废水生物处理基本原理课件

《废水处理设备》任课教师：郭勇过程装备与安全工程系《废水处理设备》任课教师：郭勇过程装备与安全工程系第一章废水生物处理基本原理借助环境工程和化学工程的手段和方法，以微生物作用为主体开发出了种种用于控制和治理水污染治理的新方法。废水生物处理：代表：活性污泥法、生物膜法、厌氧处理法、生物脱氮、除磷等工艺技术

第一章废水生物处理基本原理借助环境工程和化学工程的手段和方第一章废水生物处理基本原理

微生物可简单分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物。好氧微生物指必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，包括大部分微生物，其主要作用有合成代谢、分解代谢和内源呼吸。影响好氧微生物处理效果的因素主要有溶解氧、温度、pH值等；

厌氧微生物是指能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等，主要代谢作用有水解、发酵、产氢产乙酸、产甲烷等阶段，目前其代谢理论无统一认识，主要影响因素有温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等；兼性微生物既可在有氧环境中生活，也可在无氧环境中生长，当水中溶解氧高于0.2～0.3mg／L时，兼性菌利用氧气进行新陈代谢；而当溶解氧低于上述数字时，它们同厌氧菌一样，生活时不需要氧气，在自然界中大部分细菌属于这一类。1、生物处理--原理第一章废水生物处理基本原理微生物可简单分为生物处理--微生物图片第一章废水生物处理基本原理生物处理--微生物图片第一章废水生物处理基本原理生物处理—污泥颗粒、细菌、真菌第一章废水生物处理基本原理生物处理—污泥颗粒、细菌、真菌第一章废水生物处理基本原理2、概述—基本概念

原理：废水中的有机物、氮、磷等物质对人类来说是污染物，但对微生物来说是营养物质，生物处理就是借助于微生物的新陈代谢活动，使有机污染物转化成为稳定的无害物质，氮、磷得到释放或富集，从而从废水中去除的过程。

定义：利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物的一种方法叫做废水生物处理方法，分好氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。

特点：1、用生物方法去除水中有机物最经济；

2、90%废水处理工艺属于生物处理工艺；

3、水中氨氮用生物处理方法去除最有效；

4、绝大多数工业废水也是以生物处理方法为主。

处理对象：1、有机物；2、氮；3、磷。

可生化判断：BOD/COD≤0.3难生化，0.3和0.5可生化，大于0.5易生化。第一章废水生物处理基本原理2、概述—基本概念原理：废水中的有机物、氮、BOD：生物需氧量（Biochemical【生物】Oxygen【氧气】Demand【需求】）微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，这个指标代表消耗掉的氧。BOD5

：（20℃5天BOD）微生物完全分解水中的有机化合物总共约需100天，为缩短检测时间，一般20℃五天内的耗氧量为代表，简称BOD5，对生活污水来说，约占BOD70%。来源：生活污水和制糖、食品、造纸、纤维等工业废水中。COD：化学需氧量（Chemical【化学】oxygenDemand）利用化学氧化剂将废水中可氧化物质（如有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等）氧化分解，然后根据残留的氮化剂的量计算出氧的消耗量。CODCr：（重铬酸钾作为氧化剂测出的COD结果）CODMn：（高锰酸钾作为氧化剂测出的COD结果）一般CODCr>BOD5>CODMn来源：包括BOD来源，还有工业废水如化工、制药、纺织等。第一章废水生物处理基本原理BOD：生物需氧量（Biochemical【生物】OxygNH3-N：氨氮主要来源于人和动物的排泄物、农用化肥的流失，自化工、冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、鞣革、化肥等工业废水。危害：黑臭、毒性，富营养化。（H2PO4-、HPO42-、PO43-)：磷在废水中，磷通常以无机磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷等多种形式存在，来源农药、医药、饲料、洗涤剂、肥料、食品添加剂等。危害：黑臭、富营养化。AAO（Anaerobic【没有空气】Anoxic【缺少空气】Oxide【氧】）AO脱氮（Anaerobic【缺少空气】Oxide【氧】）AO除磷（Anaerobic【没有空气】Oxide【氧】）好氧：曝气---普通污水处理厌氧：只进水，不搅动，不曝气—高浓度有机废水处理，除磷工艺缺氧：搅动或回流硝化液或微曝气，脱氮工艺实际工艺可能是多种缺氧、好氧、厌氧工艺组合以达到更好的处理效果。第一章废水生物处理基本原理NH3-N：氨氮（H2PO4-、HPO42-、PO43-)：生物处理—好氧原理

好氧微生物将废水中的有机污染物分解成为最终的无机产物如二氧化碳和水等，或被同化合成为好氧微生物的细胞物质并以剩余污泥的形式通过沉淀等方式与出水分离，从而使废水得到净化。

第一章废水生物处理基本原理生物处理—好氧原理好氧微生物将废水中的有机污第一章废水生物处理基本原理有机污染物好氧微生物处理的一般途径

第一章废水生物处理基本原理有机污染物好氧微生物处理的一般途2、生物处理—好氧异养代谢:第一章废水生物处理基本原理2、生物处理—好氧异养代谢:第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理1914年在英国建成第一座活性污泥污水处理试验厂是目前城市污水处理的主要方法。作用原理：普通活性污泥法是依据废水的自净作用原理发展而来的。第一节活性污泥法第一章废水生物处理基本原理1914年在英国建成第一座活性污第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理活性污泥法的特点：曝气池中污泥浓度一般控制在2—3g/L，废水浓度高时采用较高数值。废水在曝气池中的停留时间(HRT)常采用4—8h，视废水中有机物浓度而定。回流污泥量约为进水流量的25％—50％左右

BOD和悬浮物去除率都很高，达到90％—95％左右第一章废水生物处理基本原理活性污泥法的特点：第一章废水生物处理基本原理不足之处：①对水质变化的适应能力不强；②所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况。因此，在处理同样水量时，同其他类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。

第一章废水生物处理基本原理不足之处：第一章废水生物处理基本原理六、序批式活性污泥法序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor，简称SBR)是国内外近年来新开发的一种活性污泥法，其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一，生化反应虽分批进行，基本工作周期可由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成第一章废水生物处理基本原理六、序批式活性污泥法第一章废水生物处理基本原理SBR具有下述特点：1．构造简单、节省投资省去了二沉池、回流装置和调节池等设施，因此基建投资较低。2．控制灵活，可满足各种处理要求一个周期中各个阶段的运行时间、总停留时间、供气量等都可按照进水水质和出水要求而加以调节。3．活性污泥性状好、污泥产率低污泥结构紧密，沉降性能良好。此外在沉降期几乎是在静止状态下沉淀，因此污泥沉降时间短、效率高。SBR的运行周期中有一闲量期、污泥处于内源呼吸阶段，因此污泥产率比较低。4．脱氮效果好第一章废水生物处理基本原理SBR具有下述特点：第一章废水生物处理基本原理第二节

生物膜法优点：①供氧充分，传质条件好；②采用轻质塑料填料后构筑物轻巧，填料比表面积大；⑤设备处理能力大，处理效果好，④不生长滤池蝇，气味小，卫生条件好。生物膜法与活性污泥法的主要区别在于生物膜固定生长或附着生长于固体填料(或称载体)的表面，而活性污泥则以絮体(floc)方式悬浮生长于处理构筑物中。第一章废水生物处理基本原理第二节生物膜法优点：1.2.1概述和基本原理生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因而这种方法亦称为生物过滤法。生物膜法的缺点：由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上伸缩性差；滤料表面积小，BOD容积负荷有限，因而空间效果差；采用自然通风供养，在生物膜内层往往形成厌氧层，从而缩小了具有净化功能的有效容积。然而由于新工艺新滤料的研制成功，生物膜法作为良好的好氧生物处理技术仍被广泛的应用着。1.2.1概述和基本原理生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微1.2.1概述和基本原理生物膜法的类型：（1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；（2）浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床生物膜法润壁型生物膜法浸没型生物膜法生物滤池生物转盘接触氧化法生物流化床1.2.1概述和基本原理生物膜法的类型：生物膜法润壁型生物1.2.1概述和基本原理二、生物膜中的物质迁移

有机物供氧三、生物膜净化废水的原理1.2.1概述和基本原理二、生物膜中的物质迁移三、生物膜1.2.2生物滤池1.2.2生物滤池三、生物滤池的类型及运行系统生物滤池法低负荷生物滤池高负荷生物滤池普通生物滤池回流式生物滤池塔式生物滤池生物滤池的分类普通生物滤池优点是处理效果好，BOD5去除率可达90%以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。缺点是占地面积大，易于堵塞（滤率在1～2m／d左右

），影响环境卫生。三、生物滤池的类型及运行系统生物滤池法低负荷生物滤池高负荷生1.2.3生物转盘1.2.3生物转盘1.2.4生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负荷、水温变动的冲击力强；剩余污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度怪的物质。接触氧化法的缺点是：滤料间水流缓慢，接触时间长，水力冲刷力小，生物膜只能自行脱落；剩余污泥往往恶化处理水质；动力费高。1.2.4生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负1.2.4生物接触氧化法1.2.4生物接触氧化法第三节厌氧生物处理1.3.1厌氧法的基本原理1.3.2厌氧法的影响因素1.3.3厌氧法的工艺和设备1.3.4厌氧消化过程动力学1.3.5厌氧产气量计算第三节厌氧生物处理1.3.1厌氧法的基本原理1.3.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。

厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。1.3.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化二阶段过程

1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化二阶段过程1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化三阶段、四阶段过程

1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化三阶段、四阶段过程1.3.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）1.3.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌1.3.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）

乙酸化阶段甲烷化阶段1.3.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）甲烷化阶1.3.2厌氧法的影响因素一、温度条件1.3.2厌氧法的影响因素一、温度条件1.3.2厌氧法的影响因素二、pH值一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。低于7.0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止。一般原液的pH值为6～8。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。

重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200mg/L为佳。1.3.2厌氧法的影响因素二、pH值1.3.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等)高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。1.3.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位1.3.2厌氧法的影响因素四、负荷率

容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3·d或g/L·d。有机物量可用COD.BOD.S和VSS表示。污泥负荷率：反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kg·d或g/g·d。投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3·d。投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3·d的投配率也可表示为7%。确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。三种发酵状态

当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH<7），称为酸性发酵状态，它是一种低效而又不稳定的发酵状态，应尽量避免。当有机物负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值维持在7～7.5之间，称为弱碱性发酵状态，它是一种高效而由稳定的发酵状态，最佳负荷率应达此状态。当有机物负荷率偏小时，消化液中的有机酸残存量很少，pH值偏高（大于7.5）称为碱性发酵状态。由于负荷偏低，是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态。1.3.2厌氧法的影响因素四、负荷率确定厌氧消化装置的负荷1.3.2厌氧法的影响因素五、污泥浓度各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于10～30gVSS/L之间。为了保持反应器的生物量不致因流失而减少，可采用多种措施，如安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥量等。1.3.2厌氧法的影响因素五、污泥浓度1.3.3厌氧法的工艺和设备四、上流试厌氧污泥床反应器消化和固液分离在一个池内。微生物量特高。负荷率高(10~20kgCOD/m3•d)。总容积小。能耗低，不需搅拌。污泥浓度可达40~80g/L。1.3.3厌氧法的工艺和设备四、上流试厌氧污泥床反应器1.3.3厌氧法的工艺和设备细部结构1.3.3厌氧法的工艺和设备细部结构第四节生物脱氮

氮素循环氮在自然界中的存在形式包括分子态氮、无机氮化物和有机态氮，其中分子态氮以游离的氮气形式存在于大气中，占大气含量的79％、但分子氮不能被绝大多数的生物直接利用，大气氮进入生物有机体主要有四条途径。(1)生物固氮：豆科植物能通过共生的根瘤菌固定大气中的氮，供植物吸收。某些固氮蓝细菌和固氮细菌也可以固定大气中的氮。(2)工业固氮。氮肥化工，如合成氨等。(3)岩浆固氮。火山爆发时，喷射出的岩浆可以固定一部分氮。(4)闪电固氮。雷雨时的闪电现象，可通过电离作用使氮氧化成氮氧化物。

第四节生物脱氮氮素循环第四节生物脱氮除磷第四节生物脱氮除磷氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化，其次是氨氮的好氧特性会使水体的溶解氧降低，此外，某些含氮化合物对人和其他生物有毒害作用。因此，国内外对氮磷的排放标准越来越严格。本章阐述生物脱氮除磷技术。生物脱氮除磷技术是近20年发展起来的，一般来说比化学法和物理化学法去除氮磷经济，尤其是能有效地利用常规的二级生物处理工艺流程进行改造达到生物脱氮除磷的目的，是日前应用广泛和最有前途的氮磷处理方法。氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化，其次是氨氮生物脱氮原理及影响因素

一、生物脱氮原理污水中氨主要以有机氮和氨氮形式存在。在生物处理过程中，有机氮很容易通过微生物的分解和水解转化成氨氮，即氨化作用。传统的硝化—反硝化生物脱氮的基本原理就在于通过硝化反应先将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮、亚硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到脱氮的目的。生物脱氮原理及影响因素一、生物脱氮原理氮在水中的存在形态与分类N

无机NNOx--N(硝态氮)TKN(凯氏氮)总N(TN)NH3-NNO3-NNO2—-N有机N（尿素、氨基酸、蛋白质）氮在水中的存在形态与分类N

无机NNOx--NTKN总N氨化与硝化反应过程

氨化与硝化反应过程硝化反应的条件（1）好氧状态：DO≥2mg/L；1gNH3-N完全硝化需氧4.57g，即硝化需氧量。（2）消耗废水中的碱度：1gNH3-N完全硝化需碱度7.1g（以CaCO3计），废水中应有足够碱度，以维持pH值不变。（3）污泥龄θC≥（10-15）d。（4）BOD5≤20mg/L。

硝化反应的条件（1）好氧状态：DO≥2mg/L；1gNH3-反硝化-1反硝化包括异化反消化和同化反消化，以异化反消化为主,反硝化菌在DO浓度很低的环境中，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体而得到降解。当利用的碳源为甲醇时：NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7CO2+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7CO2+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

反硝化反应可使有机物得到分解氧化，实际是利用了硝酸盐中的氧，每还原1gNO3--N所利用的氧量约2.6g。反硝化-1反硝化包括异化反消化和同化反消化，以异化反反硝化-2当缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体（1）反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下，进行厌氧呼吸，以NO3-—O为电子受体，以有机物的氢为电子供体。（2）反硝化过程中，硝酸态氮有二种转化途径—同化反硝化（合成细胞）和异化反硝化（还原为N2↑），但以异化反硝化为主。（3）反硝化反应的条件反硝化-2当缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S反硝化反应的条件DO<0.5mg/L，一般为0.2～0.3mg/L（处于缺氧状态），如果DO较高，反硝化菌利用氧进行呼吸，氧成为电子受体，阻碍NO3--O成为电子受体而使N难还原成N2↑。但是反硝化菌体内的某些酶系统组分只有在有氧条件下，才能合成。反硝硝化菌以在缺氧-好氧交替的环境中生活为宜。BOD5/TN≥3～5，否则需另投加碳源，现多采用CH3OH，其分解产物为CO2+H2O，不留任何难降解的中间产物，且反硝化速率高。目前反硝化投加有机碳源一般利用原污水中的有机物。还原1g硝态氮能产生3.57g碱度，而在硝化反应中，1gNH3-N氧化为NO3--N要消耗7.14g碱度，在缺氧-好氧中，反硝化产生的碱度可补偿硝化消耗碱度的一半左右。

反硝化反应的条件DO<0.5mg/L，一般为0.2～0.3m内源反硝化

微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化C5H7NO2+4NO3-→5CO2+NH3+2H2↑+4OH-

内源反硝化的结果是细胞物质减少，并会有NH3的生成。废水处理中不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。

内源反硝化微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝硝化、反硝化反应中氮的转化表1硝化过程中氮的转化

表2反硝化反应中氮的转化

氮的氧化还原态–Ⅲ氨离子NH4+–Ⅱ–Ⅰ羟胺NH2OH0+Ⅰ硝酰基NOH+Ⅱ+Ⅲ亚硝酸根NO2—+Ⅳ+Ⅴ硝酸根NO3—氮的氧化还原态–Ⅲ氨离子NH4+–Ⅱ–Ⅰ羟胺NH2OH0

N2+Ⅰ硝酰基NOH+Ⅱ+Ⅲ亚硝酸根NO2—+Ⅳ+Ⅴ硝酸根NO3—硝化、反硝化反应中氮的转化表1硝化过程中氮的转化表2脱氮新理念

（1）短程硝化-反硝化由传统硝化-反硝化原理可知，硝化过程是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开；而对于反硝化菌，亚硝酸根或硝酸根均可以作为最终受氢体。该方法就是将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止，随后进行反硝化，在反硝化过程将亚硝酸根作为最终受氢体，故称为短程(或简捷)硝化-硝化。控制硝化反应停止在亚硝化阶段是实现短程硝化-反硝化生物脱氮技术的关键，其主要影响因素有温度、污泥龄、溶解氧、pH值和游离氨等。控制较高温度、较低溶解氧和较高pH值和极短的污泥龄条件等，可以抑制硝酸菌生成，使亚硝酸菌占绝对优势，从而使硝化过程控制在亚硝化阶段。脱氮新理念

（2）厌氧氨氧化厌氧氨氧化是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。基本原理是在厌氧条件下以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，将氨氮氧化氮气，或者说利用氨作为电子供体．将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气。参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌。厌氧氨氧化过程无需有机碳源在。（3）亚硝酸型完全自养脱氮基本原理是先将氨氮部分氧化成亚硝酸氮，控制氨根离子与亚硝酸根离子比例为1：1，然后通过厌氧氨氧化作为反硝化实现脱氮的目的。全过程为自养的好氧亚硝化反应结合自养的厌氧氨氧化反应．无需有机碳源，对氧的消耗比传统硝化/反硝化减少62.5%，同时减少碱消耗量和污泥生成量。

（2）厌氧氨氧化厌氧氨氧化是荷兰Delft大学199二、硝化—反硝化过程影响因素

1．温度硝化反应的适宜温度范围是30～35℃，温度不但影响硝化茵的比增长速率，而且影响硝化菌的活性，在5～35℃的范围内，硝化反应速率随温度的升高而加快，仅超过30℃时增加幅度减少，当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于15℃即发现硝化速率迅速降低，低温对硝酸菌的抑制作用更为强烈，因此在低温12～14℃时常出现亚硝酸盐的积累。在30～35℃较高温度下，亚硝酸菌的最小倍增时间要小于硝酸菌，因此，通过控制温度和污泥龄，也可控制反应器中亚硝酸菌的绝对优势。反硝化反应的最佳温度范围为35～45℃，温度对硝化菌的影响比反硝化菌大。

二、硝化—反硝化过程影响因素1．温度2．溶解氧硝化反应必须在好氧条件下进行，一般应维持混合液的溶解氧浓度为2～3mg/L，溶解氧浓度0.5～0.7mg/L，是硝化菌可以忍受的极限。硝化可在高溶解氧状态下进行，高达60mg/L的溶解氧浓度也不会抑制硝化的进行，为了维持较高的硝化速率，污泥龄降低时要相应地提高溶解氧浓度。溶解氧对反硝化反应有很大影响，主要由于氧会同硝酸盐竞争电子供体。同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性，3．pH值硝化反应的最佳pH值范围为7.5～8.5,硝化菌对pH值变化十分敏感，当pH值低于7时，硝化速率明显降低．低于6和高于9.6时，硝化反应将停止进行。反硝化过程的最佳pH值范围为6.5～7.5，不适宜的PH值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当pH值低于6.0或高于8.0时，反硝化反应将受到强烈抑制。2．溶解氧4．C/N比

C/N比值是影响硝化速率和过程的重要因素。硝化菌是自养菌，硝化菌产率或比增长速率比活性污泥异养菌低得多，若废水中BOD5值太高，将有助于异养菌迅速增殖，从而使微生物中的硝化菌的比例下降，一般认为，只有BOD5低于20mg/L时，硝化反应才能完成。反硝化过程需要充足的碳源，理论上lgNO2还原为N2需要碳源有机物2.86g。一般认为，当废水的BOD5/TKN值大于4～6时，可认为碳源充足，不需另外投加碳源，反之则要投加甲醇或其他易降解的有机物作碳源。5、污泥龄为使硝化菌能在连续流的反应系统中存活并维持一定数量，微生物在反应器的停留时间即污泥龄应大于硝化菌的最小世代期。一般应取系统的污泥龄为硝化最小世代期的两倍以上。较长的污泥龄可增强硝化反应的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用。4．C/N比6．抑制物质对硝化反应有抑制作用的物质有：过高浓度氨氮、重金属、有毒物质以及有机物。一般来说，同样毒物对亚硝酸菌的影响比对硝酸菌大。反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低很多，与一般好氧异养菌相同。在应用一般好氧异养菌文献数据时，应该考虑驯化的影响。生物脱氮工艺包括含碳有机物的氧化、氨氮的硝化、硝态氮的反硝化等生物过程，即碳化-硝化-反硝化过程。从完成这些过程的反应器来分，脱氮工艺可分为活性污泥脱氮系统和生物膜脱氮系统，其分别采用活性污泥法反应器与生物膜反应器作为好氧/缺氧反应器，实现硝化/反硝化以达到脱氮的目的。从完成这些过程的时段和空间不同，活性计泥脱氮系统的碳化、硝化、反硝化可在多池中进行，也可在单池中进行。

6．抑制物质传统活性污泥法脱氮工艺三级活性污泥生物脱氮工艺三、生物脱氮工艺传统活性污泥法脱氮工艺三级活性污泥生物脱氮工艺三、生物脱氮工二级活性污泥生物脱氮工艺为了减少处理设备，根据去除BOD和硝化反应都要在好氧条件下进行，可以将第一级曝气池和第二级曝气池合并，形成两级生物脱氮工艺二级活性污泥生物脱氮工艺为了减少处理设备，根据去除BOD和硝分建式缺氧—好氧活性污泥生物脱氮分建式缺氧—好氧活性污泥生物脱氮合建式A1/O工艺合建式A1/O工艺生物除磷原理及影响因素一、生物除磷原理有一类特殊的细菌，在厌氧状态释放磷，在好氧状态可以过量地、超出其生理需要地从污水中摄取磷酸盐。生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成。该类微生物均属异养型细菌。在厌氧区内，聚磷菌在既没有溶解氧也没有原子态氧的厌氧条件下，吸收乙酸等低分子脂肪酸(来自兼性细菌水解产物或来自原污水)，并合成聚β-羟基丁酸盐(PHB)贮于细胞内，所需的能量来源于菌体内聚磷的分解，并导致磷酸盐的释放。在好氧区内，聚磷菌以游离氧为电子受体，将积贮在胞内的PHB好氧分解，并利用该反应产生的能量，过量摄取水体中的磷玻盐，在胞内转化为聚磷，这就是好氧吸磷，好氧吸磷量大于厌氧放磷量，通过剩余污泥排放可实现生物除磷的目的。生物除磷原理及影响因素一、生物除磷原理在厌氧状态下放磷愈多，合成的PHB愈多，则在好氧状态下合成的聚磷量也愈多，除磷的效果也就愈好。在厌氧状态下放磷愈多，合成的PHB愈多，则在好氧状态下合成的二、生物除磷影响因素1．溶解氧和氧化态氮溶解氧分别对摄磷和放磷过程影响不同。在厌氧区中必须控制严格的厌氧条件，既没有分子态氧，也没有化合态氧。溶解氧的存在，将抑制厌氧菌的发酵产酸作用和消耗乙酸等低分子脂肪酸物质；硝态氮的存在，影响聚磷菌的代谢，也会消耗部分乙酸等低分子脂肪酸物质而发生反硝化作用，都影响磷的释放，从而影响在好氧条件下对磷的吸收。在好氧区中要供给足够的溶解氧，以满足聚磷菌对PHB的分解和摄磷所需。一般厌氧段的溶解氧应严格控制在0.2mg／L以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mg／L左右。二、生物除磷影响因素2．污泥龄由于生物脱磷系统主要是通过排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多少将决定系统的脱磷效果。一般污泥龄较短的系统产生较多的剩余污泥，可以取得较高的脱磷效果。短的泥龄还有利于好氧段控制硝化作用的发生而利于厌氧段的充分释磷，因此，仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的泥龄。研究表明，当污泥龄为30天时，除磷率为40％，污泥龄为17天时，除磷率为50%，污泥龄降至5天时，除磷率可提高到87%。3．BOD负荷和有机物性质一般认为，较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果，有人提出BOD/TP＝20是正常进行生物除磷的低限。不同有机物为基质对磷的厌氧释放及好氧摄取也有差别。一般低分子易降解的有机物易被聚磷菌吸收、诱导磷释放的能力较强，而高分子难降解的有机物诱导磷释放的能力较弱。2．污泥龄4．温度温度对除磷效果的影响不如对生物脱氮过程的影响明显，因为在高温、中温、低温条件下，不同的菌群都具有生物除磷的能力，在5～30℃的范围内，都可以得到很好的除磷效果，但低温运行时厌氧区的停留时间要低一些。5．pH值

pH值在6～8的范围内时，磷的厌氧释放比较稳定。pH值低于6时生物除磷的效果会大大下降。废水生物除磷的工艺流程一般由厌氧池和好氧池组成。A/O（厌氧—好氧生物除磷）工艺和Phostrip（旁流除磷）工艺是两种基本的生物除磷工艺。4．温度生物脱氮除磷组合工艺生物脱氮除磷组合工艺《废水处理设备》任课教师：郭勇过程装备与安全工程系《废水处理设备》任课教师：郭勇过程装备与安全工程系第一章废水生物处理基本原理借助环境工程和化学工程的手段和方法，以微生物作用为主体开发出了种种用于控制和治理水污染治理的新方法。废水生物处理：代表：活性污泥法、生物膜法、厌氧处理法、生物脱氮、除磷等工艺技术

第一章废水生物处理基本原理借助环境工程和化学工程的手段和方第一章废水生物处理基本原理

微生物可简单分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物。好氧微生物指必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，包括大部分微生物，其主要作用有合成代谢、分解代谢和内源呼吸。影响好氧微生物处理效果的因素主要有溶解氧、温度、pH值等；

厌氧微生物是指能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等，主要代谢作用有水解、发酵、产氢产乙酸、产甲烷等阶段，目前其代谢理论无统一认识，主要影响因素有温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等；兼性微生物既可在有氧环境中生活，也可在无氧环境中生长，当水中溶解氧高于0.2～0.3mg／L时，兼性菌利用氧气进行新陈代谢；而当溶解氧低于上述数字时，它们同厌氧菌一样，生活时不需要氧气，在自然界中大部分细菌属于这一类。1、生物处理--原理第一章废水生物处理基本原理微生物可简单分为生物处理--微生物图片第一章废水生物处理基本原理生物处理--微生物图片第一章废水生物处理基本原理生物处理—污泥颗粒、细菌、真菌第一章废水生物处理基本原理生物处理—污泥颗粒、细菌、真菌第一章废水生物处理基本原理2、概述—基本概念

原理：废水中的有机物、氮、磷等物质对人类来说是污染物，但对微生物来说是营养物质，生物处理就是借助于微生物的新陈代谢活动，使有机污染物转化成为稳定的无害物质，氮、磷得到释放或富集，从而从废水中去除的过程。

定义：利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物的一种方法叫做废水生物处理方法，分好氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。

特点：1、用生物方法去除水中有机物最经济；

2、90%废水处理工艺属于生物处理工艺；

3、水中氨氮用生物处理方法去除最有效；

4、绝大多数工业废水也是以生物处理方法为主。

处理对象：1、有机物；2、氮；3、磷。

可生化判断：BOD/COD≤0.3难生化，0.3和0.5可生化，大于0.5易生化。第一章废水生物处理基本原理2、概述—基本概念原理：废水中的有机物、氮、BOD：生物需氧量（Biochemical【生物】Oxygen【氧气】Demand【需求】）微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，这个指标代表消耗掉的氧。BOD5

：（20℃5天BOD）微生物完全分解水中的有机化合物总共约需100天，为缩短检测时间，一般20℃五天内的耗氧量为代表，简称BOD5，对生活污水来说，约占BOD70%。来源：生活污水和制糖、食品、造纸、纤维等工业废水中。COD：化学需氧量（Chemical【化学】oxygenDemand）利用化学氧化剂将废水中可氧化物质（如有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等）氧化分解，然后根据残留的氮化剂的量计算出氧的消耗量。CODCr：（重铬酸钾作为氧化剂测出的COD结果）CODMn：（高锰酸钾作为氧化剂测出的COD结果）一般CODCr>BOD5>CODMn来源：包括BOD来源，还有工业废水如化工、制药、纺织等。第一章废水生物处理基本原理BOD：生物需氧量（Biochemical【生物】OxygNH3-N：氨氮主要来源于人和动物的排泄物、农用化肥的流失，自化工、冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、鞣革、化肥等工业废水。危害：黑臭、毒性，富营养化。（H2PO4-、HPO42-、PO43-)：磷在废水中，磷通常以无机磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷等多种形式存在，来源农药、医药、饲料、洗涤剂、肥料、食品添加剂等。危害：黑臭、富营养化。AAO（Anaerobic【没有空气】Anoxic【缺少空气】Oxide【氧】）AO脱氮（Anaerobic【缺少空气】Oxide【氧】）AO除磷（Anaerobic【没有空气】Oxide【氧】）好氧：曝气---普通污水处理厌氧：只进水，不搅动，不曝气—高浓度有机废水处理，除磷工艺缺氧：搅动或回流硝化液或微曝气，脱氮工艺实际工艺可能是多种缺氧、好氧、厌氧工艺组合以达到更好的处理效果。第一章废水生物处理基本原理NH3-N：氨氮（H2PO4-、HPO42-、PO43-)：生物处理—好氧原理

好氧微生物将废水中的有机污染物分解成为最终的无机产物如二氧化碳和水等，或被同化合成为好氧微生物的细胞物质并以剩余污泥的形式通过沉淀等方式与出水分离，从而使废水得到净化。

第一章废水生物处理基本原理生物处理—好氧原理好氧微生物将废水中的有机污第一章废水生物处理基本原理有机污染物好氧微生物处理的一般途径

第一章废水生物处理基本原理有机污染物好氧微生物处理的一般途2、生物处理—好氧异养代谢:第一章废水生物处理基本原理2、生物处理—好氧异养代谢:第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理1914年在英国建成第一座活性污泥污水处理试验厂是目前城市污水处理的主要方法。作用原理：普通活性污泥法是依据废水的自净作用原理发展而来的。第一节活性污泥法第一章废水生物处理基本原理1914年在英国建成第一座活性污第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理第一章废水生物处理基本原理活性污泥法的特点：曝气池中污泥浓度一般控制在2—3g/L，废水浓度高时采用较高数值。废水在曝气池中的停留时间(HRT)常采用4—8h，视废水中有机物浓度而定。回流污泥量约为进水流量的25％—50％左右

BOD和悬浮物去除率都很高，达到90％—95％左右第一章废水生物处理基本原理活性污泥法的特点：第一章废水生物处理基本原理不足之处：①对水质变化的适应能力不强；②所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况。因此，在处理同样水量时，同其他类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。

第一章废水生物处理基本原理不足之处：第一章废水生物处理基本原理六、序批式活性污泥法序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor，简称SBR)是国内外近年来新开发的一种活性污泥法，其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一，生化反应虽分批进行，基本工作周期可由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成第一章废水生物处理基本原理六、序批式活性污泥法第一章废水生物处理基本原理SBR具有下述特点：1．构造简单、节省投资省去了二沉池、回流装置和调节池等设施，因此基建投资较低。2．控制灵活，可满足各种处理要求一个周期中各个阶段的运行时间、总停留时间、供气量等都可按照进水水质和出水要求而加以调节。3．活性污泥性状好、污泥产率低污泥结构紧密，沉降性能良好。此外在沉降期几乎是在静止状态下沉淀，因此污泥沉降时间短、效率高。SBR的运行周期中有一闲量期、污泥处于内源呼吸阶段，因此污泥产率比较低。4．脱氮效果好第一章废水生物处理基本原理SBR具有下述特点：第一章废水生物处理基本原理第二节

生物膜法优点：①供氧充分，传质条件好；②采用轻质塑料填料后构筑物轻巧，填料比表面积大；⑤设备处理能力大，处理效果好，④不生长滤池蝇，气味小，卫生条件好。生物膜法与活性污泥法的主要区别在于生物膜固定生长或附着生长于固体填料(或称载体)的表面，而活性污泥则以絮体(floc)方式悬浮生长于处理构筑物中。第一章废水生物处理基本原理第二节生物膜法优点：1.2.1概述和基本原理生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因而这种方法亦称为生物过滤法。生物膜法的缺点：由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上伸缩性差；滤料表面积小，BOD容积负荷有限，因而空间效果差；采用自然通风供养，在生物膜内层往往形成厌氧层，从而缩小了具有净化功能的有效容积。然而由于新工艺新滤料的研制成功，生物膜法作为良好的好氧生物处理技术仍被广泛的应用着。1.2.1概述和基本原理生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微1.2.1概述和基本原理生物膜法的类型：（1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；（2）浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床生物膜法润壁型生物膜法浸没型生物膜法生物滤池生物转盘接触氧化法生物流化床1.2.1概述和基本原理生物膜法的类型：生物膜法润壁型生物1.2.1概述和基本原理二、生物膜中的物质迁移

有机物供氧三、生物膜净化废水的原理1.2.1概述和基本原理二、生物膜中的物质迁移三、生物膜1.2.2生物滤池1.2.2生物滤池三、生物滤池的类型及运行系统生物滤池法低负荷生物滤池高负荷生物滤池普通生物滤池回流式生物滤池塔式生物滤池生物滤池的分类普通生物滤池优点是处理效果好，BOD5去除率可达90%以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。缺点是占地面积大，易于堵塞（滤率在1～2m／d左右

），影响环境卫生。三、生物滤池的类型及运行系统生物滤池法低负荷生物滤池高负荷生1.2.3生物转盘1.2.3生物转盘1.2.4生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负荷、水温变动的冲击力强；剩余污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度怪的物质。接触氧化法的缺点是：滤料间水流缓慢，接触时间长，水力冲刷力小，生物膜只能自行脱落；剩余污泥往往恶化处理水质；动力费高。1.2.4生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负1.2.4生物接触氧化法1.2.4生物接触氧化法第三节厌氧生物处理1.3.1厌氧法的基本原理1.3.2厌氧法的影响因素1.3.3厌氧法的工艺和设备1.3.4厌氧消化过程动力学1.3.5厌氧产气量计算第三节厌氧生物处理1.3.1厌氧法的基本原理1.3.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。

厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。1.3.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化二阶段过程

1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化二阶段过程1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化三阶段、四阶段过程

1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化三阶段、四阶段过程1.3.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）1.3.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌1.3.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）

乙酸化阶段甲烷化阶段1.3.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）甲烷化阶1.3.2厌氧法的影响因素一、温度条件1.3.2厌氧法的影响因素一、温度条件1.3.2厌氧法的影响因素二、pH值一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。低于7.0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止。一般原液的pH值为6～8。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。

重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200mg/L为佳。1.3.2厌氧法的影响因素二、pH值1.3.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等)高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。1.3.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位1.3.2厌氧法的影响因素四、负荷率

容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3·d或g/L·d。有机物量可用COD.BOD.S和VSS表示。污泥负荷率：反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kg·d或g/g·d。投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3·d。投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3·d的投配率也可表示为7%。确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。三种发酵状态

当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH<7），称为酸性发酵状态，它是一种低效而又不稳定的发酵状态，应尽量避免。当有机物负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值维持在7～7.5之间，称为弱碱性发酵状态，它是一种高效而由稳定的发酵状态，最佳负荷率应达此状态。当有机物负荷率偏小时，消化液中的有机酸残存量很少，pH值偏高（大于7.5）称为碱性发酵状态。由于负荷偏低，是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态。1.3.2厌氧法的影响因素四、负荷率确定厌氧消化装置的负荷1.3.2厌氧法的影响因素五、污泥浓度各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于10～30gVSS/L之间。为了保持反应器的生物量不致因流失而减少，可采用多种措施，如安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥量等。1.3.2厌氧法的影响因素五、污泥浓度1.3.3厌氧法的工艺和设备四、上流试厌氧污泥床反应器消化和固液分离在一个池内。微生物量特高。负荷率高(10~20kgCOD/m3•d)。总容积小。能耗低，不需搅拌。污泥浓度可达40~80g/L。1.3.3厌氧法的工艺和设备四、上流试厌氧污泥床反应器1.3.3厌氧法的工艺和设备细部结构1.3.3厌氧法的工艺和设备细部结构第四节生物脱氮

氮素循环氮在自然界中的存在形式包括分子态氮、无机氮化物和有机态氮，其中分子态氮以游离的氮气形式存在于大气中，占大气含量的79％、但分子氮不能被绝大多数的生物直接利用，大气氮进入生物有机体主要有四条途径。(1)生物固氮：豆科植物能通过共生的根瘤菌固定大气中的氮，供植物吸收。某些固氮蓝细菌和固氮细菌也可以固定大气中的氮。(2)工业固氮。氮肥化工，如合成氨等。(3)岩浆固氮。火山爆发时，喷射出的岩浆可以固定一部分氮。(4)闪电固氮。雷雨时的闪电现象，可通过电离作用使氮氧化成氮氧化物。

第四节生物脱氮氮素循环第四节生物脱氮除磷第四节生物脱氮除磷氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化，其次是氨氮的好氧特性会使水体的溶解氧降低，此外，某些含氮化合物对人和其他生物有毒害作用。因此，国内外对氮磷的排放标准越来越严格。本章阐述生物脱氮除磷技术。生物脱氮除磷技术是近20年发展起来的，一般来说比化学法和物理化学法去除氮磷经济，尤其是能有效地利用常规的二级生物处理工艺流程进行改造达到生物脱氮除磷的目的，是日前应用广泛和最有前途的氮磷处理方法。氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化，其次是氨氮生物脱氮原理及影响因素

一、生物脱氮原理污水中氨主要以有机氮和氨氮形式存在。在生物处理过程中，有机氮很容易通过微生物的分解和水解转化成氨氮，即氨化作用。传统的硝化—反硝化生物脱氮的基本原理就在于通过硝化反应先将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮、亚硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到脱氮的目的。生物脱氮原理及影响因素一、生物脱氮原理氮在水中的存在形态与分类N

无机NNOx--N(硝态氮)TKN(凯氏氮)总N(TN)NH3-NNO3-NNO2—-N有机N（尿素、氨基酸、蛋白质）氮在水中的存在形态与分类N

无机NNOx--NTKN总N氨化与硝化反应过程

氨化与硝化反应过程硝化反应的条件（1）好氧状态：DO≥2mg/L；1gNH3-N完全硝化需氧4.57g，即硝化需氧量。（2）消耗废水中的碱度：1gNH3-N完全硝化需碱度7.1g（以CaCO3计），废水中应有足够碱度，以维持pH值不变。（3）污泥龄θC≥（10-15）d。（4）BOD5≤20mg/L。

硝化反应的条件（1）好氧状态：DO≥2mg/L；1gNH3-反硝化-1反硝化包括异化反消化和同化反消化，以异化反消化为主,反硝化菌在DO浓度很低的环境中，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体而得到降解。当利用的碳源为甲醇时：NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7CO2+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7CO2+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

反硝化反应可使有机物得到分解氧化，实际是利用了硝酸盐中的氧，每还原1gNO3--N所利用的氧量约2.6g。反硝化-1反硝化包括异化反消化和同化反消化，以异化反反硝化-2当缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体（1）反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下，进行厌氧呼吸，以NO3-—O为电子受体，以有机物的氢为电子供体。（2）反硝化过程中，硝酸态氮有二种转化途径—同化反硝化（合成细胞）和异化反硝化（还原为N2↑），但以异化反硝化为主。（3）反硝化反应的条件反硝化-2当缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S反硝化反应的条件DO<0.5mg/L，一般为0.2～0.3mg/L（处于缺氧状态），如果DO较高，反硝化菌利用氧进行呼吸，氧成为电子受体，阻碍NO3--O成为电子受体而使N难还原成N2↑。但是反硝化菌体内的某些酶系统组分只有在有氧条件下，才能合成。反硝硝化菌以在缺氧-好氧交替的环境中生活为宜。BOD5/TN≥3～5，否则需另投加碳源，现多采用CH3OH，其分解产物为CO2+H2O，不留任何难降解的中间产物，且反硝化速率高。目前反硝化投加有机碳源一般利用原污水中的有机物。还原1g硝态氮能产生3.57g碱度，而在硝化反应中，1gNH3-N氧化为NO3--N要消耗7.14g碱度，在缺氧-好氧中，反硝化产生的碱度可补偿硝化消耗碱度的一半左右。

反硝化反应的条件DO<0.5mg/L，一般为0.2～0.3m内源反硝化

微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化C5H7NO2+4NO3-→5CO2+NH3+2H2↑+4OH-

内源反硝化的结果是细胞物质减少，并会有NH3的生成。废水处理中不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。

内源反硝化微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝硝化、反硝化反应中氮的转化表1硝化过程中氮的转化

表2反硝化反应中氮的转化

氮的氧化还原态–Ⅲ氨离子NH4+–Ⅱ–Ⅰ羟胺NH2OH0+Ⅰ硝酰基NOH+Ⅱ+Ⅲ亚硝酸根NO2—+Ⅳ+Ⅴ硝酸根NO3—氮的氧化还原态–Ⅲ氨离子NH4+–Ⅱ–Ⅰ羟胺NH2OH0

N2+Ⅰ硝酰基NOH+Ⅱ+Ⅲ亚硝酸根NO2—+Ⅳ+Ⅴ硝酸根NO3—硝化、反硝化反应中氮的转化表1硝化过程中氮的转化表2脱氮新理念

（1）短程硝化-反硝化由传统硝化-反硝化原理可知，硝化过程是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开；而对于反硝化菌，亚硝酸根或硝酸根均可以作为最终受氢体。该方法就是将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止，随后进行反硝化，在反硝化过程将亚硝酸根作为最终受氢体，故称为短程(或简捷)硝化-硝化。控制硝化反应停止在亚硝化阶段是实现短程硝化-反硝化生物脱氮技术的关键，其主要影响因素有温度、污泥龄、溶解氧、pH值和游离氨等。控制较高温度、较低溶解氧和较高pH值和极短的污泥龄条件等，可以抑制硝酸菌生成，使亚硝酸菌占绝对优势，从而使硝化过程控制在亚硝化阶段。脱氮新理念

（2）厌氧氨氧化厌氧氨氧化是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。基本原理是在厌氧条件下以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，将氨氮氧化氮气，或者说利用氨作为电子供体．将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气。参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌。厌氧氨氧化过程无需有机碳源在。（3）亚硝酸型完全自养脱氮基本原理是先将氨氮部分氧化成亚硝酸氮，控制氨根离子与亚硝酸根离子比例为1：1，然后通过厌氧氨氧化作为反硝化实现脱氮的目的。全过程为自养的好氧亚硝化反应结合自养的厌氧氨氧化反应．无需有机碳源，对氧的消耗比传统硝化/反硝化减少62.5%，同时减少碱消耗量和污泥生成量。

（2）厌氧氨氧化厌氧氨氧化是荷兰Delft大学199二、硝化—反硝化过程影响因素

1．温度硝化反应的适宜温度范围是30～35℃，温度不但影响硝化茵的比增长速率，而且影响硝化菌的活性，在5～35℃的范围内，硝化反应速率随温度的升高而加快，仅超过30℃时增加幅度减少，当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于15℃即发现硝化速率迅速降低，低温对硝酸菌的抑制作用更为强烈，因此在低温12～14℃时常出现亚硝酸盐的积累。在30～35℃较高温度下，亚硝酸菌的最小倍增时间要小于硝酸菌，因此，通过控制温度和污泥龄，也可控制反应器中亚硝酸菌的绝对优势。反硝化反应的最佳温度范围为35～45℃，温度对硝化菌的影响比反硝化菌大。

二、硝化—反硝化过程影响因素1．温度2．溶解氧硝化反应必