水污染控制工程：第5章 污水处理基本原理

1、第5章 污水处理基本原理水污染控制工程：污水生物处理水污染控制工程：污水生物处理5.1 有机物去除的基本原理污水中的有机物有多种类型，去除机制各有不同主要处理方法有沉淀吸附（化学、生物）生物降解好氧厌氧最终去处空气（CO2、CH4）污泥随水流走传统的生物转化有机物的好氧氧化需要大量氧气自由能高细胞增殖速率快细胞产率高C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH5.2 生物脱氮的基本原理污水中氮的来源：有机氮、氨氮、硝氮 新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合

2、物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 生活污水中的N，80%以上来自人类的尿液。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：异化脱氮 异化生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。同化脱氮 微生物生长过程中需要摄入氮，合成氨基酸。细胞中的含氮量通常可达0.050.1 gN/gCOD。因此，当污水中含氮量较低，且B

3、OD:N比例较高时，同化脱氮可满足脱氮的需要。传统生物脱氮方法传统生物脱氮方法 硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。O2H4H2NO3O2NH22亚硝酸菌24 322NO2O2NO2硝酸菌 总反应式为：OHH2NOO2NH2324硝化细菌 硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNH硝化反应： （a）好氧环境条件，并保持一定的碱度：硝化菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的NH3和NO2-，氧是硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧含量

4、的高低，必将影响硝化反应的进程，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L，多数学者建议溶解氧应保持在1.22.0mg/L。 在硝化反应过程中，释放H+，使pH下降，硝化菌对pH的变化十分敏感，为保持适宜的pH，应当在污水中保持足够的碱度，以调节pH的变化，lg氨态氮（以N计）完全硝化，需碱度（以CaCO3计）7.14g。对硝化菌的适宜的pH为78。 硝化过程的影响因素： （b）混合液中有机物含量不应过高：硝化菌是自养菌，有机基质浓度并不是它的增殖限制因素，若BOD值过高，将使增殖速度较快的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势种属。 （c）硝化反应的适宜温度是2030，15以下

5、时，硝化反应速度下降，5时完全停止。 （d）硝化菌在反应器内的停留时间，即生物固体平均停留时间（污泥龄）SRT，必须大于其最小的世代时间，否则将使硝化菌从系统中流失殆尽，一般认为硝化菌最小世代时间在适宜的温度条件下为3d。SRT值与温度密切相关，温度低，SRT取值应相应明显提高。 （e）除有毒有害物质及重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有高浓度的NH4-N、高浓度的NO-x-N、高浓度的有机基质、部分有机物以及络合阳离子等。 反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222

6、326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌 反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌 总反应式为：反硝化反应反硝化反应 在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47. 0NOH.065C0HOHCH08. 1NO22227533式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组

7、成。 反硝化还原和微生物合成的总反应式为： 从以上的过程可知，约94的NO3-N经异化过程还原，6经同化过程合成微生物。 （a）碳源：能为反硝化菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可有下列三类：一是原污水中所含碳源，对于城市污水，当原污水BOD5/TKN35时,即可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因为甲醇被分解后的产物为CO2和H2O，不留任何难降解的中间产物；三是利用微生物组织进行内源反硝化。 （b）pH：对反硝化反应，最适宜的pH是6.57.5。pH高于8或低于6，反硝化速率将大为下降。反硝化过程的影响因素 （c）溶解氧浓度：反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧同

8、时存在硝酸根离子和亚硝酸根离子的条件下，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组分，只有在有氧条件下，才能够合成。这样，反硝化反应宜于在缺氧、好氧条件交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5 mg/L以下。 （d）温度：反硝化反应的最适宜温度是2040，低于15反硝化反应速率最低。为了保持一定的反硝化速率，在冬季低温季节，可采用如下措施：提高生物固体平均停留时间；降低负荷率；提高污水的水力停留时间。新型生物脱氮方法新型生物脱氮方法5.3 除磷的基本原理生物强化除磷Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR

9、) 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧/缺氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，和在厌氧条件下过梁释磷，促进聚磷菌生长并吸磷，然后沉淀分离而除磷。 厌氧环境 好氧环境 有机基质 产酸菌 P 乙酸 P 聚 P 聚 P PHB PHB 聚 P 聚 P 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 生物除磷机理 污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚-羟基丁酸)的形态储藏于体内。 聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。厌氧环境中： 进入好氧状态后

10、，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。 普通活性污泥法通过同化作用除磷率可以达到12%20%。而具生物除磷功能的处理系统排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基本可满足排放要求。好氧环境中： （1）厌氧环境条件： （a）氧化还原电位：Barnard、Shapiro等人研究发现，在批式试验中，反硝化完成后，ORP突然下降，随后开始放磷，放磷时ORP一般小于100mV； （b）溶解氧浓度：厌氧区如存在溶解氧，兼

11、性厌氧菌就不会启动其发酵代谢，不会产生脂肪酸，也不会诱导放磷，好氧呼吸会消耗易降解有机质； （c）NOx-浓度：产酸菌利用NOx- 作为电子受体，抑制厌氧发酵过程，反硝化时消耗易生物降解有机质。生物除磷影响因素： （2）有机物浓度及可利用性：碳源的性质对吸放磷及其速率影响极大，传统水质指标很难反映有机物组成和性质，ASM模型对其进一步划分为： （a）1987年发展的ASM1:（b）1995年发展的ASM2: 溶解性与颗粒性：SA+SF+SI+XSXI S表示溶解性组分，X表示颗粒性组分；下标S溶解性，I惰性，A发酵产物，F可发酵的易生物降解的底物。 厌氧释磷主要吸收的是Ac-，按成分划分是SACODtot=SS+SI+XS+XI （3）污泥龄：污泥龄影响着污泥排放量及污泥含磷量，污泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷须同时耗用更多的BOD。 Rensink和Ermel研究了污泥龄对除磷的影响，结果表明：SRT=30d时，除磷效果40%；SRT=17d时，除磷效果50%；SRT=5d天时，除磷效果87%。 同时脱氮除磷系统应处理好泥龄的矛盾。 （4）pH：与