污水生物脱氮除磷的基本原理

污水生物脱氮除磷的基本原理1.生物脱氮废水中存在着有机氮、NH3-N、NxO--N等形式的氮，而其中以NH3-N和有机氮为主要形式。生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和NH3-N转化为N2和NxO气体的过程。进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。1.1.氨化作用氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应在厌氧或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。RCH（NH2）COOH→RCH2COOH+NH1CH3CH（NH2）COOH→CH3CH（OH）COOH+NH3CH2（OH）CH（NH2）COOH→CH3COCOOH+NH31.2.硝化作用硝化作用是指将NH3-N氧化为NxO--N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和N2O--N的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO2-3、HCO-、CO2等。硝化过程的三个重要特征：⑴NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.2gO2；⑵硝化过程细胞产率非常低，难以维持较高物质浓度，特别是在低温的冬季；⑶硝化过程中产生大量的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，理论上大约为每氧化需要碱度5.57g(以NaCO3计)。1.3.反硝化作用反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.3-0.5mg/L）条件下，NOx－-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成[3--4]。反应历程为：NO-3→NO-2→NO→N2O→N2NO-3+5[H](有机电子供体)→1/2N2+2H2O+OH-NO-2+3[H](有机电子供体)→1/2N2+2H2O+OH-[H]可以是任何能提供电子，且能还原NOx―-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H+等。进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NOx―-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NOx―-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的进行。大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx―-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx―-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx―-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。2.生物脱磷2.1生物除磷原理所有生物除磷工艺皆为活性污泥法的修改，即在原有活性污泥工艺的基础上，通过设置一个厌气阶段，选择能过量吸收并贮藏磷的微生物（称为聚磷微生物），以降低出水的磷含量。活性污泥中的细菌，如不动杆菌属（Acinetobacter）、气单胞菌（Aeromonas）、棒杆菌属（Corynebacterium）、微丝菌（Microthrix.sp）等，当生活在营养丰富的环境中，在即成多聚磷酸盐而积累起来，供下阶段对数生长时期合成核酸耗用磷素之需。另外，细菌经过对数生长期而进入静止期，这时大部分细胞已停止繁殖，核酸的合成虽已停止，对磷的需要量也已很低，但若环境中的磷源仍有剩余，细胞又有一定的能量时，仍能从外界吸收磷素，以多聚磷酸盐的形式积累于细胞内，作为储存物质。但当细菌细胞处于极为不利的生活条件时，例如使好气细菌处于厌氧条件下，即所谓细菌“压抑”状态（Bacterial’stress）时，积累于体内的多聚磷酸盐就会分解，并释放到环境中来。在这过程中同时有能量释放，供细菌在不利环境中维持其生存所需，此时菌体内多聚磷酸盐就逐渐消失，而以可溶性单磷酸盐的形式排到体外环境中。如果该类细菌再次进入营养丰富的好氧环境时，它将重复上述的体内聚磷。废水中的有机物进入厌氧区后，在发酵性产酸菌的作用下转化成乙酸。聚磷菌在厌氧的不利环境下（压抑条件），可将贮积在体内的聚磷分解。在此过程中释放出的能量可供聚磷菌在厌氧压抑环境下存活之用；另一部分能量可供聚磷菌主动吸收乙酸、H+和e-，使之以PHB形式贮藏在菌体内，并使发酵产酸过程得以继续进行。聚磷分解后的无机磷酸盐释放至聚磷菌体外，此即观察到的聚磷细菌厌氧放磷现象。进入好氧区后，释放出的大量能量可供聚磷菌的生长、繁殖。当环境中有溶磷存在时，一部分能量可供聚磷菌主动吸收磷酸盐，并以磷酸的形式贮积在体内，此即为聚磷菌的好氧吸磷现象。这时，污泥中的非积磷的好氧性异养细菌虽也能利用废水中的残存的有机物进行氧化分解，释放出能量可供它生长、繁殖，但由于废水中大部分有机物已被聚磷菌吸收、贮藏和利用，所以在竞争上得不到优势。