第十一章 廢水的脫氮與除磷

1、第十一章 廢水的脫氮與除磷本章重點：生物脫氮脫磷目前造成水體的富營養(yǎng)化的主要兩種元素氮和磷。湖泊的富營養(yǎng)化過程也就是老化和消失的過程。由于人為因素，水體出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化的現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化后將惡化水質(zhì)、降低水資源的使用價值。廢水脫氮( denitrification)和脫磷（phosphorous removal）的方法很多，包括物理化學(xué)法、生物處理法和生物一化學(xué)聯(lián)合處理法。本章主要介紹生物脫氮和生物脫磷方法。§11.1 生物脫氮和脫磷的基本原理1.生物脫氮基本原理從反應(yīng)類型分可分為氨的硝化作用和硝酸（或亞硝酸）的反硝化作用兩種。硝化作用以氨為電子給體，以分于氧為電子受體，使氨從

2、負(fù)三價（NH4+）轉(zhuǎn)變?yōu)檎齼r( NO2-)和正五價( N03-)。但這只是改變了氮在水中的化臺態(tài)，并沒有降低水中氮的含量，這對于防止水體富營養(yǎng)化，并沒有解決根本問題。反硝化作用則是以硝酸鹽為電子受體，以其它有機(jī)物（例如甲醇）為電子給體，使硝酸鹽中的氮逐漸從正五價降到零價，形成氮?dú)鈴膹U水中釋放出來。其還原代謝途徑如圖11-1所示。圖11 -1中的N2、N20均可以作為最終氣體產(chǎn)物釋放，但在廢水處理中，N2是主要?dú)怏w產(chǎn)物。從圖11 -1中可以看出，脫氮過程不需要分子氧，但需要供給反應(yīng)過程所需要的氫。通常的廢水處理系統(tǒng)是為了去除電子給體，而反硝化廢水處理系統(tǒng)是為了去除電子受體。2.生物脫氮動力學(xué)目

3、的在于求出硝酸鹽氮電子受體和有機(jī)物電子給體兩者對微生物比增殖率的關(guān)系，和需氧系統(tǒng)中氧為受體、有機(jī)物為給體的情況類似。不同的是有機(jī)物和硝酸鹽兩種濃度都可能成為微生物增殖率限制因素的情況。對于受兩種底物濃度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：如果有兩種低于飽和濃度的底物存在，那么這兩種底物必將都影響微生物總的比增殖率。雙底物模型有數(shù)種形式，常用的是由兩個單一底物的Monod模型的乘積得來的，稱為“雙Monod模型”(Double Monod Model)： (11-1)式中，K和表示有機(jī)物的飽和常數(shù)和濃度；KN和為硝酸鹽氮(N03-N)的飽和常數(shù)和濃度。利用式(1l1)可以在和的關(guān)系曲線圖上確定

4、出比增殖率的等值線。因為將式（11-1）經(jīng)變換后可得和的關(guān)系式為 (11-2)3.生物脫磷基本原理生物脫磷主要是利用聚磷菌（屬于不動桿菌屬、氣單胞菌屬和假單胞菌屬等）在厭氧條件下釋放磷和在需氧條件下蓄積磷的作用。在厭氧條件下，聚磷菌在分解體內(nèi)聚磷酸鹽的同時產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)，聚磷菌利用ATP以主動運(yùn)輸方式將細(xì)胞外的有機(jī)物攝人細(xì)胞內(nèi)，以聚一羥基丁酸( PHB)及糖原等有機(jī)顆粒的形式存儲在細(xì)胞內(nèi)。聚磷菌在厭氧條件下釋放出的磷，是利用ATP時的水解產(chǎn)物反應(yīng)式如下：ATP+H2OADP+H2PO4 （11-3）應(yīng)當(dāng)說明，這里所謂的厭氧（anaerobic）條件是指既無分子氧也無氧化態(tài)氮(NOx)

5、，以區(qū)別于只無分子氧的厭氧或缺氧（anoxic）條件。在需氧條件下，儲存有有機(jī)物的聚磷菌在有溶解氧和氧化態(tài)氮的條件下進(jìn)行有機(jī)物代謝，同時產(chǎn)生大量的ATP，產(chǎn)生的ATP大部分當(dāng)然是供給細(xì)菌合成和維持生命活動，一部分則用于合成磷酸鹽蓄積在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)。上述釋放和過量吸收磷的過程，可通過圖113形象地描述。圖中Ea為主動運(yùn)輸能量，Em為維持生命活動能量，Es為合成能量，AEp為合成聚合磷的能量。§11.2生物脫氮和脫磷的影響因素 因為采用的是生物影響因素，故此處影響影響因素也就是影響微生物活性的因素。1.溫度生物活性與溫度密切相關(guān)溫度過低，生物處于休眠狀態(tài)，過高則使之變性失活。溫度對硝化與反

6、硝化速率的影響遵從Arrhmius方程，但溫度對反硝化速率的影響與反應(yīng)器類別及硝酸鹽負(fù)荷有關(guān)，附著生長型反應(yīng)器和負(fù)荷低的系統(tǒng)受溫度的影響較小。一般地說，生物脫氨脫磷系統(tǒng)在540溫度范圍內(nèi)都能成功地運(yùn)行。2.pH值與堿度硝酸菌、亞硝酸菌和反硝化菌的最適宜pH值分別是6-07.5，超出這些范圍其活性迅速下降特別是硝化菌對pH值的變化十分敏感因此生物脫氨系統(tǒng)最好是在6.58.0之間運(yùn)行。在硝化反應(yīng)中，理論上每氧化1 g氨氮需消耗堿度7.14g（以CaCO3計），對于一般的廢水，硝化所需堿度往往不夠,必須補(bǔ)充以防止pH值降低。在反硝化過程中，理論上每還原I g的N03-N產(chǎn)生3.5g（以CaC03計）

7、的堿度還可以補(bǔ)充硝化過程消耗的部分堿度。3.溶解氧硝化反應(yīng)必須在需氧下進(jìn)行，一般建議其溶解氧濃度為2.0mg/L。溶解氧濃度既影響消化反應(yīng)速率，也影響其代謝產(chǎn)物。在低溶解氧條件下，亞硝酸化毛桿菌將大量產(chǎn)生N2O等代謝產(chǎn)物。反硝化過程需要較為嚴(yán)格的缺氧條件，溶解氧含量不宜大于0.5 mgL，因為分子態(tài)氧不僅與硝酸鹽競爭電子供體，而且會抑制硝酸鹽還原酶的合成與活性?？刂粕锩摿紫到y(tǒng)中厭氧段的溶解氧濃度不僅影響聚磷菌的釋磷能力及其利用有機(jī)底物合成PHB的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生長消耗有機(jī)底物，使發(fā)酵產(chǎn)酸菌得不到足夠的營養(yǎng)來產(chǎn)生短鏈脂肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生長受到抑制。所

8、以厭氧段的溶解氧濃度應(yīng)控制在0.2mg/L以下。在需氧段，為供給足夠的溶解氧以維持聚磷菌的需氧呼吸，一般溶解氧濃度應(yīng)控制在1.52.5 mgL。4.C/N和C/P值為保證脫氮脫磷效果，脫氮系統(tǒng)的BOD5/TKN應(yīng)在46以上。脫磷系統(tǒng)中進(jìn)水的BOD5/TP至少應(yīng)在l5姒上，一般應(yīng)在2030。5.污泥齡為使脫氮過程中的硝化細(xì)菌能在反應(yīng)器中存活并維持一定的數(shù)量，微生物在反應(yīng)器中的停留耐間，即污泥齡必須大于硝化細(xì)菌的最小世代時間。一般建儀以脫磷為主要目的的系統(tǒng)的污泥齡宜控制在3.57 d。6.廢水水質(zhì)的組成廢水中有機(jī)底物的組成成分，特別是生物可降解性的成分，對生物脫磷系統(tǒng)的性能影響很大。在脫磷系統(tǒng)的厭

9、氧區(qū)，聚磷菌傳輸短鏈揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞并儲存它們合成乙酸鹽。因此要提高脫磷系統(tǒng)的除磷效率，就要提高原水中揮發(fā)性脂肪酸在總有機(jī)底物中的比例，至少應(yīng)提高可迅速降解有機(jī)底物的含量。7.其它影響因素 生物脫氯和脫磷系統(tǒng)都涉及厭氧和缺氧過程，系統(tǒng)中的厭氧區(qū)或缺氧區(qū)不需要供氧，但使污泥處于懸浮態(tài)（懸浮生長系統(tǒng)）的攪拌是必需的。此外，因為是和用微生物脫氮和脫磷，所以廢水中不能含超過容許的有毒有害物質(zhì)。§11.3 生物脫氮系統(tǒng)1.基本流程圖11-4為生物脫氮系統(tǒng)的基本流程，主要包括六個組成部分。缺氧反應(yīng)器是脫氮的主體，細(xì)菌在這里以外加的有機(jī)物作為電子給體，以硝酸鹽氮作為電子受體將氮去除。需氧反應(yīng)器

10、的作用有三：一是吹脫水中氮?dú)?，以防沉淀池污泥上?。欢窃谛柩鯒l件下去除水中剩余的有機(jī)物，以提高出水水質(zhì)；三是提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中產(chǎn)生脫氮作用。從需氧反應(yīng)器回流混合液是為提高脫氮效率和出水水質(zhì)，這種回流設(shè)備不是非設(shè)不可的。沉淀池的作用及污泥回流設(shè)備的作用和通常的廢水生物處理系統(tǒng)一樣，在活性污泥法的脫氮系統(tǒng)中是必需的，在生物膜的脫氮系統(tǒng)中，則并非是必需的。有機(jī)物投加設(shè)備是脫氯系統(tǒng)中特有的，目的是提供足夠的電子給體。圖l 1 -4所示的脫氮系統(tǒng)常簡稱為A/O脫氮系統(tǒng)，因為它是缺氧( anoxic)反應(yīng)器和需氧(oxic)反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)。2.活性污泥脫氮系統(tǒng)（1）基本方程式活性污泥法

11、脫氮系統(tǒng)的基本方程式理論上可由Monod模型式導(dǎo)出在無回流的CSTR脫離（缺氧）反應(yīng)器中，對于硝酸鹽氮可列出物料衡算方程： （11-4）式中Q為流量；v為脫氮反應(yīng)器容積；Yb為細(xì)菌衰減時釋放電子而還原硝酸鹽氮的系數(shù)，單位為mg衰減細(xì)胞/mgNO3- -N。如果細(xì)菌衰減時只用N03- -N為電子受體，則Yb=2.86/，為細(xì)菌衰減時的氧當(dāng)量，在脫氮中，常取為1.25 mgO2/mg;細(xì)菌。由前面學(xué)的和本章代入上式整理得 （11-5）再進(jìn)行整理得 (11-6)式中：A=GHYG, B=KNF+InG+YGH(KF-iG), D=KF(iN-YGiH+KN) 以及 ， ， 在脫氮系統(tǒng)中一個重要參數(shù)是

12、還原每單位NO3N量所需要的有機(jī)物（TbOD）量，此值由前面的學(xué)習(xí)可直接得到 (11-7) 脫氮系統(tǒng)的污泥齡可推出為 (11-8)這些從理論上推出的公式較為復(fù)雜，實際應(yīng)用應(yīng)簡化。因有機(jī)物一般過量加入故其一般不會成為脫氮反應(yīng)的速率限制性因素，即可簡化為單一底物限制的模型。對于有回流的CSTR型脫氮反應(yīng)器，可對N03- -N列物料衡算方程： (11-9) 式中R為回流比當(dāng)用甲醇（CH3OH）作電子給體時，活性污泥脫氮系統(tǒng)中的污泥濃度增量X和甲醇濃度可按下式計算： (11-10) (11-11)式中和分別為進(jìn)水中N03- -N和溶解氧的濃度。（2）活性污泥脫氮系統(tǒng)的設(shè)計目前生產(chǎn)性實例還比較少，多半為

13、試驗裝置。脫氮細(xì)菌活動的最佳pH為6.57.5，最佳溫度為2530。從試驗得典型數(shù)值如表11-1。表11-1 硝化脫氮活性污泥處理系統(tǒng)的典型參數(shù)工藝過程污泥回流比R脫氮效率/%pH硝化10200.53100020000.51.080907.48.6脫氮150.22100020000.51.06.57.03.生物膜法脫氮系統(tǒng)目前研究較多的是生物膜脫氮反應(yīng)器是填充床和硫化床。這些方法的基本流程與活性污泥法類似，只是不需要回流污泥。填充床不需要回流廢水，但需要用處理后出水反沖洗，而流化床則需回流廢水不需要反沖洗。4.脫氮系統(tǒng)的開發(fā)與各類脫氮工藝的比較 在脫氮系統(tǒng)中，為了提供電子給體必須向水中投加有機(jī)

14、物碳源。但大多數(shù)可作為碳源的有機(jī)物價格昂貴。因此目前的開發(fā)方向是發(fā)展在不投加外來碳源的條件下進(jìn)行脫氯的工藝。具體做法是將廢水中有機(jī)碳的氧化一硝化一脫氮過程結(jié)合在一起形成一種工藝過程，如圖11 -7、圖l1 -8所示。圖11-8為廢水中有機(jī)碳源和污泥內(nèi)源代謝碳源循序利用的脫氮工藝，它是由Bamard開發(fā)的，簡稱“Bardenpho”法。在各種脫氮處理系統(tǒng)中，每種工藝都有其各自的優(yōu)缺點，表11-2列出各種工藝的一般比較。表11-2 生物脫氮系統(tǒng)處理比較系統(tǒng)類型優(yōu)點缺點投加甲醇的活性污泥脫氮法（進(jìn)水先經(jīng)硝化）脫氮速率快；構(gòu)筑物伴積小；性能較穩(wěn)定；除氮效率高；系統(tǒng)中各處理程序相互干擾小；對處理序列的選

15、擇幾乎沒有限制需消耗甲醇；性能與沉淀池運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)；完成硝化脫氮處理所需單元過程較多投加甲醇的生物膜脫離法（進(jìn)水先經(jīng)硝化）脫氮速率快；構(gòu)筑物體積小；性能穩(wěn)定，且與沉淀池運(yùn)行狀態(tài)無關(guān)；除氮效率高；系統(tǒng)中處理單元方法間相互干擾?。粚μ幚硇蛄械倪x擇幾乎沒有限制需消耗甲醇；完成硝化脫氮處理所需單元過程較多有機(jī)碳氧化硝化脫氮循序處理系統(tǒng)（利用內(nèi)源代謝碳源和活性污泥系統(tǒng)）不消化甲醇；所需單元方法少脫氮速率慢；構(gòu)筑物體積大；除氮效率低；性能與沉淀池運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)；同時脫氮、除磷時，處理序列選擇受限制；硝化和脫氮過程相互干擾大；對硝化菌中毒無保護(hù)措施有機(jī)碳氧化硝化脫氮循序處理系統(tǒng)（利用廢水中的有機(jī)碳和活性污泥法

16、）不消化甲醇；所需單元方法少除與利用內(nèi)源代謝碳源和活性污泥系統(tǒng)具有相同的缺點外，還可能出現(xiàn)污泥膨脹§11.4 生物脫磷系統(tǒng)1.厭氧需氧活性污泥法脫磷系統(tǒng)厭氧需氧活性污泥法脫磷系統(tǒng)常簡稱為A/O（anaerbic/0xic）脫磷法，它與A/O脫氮法的區(qū)別主要是，前者既不能有溶解氧也不能有氧化態(tài)氮，后者則只要無分子氧即可，所以，往往將后者稱缺氧。 厭氧需氧活性污泥脫磷的流程如圖11 -9所示。在厭氧池中，依靠聚磷菌的代謝而釋放出磷，同時廢水中的BOD也減少。在需氧反應(yīng)器中，聚磷菌進(jìn)行需氧呼吸在氧化BOD的同時將磷以聚合磷酸鹽的形式蓄積在聚磷菌體內(nèi)。BOD和磷在厭氧反應(yīng)器和需氣反應(yīng)器的變化

17、情況如圖1l- 10所示。根據(jù)Fuhs和Buchan的研究，在厭氧需氧活性污泥法脫磷中，異養(yǎng)菌的48%-63%為聚磷菌，這說明厭氧池對細(xì)菌起了篩選作用。厭氧需氧活性污泥脫磷系統(tǒng)的運(yùn)行條件是：（1）需氧反應(yīng)器中的溶船氧應(yīng)維持在2 mg/L以上。聚磷菌對磷酸的吸收和釋放是可逆的，其控制因素是溶解氧濃度。溶解氧高易于吸收，低則易于釋放。 (2) pH值應(yīng)控制在78之間。Levin研究了pH值對聚磷菌吸收磷酸的影響：當(dāng)pH值為6以下時，混合液中的磷酸在l小時內(nèi)急劇增加；當(dāng)pH值為7-8時，磷酸減少；pH值為9時雖也減少，但減少的比例比pH為78時要小些。(3)原水中的BOD5濃度應(yīng)在50 mg/L以上

18、。Levin還研究了廢水中有機(jī)物對聚磷菌吸收磷酸的影響，發(fā)現(xiàn)向廢水中投加有機(jī)物可提高吸收率。因此廢水中的有機(jī)物必須保證有一定的濃度。 (4)其它條件主要是因為聚磷菌吸收磷可逆，所以需氧池曝氣時間不能過長；污泥在沉淀池中停留時間應(yīng)盡可能短等。 表11-3列出了一些厭氧需氧活性污泥法脫磷的數(shù)據(jù)。表11-3 A/O法應(yīng)用實例實例運(yùn)行條件進(jìn)水/出水 水質(zhì)/mgL-1污泥含磷/%規(guī)模處理水量m3/d停留時間/h厭氧池+需氧池BODPTN以MLSS計以MLVSS計11.2+2.1110/108.4/0.95生產(chǎn)性11400227101.8+3.247/5.93.8/0.732.7/28.744.76.1中試50329901.0+3.0180/45.2/0.35.2/0.344.7中試5428003.0+3.0130/273.6/0.73.6/0.73中試362.其他生物脫磷系統(tǒng)其它生物脫磷系統(tǒng)都是以A/O系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。例如在上述的“Barde