生物脱氮除磷

生物脱氮除磷原理与应用娄金生谢水波何少华等编著陈胜兵审校前言氮和磷是生物重要营养源。随着化肥、洗涤剂和农药普遍使用，天然水体中氮、磷含量急剧增加，水体中蓝藻、绿藻大量繁殖，水体缺氧并产生毒素，使水质恶化，对水生生物和人体健康产生很大的危害。我国的天然水体受氮、磷污染严重，特别是淮河流域、太湖、巢湖、滇池等水体的富营养化严重，我国近海岸每年都要发生十多起大面积的赤潮。氮、磷的污染对我国水体环境造成了严重危害。然而长期以来，城市污水处理均以去除有机物BOD和悬浮物SS为目的，没有考虑对氮、磷等无机营养物质的去除，所以在污水处理中仅有10%~20%氮、磷被去除，而大部分氮、磷仍存在处理水中，使大量的氮、磷排入水体造成污染。所以对城市污水不仅应该去除BOD和SS，而且还应进行脱氮除磷处理。生物脱氮除磷是最有效、最廉价的方法，对生物脱氮除磷原理的研究和应用是当前国内外在该领域中的研究热点之一，生物脱氮除磷新工艺不断出现，并得到广泛应用。本书重点叙述生物脱氮除磷的原理、影响因素、设计参数、设计要点和方法，同时特别介绍了近年来生物脱氮除磷的各种新工艺。本书可作为高等学校环境工程、给水排水工程等专业高年级本专科学生的教材和研究生的参考书，也可作为从事水污染防治与水资源保护的科研、设计、施工和管理人员的参考资料。本书由娄金生、谢水波、何少华同志主编，陈胜兵、蒋明、陈文、娄涛等同志参与编写完成。其中第一章及附录部分由陈胜兵、娄金生编写，第二章由陈文编写，第三章由蒋明编写，第四章、第五章、第六章、第八章由娄金生、谢水波、何少华编写，第七章由娄涛编写。此外，还有吴臣、孙大朋和王强等同志为本书的绘图与文字编辑做了大量的工作。本书编写过程中参考了许多杂志和书籍，并在书后列出了主要的参考资料。在此，谨向被本书引用过的文献资料的作者致以谢意！由于我们的水平有限，书中出现错误和遗漏在所难免，敬请读者批评指正。编著者2002年5月目录第一章植物性营养物—氮、磷的污染及其危害…………………………（1）1.1氮、磷的形态与性质………………………………………………（1）1.2天然水体中氮、磷的来源…………………………………………（3）1.3氮循环与磷循环……………………………………………………（5）1.4氮和磷的测定……………………………………………………（13）1.5氮和磷的污染与水体富营养化…………………………………（18）第二章环境微生物及其代谢……………………………………………（24）2.1微生物概述………………………………………………………（25）2.2环境微生物类群…………………………………………………（26）2.3环境微生物生态学原理…………………………………………（29）2.4环境微生物的生理生化…………………………………………（36）2.5环境微生物的生长与繁殖………………………………………（49）第三章废水生物处理概述………………………………………………（54）3.1活性污泥法的基本原理与基本流程……………………………（54）3.2活性污泥指标和活性污泥法的工艺参数………………………（56）3.3活性污泥法的曝气与曝气设备…………………………………（61）3.4曝气池分类与设计………………………………………………（68）3.5曝气池的运行方式………………………………………………（73）第四章废水生物脱氮除磷概述…………………………………………（77）第五章废水生物脱氮工艺………………………………………………（80）5.1生物脱氮原理……………………………………………………（80）5.2生物脱氮反应动力学……………………………………………（84）5.3生物脱氮过程的影响因素………………………………………（87）5.4生物脱氮传统工艺………………………………………………（90）5.5缺氧/好氧（A1/O）脱氮工艺……………………………………（91）第六章废水生物除磷工艺………………………………………………（101）6.1废水生物除磷原理………………………………………………（101）6.2生物除磷动力学和影响因素……………………………………（102）6.3厌氧/好氧（A2/O）生物除磷工艺………………………………（104）6.4phostrip除磷工艺………………………………………………（110）第七章同步生物脱氮除磷工艺…………………………………………（111）7.1Bardenpho与phoredox脱氮除磷工艺…………………………（111）7.2厌氧—缺氧—好氧生物脱氮除磷工艺（A2/O工艺）…………（112）7.3SBR工艺脱氮除磷………………………………………………（120）7.4A—B工艺脱氮除磷……………………………………………（131）7.5氧化沟工艺脱氮除磷……………………………………………（140）7.6生物转盘同步脱氮除磷工艺……………………………………（150）第八章废水生物脱氮除磷工艺的新进展………………………………（152）8.1A2/O生物脱氮除磷的改进工艺………………………………（152）8.2SBR工艺脱氮除磷的改进工艺…………………………………（154）8.3OCO脱氮除磷工艺……………………………………………（172）8.4SHARON-ANAMMOX组合脱氮除磷新工艺…………………（173）8.5BCFS○R生物脱氮除磷新工艺……………………………………（177）附录一地表水环境质量标准GHZB1-1999……………………………（179）附录二污水综合排放标准GB8978-1996………………………………（187）附录三城市污水氨氮的测定CJ26.25-91……………………………（203）附录四城市污水总氮的测定CJ26.27-91……………………………（207）附录五城市污水总磷的测定——分光光度法CJ26.28-91…………（212）附录六亚硝酸盐的测定——重氮化偶合分光光度法GB5750.A.2-85（216）附录七硝酸盐氮的测定GB5750.29-85………………………………（218）附录八有机氮的测定——凯氏法(节选)……………………………（225）附录九有机磷的测定——气相色谱法(节选)………………………（227）参考文献…………………………………………………………………（229）1第一章植物性营养物——氮、磷的污染及其危害1.1氮、磷的形态与性质1.1.1氮1.氮及其化合物自然界氮素蕴藏量丰富，以三种形态存在：分子氮N2，占大气的78%；有机氮化合物；无机氮化合物。其中水体中的氮主要包括有机氮和无机氮两大类，其总量称为总氮（英文缩写为TN，以N计）。有机氮是指以有机化合物形式存在的氮，如蛋白质、氨基酸、肽、尿素、有机胺、硝基化合物、重氮化合物等。农业废弃物和城市生活污水中存在的有机氮主要是蛋白质及其分解产物——多肽和氨基酸。但某些工业废水中可能有其它含氮有机化合物。无机氮指氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，它们一部分是有机氮经微生物分解转化作用而产生的，一部分直接来自施用化肥的农田退水和工业排水。凯氏氮（英文缩写为KN）是有机氮与氨氮之和，凯氏氮指标可以用来判断污水在进行生物法处理时氮营养是否充足的依据。生活污水中凯氏氮含量约40mg/L（其中有机氮约15mg/L，氨氮约25mg/L），总氮与凯氏氮之差值约等于亚硝酸盐氮与硝酸盐氮之和；凯氏氮与氨氮的差值约等于有机氮。氨氮在污水中存在形式有游离氨（NH3）与离子状态铵盐（NH4+）两种，其中游离氨的浓度除主要取决于氨氮的浓度外，还随水中的pH值和温度的增加而增大。此外，离子强度对游离氨的浓度也会有影响，一般来说，其浓度随离子强度的增加而降低，但对于大多数天然淡水，即使溶解固体量大于300mg/L，对游离氨浓度的影响也可以忽略不计。对含盐量很高的水，游离氨在总氨氮中所占的百分比就会明显降低。污水进行生物处理时，氨氮不仅为微生物提供营养，而且对污水的PH值起缓冲作用。但氨氮过高时，特别是游离氨浓度较高时，对微生物的生活活动产生抑制作用。氨氮的来源主要为生活污水和某些工业废水，如焦化废水、合成氨工业废水，以及农田排水。水中硝酸盐是含氮有机物经无机化作用最终阶段的分解产物。人体摄入硝酸盐后，经肠道中微生物的作用转变成亚硝酸盐而出现毒性作用。亚硝酸盐氮是氮循环的中间产物，不稳定。根据水环境条件，可被氧化成硝酸盐氮，也可以被还原成氮。亚硝酸盐可使人体正常的血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，发生高铁血红蛋白症，失去其输氧的能力，导致组织缺氧。制革废水、酸洗废水、某些生化处理设施的出水和农田排水中可能含有大量的硝酸盐氮。2.氮的转化含氮化合物在水体中的转化可分为两个阶段；第一阶段为含氮有机物在水体中逐渐被微生物分解成较简单的化合物，最后生成无机氨氮，称为氨化过程；第二阶段是氨氮在有氧的条件下，转化为亚硝酸盐与硝酸盐，称为硝化过程。氨化可以在有氧或无氧条件下进行，硝化则只可以在有氧条件下进行。如果水体缺氧，则硝化反应不能进行，而在反硝化菌的作用下，产生反硝化反应，最终生成氮气。在水体中的转化过程中，随着时日的延长，有机氮很不稳定，容易在微生物的作用下，分解成无机氮（在无氧的条件下，分解为氨氮；在有氧的条件下，先分解为氨氮，再分解为亚硝酸盐氮与硝酸盐氮），并不断减少，硝酸盐氮不断增加，氨氮和亚硝酸盐氮则先增后减，水体中各种形态的氮随时间t的变化有如图1-1所示的关系。c(mg/l)0t(d)NH3-N-NNO3-NO2--N图1-1水中各种形式的氮随时间变化一般情况下，硝化过程要7~8天后才显著开展，因此，可根据水体中各种含氮化合物测定结果判断受污染历程的可能状况，如表1-1所示。表1-1水中各种含氮化合物组合的可能状况测定结果可能状况有机氮氨氮亚硝酸盐氮硝酸盐氮清洁水或未污染水————新近受到污染——++污染不久，正在分解—+++持续受到污染，正在分解自净++++所受污染已基本分解完毕++——过去曾受污染，现已分解自净+———过去曾受污染，现又正受污染+—++现在我们发现，硝酸盐在缺氧、酸性的条件下可以还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐与仲胺R2=NH作用会形成亚硝胺。具体内容见本章1.3节。1.1.2磷1.磷及其化合物磷是一种活泼元素，在自然界中不以游离状态存在，而是以含磷有机物、无机磷化23合物及还原态PH3这三种状态存在。污水中含磷化合物可分为有机磷与无机磷两类。生活污水中有机磷含量约为3mg/L，无机磷含量约7mg/L。无机磷几乎都以各种磷酸盐形式存在，包括正磷酸盐（PO3-4）、偏磷酸盐（PO-3）、磷酸氢盐（HPO2-4）、磷酸二氢盐（H2PO4-），以及聚合磷酸盐如焦磷酸盐（P2O4-7）、三磷酸盐（P3O5-10）等。有机磷大多是有机磷农药，如乐果、甲基对硫磷、乙基对硫磷、马拉硫磷等构成，他们大多呈胶体和颗粒状，不溶于水，易溶于有机溶剂。可溶性有机磷只占30%左右，多以葡萄糖-6-磷酸、2-磷酸-甘油酸及磷肌酸等形式存在。从有关资料分析可以看出，溶解磷占总磷的1/3左右，PO4-P则约占1/8，而溶解磷中大分子磷占40%。天然水中磷的含量较少，主要来源于矿石风化、雨水对植物或土壤的淋洗，含洗涤剂的生活污水和某些工业废水的排入。磷的存在形态和数量会影响水中生物的生长。Brown等指出，环境中的正磷酸盐浓度会影响月牙藻（Selenastrum）的生长率，特别是当它成为优势种时，其生长受磷的影响更为明显。Richey通过研究指出，在不同的季节里，浮游植物利用磷的数量是不同的，并且对不同化学形态的磷，它的利用率也是不同的；他在华盛顿湖发现，在出现“水华”之前和“水华”早期，浮游植物利用的磷主要是存在于水层中的磷，以后才是浮游动物所再生的磷。过量的磷对水体有较大危害，如造成水体富营养化（见本章1.5节内容），特别是一部分有机磷农药的生物降解性差，易在环境中残留，对人、畜等脊椎动物具有相当高的毒性，会抑制胆碱脂酶的作用，影响神经系统功能。2.磷的转化水体中的可溶性磷很