1、基本原理生物脱氮系统生物除磷系统一、概述一、概述 什么是富营养化什么是富营养化？富营养化是指水中的藻类大量繁殖而引起水质恶化，其主要因子是N和P（尤其是P）。措施措施：控制污染源，降低废水中的N、P含量。对城市废水，传统的活性污泥法，对N的去除率只有40%左右，对磷的去除率只有2030%。现代湖沼学也把这一现象当作湖泊演化过程中逐渐衰亡的现代湖沼学也把这一现象当作湖泊演化过程中逐渐衰亡的一种标志。一种标志。（一）水体富营养化类型（一）水体富营养化类型天然富营养化天然富营养化人为富营养化人为富营养化贫营养湖泊与富营养湖泊特征比较贫营养湖泊与富营养湖泊特征比较贫营养湖贫营养湖富营养湖富营养湖营养物
2、质缺乏营养物质缺乏营养物质丰富营养物质丰富浮游藻类稀少浮游藻类稀少浮游藻类较多浮游藻类较多有根植物稀疏有根植物稀疏有根植物茂盛有根植物茂盛湖盆通常较深湖盆通常较深湖盆通常较浅湖盆通常较浅湖底常为砂石砂砾湖底常为砂石砂砾湖底多为淤泥沉积物湖底多为淤泥沉积物水质清澈透亮水质清澈透亮水质混浊发暗水质混浊发暗湖水温度较低湖水温度较低湖水温度较高湖水温度较高特征性鱼类：鲑鱼等特征性鱼类：鲑鱼等特征性鱼类：草、鲤、鲢等特征性鱼类：草、鲤、鲢等对废水作深度处理去除对废水作深度处理去除N N、P P使用化学药剂使用化学药剂排水改道引流排水改道引流打捞藻类打捞藻类改变水体的水文参数（流速、改变水体的水文参数（流
3、速、含水量、温度等）含水量、温度等）引水（不含营养物）引水（不含营养物）进行稀释进行稀释不用含磷洗涤剂不用含磷洗涤剂疏浚底泥疏浚底泥人工曝气人工曝气2.物化法脱氮物化法脱氮1)氨氮的吹脱法氨氮的吹脱法 2)折点加氯法去除氨氮折点加氯法去除氨氮 每mg NH4+-N被氧化为氮气，至少需要7.5mg的氯。3)选择性离子交换法去除氨氮选择性离子交换法去除氨氮 采用斜发沸石作为除氨的离子交换体。3.物化法除磷物化法除磷1)铝盐除磷铝盐除磷 一般用Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2）。2)铁盐除磷铁盐除磷：FePO4 Fe(OH)3 一般用FeCl2、FeSO4 或 FeCl3
4、 Fe2(SO4)33)石灰混凝除磷石灰混凝除磷 向含P污水投加石灰，由于形成OH-，污水的pH值上升，P与Ca2+反应，生成羟磷灰石。二、生物脱氮技术二、生物脱氮技术 1.生物脱氮原理生物脱氮原理 1)定义定义 氨化氨化：污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养微生物氧化分解为氨氮；硝化硝化：由自养型的硝化菌将氨氮转化为NO2-和NO3-；反硝化反硝化：由反硝化菌将NO2-和NO3-还原转化为N2。2.硝化反应（硝化反应（Nitrification）分为两步 第一步第二步 由两组自养型硝化菌分步完成：亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）；硝酸盐细菌（Nitrobacter）。微生物的特
5、点微生物的特点革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；强烈好氧，不能在酸性条件下生长；无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C（CO2或HCO3-）为碳源；化能自养型；生长缓慢，世代时间长。1)硝化反应过程及反应方程式硝化反应过程及反应方程式I.亚硝化反应亚硝化反应 亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH4+-N（113/55/14）；氧化1mg NH4+-N为NO2-N，需氧3.16mg（7632/55/14）；氧化1mg NH4+-N为NO2-N，需消耗7.08mg碱度（以CaCO3计）（10950/55/14）II.硝化反应硝化反应 硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO
6、2-N(113/400/14)氧化1mg NO2-N为NO3N，需氧1.11mg(195*32/400/14)几乎不消耗碱度。III.总反应总反应 总的细菌产率：0.02g/gNO2-N(113/400/14)；氧化1mg 为NO3N，需氧4.27mg(1.86*32/14)；氧化1 mg 为NO3N，需消耗碱度7.07mg(以CaCO3计)。要求：要求：污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致pH值下降，使反应速率减缓或停滞；如果不考虑合成，则：氧化1 mg NH4+-N为NO3N，需氧4.57mg，其中亚硝化反应3.43mg，硝化反应1.14mg，需消耗碱度7.14mg(以CaCO3计)
7、。2)硝化反应的环境条件硝化反应的环境条件 好氧条件(DO不小于1mg/l)，并能保持一定的碱度以维持稳定的pH值(适宜的pH为8.08.4)；进水中的有机物的浓度不宜过高，一般要求BOD5在1520mg/l以下；硝化反应的适宜温度是2030C，15C以下时，硝化反应的速率下降，小于5C时，完全停止；硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为310天)；高浓度的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐、有机物以及重金属离子等都对硝化反应有抑制作用。3.反硝化反应反硝化反应 1)反硝化反应过程及反硝化菌反硝化反应过程及反硝化菌 I.反硝化反应反硝化反应 指硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用
8、下，被还原为气态氮N2的过程；II.反硝化菌反硝化菌异养型兼性厌氧菌，不是一类专门的细菌，它们大量存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等，土壤微生物中有50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌；反硝化菌能在缺氧条件下，以硝态氮或亚硝态氮为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原；在反硝化菌的代谢活动下，硝态氮或亚硝态氮中的N可以有两种转化途径：同化反硝化，即最终产物是有机氮化合物，是菌体的组成部分；异化反硝化，即最终产物为 氮气。2)反硝化反应的影响因素反硝化反应的影响因素 碳源：一是原废水中的有机物，当废水的BOD5/TKN大于35时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；适宜
9、的pH值：6.57.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降；反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，但其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/l以下；最适宜温度为2040C，低于15C其反应速率将大为降低。生物脱氮反应过程中各项生化反应特征生物脱氮反应过程中各项生化反应特征 三、生物脱氮工艺三、生物脱氮工艺 1.活性污泥法脱氮传统工艺活性污泥法脱氮传统工艺 I.Barth开创的三级活性污泥法流程开创的三级活性污泥法流程 各部分功能各部分功能第一级曝气池的功能碳化：去除BOD5、COD；氨化：使有机氮转化为氨氮；第二级是硝化曝气池
10、，投碱以维持pH值；第三级为反硝化反应器，可投加甲醇作为外加碳源或引入原废水。特点特点氨化、硝化、反硝化是在各自的反应器中进行，反应速率快且较彻底；处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。II.两级活性污泥法脱氮工艺两级活性污泥法脱氮工艺2.缺氧缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（好氧活性污泥法脱氮系统（A-O工艺）工艺）又称“前置式反硝化生物脱氮系统”。主要特征主要特征 反硝化反应器在前，BOD去除、硝化反应的综合反应器在后；反硝化反应以原废水中的有机物为碳源；含硝酸盐的混合液回流到反硝化反应器；在反硝化反应过程中产生的碱度可补偿硝化反应消耗的碱度的一半左右；硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机物得以进
11、一步去除，无需增建后曝气池。合建式合建式A-O法脱氮系统法脱氮系统 反硝化反应及硝化反应、BOD去除在一个反应 器内进行，中间隔以挡板。（图7-18）处理水中含有硝酸盐，如沉淀池运行不当，其中会发生反硝化反应，使污泥上浮，出水水质恶化；须加大内循环比以提高脱氮率，这样运行费用就会提高；循环液来自硝化池，含有溶解氧，使反硝化段难于保持理想的缺氧状态，一般脱氮率 3000 mg/L污泥龄污泥龄 30 dN/MLSS负荷率负荷率 应低于 0.03 gN/gMLSS d进水总氮浓度进水总氮浓度 小于30 mg/L3.氧化沟硝化脱氮工艺氧化沟硝化脱氮工艺 4.生物转盘硝化脱氮工艺生物转盘硝化脱氮工艺 四
12、、废水生物除磷技术四、废水生物除磷技术 1.生物除磷过程生物除磷过程 1)磷在废水中的存在形式磷在废水中的存在形式 磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等的形式存在。2)细菌摄取磷细菌摄取磷满足其生理需要；特殊的细菌-磷细菌：可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。除磷菌摄取磷除磷菌摄取磷 条件条件：好氧能量能量：除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷用途用途：一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内。除磷菌的磷释放除磷菌的磷释放 条
13、件条件：厌氧过程过程：除磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐、产生磷酸排出体外。2.生物除磷过程的影响因素生物除磷过程的影响因素 1)溶解氧溶解氧 除磷菌释放磷的厌氧反应器：保持绝对的厌氧条件，即使是NO3-等一类的化合态氧也不允许存在；除磷菌吸收磷的好氧反应器：应保持充足的溶解氧。2)污泥龄污泥龄 生物除磷主要是通过排除剩余污泥而去除磷的，因此剩余污泥的多少对脱磷效果有很大影响，一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥多，可以取得较好的除磷效果；污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除
14、磷率为50%；而污泥龄为5d时，除磷率高达87%。3)温度温度 在530C的范围内，可取得较好的除磷效果；4)pH值值 除磷过程的适宜的pH值为68。5)BOD5负荷负荷 较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果，进行生物除磷的低限是BOD/TP=20；有机基质的不同也会对除磷有影响，一般小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强；磷的释放越充分，磷的摄取量也越大。6)硝酸盐氮和亚硝酸盐氮硝酸盐氮和亚硝酸盐氮 硝酸盐的浓度应小于2mg/l；当COD/TKN 10，硝酸盐对生物除磷的影响就减弱了。7)氧化还原电位氧化还原电位 好氧区的ORP应维持在+40 50mV之间；缺氧区的最佳ORP为-160
15、5mV之间。3.生物除磷工艺生物除磷工艺 1)Posture除磷工艺除磷工艺 生物除磷和化学除磷相结合的工艺。各设备单元的功能各设备单元的功能曝气池：使聚磷菌过量摄取磷，去除有机物，可能出现硝化作用；沉淀池(I)：泥水分离；除磷池：释放磷；混合池：化学法除磷；沉淀池(II)：固液分离。工艺特点工艺特点 除磷效果好，处理出水的含磷量一般低于1mg/l；污泥的含磷量高，一般为2.17.1%；石灰用量较低，介于2131.8mgCa(OH)2/m3废水之间；污泥的SVI低于100，污泥易于沉淀、浓缩、脱水，污泥肥分高，不易膨胀。可根据BOD/P比值灵活调节回流污泥与混凝污泥量的比例；工艺复杂，运行管理
16、麻烦，运行费用与建设费用高；沉淀池I的底部可能形成缺氧状态产生释放磷的现象，应及时排泥和回流。2)厌氧厌氧好氧除磷工艺好氧除磷工艺 工艺特点工艺特点水力停留时间为36h；曝气池内的污泥浓度一般在27003000mg/l；磷的去除效果好（76%），出水中磷的含量低于1mg/l；污泥中的磷含量约为4%，肥效好；SVI小于100，易沉淀，不易膨胀。问题问题 除磷率难以进一步提高；沉淀池内易产生磷的释放现象，应及时排泥和回流。五、五、同步脱氮除磷工艺同步脱氮除磷工艺 1.Bardenpho同步脱氮除磷工艺同步脱氮除磷工艺 各单元的功能各单元的功能1)第一厌氧反应器第一厌氧反应器 首要功能：脱氮；第二功
17、能：污泥释放磷。2)第一好氧反应器第一好氧反应器 首要功能：去除BOD；第二功能：硝化；第三功能：聚磷菌对磷的吸收。3)第二厌氧反应器第二厌氧反应器 同第一厌氧反应器。4)第二好氧反应器第二好氧反应器首要功能：吸收磷；第二功能：硝化；第三功能：去除BOD。5)沉淀池 泥水分离。工艺特点工艺特点 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，同时又兼有二、三项辅助功能；脱氮除磷的效果良好。工艺复杂，运行繁琐，成本高。2.AAO同步脱氮除磷工艺同步脱氮除磷工艺1)工艺流程工艺流程2)各反应单元的功能各反应单元的功能I.厌氧反应器厌氧反应器释放磷；部分有机物氨化。II.缺氧反应器缺氧反应器脱
18、氮。III.好氧反应器好氧反应器去除BOD；硝化；吸收磷。IV.沉淀池沉淀池泥水分离。3)工艺特点工艺特点 工艺简单，水力停留时间较短；厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌繁殖，无污泥膨胀之虞，SVI值小于100；污泥中磷浓度高，具有很高的肥效；无需投药，运行费用低。4)问题问题 除磷效果难以提高；脱氮效果也难以提高；溶解氧的控制问题。3.UCT工艺工艺 含NO3-N的污泥直接回流到厌氧池，会引起反硝化作用，反硝化菌将争夺除磷菌的有机物而影响除磷效果，因此提出UCT（Univercity of Cape Town）工艺 P-释磷 N-硝化 D-脱氮4.Phoredox同步脱氮除磷工艺同步脱氮
19、除磷工艺 工艺特点工艺特点：在缺氧反应器前再加一厌氧反应器，以强化磷的释放，可保证在好氧条件下，有更强的吸收磷的能力，提高除磷效果。六、生物脱氮除磷的应用实例六、生物脱氮除磷的应用实例 国内某些废水处理厂国内某些废水处理厂 1)昆明兰花沟废水处理厂昆明兰花沟废水处理厂 TP(mg/l)TN(mg/l)原废水 24 30 处理水 1.0 NH3-N 1.0 TKN 6 2)广州大坦沙废水处理厂广州大坦沙废水处理厂 水力停留时间（h）溶解氧（mg/l）A A O A A O 污泥回流比（%）混合液内循环回流比（%）1 2 5 0.2 0.5 1.52.0 25100 100200 BOD5(mg/
20、l)SS(mg/l)TN(mg/l)TP(mg/l)原废水 200 250 40 5 处理出水 20 30 15 2 七、动力学七、动力学 有机物和硝酸盐有机物和硝酸盐-微生物增殖的限制因素微生物增殖的限制因素双双Monod模型模型NNNCKCKCCmaxNNNNKCCKKC1max当当CK或或CNKN，只受只受C或或CN的控制。的控制。无回流时，微生物的质量浓度无回流时，微生物的质量浓度NGGNiNgGNiCYYCYYCCcNiNGNciGbCCYbCCYX113)除磷的基本原理除磷的基本原理 特殊的细菌-磷细菌：可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，
21、如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。1)基本流程基本流程2)活性污泥法系统活性污泥法系统A.基本方程式基本方程式无回流脱氮反应器中，硝酸盐氮物料平衡无回流脱氮反应器中，硝酸盐氮物料平衡NNNCKCKCCmaxciGcbGNNiNbCCYXbYbXVYXVQCQC110/常常TbOD量量污泥龄污泥龄ccbGNiGiNNbbYYCCYCC111ccbGNGNiNiNbbYYYCCCCCC1111NnNNNcCKCKbCCCKCKmax3)生物膜脱氮系统生物膜脱氮系统实用方程式（简化模型）实用方程式（简化模型）K值较小，流态为推流，浓度在大部分区值较小，流态为推流，浓度在大部分区域比域
22、比K大，反应接近零机反应；大，反应接近零机反应；反应只在部分膜内发生，对于主体液体浓反应只在部分膜内发生，对于主体液体浓度而言可能是度而言可能是1/2级；级；反应塔足够高，可基本去除硝酸盐氮，其反应塔足够高，可基本去除硝酸盐氮，其浓度在出水区域接近浓度在出水区域接近KN值值,可近似为一级可近似为一级反应。反应。硝酸盐浓度硝酸盐浓度ViNNiNViNNaKCCCaKCC2/15.05.025.02/15.05.0122/15.02/15.0ViNVinNaKCaKCC1)基本流程基本流程2)运行条件运行条件 需氧反应器中的DO应大于2 mg/L；pH:7-8 BOD浓度应大于50 mg/L 需氧池曝气时间不能过长；污泥在沉淀池中的停留时间应尽可能短。
