產(chǎn)生反硝化反應(yīng)，污泥上浮，處理水水質(zhì)惡化。b如欲提高脫氮效率，必須加大內(nèi)循環(huán)回流比，這樣做可能導(dǎo)致一是運行費用增高，二是內(nèi)循環(huán)液帶入大量的溶解氧，使反硝化反應(yīng)器難以保持理想的缺氧狀態(tài)，影響反硝化進程。c本系統(tǒng)的脫氮效率一般在85%以下?！绊懸蛩嘏c主要參數(shù)a水力停留時間：硝化:反硝化=4.8h:2.4h；b回流比：R=1:8；c污泥齡：3天以上；d混合液懸浮固體濃度：MLSS大于3000mg/l；e負(fù)荷率：NH3-N負(fù)荷率在350g/(m3.d)以下時，NH3-N去除率可在90%以上。（3）氧化溝硝化脫氮工藝——特點：a原廢水中的有機污染物可作為反硝化反應(yīng)的碳源；b在好氧區(qū)，有機污染物為好氧細(xì)菌分解，NH3-N經(jīng)硝化反應(yīng)形成NO-3-N；c在缺氧區(qū)在反硝化反應(yīng)的作用下，還原為N2，放逐于大氣；（4）生物轉(zhuǎn)盤硝化脫氮工藝——特點：a前4級進行BOD去除與硝化反應(yīng)，BOD去除由強到弱；b硝化反應(yīng)由第二級開始逐級加強；c第5級為反硝化反應(yīng)器，轉(zhuǎn)盤全部淹沒于水中，進行緩慢轉(zhuǎn)動，形成缺氧狀態(tài)，一般投加甲醇作為有機C源。4-3廢水生物除磷技術(shù)4-3-1生物除磷過程磷在廢水中的存在形式通常磷是以磷酸鹽（、、）、聚磷酸鹽和有機磷等的形式存在于廢水中；細(xì)菌一般是從外部環(huán)境攝取一定量的磷來滿足其生理需要；有一類特殊的細(xì)菌——磷細(xì)菌，可以過量地、超出其生理需要地從外部攝取磷，并以聚合磷酸鹽的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)，如果從系統(tǒng)中排出這種高磷污泥，則能達(dá)到除磷的效果。（2）除磷菌的過量攝取磷好氧條件下，除磷菌利用廢水中的BOD5或體內(nèi)貯存的聚b-羥基丁酸的氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，一部分磷被用來合成ATP，另外絕大部分的磷則被合成為聚磷酸鹽而貯存在細(xì)胞體內(nèi)。（3）除磷菌的磷釋放在厭氧條件下，除磷菌能分解體內(nèi)的聚磷酸鹽而產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的有機物攝入細(xì)胞內(nèi)，以聚b-羥基丁酸等有機顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時還將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出體外?！话?，在好氧條件下所攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的磷多，廢水生物除磷工藝是利用除磷菌的這一過程，將多余剩余污泥排出系統(tǒng)而達(dá)到除磷的目的。(4)厭氧區(qū)是除磷菌的生物選擇器：由于除磷菌能在厭氧條件下優(yōu)先于非除磷菌吸收低分子基質(zhì)（厭氧發(fā)酵終產(chǎn)物）并快速同化和儲存這些發(fā)酵產(chǎn)物，同化和儲存發(fā)酵產(chǎn)物的能源來自聚磷酸鹽的水解，為除磷菌提供了競爭優(yōu)勢。使得能吸收大量磷的除磷菌群體就能在處理系統(tǒng)中得到選擇性增殖。二、生物除磷過程的影響因素=1*GB3①溶解氧：在除磷菌釋放磷的厭氧反應(yīng)器內(nèi)，應(yīng)保持絕對的厭氧條件，即使是NO3-等一類的化合態(tài)氧也不允許存在；在除磷菌吸收磷的好氧反應(yīng)器內(nèi)，則應(yīng)保持充足的溶解氧。=2*GB3②污泥齡：生物除磷主要是通過排除剩余污泥而去除磷的，因此剩余污泥的多少對脫磷效果有很大影響，一般污泥短的系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥多，可以取得較好的除磷效果；有報道稱：污泥齡為30d，除磷率為40%；污泥齡為17d，除磷率為50%；而污泥齡為5d時，除磷率高達(dá)87%。=3*GB3③溫度：在5~30°=4*GB3④pH值：除磷過程的適宜的pH值為6~8。=5*GB3⑤BOD5負(fù)荷：一般認(rèn)為，較高的BOD負(fù)荷可取得較好的除磷效果，進行生物除磷的低限是BOD/TP=20；有機基質(zhì)的不同也會對除磷有影響，一般小分子易降解的有機物誘導(dǎo)磷的釋放的能力更強；磷的釋放越充分，磷的攝取量也越大。=6*GB3⑥硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮硝酸鹽的濃度應(yīng)小于2mg/l；當(dāng)COD/TKN>10，硝酸鹽對生物除磷的影響就減弱了。=7*GB3⑦氧化還原電位：好氧區(qū)的ORP應(yīng)維持在+40~50mV之間；缺氧區(qū)的最佳ORP為-160~±5mV之間。4-3-2生物除磷工藝一、Phostrip除磷工藝——生物除磷和化學(xué)除磷相結(jié)合的工藝。——本工藝各單元設(shè)備的功能含磷原廢水進入曝氣池，同步進入的還有由除磷池回流的污泥。曝氣池的功能是去除有機物，聚磷菌過量地攝取磷，可能出現(xiàn)硝化反應(yīng)。(2)混合液由曝氣池流出進入沉淀池(Ⅱ)，泥水分離，已除磷的上清液作為處理水而排放，含磷污泥沉淀。含磷污泥進入除磷池，這里保持厭氧狀態(tài)，含磷污泥釋放磷，投加沖洗永，使磷釋放充分。已釋放磷的污泥沉淀，并回流曝氣池。含磷上清液進入混合池。(4)含磷上清液進入混合池，同時向混合池投加石灰乳，混合后進入反應(yīng)池。磷與石灰反應(yīng)，形成磷酸鈣。(5)形成的磷酸鈣在沉淀池(Ⅱ)沉淀與上清液分離，污泥排出充作肥料，上清液回流曝氣池?！に囂攸c：除磷效果好，處理出水的含磷量一般低于1mg/l；污泥的含磷量高，一般為2.1~7.1%；石灰用量較低，介于21~31.8mgCa(OH)2/m3廢水之間；污泥的SVI低于100，污泥易于沉淀、濃縮、脫水，污泥肥分高，不易膨脹。二、厭氧—好氧除磷工藝（(Anaerobic/Oxic)——又稱“A——O工藝”；工藝特點：水力停留時間為3~6h；曝氣池內(nèi)的污泥濃度一般在2700~3000mg/l；磷的去除效果好（76%），出水中磷的含量低于1mg/l；污泥中的磷含量約為4%，肥效好；SVI小于100，易沉淀，不易膨脹。4-4同步脫氮除磷工藝一、Bardenpho同步脫氮除磷工藝——工藝特點：各項反應(yīng)都反復(fù)進行兩次以上，各反應(yīng)單元都有其首要功能，同時又兼有二、三項輔助功能；脫氮除磷的效果良好。——本工藝各單元設(shè)備的功能：(1)第l厭氧反應(yīng)器的首要功能是脫氮，其次是污泥釋放磷硝態(tài)氮通過內(nèi)循環(huán)來自第l好氧反應(yīng)器，污泥則是沉淀池回流的；(2)第1好氧反應(yīng)器的首要功能是去除BOD，第二功能是硝化。由于BOD濃度還較高，因此，硝化程度較低；第三項功能是吸收磷，由于NOX未能有效地去除，因此，磷吸收效果不高。(3)第2厭氧反應(yīng)器的功能同第1厭氧反應(yīng)器，仍以脫氮為主。(4)第2好氧反應(yīng)器的首要功能是吸收磷；第二功能是進一步硝化；第三項功能則是去除BOD。(5)沉淀池的主要功能是泥水分離。二、A——A——O同步脫氮除磷工藝（Anaerobic/Anoxic/Oxic）——本工藝各單元設(shè)備的功能（1)厭氧反應(yīng)器的功能是釋放磷，進入本單元的除原廢水外，還有從，沉淀池排出的污泥。(2)缺氧反應(yīng)器的首要功能是脫氮，由好氧反應(yīng)器送出的內(nèi)循環(huán)量為2Q(Q為原廢水流量)。(3)好氧反應(yīng)器是多功能的，在這里進行去除BOD、硝化和吸收磷等反應(yīng)。(4)沉淀池的功能為泥水分離，上清液作為處理水排放，部分污泥回流厭氧反應(yīng)器，在那里釋放磷?！に囂攸c：工藝流程比較簡單；厭氧、缺氧、好氧交替運行，不利于絲狀菌繁殖，無污泥膨脹之虞；無需投藥，運行費用低。水力停留時間（h）厭氧反應(yīng)器0.5~1.0缺氧反應(yīng)器0.5~1.0好氧反應(yīng)器3.5~6.0污泥回流比(%)50~100混合液內(nèi)循環(huán)回流比(%)100~300混合液懸浮固體濃度(mg/l)3000~5000F/M(kgBOD5/kgMLSS.d)0.15~0.7好氧反應(yīng)器內(nèi)DO濃度(mg/l)32BOD5/P5~15(以>10為宜)——工藝特性曲線三、UCT工藝——含NO3---N的污泥直接回流到厭氧池，會引起反硝化作用，反硝化菌將爭奪除磷菌的有機物而影響除磷效果，因此提出UCT（UnivercityofCapeTown）工藝——工藝特點：（1）類似于A2/O工藝的脫氮除磷工藝；（2）與A2/O工藝的不同之處在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厭氧池，這樣可以防止由于硝酸鹽氮進入?yún)捬醭?，破壞厭氧池的厭氧狀態(tài)而影響系統(tǒng)的除磷效率；（3）增加了從缺氧池到厭氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厭氧池回流的混合液中含有較多的溶解性BOD，而硝酸鹽很少，為厭氧段內(nèi)所進行的發(fā)酵等提供了最優(yōu)條件。四、Phoredox同步脫氮除磷工藝——工藝特點：在缺氧反應(yīng)器之前再加一座厭氧反應(yīng)器，以強化磷的釋放，從而保證在好氧條件下，有更強的吸收磷的能力，提高除磷效果。五、VIP工藝（VirginiaInitiativePlant）工藝流程：B、工藝特點：VIP工藝與UCT工藝非常類似，兩者的區(qū)別在于池型構(gòu)造和運行參數(shù)方面。六、其他除磷脫氮工藝1、氧化溝除磷脫氮；2、SBR除磷脫氮；§4.4廢水生物除磷