1、污水生物脱氮除磷的原理与工艺设计污水生物脱氮除磷的原理与工艺设计v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 氮在水体中的存在形态氮在水体中的存在形态蛋白质 (C, O, N, H, N=1518%)多肽氨基酸尿素CO(NH2)2其他(硝基、胺及铵类化合物)COOHHR CNH2氨氮(NH3-N, NH4+-N)亚硝态氮(NO2- -N)硝态氮(NO3-N)v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 氮在水体中的存在形态氮在水体中的存在形态氨氮(NH3-N, NH4+-N)亚硝态氮(NO2- -N)硝态氮(NO3-N)凯氏氮凯氏氮 (TKN) = = 有机氮有机氮 + + 氨氮氨氮水污染控制中经常提到的几个术语
2、水污染控制中经常提到的几个术语TN = TKN + NOx-Nv生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(氨化作用)氨化菌NH4+-N(亚硝化作用)NO2-N亚硝酸菌+O2(亚硝化作用)NO2-N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N反硝化菌+ 有机碳(反硝化作用)N2反硝化菌+ 有机碳(反硝化作用)N2v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u 氨化作用氨化作用(Ammonification)氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。有机氮(氨化作用)氨化菌NH
3、4+-Nv生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u 硝化作用硝化作用(Nitrification)氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：55NH4+76O2+109HCO3- C5H7NO2+54NO2-+57H2O+104H2CO3400NO2-+NH4+4H2CO3+HCO3-+195O2 C5H7NO2+3H2O+400NO3-NH4+1.83O2+1.98HCO3- 0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u 硝化作用硝化作用(Nitrification)氨氮和亚硝
4、酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：NH4+1.83O2+1.98HCO3- 0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为： 245 . 1 ONH HOHNO222 (1-4) 225 . 0 ONO 3NO (1-5) 总反应式为： 242ONH OHHNO232 (1-6) 亚硝酸菌 硝酸菌 硝化细菌 v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u 硝化作用硝化作用(Nitrification)1.每氧化1gNH4+-N为NO3-N需要消耗碱度7.14g(以Ca
5、CO3计)(100/14=7.14) 注：每氧化14gNH4+-N为NO3-N，产生2molH+，需要1mol的CaCO3(分子量为100)来中和。2.不计细菌增值，每氧化1gNH4+-N为NO3-N，共需氧。242ONH OHHNO232 (1-6) 硝化细菌 碱度是指水中能够接受H+离子的物质含量，即CO32-、HCO3-、OH-及弱酸盐类的总和。 亚硝酸菌和硝酸菌 项目亚硝酸菌硝酸菌异养菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸1.01.5m0.51.0m革兰氏染色阴性阴性世代周期(h)83612592.318.69自养性专性专性异养需氧性严格好氧严格好氧最大比生长速率m(h-1)0.040
6、.080.020.060.080.3产率系数Y(mg细胞/mg基质)0.040.130.020.070.40.8饱和常数KS(mg/L)0.63.60.31.7251001gNH4+-N1gNO3-N消耗碱度(以CaCO3计)需要氧v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u 硝化作用硝化作用(Nitrification)20222022年年4 4月月1717日日v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u缺氧反硝化过程缺氧反硝化过程NO3-NNO2-NNON2ON2通常反硝化菌群优先选择分子氧而不是硝酸盐为电子受体，但如果无分子态氧存在，则利用硝酸盐进行无氧呼吸。 p 反硝化细菌大量存在于污水处理系统中
7、。p 反硝化细菌是兼性细菌20222022年年4 4月月1717日日v生物脱氮基本原理生物脱氮基本原理 u缺氧反硝化过程缺氧反硝化过程生物反硝化的总反应式如下： q由第一式计算，转化1g NO2-N为N2时，需要有机物(以BOD表示) 316/(214)=1.71。q由第二式计算，转化1g NO3-N为N2时，需要有机物(以BOD表示) 516/(214)=2.86。q还原1gNO2-N或NO3-N均可产生碱度(以CaCO3计) (50/14)，硝化过程中消耗的碱度有近50%得到回收。 2H+OH2O1molH=0.5molO(以BOD表示)v生物除磷基本原理生物除磷基本原理 聚磷酸是一种高能
8、化合物，水解时能放出能量。因此，在厌氧池中聚磷菌利用这部分能量摄取有机物并放出水解产生的磷酸，结果厌氧池中的磷浓度上升。同时，废水中的有机物因被聚磷菌摄取而减少。但聚磷酸水解放出的能量还达不到菌体增殖所需的能量，所以摄取的有机物只能变成细胞内暂时贮存积蓄物质。到了好氧池，聚磷菌将体内积蓄的有机物通过好氧呼吸氧化分解，合成ATP，用这部分能量进行菌体的增殖和合成聚磷酸。由于其摄取合成聚磷酸的磷量比厌氧时放出的多，因此废水中的磷被不断净化。v生物除磷基本原理生物除磷基本原理 有试验资料表明，厌氧状态下每释放有试验资料表明，厌氧状态下每释放1mg磷，进入好氧磷，进入好氧状态后就可吸收状态后就可吸收2
9、.0一一2.4mg磷。细胞内吸收了大量磷的磷。细胞内吸收了大量磷的高磷污泥最后以剩余污泥的形式排出系统，从而完成除高磷污泥最后以剩余污泥的形式排出系统，从而完成除磷过程。磷过程。厌氧条件下，因废水中没有DO和缺乏硝态氮，一般无聚磷能力的好氧菌及反硝化细菌不能产生ATP，故这类细菌不能摄取细胞外的有机物合成菌体。 聚磷菌(polyphosphate accumulation organisms，PAOs) 是指具有聚磷能力的一类细菌v生物除磷基本原理生物除磷基本原理 |聚磷菌厌氧释磷过程聚磷菌厌氧释磷过程 简单有简单有机底物机底物+ADP+磷酸盐磷酸盐+ 能量能量ATP分解分解多聚磷酸盐多聚磷酸
10、盐聚磷菌细胞聚磷菌细胞合成合成胞内碳源胞内碳源PHB大分子有机物大分子有机物发酵发酵聚磷菌细胞聚磷菌细胞分解分解|聚磷菌好氧吸磷过程聚磷菌好氧吸磷过程 简单有机底物简单有机底物胞内碳源胞内碳源PHBO2CO2+H2O+生物氧化生物氧化能量能量磷酸盐磷酸盐ATP核酸核酸多聚磷酸盐多聚磷酸盐聚磷菌细胞聚磷菌细胞合成合成TCA循环循环v生物除磷基本原理生物除磷基本原理 GlycogenPoly-PPO43ATPNADH2PHBHAcGlycogenPoly-PPHBATPNADH2PHBPPGlyPO43H2O/N2O2/ NO3增长厌氧条件(释磷) 好氧(缺氧)条件(吸磷)Hac乙酸(COD)；G
11、lycogen或Gly糖原；Poly-P或PP多聚磷酸盐；PHB聚-羟基丁酸盐；ATP三磷酸腺苷；NADH2烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶)生物除磷就是利用PAOs，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷(luxury uptake)，并将其以聚合形态贮存在体内，形成高磷污泥而排出系统，以达到污水除磷的效果。kJOHHNOONH61922322223kJHNOOHNO20122322(1)(2)参与(1)的主要为亚硝酸单胞菌属；参与(2)的主要是硝化杆菌属；在生理浓度条件下，NH4+氧化为NO2产生的能量为242.8351.7kJ/mol，所产生的能量亚硝酸菌可以利用5%14%。NO2氧化为NO3产
12、能量为64.587.5kJ/mol，硝酸菌的能量利用率为5%10% 。v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法由于硝化反应释能少，为了合成细胞物质，细菌不得不大量氧化氨，试验测得的异化反应消耗的N与同化合成的N之比约为460:1。正是由于这个原因，硝化菌的增殖与其它细菌相比是非常缓慢的，需要较长的污泥龄。 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法kJOHCOOOHC28766662226126好氧微生物每氧化分解1mol 葡萄糖分子可生成38molATP，共有3831.4=1193kJ的能量转变为ATP。好氧微生物能量的利用率为：1193/2876=41.5%硝化过程一般出现在泥龄
13、较长的活性污泥系统中，硝酸盐是这类活性污泥系统出水中的主要形式。曝气池 类型 BOD污泥负荷 (kgBOD5/kgMLVSSd) 污泥龄(d) 污泥浓度(mg/L) 污泥回流比(%) 曝气时间(d) 符号 Ns c MLSS MLVSS R t 传统 推流式 0.20.4 515 15003000 12002400 0.250.50 48 阶段 曝气式 0.20.4 515 20003500 16002800 0.250.75 35 吸附 再生式 0.20.6 515 吸附池10003000 再生池400010000 吸附池 8002400 再生池 32008000 0.251.0 吸附池 0
14、.51.0 再生池 36.0 延时 曝气式 0.050.15 2030 30006000 24004800 0.751.50 203648 传统完全 混合式 0.20.6 515 30006000 24004800 0.251.0 高负荷活 性污泥过程 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学 式中：n硝化菌比生长速率，d1；nm一硝化菌最大比生长速率，d1；Na氨氮的浓度，gm3；Kn硝化作用中半速率常数，gm3；ananmnNKN20时：时：nm0.250.77d1；Kn = 0.52.0gm3；为何Na是氨氮的浓度，而不是亚硝酸盐的浓度？生物硝化反应的动力学模型可用M
15、onod公式表示:v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法kJOHHNOONH61922322223kJHNOOHNO20122322(1)(2)由于NH4+-N氧化为NO2-N时产生的能量，大约为NO2-N氧化为NO3-N时所产生能量的45倍。因此要想获得相同的能量，所氧化的NO2-N也必须相当于氧化NH4+-N的45倍。所以，在稳态条件下，生物处理系统内不会产生NO2-N的积累。由于亚硝化反应和硝化反应Monod方程中的饱和常数KN都小于1mg/L(温度20)，所以硝化反应中的速度限制步骤是亚硝化菌将NH4+-N氧化为NO2-N的过程。 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法
16、硝化反应动力学 1970s，Downing提出： ananmnNKN)15(098. 0)(47. 0TTnme0.4715时，亚硝酸菌最大比生长速率（d-1） 环境因素对动力学的影响环境因素对动力学的影响 (1)温度： 158.1051.0)(10TTnKv有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学 ananmnNKN环境因素对动力学的影响环境因素对动力学的影响 (1)温度： (2)pH： 1970s，Downing提出，当pH值小于7.2时 ： )2 . 7(833. 01 )(maxpHnnv有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法环境因素对动力学的影响环境因素对动力
17、学的影响 (1)温度： (2)pH： (3)DO： 大多数研究者认为，利用Monod关系式能够充分表达氧对硝化率的影响 OOOnnSKSmax)(SODO（mg/L）KO氧的半速常数（mg/L） KO=0.252.46mg/L，美国EPA建议取1.3mg/L。 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学 ananmnNKN)2 . 7(833. 01 1047. 0158. 1051. 0)15(098. 0pHSKSNNeOOOaTaTnpH=7.2时： OOOaTaTnSKSNNe158. 1051. 0)15(098. 01047. 0硝化反应动力学 ananmnNKN
18、硝化反应动力学 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法ducKXdtdSY/1XKdtdSYdtdXdug微生物增长基本方程微生物增长基本方程 dugKXdtdSYXdtdX)/()/(SKSXdtdXSgmax)/(c11cv有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法1cananmnNKN硝化反应动力学 异养菌的细胞产量要比硝化菌高得多。这样，如果异养菌的生长率（h）比硝化菌的生长率（n）高得多的话，硝化菌就会从系统中冲洗出去。因此，要想维持一个硝化系统，就必须使： hn有硝化功能的活性污泥法，设计污泥停留时间： nmcdc1cd设计污泥停留时间（d） cm在设计环境条件下硝化所需
19、最小污泥停留时间（d） v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法，设计污泥停留时间： nmcdc1cd到底如何取值？ 劳伦斯麦卡蒂(Lawrence-Mc Carty)(Lawrence-Mc Carty)在硝化系统的设计中使用了安全系数（S.F.）这个概念，安全系数的确定方法是： mcdcFS.安全系数（S.F.）一般取1.53nmcdc1)32()32(v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学应用实例硝化反应动力学应用实例 设计每天能处理3785m3污水的氧化沟，污水水质如下： 例题1 BOD5160mgL，TSS200 mgL，TKN30m
20、g/L，碱度350 mgL（以CaCO3计），最低温度14BOD520mgL，TSS20mgL，NH3-N=8mg/L；要求出水水质v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法例题1 在进行这一设计时，要作某些假设： (1)忽略用于合成的那一部分总氮，假设去除的总氮都被氧化。 (2)假设安全系数为3.0，以应付高峰流量。 (3)假设氧化沟中的溶解氧为2.0mg/L。第一步：首先要检查是否存在着足以维持pH值的碱度。假设全部进水的总氮（TKN）都被氧化，则所需碱度为：所需碱度30mg（TKN）L7.14214mg/L(CaCO3) 残余碱度=350mgL-214mgL136mgL(CaCO3)
21、 一般地，残余碱度在100mg/L（以CaCO3 计）时，可使pH维持在7.2以上。 例题1 第二步：计算14、DO2.0mg/L，且pH7.2时的亚硝化单胞菌的n： OOOaTaTnSKSNNe158. 1051. 0)15(098. 01047. 0根据出水水质要求Na=8.0mg/L，取KO=1.3假定好氧区(池)混合液进入二次沉淀池后不发生硝化反应，则好氧区(池)氨氮浓度与二次沉淀池出水氨氮浓度相等。247. 023 . 12810847. 0158. 114051. 0)1514(098. 0ane例题1 第三步：计算设计污泥龄：)(05. 4247. 011dnmc安全系数为3.0
22、)(2 .1205. 433dmcdc第四步：计算曝气池体积V：)1 ()(0CdVeCKXSSQYV影响硝化反应的环境因素 (1)温度在535范围内，随着温度的升高，硝化反应速率增加。温度低于15即发现硝化速度急剧下降。低温运行时，延长泥龄，并将好氧池的DO维持在4.0mg/L，系统也可达到较好的硝化效果 。(2) DO 一般建议硝化反应中DO浓度大于2mg/L。 影响硝化反应的环境因素 v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法(3) pH 影响硝化反应的环境因素 在pH值 7.08.0范围内，pH值变化对活性污泥硝化速率的影响甚少。当pH值降到5.05.5时，硝化反应几乎停止。生物脱
23、氮的硝化阶段，通常控制pH值为7.28.0。 (4) C/N 研究表明，有机物对于硝化菌的影响并非是具有毒害作用，更为可能的是有机物的存在刺激了异养菌迅速生长，从而与硝化菌争夺DO、氨氮和微量营养物质，使得硝化菌群生长受到限制，而有机物本身并不直接影响硝化菌的生长和硝化作用 一般认为处理系统的BOD负荷小于0.15gBOD5/gMLSSd时，处理系统的硝化反应才能正常进行。 硝化段中含碳有机基质浓度与总氮(TKN)的比例将直接影响活性污泥中硝化菌所占的比例.BOD5/TKN与活性污泥中硝化细菌含量的关系摘自马文漪、杨柳燕,环境微生物工程.南京大学出版社,1998年影响硝化反应的环境因素 (5)
24、 污泥龄影响硝化反应的环境因素 理论上，污泥龄大于3d就可获得满意的硝化效果，但实际脱氮系统所需的污泥龄通常要有1025d，脱氮率才不受污泥龄的影响。 (6) 有毒物质重金属、酚、硫脲及其衍生物、高浓度的NH4+-N、高浓度的NO2-N。一般NH4+-N 200mg/L, 最高400 mg/L；NO2-N 100mg/L;丙烯基硫脲可以抑制抑制亚硝化菌活性。抑制浓度5mg/L好氧好氧BODBOD氧化，硝化氧化，硝化SRTSRT15d15dBODTKN 曝气池曝气池 污泥回流污泥回流 排泥排泥 低低BOD低低NH4+高高NO3-单污泥系统单污泥系统v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法双
25、污泥系统双污泥系统好氧好氧BODBOD氧化氧化SRT=SRT=约约5d 5d BODTKN 曝气池曝气池 污泥回流污泥回流 SRT15d硝化硝化 低低BOD高高NH4+曝气池曝气池 污泥回流污泥回流 排泥排泥排泥排泥低低BOD低低NH4+高高NO3-v有硝化功能的活性污泥法有硝化功能的活性污泥法BNR工艺 BNR=biological nutrient removal 生物法去除营养盐生物法去除营养盐BNR工艺 生物脱氮工艺 生物除磷工艺 生物脱氮除磷工艺 v污水生物脱氮除磷工艺污水生物脱氮除磷工艺vBNR工艺工艺 生物脱氮工艺 有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(氨化作用)氨化菌NH4+-
26、N(亚硝化作用)NO2-N亚硝酸菌+O2(亚硝化作用)NO2-N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N反硝化菌+ 有机碳(反硝化作用)N2反硝化菌+ 有机碳(反硝化作用)N2BNR工艺 生物脱氮工艺 环境因素微生物对生化环境的要求工程参数温度20351535 溶解氧0.2mg/L0.5mg/LpH7.08.57.38.535BOD/TKN46COD/TKN79BOD/TKN4有毒物质Ni0.5mg/L NO2-N 30mg/L影响生物反硝化的环境因素 BNR工艺 生物脱氮工艺 碳源不足时应补充，甲醇和乙酸盐是被广泛应用的外加碳源。脱氮效率 COD/T
27、KN BOD5/ NH4+-N BOD5/TKN 差 5 4 9 8 5 生物脱氮效率与进水C/N之间的关系 生物反硝化的总反应式如下： q由第一式计算，转化1g NO2-N为N2时，需要有机物(以BOD表示) 316/(214)=1.71。q由第二式计算，转化1g NO3-N为N2时，需要有机物(以BOD表示) 516/(214)=2.86BNR工艺 生物脱氮工艺 2H+OH2O1molH=0.5molO(以BOD表示)BNR工艺 生物脱氮工艺 反硝化过程中需要的有机物总量可按下式估算：C=2.86NO3-N+1.71NO2-N+DO式中： C 反硝化需要的有机物总量， 按BOD5计(mg/
28、L)； NO3-N污水中硝态氮的浓度（mg/L)； NO2-N污水中亚硝态氮的浓度mg/L)； DO污水中溶解氧的浓度（mg/L)。BNR工艺 生物脱氮工艺 生物脱氮工艺悬浮污泥系统(Suspended System)膜法系统(Attached System)BNR工艺 生物脱氮工艺 生物脱氮工艺多级污泥系统单级污泥系统三级二级A/O,氧化沟，SBR多级污泥系统生物脱氮工艺曝气池 （去除 BOD） 沉淀池 硝化池 （硝化） 反硝化反应器 原污水 处理水 碱 回流污泥 回流污泥 回流污泥 剩余污泥 剩余污泥 剩余污泥 CH3OH 注：虚线表示可引入部分原污水作为碳源 沉淀池 沉淀池 q优点：有机
29、物降解菌、硝化菌和反硝化菌分别在各自反应器内生长繁殖，环境条件适宜，反应速度快而且比较彻底，可以获得相当好的BOD5去除效果和脱氮效果。q缺点：该流程构筑物和设备多，造价高，运行管理复杂，且需要外加碳源，运行费较高，一般应用不多。 两级生物脱氮系统去除 BOD、 氨化、硝化 （硝化） 反硝化反应器 原污水 处理水 回流污泥 回流污泥 剩余污泥 剩余污泥 CH3OH 注：虚线表示可引入部分原污水作为碳源 沉淀池 沉淀池 q主要缺点：该流程仍然较复杂，出水有机物浓度也不能保证十分理想。 单级污泥系统生物脱氮工艺q主要缺点：要取得满意的脱氮效果，必须保证足够大的混合液回流比，通常在14倍的进水流量，
30、这势必增加运行费用 沉淀池 回流污泥 剩余污泥 出水 进水 缺氧池 好氧池 混合液回流 缺氧(Anoxic)/好氧(Oxic)脱氮工艺简称A/O脱氮工艺：好氧区 缺氧区 沉淀池 剩余污泥 出水 回流污泥 进水 曝气装置 单级污泥系统生物脱氮工艺q主要缺点：污泥负荷比较低，污泥龄较长，占地面积较大。氧化沟(Oxidation Ditch)生物脱氮工艺q主要缺点：占地面积大，设备利用率较低。序批式活性污泥法(Sequencing Batch Activated Sludge Process) 充水期 反应期 沉淀期 排水期 进水 出水 剩余污泥 闲置期 单级污泥系统生物脱氮工艺生物脱氮新工艺短程硝
31、化反硝化工艺短程硝化反硝化工艺(Shortcut Nitrification-Denitrification)有机氮(氨化)氨化菌NH4+-N(亚硝化)NO2-N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(反硝化)NO3-NNO2-NN2NH3-NNO2-NN2短程反硝化短程硝化(碳源)(碳源)实现短程硝化反硝化的关键在于将NH4+的氧化控制在NO2阶段。影响NO2积累的主要因素有温度、pH、游离氨(Free Ammonium，简称FA)、DO、游离羟胺(FH)以及水力负荷、有害物质和污泥泥龄等。 短程硝化反硝化工艺短程硝化反硝化工艺(Shortcut Nitrification-Denitrificatio
32、n)短程硝化反硝化优点：硝化阶段可减少25%左右的需氧量；反硝化阶段可减少40%左右的有机碳源；反应时间缩短，反应器容积可减小30%40%左右；具有较高的反硝化速率(NO2的反硝化速率通常比NO3的高63%左右)；污泥产量降低(硝化过程可少产污泥33%35%左右，反硝化过程中可少产污泥55左右)；(6)减少了投碱量等。 生物脱氮新工艺厌氧氨氧化厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺工艺(ANaerobic AMMonium OXidation) NH4+ NH2OH N2H4 N2H2 N2 NO2- NO3- 2H 2H SHARON (活性污泥) NH4+ NO2- ANAMMOX (生物膜)
33、NH4+ +NO2- N2 NH4+ +NO2? 出水 进水 NH4+ SHARONANAMMOX组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景，成为当前生物脱氮领域内的一个研究重点。生物脱氮新工艺参数 SHARONANAMMOX组合工艺 传统生物脱氮工艺 耗氧量(kgO2/kg NH4+-N) 1.9 3.45 反硝化过程BOD 消耗量 (kgBOD/ kg NH4+-N) 0 1.7 污泥产量(kgVSS/ kg NH4+-N) 0.08 1 生物脱氮新工艺SHARON反应器1组；19.5 m，H=5.75 m，流量为550 m 3
34、/d，水力停留时间为3 d，好氧停留时间为24 h，温度为35 ，pH为77.2，溶解氧浓度为1.5 mg/L。ANAMMOX反应器1组；2.2 m，H=18 m(V=70 m3)，流量为550 m3/d，水力停留时间为3 h，设计负荷为800 kgN/d，温度为35 ，pH为7.5。 SHARONANAMMOX荷兰鹿特丹DOKHAVEN市政污水处理厂同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称简称SND)同步硝化反硝化现象，就是硝化反应和反硝化反应在同一反应器中、相同操作条件下同时发生。与传统的脱氮
35、工艺相比，SND工艺从理论上具有明显的优越性，主要表现在：工艺流程简单、反应器体积小；反硝化反应产生的碱度可及时补充部分硝化反应所消耗的碱度；缩短反应时间。 生物脱氮新工艺同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称简称SND)生物脱氮新工艺宏观环境解释认为：由于生物反应器的混合形态不均，可在生物反应器内形成缺氧及(或)厌氧段，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。 对SND生物脱氮的机理还需进一步地加深认识与了解，但已初步形成了三种解释：即宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。 微环境理论则是从物理学
36、角度加以解释的，目前已被普遍接受。 同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称简称SND)生物脱氮新工艺微环境理论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生DO梯度从而导致微环境的SND BOD NH4+ O2 NO3- 缺氧区 好氧区 扩散层 主体液相 浓度 微生物絮体的外表面DO较高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优势。 同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrific
37、ation，简称简称SND)生物脱氮新工艺生物学的解释有别于传统理论。近年来，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点。对于好氧反硝化、异养硝化、自养反硝化的现象，近年来生物学的发展已经可以给出令人比较满意的答案。由于许多好氧反硝化菌如Thiosphaera pantotropha、Pseudamonas Spp.、Alcaligenes faecalis等同时也是异养硝化菌，能够直接把NH4+转化为最终气态产物而逸出，因此，同时硝化反硝化生物脱氮也就成为可能。 BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) 通过生物途径去除废水中磷
38、的过程称为生物除磷。采用投加铝盐或铁盐去除废水中磷的过程称为化学沉淀除磷。 生物除磷法的优点：（1）降低化学药品费用；（2）减少污泥产量； 生物除磷需要以下几个条件：（1）存在聚磷菌；（2）有厌氧区和好氧区；（3）存在易生物降解物质和相当高浓度的磷 生物除磷(Biological Phosphorus Removal)BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) BNR工艺 BODTNTP 厌氧池厌氧池 生物体合成生物体合成及衰减；及衰减；PHB利用并利用并过量吸磷；过量吸磷；高高PO43-好氧池好氧池 污泥回流污泥回流 富磷富磷污泥污泥排放排放低低BOD低低TP高高NH3-N聚磷水解，聚磷水解，释
39、磷；释磷；PHB内部贮内部贮存；存； 将磷从水中转移至泥中；通过排放富磷污泥从系统中除磷。 产酸菌产酸菌PAOs异养菌异养菌(PAOs占占48%63%)生物除磷工艺(BPR工艺) BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) 正磷 SBOD 厌氧区 好氧区 时间浓度BPR工艺中BOD及磷的去除 BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) HRT=3+4=7h完成生物除磷过程. BNR工艺 在常规活性污泥系统中，微生物正常生长时活性污泥含磷量一般为干重的1.5%2.3%，一般按2%计算。C60H87O23N12P (31/1374=2.26%)生物除磷工艺中剩余污泥的含磷量达到污泥干重的3%7%。 PAO
40、s的聚磷酸盐含量最高为50%，相当于15%20%的含磷量。 污泥种类磷含量普通污泥2%富磷污泥3%7%PAOs15%20%生物除磷工艺(BPR工艺) 富磷污泥(PAOs占48%63%)BNR工艺 BODTNTP 厌氧池厌氧池 高高PO43-好氧池好氧池 污泥回流污泥回流 富磷污泥富磷污泥低低BOD低低TP高高NH3-N厌氧(Anaerobic)/好氧(Oxic)除磷工艺(A/O除磷工艺) 生物除磷工艺(BPR工艺) BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) 沉淀池 回流污泥 剩余污泥 出水 进水 厌氧池 好氧池 主要特点：负荷高、泥龄短、HRT短，污泥产率高。为了保证良好的生物除磷效果，该工艺一
41、般控制在不发生硝化作用。BOD去除率大致与一般的活性污泥法系统相同。处理水中磷的含量一般都低于1mg/L。 BNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) 影响生物除磷的主要因素环境因素微生物对生化环境的要求工程参数SRT为防止硝化，泥龄短3.57dpHA段：6.17.5O段：pH6.5A段：6.57.5O段：78DOA段：无DO，无NOx-NO段：DO1.0mg/LA段：DO40:1，BOD5/TP20:1阳离子钾和镁同时需求，缺一不可Mg,K与磷的摩尔比分别为0.71,0.5出水SS出水MLVSS含磷量3%7%尽可能降低SSBNR工艺 生物除磷工艺(BPR工艺) 三种活性污泥法工艺参数对比项目普通
42、曝气A/O脱氮A/O除磷污泥负荷NskgBOD5/(kgMLSSd)0.20.4低:0.050.15高:0.40.7SRT315长:1123短:3.57HRT48长:816A池:0.5338A池:12污泥产率YkgVSS/kgBOD50.40.8低:0.30.6高:0.40.8出水水质低BOD高NH3-N高TP低BOD低NH3-N,低TN高TP低BOD高NH3-N低TPBNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮缺氧池 好氧池 反硝化除碳,硝化生物除磷 厌氧池 好氧池 释磷除碳,过量吸磷生物脱氮除磷 厌氧池 缺氧池 好氧池 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 典型的生物脱氮除磷工艺包括三部分：厌氧区、缺氧
43、区和好氧区。 按空间顺序出现 厌氧-缺氧-好氧缺氧-严氧-好氧A2/O工艺 倒置A2/O工艺 按时间顺序出现 A2/C氧化沟 SBR及其革新工艺 T型氧化沟、Unitank工艺 空间和时间的结合 MSBR工艺 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 缺氧池 好氧池 沉淀池 剩余污泥 出水 进水 混合液回流 回流污泥 厌氧池 A2/O工艺 为反硝化细菌提供硝酸盐。释磷释磷反硝化反硝化除碳，过量吸除碳，过量吸磷，硝化。磷，硝化。泥水分离接种污泥提供VFAs提供碳源排放富排放富磷污泥磷污泥BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 缺氧池 好氧池 沉淀池 剩余污泥 出水 进水 混合液回流 回流污泥 厌氧池 A2/O工艺 N
44、O3N进入厌氧区后，在厌氧区会发生反硝化作用，反硝化菌将夺取聚磷菌所需的有机物而影响厌氧释磷效果。 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 A2/O工艺 NO3N进入厌氧区后，在厌氧区会发生反硝化作用，反硝化菌将夺取聚磷菌所需的有机物而影响厌氧释磷效果。 A2/O工艺的改进 倒置A2/O工艺 改良A2/O工艺 UCT工艺 MUCT工艺 JHB工艺 国内 国外 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 倒置A2/O工艺 进水 缺氧池 污泥回流 7-65 AAnO 脱氮除磷工艺脱氮除磷工艺 厌氧池 好氧池 出水 剩余污泥 沉淀池 75% 25% 主要问题：(1)受进水水质影响较大，当进水VFAs少时，生物除磷效果变差。
45、(2)受污泥回流比的限制，脱氮效率不高。BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 改良A2/O工艺微生物利用10%进水中的有机底物去除回流污泥中的硝态氮，消除硝态氮对后续厌氧池释磷的干扰。 进水 10% 含磷污泥回流 7-66 改良型改良型 AnAO 脱氮除磷工艺脱氮除磷工艺 缺氧池 好氧池 出水 剩余污泥 沉淀池 硝化混合液回流 厌/缺氧调节池 进水 90% 厌氧池 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 UCT工艺 (University of Cape Town，南非开普敦大学研发)回流污泥不是直接进入厌氧池而是先进入缺氧池，这样避免了回流污泥中大量硝酸盐对厌氧池的冲击。 缺氧池 好氧池 沉淀池 剩余污泥 出
46、水 进水 内循环 回流污泥(含NO3?) 厌氧池 内循环 当缺氧池反硝化不彻底时，同样会有硝酸盐进入厌氧池。BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 改良UCT工艺 缺氧池 好氧池 沉淀池 剩余污泥 出水 进水 内循环(含NO3?) 回流污泥(含NO3?) 厌氧池 内循环 缺氧池 将缺氧池分为两部分，前一部分专为消耗回流污泥中的硝酸盐而设，且不受内循环的硝化液的影响，把硝酸盐的不利影响降到最低限度。 需要增加一个混合液回流，且厌氧池内的MLSS亦受此回流比大小的影响。 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 改良UCT工艺 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 JHB工艺 缺氧池 好氧池 沉淀池 剩余污泥 出水 进水 混合
47、液回流 回流污泥(含NO3?) 缺氧池 厌氧池 该工艺最初在南非的约翰内斯堡市(Johannesburg)产生，目的是为了最大限度地提高低浓度污水的生物除磷效果。该工艺中，回流污泥在进入厌氧池前首先进入一缺氧池，在其中停留足够长的时间以去除回流污泥中的硝酸盐。硝酸盐的去除效果主要取决于内源呼吸速率以及硝酸盐浓度。与UCT工艺相比，JHB工艺厌氧池内可维持较高的MLSS浓度，厌氧池HRT约为1h。 三种活性污泥法工艺参数对比项目A/O脱氮A/O除磷A2/O污泥负荷NskgBOD5/(kgMLSSd)低:0.050.15高:0.40.70.10.2SRT长:1123短:3.571020HRT长:8
48、16A池:0.5338A池:12714厌12，缺0.53污泥产率YkgVSS/kgBOD5低:0.30.6高:0.40.80.30.6出水水质低BOD低NH3-N,低TN高TP低BOD高NH3-N低TP低BOD低NH3-N,低TN低TP首先保证脱氮效果，然后才是除磷。为何？首先保证脱氮效果，然后才是除磷。为何？BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 Ana Ano O S 出水 进水 回流污泥 剩余污泥 A2/C氧化沟 不需将混合液提升，可实现硝化液的高回流比(R=400%)，获得较高的脱氮率。节能。 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 A2/C氧化沟 BNR工
49、艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 厌氧-T型氧化沟 Ana 出水 剩余污泥 剩余污泥 回流污泥 回流污泥 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 T型氧化沟运行示意图 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 Orbal氧化沟 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 Orbal氧化沟 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 Orbal氧化沟 第1沟DO：00.3mg/L 第2沟DO：0.51.5mg/L 第3沟DO：23mg/L 23 0.51.5 00.3 BNR工艺 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮除磷氧化沟工艺 外沟道能够发生所
50、特有的同时硝化反硝化作用。即使不设内回流，也能达到较好的脱氮效果。如设置内回流系统，则脱氮率可达95%以上。 外沟道存在大区域的厌氧区，聚磷菌可完成磷的释放。外沟道的供氧量通常是总供氧量的50%左右，但可去除80%以上的BOD。Orbal氧化沟 生物脱氮除磷氧化沟工艺 DE氧化沟 DE氧化沟生物脱氮除磷运行方式 A2/O工艺 的设计方法(2)厌氧池体积的计算24QtVPPVP厌氧区（池）容积（m3） ； tP厌氧区（池）停留时间（h） ，宜为 12； Q设计污水流量（m3/d） 。 (1)判断能否采用A2/O工艺BOD5/TKN4 脱氮要求BOD5/TP17 除磷要求同时满足A2/O工艺 的设
