生物脱氮除磷

污水处理工岗位培训陈若其E-mail：[e-mail]生物脱氮除磷技术原理及应用水体中氮、磷的存在形式及其危害性生物脱氮基本原理硝化作用的影响因素反硝化作用的影响因素生物除磷基本原理生物除磷的影响因素技术发展思路水体中氮、磷的存在形式及其危害性氮的存在形式磷的存在形式氮、磷的危害性氮的存在形式天然水体中氮主要以有机氮及无机氮两种形式存在。氮的存在形式——有机氮有机氮包括：蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等。来源生活污水、农业废弃物和某些工业废水。经微生物分解后，它们将转化为无机氮。氮的存在形式——无机氮水中的无机氮是指氨氮硝酸盐氮亚硝酸盐氮来源：有机氮经微生物分解转化后形成的，来自被农肥或农药污染的农田排水、地表径流以及某些工业废水。氨氮在水中可能以NH4+-N(铵根离子)和(或)NH3-N(游离氨)两种形式存在。根据两者平衡方程式可推导出NH4+-N在总的氨氮中所占的比例为：式中，Ka为氨的离解常数，25℃时为5.610-10。])/[(1100](%)[4HKNHa?NH4+-NorNH3-N由上式可以看出，水中的氨氮主要以何种方式存在与污水的pH值有着密切的关系。例如，当水中pH=8.0时，NH4+-N所占比例为94.6%；而当水中pH=7.0时，NH4+-N所占比例为99.4%。由此可见，在大部分的污水处理设备中，氨氮主要以NH4+-N形式存在。?NH4+-NorNH3-N生物脱氮基本原理生物脱氮是指某些微生物在合适的条件下，将水中的有机氮和(或)无机氮转化为气态氮(N2和(或)NXOY)的过程。有机氮(净生长)有机氮(蛋白质、尿素)细菌分解和水解有机氮(细菌细胞)自溶和自身氧化氨氮(NH3)氮气(N2)亚硝态氮(NO2-)硝态氮(NO3-)O2O2硝化亚硝化它包括三个过程：氨化作用硝化作用反硝化作用有机氮氨化NH4+-N亚硝化硝化NO2--NNO3--NN2，NXOY氨化作用硝化作用反硝化作用反硝化氨化作用氨化作用指有机氮在微生物的作用下分解转化为氨氮的过程。这是一种普遍存在于污水处理过程中的生物作用，在好氧和厌氧环境条件下都可进行。几乎所有的异养菌都具有氨化功能，所以氨化过程的生化效率很高，通常在脱氮工艺中不将其作为控制步骤。硝化作用在好氧条件下，均为化能自养型的两种硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸细菌)，前者把氨氮转化为亚硝酸盐氮，后者把亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的过程。其氧化反应可简单地表示为：HOHNOONH25.12224亚硝酸菌3225.0NOONO硝酸菌硝化作用总反应式为:由上式可知，1g氨氮完全氧化成硝酸盐氮需4.57gO2；7.14g碱度(以CaCO3计)。HOHNOONH222324反硝化作用指硝酸盐氮和亚硝酸盐氮经兼性厌氧的异养反硝化菌的作用还原为气态氮(主要是N2)的过程。其反应过程可简单地表示为：OH2OH4NH10NO2223硝酸还原菌OH2OH2NH6NO2222亚硝酸还原菌反硝化作用从上式可知，每还原1gNO3--N可产生约3.57g碱度(以CaCO3计)。由化学计量可得出NO3-作为最终电子受体时，1gNO3--N相当于2.86gO2。而硝化过程中1gNH4+-N彻底氧化成NO3--N需耗碱度7.14g(以CaCO3计)，4.57gO2，因此，反硝化过程可以回收50%的碱度和60%的氧。生物脱氮从上述讨论可知，在生物脱氮过程中，氮的去除包括两部分：同化除氮微生物在同化代谢过程中，利用氮元素合成新的细胞物质(即产生污泥)，通过排泥而去除一部分氮。但是通过同化作用去除的氮是有限的。在反硝化过程中脱氮氮主要是在反硝化过程中通过微生物异化作用，使亚硝酸盐氮和(或)硝酸盐氮还原为氮气而被去除的。温度pH值碱度(ALK)溶解氧(DO)NH4+浓度有机负荷泥龄(SRT)有毒有害物质硝化作用的影响因素温度硝化反应速率受温度影响很大，其作用发生的温度范围在5~40℃，最适宜温度为30℃，见图。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%051015202530反应速率(相当于30℃时的百分数)温度t(℃)pH=8.5温度对硝化反应速率的影响在冬季，低温是影响工艺硝化作用的重要因素。一旦处理装置中发生活性污泥流失现象，系统的硝化作用将很难在短期内恢复。另外，硝化作用受温度影响程度还与构筑物形式及有机负荷有关。悬浮生长型受温度影响大，固着型较小。有机负荷高时受温度影响大，有机负荷低时受影响较小。pH值pH值对氮的生物硝化反应过程有直接的影响，这是由于细菌的代谢作用离不开生物酶的代谢活动，而适合生物酶发挥作用的pH值范围较窄，每种生物酶又具有不同的pH最适值。当pH值产生一定的变化时，会抑制生物酶的活性，从而影响微生物的代谢能力和生命活动，从而破坏硝化作用的进行。pH值通常认为硝化作用最佳pH值为7~9。亚硝酸单胞菌属最适pH值为7.0~8.6(Alexander,1962)或8.5~8.8(Meyerhof,1977),硝酸杆菌为7.0~8.3(Alexander,1962)或7.8~8.9(Wild,1970)。据研究，当废水的pH低于7.0或高于9.8，硝化反应速率将小于最大值的50%。当废水的pH值从7.2突降至5.8时，硝化作用受到抑制，但pH值再上升，抑制能迅速解除，说明低pH值冲击对硝化菌无残毒效应。碱度(ALK)由于硝化作用需要碱度，根据硝化作用总反应方程式可知，每克氨氮完全氧化成硝酸盐氮需7.14克碱度(以CaCO3计)，因此在污水处理中有硝化作用发生时需保证原水足够的初始碱度。这意味着TKN浓度为50mg/L的城市污水硝化时，应具有400mg/L碱度，以确保在完全硝化后(不考虑反硝化对碱度的补充时)残存40mg/L的碱度。若废水中碱度不足，硝化反应将导致系统pH值下降，进而抑制硝化作用的进行。溶解氧(DO)硝化作用对溶解氧要求较高，溶解氧过低将导致系统中硝化细菌的增长速率受限制，最终导致硝化细菌从系统中被淘汰。因此，处理系统中DO一般要求保持在2.0mg/L以上。溶解氧(DO)虽然也有资料报道，在DO为0.5mg/L时，系统能同时进行硝化与反硝化作用，且硝化作用良好，这是因为有的硝化菌能同时进行硝化与反硝化。但一般来说，低溶解氧在无反硝化功能的系统中将严重阻碍亚硝酸的氧化，从而使系统中亚硝酸盐氮积累，并使有机物对硝化作用的影响加强。因而，从总体上说，溶解氧高，将有利于硝化作用顺利进行。铵根离子浓度当系统中铵根离子浓度很高，水质呈碱性时，硝酸杆菌属比亚硝酸单胞菌属更容易受抑制，而且也容易受到亚硝酸盐氮和硫化物的影响，在此条件下，氨氮只被氧化为亚硝酸盐氮。一般城市污水处理中，pH值为中性，铵根离子浓度低，硝化作用终产物一般为硝酸盐氮。有机负荷由于氧化有机物的异养菌生长率高于硝化菌，当有机负荷高时，异养菌比例增加，减少了硝化菌的相对量，削弱了硝化作用。高浓度有机物抑制硝化作用的原因，现在被认为是“异养菌与硝化菌争夺营养物质(氨和氧)的竞争性抑制”，原先的“有机物对硝化菌有毒性”的假说逐渐被否定。在一般废水处理中，BOD5小于200mg/L，硝化作用受它的影响小。泥龄(SRT)硝化菌生长世代时间较长，为保持硝化菌在系统中的比例，必须保证足够的泥龄。设计中，为确保硝化菌在生化处理装置中的比例，其泥龄可按下式设计：式中:SRT：设计运行泥龄(d)；SRTmin：硝化菌生长必须的最小泥龄(d)；f：安全系数,视系统的具体情况而定。因此，在设计中，所取安全系数f大，设计泥龄大，系统硝化作用的稳定性好。SRTfSRTmin反硝化作用的影响因素温度pH值溶解氧(DO)有机物泥龄(SRT)温度反硝化作用在5~40℃内均可发生，但温度低时难以达到满意的效果。研究表明，温度对反硝化速度的影响，与设备的类型(微生物悬浮生长或固着型)、硝酸盐负荷有关。在填料床、流化床中反硝化速率受温度影响比悬浮污泥法小；硝酸盐负荷低，温度影响小。pH值反硝化作用适宜的pH值范围在6.5~7.5之间，最佳值在7.0左右。一般的城市污水pH值在7.0左右，因而其反硝化作用不受pH值限制。溶解氧(DO)一般认为，溶解氧的存在会抑制反硝化菌中硝酸盐还原酶的合成，或者充当电子受体，竞争性地阻碍硝态氮的还原。当DO0.1~0.2mg/L时，反硝化作用就会停止。反硝化菌属兼性厌氧菌，其菌体内某些与反硝化作用有关的酶系统组分必须在无氧的条件下才能合成。有机物充足的可生物降解的有机物对保证反硝化作用的顺利进行是非常必要的。能为反硝化菌利用的碳源种类很多，污水处理过程中主要分为三大类：废水中所含的有机碳外加碳源内源碳(细菌体内原生质及蓄积的有机物)不同种类的有机物对反硝化作用影响不同。有机物如果以一般污水中易降解有机物作为碳源，反硝化速率可达7~20gNO3--N/KgVSSh；外加碳源中甲醇和酸作为碳源时，反硝化速率与其接近；利用内源碳时，反硝化速率仅为0.2~0.5gNO3--N/KgVSSh。因此，在污水处理过程中，宜尽量利用水中所含的有机物。当BOD5/TKN大于3~5时，有机碳源充分，可不必投加外碳源，直接进行生物脱氮。当碳源不足即BOD/TKN比值过小时，为保证充分脱氮，需外加碳源；也可延长反应时间或降低负荷，采用内源碳脱氮，但这样将使得装置容积增大或负荷减小，且速度较慢，不过可省去外加碳源的费用，具体实施时可作经济分析。泥龄(SRT)反硝化菌对泥龄没有严格要求，因为很多细菌都具有脱氮能力。在很多情况下，可发生最终产物为N2和(或)NXOY的异化脱氮作用。试验表明，泥龄缩短，反硝化速率加快。在充分保证硝化的前提下，适当缩短泥龄，可提高系统脱氮的效率。生物脱氮影响因素硝化作用：溶解氧(DO)泥龄(SRT)有机负荷碱度(ALK)温度pH值NH4+浓度有毒有害物质反硝化作用：溶解氧(DO)泥龄(SRT)有机物温度pH值矛盾矛盾矛盾A/O（Anoxic-Oxic）工艺图中所示为采用前置反硝化及回流的生物脱氮流程，通常简称为A／O流程（其中A为Anoxic—缺氧，O为Oxidation—氧化）。A/O（Anoxic-Oxic）工艺A／O流程的特点是，原废水先经缺氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合液和沉淀池的污泥同时回流至缺氧池，使缺氧池中既从原废水中得到充足的有机物，又从回流的混合液中得到大量硝酸盐，回流污泥则保证其微生物量，因此可在其中进行反硝化反应，然后再在好氧池中进行BOD5的进一步降解和硝化作用。A／O流程只有一个污泥系统，在此系统中同时存在着分解有机物的异养菌群、反硝化菌群以及硝化细菌群。混合的微生物菌群交替地处于好氧和缺氧的环境中，有机物浓度高和低的条件下，将分别发挥其不同的作用。A／O流程中的缺氧池和好氧池可以是两个独立的构筑物，也可以合建在同一构筑物内，使用隔板将两段分开。A／O工艺的主要优点是：⑴流程简单，构筑物少，基建费用可大大节省；⑵不需要外加碳源，以原废水为碳源，可保证充分的反硝化反应；⑶好氧池设在缺氧池之后，可使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高出水水质；⑷缺氧池在好氧池之前，一方面可减轻好氧池的有机负荷，另一方面也有利于控制污泥膨胀，反硝化过程中产生的碱度还可补偿硝化过程对碱度的消耗。生物除磷原理概述在生物除磷工艺系统中，进入生化反应系统的总磷只有两条出路：或者被微生物吸附及结合入细胞随剩余污泥排除，或者随出水排出。生物除磷的方法在于提高剩余污泥含磷量和排放量，努力减少出流中的TP的浓度。一般活性污泥系统中，由于氮磷等元素是构成微生物细胞的主要成分之一，活性污泥微生物的净生长要利用一部分氮磷，通常磷占污泥干重的1.5-2.0%，因此，通过同化合成微生物细胞并以剩余污泥形式排放可去除废水中的一部分磷，但去除量是非常有限的。生物除磷基本原理概述六十年代，发现好氧活性污泥处理厂在某些运行条件下污泥中