第四章废水的微生物脱氮除磷

第四章废水的微生物脱氮除磷第一节概述第二节微生物脱氮第三节微生物除磷第一节概述氮、磷对受纳水体的主要危害表现在：（1）造成水体的富营养化；（2）影响水源水质，增加给水处理成本；（3）对人和生物产生毒性。第一节概述氮、磷是藻类生长的限制因子，水体中氮、磷浓度增高会导致水体的富营养化。当水体中磷的含量高于0.5mg/L时，将促进富营养化现象的加速发生；但当水体中磷的含量低于0.5mg/L时，能控制藻类的过度生长；而低于0.05mg/L时，藻类则几乎停止生长。氨态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量的氧造成水体溶解氧下降。饮用水中硝态氮超过10mg/L会引起婴儿的高铁血红蛋白症。第一节概述水体富营养化问题越来越严重，据报道，1991年我国共发生赤潮38次，1992年增加至50次，造成鱼类和其他生物大量死亡，对海洋渔业资源造成极大的破坏。为此，对于水体中氮、磷的去除已越来越受到重视，许多国家对废水处理厂出水氮、磷都制订了严格的排放标准。近年来,废水的脱氮除磷技术得到了迅速发展。而微生物脱氮除磷技术由于具有处理效果好，处理过程稳定可靠、处理成本低、操作管理方便等优点而得到广泛运用，为水体中氮、磷的去除提供了有效手段。第二节微生物脱氮一、发展历程二、基本原理三、工艺流程四、影响因素五、应用实例六、生物脱氮研究进展第二节微生物脱氮工艺流程三、工艺流程生物脱氮的工艺流程，根据细菌在系统中存在的状态可分为悬浮污泥系统和膜法系统两大类。悬浮污泥系统又可分为去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多级污泥系统。根据脱氮时所用的碳源，还可将其细分为两类：内碳源和外加碳源。第二节微生物脱氮工艺流程(一)悬浮污泥系统悬浮污泥系统可分为以下几种类型：1．悬浮多级污泥内碳源系统2．悬浮多级污泥外加碳源系统3．悬浮单级污泥内碳源系统4．悬浮单级污泥外加碳源系统第二节微生物脱氮工艺流程1．悬浮多级污泥内碳源系统处理流程见下图第二节微生物脱氮工艺流程该系统主要分为两大部分，前半部分污泥在好氧条件下去碳及硝化，其污泥经沉淀池分离后随即回流，与后半部分并不混合。硝化的废水进入后半部分，在缺氧条件下利用旁路进水中的有机碳作为碳源进行反硝化，剩余的小部分有机物经后曝气被氧化分解。后曝气还可吹脱污泥中氮气，并通过提高溶氧水平使反硝化作用停止，以使污泥在沉淀池中很好地分离。第二节微生物脱氮工艺流程2．悬浮多级污泥外加碳源系统处理流程见下图流程基本上与悬浮多级污泥内碳源系统相同，只是反硝化这一步利用外加甲醇或其他含碳工业废水作为碳源。第二节微生物脱氮工艺流程分隔的多级污泥系统同其他反硝化系统相比较，由于可根据每一级微生物的不同要求进行操作管理，故运行较稳定，效率亦高，可使系统总的池积减少，但由于池子繁多，基建费用较高。第二节微生物脱氮工艺流程3．悬浮单级污泥内碳源系统悬浮单级污泥内碳源系统主要有四种基本流程，即前置反硝化的A/O(Anoxic/Oxic)工艺、同时反硝化的氧化沟工艺、后反硝化的桥本工艺及四阶段的Bardenpho工艺。它们的共同特点是去碳、硝化和反硝化在分隔或不分隔的同一系统内的不同区段中进行，整个系统只有一种污泥，因此只设一个二次沉淀池。不论其流程如何变化，系统内总是存在着去碳和硝化的好氧段(或好氧池)以及进行反硝化的缺氧段(或缺氧池)这二大部分。第二节微生物脱氮工艺流程(1)A/O工艺A/O(Anoxic/Oxic)工艺即为缺氧／好氧工艺，其流程见下图。第二节微生物脱氮工艺流程在这种工艺中，反硝化段是在处理系统最前面，硝化段中的混合液以一定比例回流到反硝化段，反硝化段中的反硝化脱氮菌在无氧或低氧条件下，利用进水中的有机物作为碳源，以回流硝化池内NO3-中的氧作为电子受体，将NO3-还原为N2。这样，反硝化过程中所需的有机碳源可直接来源于污水，不必外加。从而，可以减轻硝化时的有机物负荷，减少停留时间，并节省曝气量和碱的投加量。反硝化过程中产生的碱度可补偿硝化段消耗的碱度的一半左右。该种微生物脱氮法是一种较为完善的工艺流程，这也是目前在生物脱氮中最广泛采用的工艺。第二节微生物脱氮工艺流程(2)氧化沟工艺其流程见下图第二节微生物脱氮工艺流程在环状氧化沟的某一点或多点设置曝气机，污泥沿氧化沟循环流动。在曝气机的下游区段为好氧段，进行去碳和硝化。远离曝气机的区段直至下一曝气机上游端为缺氧段，废水在缺氧段起始点进入。反硝化细菌可利用废水中的碳源和好氧段来的硝酸盐进行反硝化脱氮。处理后出水在好氧段末端由导管引入二沉池。曝气机常选用转刷或浸没式U型管曝气机，转速慢、能耗省，可满足充氧并使污泥向前流动。第二节微生物脱氮工艺流程(3)桥本工艺其工艺流程见下图第二节微生物脱氮工艺流程在桥本工艺中反硝化的缺氧池位于好氧池的后面。废水进入前面的好氧池进行去碳和硝化，后面的缺氧池利用旁路流入的一部分废水中的碳源以及来自前面的好氧池的硝酸盐进行反硝化脱氮。它的工艺流程较为简单，缺点是旁路流入缺氧池提供反硝化碳源的废水流量很难控制，若流量不足会影响反硝化，流量过大会因碳源过剩而影响出水水质。在缺氧池后设一停留时间为34min-45min的后曝气池，可去除残剩的有机物和吹脱污泥上的氮气泡。第二节微生物脱氮工艺流程(4)Bardenpho工艺其工艺流程见下图第二节微生物脱氮工艺流程四段Bardenpho工艺的前面二段类似于A/O工艺。为了进一步提高去氮率，可将好氧池1流出的硝酸盐导入第二个缺氧池，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的二次性基质作为碳源进行反硝化，以彻底去除系统中的硝酸盐，当然缺氧池2的反硝化速率较低。污泥最后进入好氧池2，以吹脱氮气泡，提高污泥的沉降性能。第二节微生物脱氮工艺流程4．悬浮单级污泥外加碳源系统流程与悬浮单级污泥内碳源系统相同，只是在反硝化段通入外加甲醇，以防止因原水中碳源不足或低温而引起反硝化速率下降。但外加碳源成本较高。第二节微生物脱氮工艺流程(二)生物膜系统与悬浮污泥系统相比，生物膜系统的主要优点是无需回流污泥，且构筑物内可维持较高的生物量，因此，水力停留时间较悬浮污泥系统短，负荷率高，脱氮效率高，是一种较为经济适用的脱氮工艺。生物膜法脱氮系统中通常使反硝化过程和硝化过程分别在两个处理构筑物内进行，并使反硝化设备内微生物处于缺氧状态，以进行反硝化脱氮。反硝化处理设备可采用淹没式生物滤池、淹没式生物转盘和生物流化床；硝化处理构筑物除上述三种外，还可以用生物接触氧化或活性污泥，当然活性污泥则需要另设污泥沉淀池，以使污泥单独回流。第二节微生物脱氮工艺流程同悬浮污泥系统一样，生物膜脱氮系统也可以分为内碳源系统和外加碳源系统。还可根据淹没式生物滤池废水的流向分为上向流和下向流两类。(1)内碳源反硝化滤池内碳源反硝化滤池的反硝化部分系采用不充氧的缺氧滤池。同悬浮系统一样，承担反硝化的缺氧滤池可以在好氧滤池的前面，也可以在后面。如下图。第二节微生物脱氮工艺流程（a）去碳、硝化部分（b）前反硝化（c）后反硝化利用活性污泥法图4-8内碳源反硝化滤池第二节微生物脱氮工艺流程这几种系统的反硝化效果大体为70％-80％左右，在前反硝化系统中，经好氧滤池后的出水需回流至缺氧滤池，当回流比为进水流量的四倍(或更高一些)，脱氮率可达90％。在后反硝化系统中，原水部分旁路进入反硝化滤池，对运行管理要求较高，否则出水不是碳未去尽，就是脱氮效果低下。第二节微生物脱氮工艺流程(2)外加碳源反硝化滤池流程与内碳源滤池相同，只是反硝化滤池通入外加碳源(如甲醇)，而不是原生污水。它的脱氮效果较内碳源滤池高，停留时间亦可缩短。存在最大的问题是投加甲醇的剂量应随硝酸盐浓度的变化而相应地改变，因此运行管理上要求较高。在后反硝化系统中，为了确保除去剩余的甲醇，可设置后曝气塔。第二节微生物脱氮工艺流程(3)下向流滤池滤池介质(滤料)可选用颗粒状活性炭、石块或纸质蜂窝或塑料波纹板。由于滤池是缺氧的，不充气，膜上的兼性厌氧反硝化细菌利用硝酸盐作为电子受体进行无氧呼吸，生物量逐渐增多，使膜逐渐变厚，可因此而造成堵塞，引起水头损失，或因局部堵塞造成不堵的部分水力负荷过高，形成短路，影响处理效果。在运行管理上的关键是防止堵塞，需定期进行反冲。反冲可采用压缩空气或用水力来冲击，当水头损失过高，表明有堵塞时即以大流量进水进行反冲。第二节微生物脱氮工艺流程(4)上向流滤池，在上向流滤池中，原水从下方进入滤池，当上向流动的水力等于或大于介质的重力时即可将介质托起，形成流化床或膨胀床。若水力小于介质的重力时，介质仍沉于池底，为了同流化床相区别亦可称之为固定床。上向流滤池的介质可选用较细的颗粒活性炭或较轻的塑料介质。同下向流滤池相比较可减少反冲，同时由于介质颗粒较细小，可增大滤池内介质的总表面积。从而提高脱氮的容积负荷，减少停留时间。第二节微生物脱氮影响因素四、影响因素由于微生物脱氮系统对氮的去除主要是通过硝化作用和反硝化作用实现的，因而影响这两个过程的一些环境因子都将对整个系统的氮去除产生影响，研究表明，影响微生物脱氮的主要因素有以下几个方面：第二节微生物脱氮影响因素1．pH硝化反应的结果生成强酸（HNO3）,会使环境的酸性增强，因此硝化反应要消耗碱。如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行，pH会急剧下降。硝化细菌对pH十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在7.0-7.8和7.7-8.1时活性最强，pH值在这个范围以外，其活性便急剧下降，如下图所示。第二节微生物脱氮影响因素可见，pH是影响硝化速度的重要因素第二节微生物脱氮影响因素在构筑物中，硝化反应适宜的pH范围，比上图所示的要宽一些(如下图所示)。第二节微生物脱氮影响因素研究表明，硝化细菌经过一段时间驯化后，低pH值比突然降低pH值的影响小得多。经过驯化，硝化反应可在低pH值(如5.5)条件下进行。但突然降低pH值(如由7.2降到5.8)，会使硝化反应速度骤降。当pH值升高后，硝化反应速度又会很快地恢复。第二节微生物脱氮影响因素pH值也影响反硝化的速率。多数学者认为反硝化的最佳pH范围在中性和微碱性。同时pH值可影响反硝化的最终产物。pH值超过7.3时终产物为氮气，低于7.3时，最终产物以N2O占优势；当pH大于8时，会出现NO2-的积累，且pH值越高，NO2-积累越多。研究发现这是因为高pH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性而对硝酸盐还原酶的活性影响不大所致。生物脱氮过程中，通常把硝化段运行的pH值控制在7.2-8.0之间，反硝化段pH控制在7.5-8.5之间。第二节微生物脱氮影响因素2．温度温度对硝化反应速度的影响很大,见下图(活性污泥硝化系统中)第二节微生物脱氮影响因素其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。两类硝化细菌的最宜温度为30℃左右。温度对反硝化速度的影响大小与反硝化设备的类型(微生物悬浮生长型或固着型)、硝酸盐负荷率等因素有关。第二节微生物脱氮影响因素表4-3温度对不同构筑物内反硝化速度的影响可见，流化床反硝化对温度的敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。第二节微生物脱氮影响因素下面两图是不同类型反硝化设备中反硝化速度受温度影响的示例填料床中温度对反硝化速度的影响第二节微生物脱氮影响因素悬浮污泥中温度对反硝化速度的影响从上面表、图可以看到填料床反硝化的反应速度受温度的影响比悬浮污泥法小。第二节微生物脱氮影响因素下图表示不同硝酸盐负荷下，温度对反硝化反应速率的影响结果表明负荷低，温度影响小；反之亦然。第二节微生物脱氮影响因素3．溶解氧溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化细菌的生长速度，如下图所示。溶解氧对硝化速率的影响第二节微生物脱氮影响因素硝化作用过程要耗去大量的氧，使一分子NH4+-N完全氧化成NO3-需2分子氧，亦即4.57mgO2/mgNH4+-N。硝化过程的溶解氧浓度，一般建议应维持在1.0mg/L-2.0mg/L。第二节微生物脱氮影响因素溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原酶的形成或者仅仅充当电子受体从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原。虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化