第六节 脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计

4.6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计4.6.1脱氮原理与工艺技术

氮污染的危害1.富营养化——N、P引起，藻类问题（滇池，太湖）；2.提高制水成本——污水消毒时，增加投氯量；3.污水回用填塞管道——NH3－N可促进设备中微生物的繁殖；4.农业灌溉——TN不大于1mg/l，否则对农作物有影响。1.有机氮2.氨态氮（NH3—N、NH4+—N）3.NO2—N、NO3—N4.N2

氮的存在形式

二级处理技术的局限性※合成代谢对氮磷的去处率低，水中氮磷过剩

nCxHyOz+nNH3+n(x+y/4-z/2-5)O2

(C5H7NO2)n+n(x-5)CO2+n/2(y-4)H2O4.6.1.1氮的吹脱处理NH3+H2O

NH4++OH-PH=7时，以NH4+存在PH=11时，90%NH3存在PH升高，去除NH3上升T上升，去除NH3上升脱氮塔技术的特点：除氮的效果稳定；操作简便，容易控制；NH3

二次污染（可回收）；使用CaO易结垢（改用NaOH）水温下降时，效果差

原理

脱氮塔1.PH值——PH升高到10.5以上，去除率增加缓慢2.水温——水温升高，效率升高3.布水状态——滴状下落最好，膜状下落，效果大减4.布水负荷率——填料6m高以上时，其值不超过

180m³/m².d5.气液比——填料6m高以上时，2200-2300以下为好。

脱氮塔工作影响因素与设计参数4.6.1.2生物脱氮原理活性污泥法的传统功能——去除水中溶解性有机物N、P只满足生理要求即可，因此对二者去除率低，仅为20-40%；5-20%

概述

污水生物处理中氮的转化过程1、氨化反应氨化反应原理

RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3氨化菌氨化菌为异氧菌

一般在氨化过程与微生物去除有机物同时进行，有机物去除结束时，已经完成了氨化反应

2、硝化反应硝化反应原理

总反应NH4++1.5O2NO2-+H2O+2H+-△F（△F=278.42kJ）NO2-+0.5O2NO3－-△F（△F=72.27kJ)亚硝酸菌硝酸菌NH4++2O2NO3－+H2O+2H+-△F（△F=351kJ）硝化菌硝化菌的特点

①

硝化菌——亚硝酸菌和硝酸菌的统称;②

硝化菌属于——化能自养菌，可生芽孢的短杆状细菌.

硝化反应的控制指标

硝化菌对环境条件的变化极为敏感，所以有以下指标：①

溶解氧：氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/l

硝化需氧量（NOD）——4.57g(氧)/g（N）②碱度：7.1g碱度（以CaCO3计）/1g氨态氮（以N计）,一般碱度不低于50mg/l③

PH：硝化菌对PH变化敏感,最佳值8.0-8.4,效率最高④

温度：适应20-30℃，15℃时硝化速度下降，低于5℃完全停止⑤有机物：BOD应低于15-20mg/l⑥污泥龄（SRT）：微生物在反应器内的停留时间（θc）

N>(θc)Nmin，硝化菌最小的世代时间(θc)Nmin有害物质：对硝化反应抑制，某些重金属，高浓度NH4+—N，高浓度NOx—N，有毒有机物、络合物阳离子。3、反硝化反应2HNO22HNO2HNO32NH2OH2NH3NON2+4H+2H-2H2O+2H-2H2O-H2O+4H+4H-2H2O-2H2O反硝化反应：指NO3—N和NO2—N在反硝化菌的作用下，还原成气态N2的过程。NO3-NO2-NH2OH有机体(同化反硝化)NO2-N2ON2(异化反硝化)①同化反硝化反应原理

②异化反硝化反应原理

①

反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌；②以NO3—N为电子受体，以有机碳为电子供体，合成的细胞物质较少。①污水中的碳源：BOD5/T—N>3-5时，勿需外加碳源②

PH：主要的影响因素，适当的值为（6.5-7.5），

PH>8，或PH<6，反硝化速率下降。溶解氧：0.5mg/l以下，厌氧、好氧交替的环境，如存在氧，会抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，或氧成为电子受体阻碍硝酸氮的还原，但另一方面，某些酶系统还需有氧才能成；④

温度：最适宜的温度是20-40℃，低于15℃时代谢速率下降；⑤

冬季低温季节：降低负荷率，提高污水的HRT。反硝化菌

反硝化反应的控制指标

生化反应类型去除有机物（好氧分解）硝化反硝化亚硝化硝化微生物好氧菌和兼性菌（异养型细菌）自养型细菌

自养型细菌兼性菌异养型细菌能源有机物化学能化学能有机物氧源O2O2O2NO3-NO2-溶解氧1—2mg/l以上2mg/l以上2mg/l以上0—0.5mg/l碱度没有变化氧化1mgNH4+-N需要7.14mg碱度没有变化还原1mgNO3--N,N02--N生成3.57g碱度氧的消耗分解1mg有机物(BOD5)需氧2mg氧化1mgNH4+-N需氧3.43mg氧化1mgNO2--N需氧1.14mg分解1mg有机物(COD)需要NO3-N0.35mg,N02-N0.58mg，以提供化合态的氧最适pH6—87—8.56—7.56—8最适温度15—25℃θ=1.0—1.0430℃θ=1.130℃θ=1.134—37℃

θ=1.06—1.15增殖速度1.2—3.50.21—1.080.28—1.44好氧分解的1/2—1/2.5分解速度70—870mgBOD/(gMLSS·h)7mgNH4+-N/(gMLSSh)0.022—8mgNO3-—N/(gMLSS·h)产率16%CH3OH/gC5H702N0.04—0.13mgSS/mgNH4+-N能量转换率为5%—35%0.02—0.07mgVSS/mgN02--N能量转换率10%—30%16%CH3OH/gC5H7O2N8上表为生物脱氮反应过程各项生化反应特征4、同化作用

污水生物处理过程中，一部分氮被同化为微生物细胞的组分，按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为12.5％，虽然内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二次沉淀池中以剩余活性污泥的形式得以去除。13.7.1.3生物脱氮工艺技术1.三级生物脱氮系统：由三个反应过程（氨化、硝化、反硝化）建立的脱氮处理系统。

活性污泥传统脱氮工艺（1）流程说明“一级”曝气池：去除COD、BOD，BOD<15-20mg/l

有机氮转化为NH3NH4+；“二级”硝化曝气池，NH3

、NH4+生成NO3—N，碱度下降；“三级”反硝化池：厌氧、好氧交替运行。投甲醇时，CM=2.47N0（初始NO3—N浓度）

+1.53N(初始NO2—N浓度)+0.87D（初始DO浓度）

（2）优缺点去除效果好各类菌类环境条件好设备多，造价高，能耗大2.改进的二级生物脱氮系统BOD去除和硝化两个反应合并·2.单级生物脱氮系统

优缺点：工艺流程简单，处理构筑物和设备减少，反硝化的有机碳源不足，难以控制以及出水水质难以保证。

缺氧—好氧活性污泥法A/O工艺内循环（硝化液循环）原污水反硝化反应器（缺氧）

BOD去除,硝化反应反应器（好氧）碱沉淀池处理水剩余污泥回流污泥N2图7－17分建式缺氧-好氧活性污泥脱氮系统1.工艺特征80年代开创,前置反硝化——不加碳源,外加碱度,降低负荷设内循环产生碱度,3.75mg碱度/mgNO3—N

勿需建后曝气池回流水含有NO3—N（沉淀池污泥反硝化生成）要提高脱氮率，要增加回流比2.影响因素与主要工艺参数

水力停留时间：硝化：反硝化=3：1

循环比：200%

MLSS值：大于3000mg/l;

污泥龄：30d;

N/MLSS负荷率：0.03gN/gMLSS.d

进水总氮浓度：小于30mg/lηN’=Q(r+R)/(1+R+r)Q×100%ηN’——除氮的%；

r——硝化混合也回流比（为混合液流量与处理污水量的比值）

R——沉淀池污泥回流比

Q——进水流量对A/O而言，要保证：回流比85%，总回流比>600%氮的氧化还原态厌氧氨氧化NH(-Ⅲ)→-Ⅱ→-Ⅰ羟胺NH2OH→0+Ⅰ硝酸基NOH→+Ⅱ→+Ⅲ亚硝酸基→+Ⅳ→+ⅤNO3-3.A/0系统的除氮与回流关系

NO3-NO2-NON2ON2

亚硝酸醛还原酮硝酸醛还原酮氧化亚氮还原酮氧化还原醛

NO3-→N2

4.6.2除磷原理与工艺技术4.6.2.1概述

富营养化的限制因素2.P<0.5mg/l，能控制藻类的过度生长；3.P低于0.05mg/l时，藻类几乎停止生长。1.有机磷酸盐：存在有机物和原生质细胞,大量胶体和颗粒状，可溶性占30%,如：葡萄糖—6—磷酸,2—磷酸—甘油。

2.磷酸盐:H2PO4-、HPO4-、PO43-，其中[PO43-]正磷酸盐

3.聚磷酸盐:焦磷酸盐—P2O74-,三聚磷酸盐—P3O105-

偏磷酸盐—PO3-1.P>0.5mg/l，促进富营养化；

磷的存在形式1.生活污水中的含磷量：10-15mg/l，70%为可溶性；经过二级处理进水中，90%左右的磷以磷酸盐存在。2.污水中的磷不同于氮，不能形成氧化体和还原体，但有固态和溶解态转化的特点。1.化学除磷法：混凝沉淀和晶析法除磷2.生物除磷法：设想于1955年提出的，60年代人们对上述方法广泛应用。

污水处理中磷的情况

污水处理中磷的去除方法4.6.2.2化学除磷法

石灰混凝除磷pH值，如P<1mg/l，二级出水PH>9.5；原污水PH>11

磷的形式①正磷酸盐（PO4）②聚磷酸盐:去除难易程度焦磷酸盐(P2O74-)<三磷酸盐(P3O105-)<偏磷酸盐(PO3-)

③原水中Ca2+的浓度5Ca2++4OH-+3HPO42-Ca5(OH)(PO4)3+3H2OPH升高，P的含量下降，（对数降低的趋势)1.石灰与磷的反应2.除磷效果影响因素

聚氯化铝（PAC），反应相同与Al2(SO4)3，但pH值不下降；铝酸钠（NaAlO2）

使用Al盐注意事项:注意PH值，介于5-7之间无影响，无需调整PH降低，应注意排放水对PH的要求沉淀污泥回流，污泥中有Al(OH)3，能提高对磷的去除率Al3++PO43-（正磷酸离子）AlPO4（难溶,PH值上升，溶解度上升）

Al2(SO4)3+2PO43-2AlPO4+3SO42-Al2(SO4)3+6HCO3-2Al(OH)3+6CO2+3SO42-

金属盐混凝沉淀1.铝盐除磷

霍米尔（Holmers）提出活性污泥的化学式

C118H170O51N17P或C：N：P=46：8：1１.好氧吸收（聚磷菌对磷的过量吸收）

ADP+H3PO4+能量ATP+H2O2.厌氧释放:厌氧条件下（DO=0，NO3-=0），

ATP+H2OADP+H3PO4+能量上述两反应为可逆反应，过程见下图4.6.2.3生物除磷原理

生物除磷

利用聚磷菌一类的微生物，能够过量的，在数量上超过其生理需要，从外部摄取磷，并将磷以聚合形式贮藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。

生物除磷机理ADPATPATPADPADPADPATPATP释放有机磷无机磷

聚磷

无机磷

有机磷

聚磷菌+Poly

聚磷菌合成

降解PHB无机物溶解质

进水

污泥回流

剩余污泥（高磷）

厌氧段

好氧段

释放的少

摄取的多

PHB：聚—β—羟基酸盐由此过程可以看出：生物除磷几乎全为活性污泥法，生物膜法很少1.甲单胞菌属、气单胞菌属：起主要作用，15%--20%；

2.不动杆菌属：储存聚磷的能力最强；

3.某些反硝化菌：也能超量吸收磷；

4.发酵产酸菌：将大分子物质降解为低分子脂肪酸类基质；1.溶解氧：厌氧段控制在0.2mg/l以下，好氧段控制在2mg/l左右；2.厌氧区硝态氮3.温度：其影响不如生物脱氮过程明显，5—30℃的范围内效果均可；4.pH值：6---8范围内比较稳定；5.BOD负荷和有机物性质：BOD/TP要大于15，才能保证聚磷菌有足够的基质需求；6.污泥龄：一般控制在3.5—7天，厌氧段的停留时间不宜过长。

主要菌种－聚磷菌

生物除磷的影响因素1.工艺过程弗斯特利普工艺4.6.2.3生物除磷工艺流程2.弗斯特利普除P工艺的特点

出水含磷量低于1mg/l；

SVI值小于100，丝状菌难于增值，污泥不膨胀；可根据BOD/P调节回流污泥与混凝污泥的比例。含磷废水进入曝气池同步进入的还有聚磷菌污泥，聚磷菌过量地摄取磷，去除有机物，还能出现硝化作用；从曝气池流出的混合液，进入沉淀池，在这里进行泥水分离，含磷污泥沉淀，上清液排放；含磷污泥进入除磷池含磷上清液进入混合池，投加石灰，化学除磷；（释放磷）曝气池（BOD去除吸收磷）原污水处理水（厌氧）沉淀池（好氧）回流污泥（含磷污泥）剩余污泥含磷污泥用作肥料1.厌氧-好氧除磷工艺流程（Ａn－Ｏ法）

厌氧—好氧除磷工艺2.工艺特征：流程简单，既不用投药，也无需内循环,有利于好氧（厌氧）状态的保持HRT段，3-6h

曝气池SS浓度2700-3000mg/l之间，BOD与一般活性污泥法相同，磷的去除率较好，P<1.0mg/l

沉淀污泥含磷率4%，肥效好

SVI低于100，易沉淀，不膨胀

除磷率难以进一步提高，P/BOD高时尤其是这样沉淀池产生磷的释放现象3.工艺存在的问题：4.6.2.3同步脱氮除磷工艺

巴颠普脱氮除磷工艺1.工艺流程：

第一厌氧反应器首要功能是脱氮第二功能是污泥释放磷

第二厌氧反应器脱氮，释放磷

第一好氧反应器硝化，吸收磷

第二好氧反应器吸收磷，硝化，去除BOD

沉淀池，主要功能是泥水分离综上，各反应单元都有其首要功能,脱氮>90%,除磷率>90%2.工艺功能：1.工艺流程：A—A—O法同步脱氮除磷工艺厌氧反应池缺氧反应池原污水（释放磷氨化）沉淀池（脱氮）回流污泥（含磷污泥）好氧反应池（硝化吸收磷去除BOD）处理水内循环2Q

N22.反应器单元功能：厌氧反应池：释放磷+氨化（有机氮）缺氧反应器：脱氮好氧反应器：去除BOD，硝化，吸收磷3.工艺特点

除磷效果很难提高

脱氮效果难于进一步提高，内循环量2Q，不宜太高进入沉淀池的处理水要保持一定的溶解氧

最简单的同步脱氮除磷技术总的HRT很短丝状菌不能大量繁殖（好氧，厌氧交替运行），无污泥膨胀,SVI<100

污泥中含磷浓度高，肥效高勿需投药，两个A段只用轻搅拌，运行费用低4.缺点4.6.2.4污水生物脱氮除磷理论与技术的新进展

传统的废水脱氮除磷工艺存在的问题

硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，增加基建投资和运行费用。

系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长。

新突破

硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用。某些微生物好氧条件下也可以进行反硝化作用

在厌氧条件下，NH4+－N减少。聚磷菌能利用硝酸盐实现反硝化和过量吸收磷。SHARON工艺1.原理：短程硝化－反硝化，将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后反硝化。

NO3-NO2-N2

2.应用：污泥硝化池上清液处理3.基本特点：

硝化与反硝化在一个反应器中完成，简化工艺流程，节省碳源。

硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少供气量。缩短水利停留时间，减少反应器体积和占地面积。OLAND工艺

比利时微生物生态实验室于1998年培养了一种用于高浓度含氨废水处理的自养硝化菌，其关键特征是能通过自身供氧而将硝化过程控制在亚硝化阶段，电子受体不足时可消耗其自身(即消耗NO2-)来氧化氨。

OLAND工艺即是由自养硝化菌作为生物催化剂所发生的氧化—还原除氮，为氧控自养硝化反硝化的简称[10、12]。据报道，该工艺可比传统的硝化反硝化工艺节省供氧62.5%，节省电子供体(碳源)100%。在上述氧化还原反应中，亚硝化菌可获得足够的能量以维持其生长。控制该过程的关键参数是氧浓度。目前存在的问题是，在混合菌群连续运行的条件下尚难以对氧和污泥的pH值进行良好的控制。若可通过化学计量方法合理地控制氧的供给，即可使污泥处于亚硝化阶段。实验室研究表明，该工艺对ＴＮ的去除效率相当高[50mgTN/(L·d)]。