生物脱氮除磷工艺控制

生物脱氮除磷工艺控制一、脱氮污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，通常不含或仅含有少量的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。在未经处理的污水中，氮有可溶性的或颗粒状的。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在。一部分颗粒型有机氮在初沉池中可以去除。在生物处理的过程中，大部分颗粒性有机氮转化成氨氮和其它无机氮。生物脱氮主要是靠一些专性菌实现氮的形态转化，最终生成无害的氮气从水中脱出。1、氨化在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解，转化为NH3-N，以氨基酸为例，其反应式为：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH32、硝化生物硝化作用是利用化能自养微生物将氨氮氧化成硝酸盐的一种生化反应过程。硝化作用由两类化能自养菌参与，亚硝化单胞菌首先将氨氮（NH3-N）氧化成亚硝酸盐（NO2--N），硝化杆菌再将亚硝酸盐（NO2--N）氧化成稳定状态的硝酸盐（NO3--N）。后一反应较快，一般不会造成亚硝酸盐（NO2--N）的积累。反应过程如下：第一步、氨转化为亚硝酸盐：NH4++3/202→NO2-+2H++H2O-△E△E=278.42KJ第二步、亚硝酸盐转化为硝酸盐：NO2-+1/202→NO3-+2H+-△E△E=72.58KJ这两个过程都是释放能量的过程，亚硝酸盐菌和硝酸菌就是利用这两个过程释放的能量来合成新的细菌体和维持正常的生命活动。总反应式为：NH4++202→NO3-+2H++H2O-△E△E=351KJ综合氨氧化和细胞体合成反应式如下：NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.02C5H7O2N+0.98NO3-+1.88H2+1.04H2O3、反硝化生物硝化工艺可以去除污水中的有机氮和氨氮，出水中的氮以硝酸盐的形式存在，但是在工程中不仅要去除有机氮和氨氮还要去除硝酸盐氮，因此必须在生物硝化工艺的基础上采用生物反硝化工艺，即A/O工艺。生物反硝化系指污水中的硝酸盐在缺氧的条件下被微生物还原为氮气的生化反应过程，参与这一生化反应的微生物是反硝化细菌，这是一类大量存在于活性污泥中的兼性异养菌，如产碱杆菌、假单胞菌等菌属均能进行生物反硝化。在有氧存在的好氧状态下，反硝化菌能进行好氧生物代谢、氧化分解有机污染物、去除BOD5；在无分子氧但存在硝酸盐的条件下，反硝化细菌能利用NO3-中的氧（又称为化合态或硝态氧），继续分解代谢有机污染物，去除BOD5，并同时将NO3-中的氮转化为氮气。反硝化过程分为两步进行：第一步由硝酸盐转化为亚硝酸盐，第二步由亚硝酸盐转化为一氧化氮、氧化二氮和氮气：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2事实上这只是硝酸盐还原的其中一个过程------异化过程。在异化过程的同时，还有一个同化过程，硝酸盐转化成氨氮用于细胞合成。在反硝化过程中要有含碳有机物作为该过程中的电子供体，碳源既可以是污水或细胞体内碳源，也可以外部投加。以采用甲醇作为碳源为例，反应过程如下：第一步：6NO2-+2C02+4H2O第二步：6NO2-+3CH3OH→3N2+3CO2+3H2O+6OH-总反应式为：6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-典型的同化反应如下：3NO2-+14CH3OH+CO2+3H+→3C5H7O2N+19H2O同化作用与异化作用综合反应式为：NO2-+1.08CH3OH+CO2+H+→0.065C5H7O2N+0.47N2+2.44H2O+0.76CO2二、除磷目前国内外普遍采用的除磷方法主要有化学除磷法、生物除磷法以及后来更加先进的化学和生物除磷相结合的生化除磷法。化学除磷法的优点是除磷效率一般可达85%，且稳定可靠，污泥在处理和处置过程中不会重新释放而造成二次污染，但其费用高，所产生的污泥量大，这对污泥的后期处理不利。然而，生物除磷法可避免化学除磷法中出现的大量化学污泥，减少活性污泥的膨胀现象，节约能源，且运行费用较低，还可以在除磷的同时除去污水中的有机物。因此，生物除磷是生活污水处理较流行的除磷工艺。1、生物除磷机制：磷有着不同于氮、硫的性质，无论它的氧化态或是还原态都不可能成为气态而被排放到空气中，一般只能通过化学或者生物学的方法将其转化为固态从污水中去除。在微生物的增殖过程中，好氧微生物一旦处于厌氧条件下，它会释放出在好氧条件下吸收的部分磷，当其置于好氧环境中时，则能吸收比它在厌氧下释放的磷多好多倍的磷。据有关资料表明，微生物在好氧条件下吸收的磷是厌氧条件下放出的磷的11倍。生物除磷正是利用一些微生物的嗜磷性，把微生物作为磷的载体，将水体中的磷富集到微生物的体内从而达到除磷的效果。2、除磷菌种：20世纪70年代中期，人们在传统活性污泥工艺的运行管理中，发现了一类特殊的兼性细菌，如不动细菌属、假单胞菌属、棒杆菌属等。不动杆菌属，它们有能力在厌氧条件下吸收小分子有机物（乙酸、乙醇等），是活性污泥中既能积累聚磷酸盐又能积累聚羟基丁酸盐的细菌。假单细胞菌属，宽0.5—1.0um，长1.5—3.0um，多数是有机营养型的，利用利用有机碳化物为碳源，但也有少数是无机型的，利用H2或CO2为能源。在好氧状态下这些菌属能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的含磷量超过10%，有时甚至高达30%，如假单胞菌，它们能够累积达细菌干重的1/3左右聚磷酸盐，而一般细菌体内的含磷量只有2%左右。。这类细菌被广泛地用于生物除磷，称之为聚磷菌。当在厌氧条件下时聚磷菌吸收有机物（如脂肪酸），利用某些糖和醇为基质，代谢生成短链挥发性脂肪酸，同时将细胞质中聚合磷酸盐颗粒的磷释放出来，提供必需的能量。在随后的好氧条件下，所吸收的有机物将被氧化并提供能量，同时从污水中吸收超过其生长需要的磷，并以聚磷酸盐的形式储存起来。不动杆菌能在体内储存聚磷酸，厌氧状态下，可水解聚磷酸产生能量，在竞争中占有优势，并可以限制硝化菌的生长。将除磷工艺好氧段溶解氧含量控制在2—4um/L，可恰好满足聚磷菌在好氧段过量摄磷的生理活动中的需氧量。一般的，生物除磷和脱氮被认为是存在一定冲突的，因为在厌氧阶段，有NO3-存在会发生反硝化反应，会消耗聚磷菌碳源，致使其除磷效率降低。但是一种兼性反硝化细菌生物的发现被认为不仅拓宽了磷的去除途径，而且，更重要的是这种细菌的生物摄、放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。这就为可持续污水处理工艺的发展奠定了十分有力的基础。在缺氧（无氧但存在硝酸盐）条件下，反硝化除磷细菌DPB能够同时在好氧条件下一样，利用硝酸盐充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸盐还原为氮气。显然，被DPB合并后的反硝化除磷过程能够节省相当的COD与曝气量，同时也意味着减少细胞合成量。3、聚磷菌的代谢活动在厌氧的条件下，聚磷菌体内的ATP（三磷酸腺苷）进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP（二磷酸腺甘），即：ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量；在好氧条件下，聚磷菌对磷过剩摄取。聚磷菌通过有氧呼吸，不断的氧化体内储存的有机底物，同时也不断从外部环境向其体内摄取有机底物。由于氧化分解，又不断的放出能量，能量又为ADP所获得，并结合H3PO4而合成ATP。即：ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O而在好氧状况下磷的累积可以按照简化的方式，描述如下：C2H4O2+0.16NH4++1.202+0.2PO43-→0.16C5H7NO2+1.2CO2+0.2（聚磷）+1.4OH-+1.44H2O这样，聚磷菌便具有能在好氧条件下过剩摄取H3PO4，在厌氧条件下释放出H3PO4的功能。根据各种聚磷菌的特性，发挥其嗜磷最好效果应该在厌氧和好氧交替的过程中进行，且厌氧和好氧环境不能倒置。在相同的好氧时间下，系统的厌氧时间越长，除磷的效果越好，于此同时，在相同的厌氧时间下，系统的好氧时间越长，除磷的效果也越好。在对聚磷菌活动以及其耐磷特性的研究中，培养研究出一种光合细菌红螺菌科中的球形红杆菌，发现此菌种用于污水除磷工艺中，只要污水中存在足够的碳源，即使是在全部是微好氧过程，也具有很好的除磷特性，这样无疑使生物除磷技术又进了一步，在以后的工艺设计中可以推广应用。4、生物除磷系统的主要影响因素A、溶解氧从生物除磷的原理可以知道，整个除磷系统的摄磷和嗜磷的控制主要是由溶解氧（DO）决定的，DO是影响除磷的一个重要因子。经实验证明，好氧池中的溶解氧应大于2mg/L，在厌氧池的厌氧条件也是极为重要的，一般的，要求厌氧池的溶解氧应低于0.2mg/L。总的来说，应尽可能拉大厌氧和好氧池中的溶解氧含量的差值，或是在好氧工艺可行的情况下尽可能增加曝气时间和曝气量。B、碳磷比生物除磷工艺中厌氧段的有机质含量、种类与微生物营养之间的比例关系（主要是碳磷比，即是BOD5/TP）也是影响聚磷菌摄磷效果的以一个不可忽视的控制要点。当BOD5/TP过低时，就会出现聚磷菌在好氧池中的吸磷不足，从而使出水的磷含量偏高。为使出水的磷含量在1mg/L以下，污水BOD5/TP应大于20.C、硝酸盐的含量在生物除磷中，硝酸盐的去除是除磷的先决条件。气单胞杆菌具有高分子有机基质转化为低分子脂肪类物质的能力，在除磷过程中存在着发酵产酸——聚磷之间的连锁反应，而其中气单胞杆菌能否发挥其发酵中间产物为电子受体的发酵产酸能力，是决定其他的聚磷菌能否发挥功效的重要因素，另有资料表明，假单胞杆菌也是一种利用硝酸盐作为最终电子受体的兼性反硝化菌，而且，只要是存在NO3-，在厌氧条件下进行反硝化反应，对有机质的发酵产酸作用就会受到抑制，从而使在好氧条件下的有机碳源量减少，也要影响聚磷菌的摄磷能力，这便从理论上解释了为什么在好氧段有硝酸盐存在时系统的处理能力较低。回流污泥中携带的硝酸盐抑制了厌氧条件下磷的释放。由于聚磷菌、硝化菌、反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内，并在整个系统内循环，使得从好氧段回流的污泥中含有大量的硝酸盐，造成厌氧段中反硝化菌与聚磷菌对底物形成竞争。使聚磷菌无法得到足够的短链脂肪酸（SCFAS）进行充分释磷，从而降低了除磷效率。还有研究表明，长期低负荷运行是导致城市污水处理厂生物除磷效率降低的重要原因之一。低负荷下的好氧延时曝气使聚磷菌细胞体内的聚茁-羟基丁酸（PHB）含量下降，导致磷的吸收速率和吸磷量下降，而使之不能有效地吸收细胞外的磷酸盐合成聚磷，最终丧失生物除磷能力。综上所述，生物除磷是利用聚磷菌的嗜磷特性，使之在符合其生长代谢的厌氧、好氧环境交替的条件下，吸取污水中各种形式的磷（尤其是磷酸盐形式）。目前，国内外生活污水生物除磷技术已经有很大的进步，只要严格控制除磷过程中的限制因素，其除磷效率都会有很大的提高。不难预测，在目前化学和生物除磷方法都有较大进步的情况下，生物与化学相结合的方法将会成为未来污水除磷的主流。