第四章 废水生物脱氮除磷

二、生物脱氮工艺
（一）活性污泥法脱氮传统工艺 是由Barth开创的所谓3级活性污泥法流程， 包括氨化、硝化、反硝化三项反应过程。
图4-2-2 活性污泥传统脱氮工艺（3级活性污泥 法流程）
图4-2-3 2级活性污泥脱氮系统
图4-2-4
单级活性污泥脱氮系统
三、生物脱氮原理的新认识及 相应工艺
最近的一些研究表明：硝化过程不仅有自养菌 完成，异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在 好氧条件下也可以进行反硝化作用。 理论解释： 1.微环境的存在，是同时硝化反硝化现象的最主 要原因； 2.从微生物发展的角度也提出可能存在的、目前 尚未被认识的微生物菌种（如好氧条件下的反硝化 细菌）能使同时硝化反硝化现象发生。
总反应式： NH4 + 1.86 O2 + 1.982 HCO3 0.982NO3 + 1.044 H2O + 1.881H2CO3 + 0.021C5H7O2N （3） 由（3）可知： 硝化反应消耗碱度和氧气 + - N 为 NO - - N 需消耗 每氧化1mg NH4 3 7.14mg CaCO3, 需氧 4.57 mg
三、生物处理过程中除磷途径小结
研究结果表明，超量除磷主要是生物 作用的结果，但生物超量除磷并不能完全 解释某些条件下出现的除磷性能，生物诱 导的化学除磷可能是生物除磷的补充。在 生物除磷系统中磷的去除可能包括下列5 种途径。
1. 2. 3. 4. 5.
生物超量除磷 污泥含磷量可达3％－7％ 正常磷的同化作用 微生物合成消耗磷 正常液相沉淀 pH 阳离子浓度 加速液相沉淀 生物膜沉淀 细菌反硝化作用使膜内pH 升高，导致磷从液相进入无机相。
硝化过程分为两个阶段： 第一步： 亚硝化菌 氨氮 亚硝酸盐 亚硝化菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸 盐球菌属。 第二步： 硝化菌 亚硝酸盐 硝酸盐 硝化菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球 菌属。
反应式：
NH4+ + 1.382 O2 + 1.982 HCO30.982NO2- + 1.036 H2O + 1.891H2CO3 + 0.018C5H7O2N (1) NO2- + 0.488O2 + 0.01H2CO3 + 0.003HCO3+ 0.003NH4+ NO3- + 0.008H2O + 0.003 C5H7O2N (2)
2.厌氧－好氧除磷工艺
图4-3-2 厌氧－好氧除磷工艺流程
本工艺流程简单，建设和运行费用都较低， 厌氧反应器能够保持良好的厌氧状态。 存在的问题有：由于微生物对磷的吸收有一定 限度，故除磷率难以进一步提高；沉淀池易于 产生磷的释放现象，应及时排泥和回流。
六、同步脱氮除磷工艺
1.巴登福（Bardenpho)同步脱氮除磷 工艺
第二节
废水生物脱氮技术
一、生物脱氮的基本原理 生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成： 硝化作用：氨氮 硝酸盐氮 反硝化作用： 硝酸盐氮 气态氮
图4－2－1
生物脱氮过程示意图
1、硝化反应
硝化反应由两组自养好氧微生物完成： 亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas） 硝酸盐细菌（Nitrobacter） 硝化作用是指由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐氮 的过程。
Bardnard 首先发现了硝化/反硝化过程中除 磷的效果，并最先研究和开发了既能脱氮又 能除磷的污水处理工艺，如Bardenpho工艺
本工艺的主要优点是各项反应都反复进 行两次以上，各反应单元都有其首要功能， 并兼行二、三项功能，脱氮、除磷效果良 好。 存在的问题是工艺复杂，反应器单元多， 运行繁琐，成本高。
+ -
硝化反应的环境条件：
1）好氧条件，并保持一定的碱度。 2）混合液中有机物含量不应过高，BOD5应 在15～20mg/L以下。 3) 适宜温度是20～30℃，15℃时速度下降， 5℃时完全停止。 4）污泥龄必须大于其最小的世代时间。 5）重金属、高浓度的NH4+-N和NOx-－N对硝 化反应有抑制作用。
2. A-A-O法同步脱氮除磷工艺
图4-3-7 A-A-O法同步脱氮除磷工艺流程
本工艺存在问题： 1）脱氮效果难以提高； 2）污泥增长受到一定限度，除磷效果 也不易提高； 3）沉淀池溶解氧含量不宜过高，防止 循环液对缺氧反应器的干扰。
3. 福列德克斯（Phoredox）脱氮 除磷工艺
是巴登福工艺的改进，主要是在第1厌氧 反应器之前再加一厌氧反应器，以强化磷的 释放，从而能够保证在好氧条件下，有更强 的吸收磷的能力，以提高除磷效果。
五、生物除磷工艺
1.福斯特利帕（Phostrip）除磷工艺 它是1972年开发的一种将生物除磷和化学 除磷相结合的一种工艺。
图4-3-1 福斯特利帕除磷工艺流程
本工艺的特点：
1.除磷效果好 处理水磷低于1mg/L 2复杂，建设费用和运行费用高； 沉淀池（Ⅱ）底部可能形成缺氧状态，而释放磷。
缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统 （A / O法）
是于80年代初期开创的工艺流程，其主 80 要特点是将反硝化反应器置放在系统之首， 故又称为“前置式反硝化生物脱氮系统”。
图4-2-5 缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统
系统的特征：
（1）反硝化反应器在前，BOD去除、硝化两 项反应的综合反应器在后； （2）反硝化反应以原废水中的有机物为碳源； （3）硝化液回流； （4）反硝化反应过程产生的碱度可补偿硝化反 应消耗碱度的一半左右； （5）流程简单，不需外加碳源。
四、影响生物除磷过程的因素
磷摄取过程要求充足的氧，放磷 的过程应保持绝对厌氧的条件。 2.污泥龄 一般污泥龄短的系统产生的剩余 污泥量较多，可以取得较高的除磷效果。 3.温度和pH值 5～30℃ pH 6～8 4.BOD负荷 较高的BOD负荷可取得较好 的除磷效果。 5.硝酸氮和亚硝酸氮 抑制磷的释放 1.溶解氧
第四章
废水生物脱氮除磷技术
第一节 水体中的氮及其危害性 第二节 废水生物脱氮技术 第三节 废水生物除磷与同步脱氮除磷技术
第一节 水体中的氮及其危害性
一、存在形式及其来源 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。 1. 有机氮 蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等。 来源：生活污水、 农业废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）、 工业废水（食品加工、印染、制革、食 品加工等）
2、反硝化过程
是指由一群异养微生物，将硝酸盐氮和亚 硝酸盐氮，在无氧或低氧条件下还原转化为 气态氮或氮氧化物的过程。 反硝化细菌包括：假单胞菌属、反硝化杆 菌属、小球菌属、嗜气杆菌属、碱杆菌属等。 反硝化过程中NO2-和NO3-的转化是通过 反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。 其中异化作用去除 的氮占70～75％。
NO2- + 3H(电子供体－有机物） NO3- + 5H(电子供体－有机物）
½ N 2 + H2O+ OH½ N 2 +2H2O+OH-
可见，反硝化过程产生部分碱度，但同时需要有机物，如 果污水中没有足够的有机物，一般投加甲醇。
反硝化反应的影响因素：
1）碳源 2）pH 6.5～7.5 3）溶解氧 0.5mg/L以下 4）温度 20～40℃
1.聚磷菌的磷过量摄取
在好氧条件下，聚磷菌 ADP + H3PO4+ 能量 ATP + H2O
H3PO4的大部分是通过主动输送的方式从外部 环境摄入的，一部分用于合成ATP,另一部分则 用于合成磷酸盐。这一现象就是“磷的过量摄 取”。
2.聚磷菌的放磷
在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP水解，放出 H3PO4和能量，形成ADP,即： ATP + H2O ADP + H3PO4+ 能量
2. 无机氮 氨氮、亚硝态氮和硝态氮。 来源：有机氮的微生物分解 农田排水 工业废水（炼焦、化肥）
二、氮污染的危害
城市污水中的氮主要以氨氮存在。 1. 氨氮消耗水体中的溶解氧。 2. 氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮。 3. 氮化合物对人和生物有毒害作用。 4. 加速水体的“富营养化”过程。
80年代到90年代，通过全面的基础研究及生 产性研究和工程运转经验的总结，污水生物除 磷的理论及技术均获得了重大进展及突破。
二、生物除磷的基本原理
废水中磷的存在形式：磷酸盐（H2PO4- 、 HPO42- 和 PO43-）、聚磷酸盐和有机磷。 生物除磷就是利用聚磷菌(polyphosphate accumulation organisms, PAOs)一类的细菌， 过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并 将其以聚合形态储藏在体内，形成高磷污泥， 排出系统，达到从废水中除磷的效果。
系统的不足之处：
（1）沉淀池如运行不当，池内会产生反硝化反 应，污泥上浮，处理水水质恶化。 （2）系统的脱氮率较低，一般在85％以下。
第三节 废水生物除磷与同步脱 氮除磷技术
一、除磷技术的发展 污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷 现象的发现。 20世纪50年代到60年代初，Srinath等人 在污水处理厂的生产性运行中，观察到生物超 量吸磷的现象。 70年代的研究工作弄清了生物除磷所需的 运行条件，并有意识的将其工程化。