第四章生物脱氮除磷技术外加碳源

第四章生物脱氮除磷技术存在形式：有机氮：蛋白质、氨基酸、偶氮、重氮、肼、腙、缩尿等。无机氮：氮气、氨氮、硝态氮及亚硝态氮等。如氮磷等排入水体引起水体富营养化；另外，有毒有害的金属离子对环境也可能构成巨大危害。水体中的氮及其危害据报道，1992年我国共发生赤潮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。2012年全海域共发现赤潮73次，累计面积7971平方公里。赤潮发现次数为近五年最多。氨氮排入水体还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。此外，饮用水中硝态氮超过10mg/L会引起婴儿的高铁血红蛋白症，即蓝婴病。一、基本原理1.硝化作用硝化（亚硝化）细菌（化能自养菌），在中性或弱碱性环境，将NH3氧化成NO2-，然后再氧化成NO3-，从而产生一定能量；以CO2为碳源，合成细胞物质。2.反硝化作用在厌氧条件下，微生物还原硝酸盐为HNO2、HNO、NH4+、N2等过程。包括：同化硝酸盐还原和异化硝酸盐还原作用。同化硝酸盐还原---硝酸盐被还原成亚硝酸盐和氨，氨被同化成氨基酸的过程。异化硝酸盐还原---在微氧或无氧条件下，微生物进行硝酸盐呼吸，被还原成亚硝酸盐、氨或气态氮含氮有机物（蛋白质、尿素）细菌分解和水解氨氮同化有机氮（细菌细胞）有机氮（净生化）o2硝化自溶和自身氧化亚硝态氨（NO2-）o2硝化硝态氨（NO3-）反硝化有机碳氮气（N2）净化C5H7O2N生化系统中氮的循环NO3-NO2-N2NH4+氧化还原态+5+30-3好氧反硝化菌硝化菌反硝化菌水中氮元素的形态变化厌氧氨氧化细菌NH4+NO2-N22H2O++二、微生物脱氮工艺要使废水中的氮最终转化成氮气而从废水中逸出，需要通过好氧硝化作用将氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧条件下反硝化脱氮。传统的脱氮工艺采用先硝化、后反硝化的工艺流程。1.A/O工艺－－缺氧／好氧工艺反硝化段硝化段废水回流NO3-N2有机碳A/O工艺流程厌氧好氧反硝化过程所需要的碳源直接来源于污水，不必外加2.氧化沟工艺可用来处理城市废水和工业废水进水缺氧区好氧区曝气机回流污泥50％剩余污泥沉淀池出水曝气机－－转碟3.桥本O/A工艺工艺流程简单，在缺氧池后设一后曝气池，可除残余的有机物和吹脱污泥上的氮气泡。缺点：缺氧池出水中氮的形态为氨态氮，并且旁路流入缺氧池提供反硝化碳源的废水流量不易控制。桥本O/A工艺流程好氧缺氧后曝气二沉进水剩余污泥出水4.Bardenpho工艺四段Bardenpho工艺三、影响因素1.pH硝化反应消耗碱，若污水中没有足够碱度，则随着硝化的进行，pH会急剧下降，硝化细菌对pH十分敏感；脱氮过程中，通常硝化段运行的pH控制在7.2～8.2，反硝化段pH控制在7.5～9.2。2.温度两类硝化细菌的最适宜温度为30℃左右，温度在5～35℃由低到高逐渐上升时，硝化反应将随温度的增高而加快，当温度低于5℃硝化反应几乎停止；反硝化作用温度范围在15～35℃之间，温度低于10℃，反硝化速率明显下降，低于3℃，反硝化作用停止。3.溶解氧浓度硝化过程的溶氧浓度，一般建议维持在1.0～2.0mg/L；溶解氧浓度对反硝化作用有抑制；但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某些酶系统组织在有氧时才能合成，这类工艺最好使这些反硝化菌交替处于好氧、缺氧的环境条件。4.碳源碳源物质主要通过影响反硝化细菌的活性来影响处理系统的脱氮效率。1）废水中所含的有机碳源一般认为，废水所含BOD5与总氮的比值大于3：1，就无需外加碳源2）外加碳源当废水BOD5：总氮小于3：1时，需投加碳源才能达到理想的除氮效果。外加碳源多采用甲醇，其氧化分解产物多为二氧化碳和水。3）内碳源主要指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称为二次基质。•优点：在废水碳氮比低时不必外加碳源也可达到脱氮目的，此外由于污泥产率低而降低成本。•缺点：反硝化速率极低5.有毒物质某些重金属、络合阴离子和有毒有机物对硝化细菌有毒害作用。氨态氮和亚硝态氮对硝化细菌也有影响有研究，当污水中氨氮浓度小与200mg/L，亚硝态氮浓度小于100mg/L时，对硝化作用没有影响。一、基本原理1.废水中磷的存在形式常以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中；传统的生物处理中的出水中，90％左右的磷以正磷酸盐的形式存在。PO43-P2.生物脱磷的基本原理利用聚磷菌一类的细菌，过量的、超出其生理需要的从外部摄取磷，并以聚合形态贮藏在体内，形成高磷污泥，达到从废水中除磷的效果。聚磷菌除磷经过好氧和厌氧两个阶段首先是厌氧放磷阶段，造成聚磷菌的“磷饥饿”状态ATP+H2OADP+H3PO4+能量然后是好氧聚磷阶段，摄入过量磷，除磷ADP+H3PO4+能量ATP+H2O3.废水脱磷工艺中的微生物聚磷菌早期，认为主要是不动杆菌（Acinetobacter）目前多认为，起主要作用是假单胞菌（Pseudomonas）和气单胞菌（Aeromonas）另外，有研究认为除上述几种聚磷菌外，还有棒状菌群和肠状菌群产酸菌聚磷菌一般只利用低级脂肪酸（如乙醇），若没产酸菌的作用或这种作用受抑制（如硝酸盐存在），则聚磷菌便难以利用放磷中产生的能量合成聚β-羟丁酸（PHB），因此也难以在好氧阶段通过分解PHB来获得足够的能量过量摄磷和聚磷有反硝化能力的聚磷菌有些聚磷菌能利用NO3-作为电子受体，在吸收磷的同时进行反硝化。Kuba在1994年发现具有反硝化能力的聚磷菌（DPB），其除磷能力和传统A/O工艺中普通聚磷菌相似，同时也具有建立在内源PHB和糖类物质基础上的生物代谢机制。生物除磷常与生物脱氮工艺一起应用20世纪50年代到60年代初，Srinath等人在污水处理厂的生产性运行中，观察到生物超量吸磷的现象。70年代所开展的研究工作弄清了生物除磷所需的运行条件，并有意识地将其工程化。80年代到90年代，通过全面的基础研究及生产性研究和工程运转经验的总结，污水生物除磷的理论及技术均获得了重大进展及突破。总的说来经历了以下几个阶段：除磷技术的发展(1)对具有明显除磷能力的污泥和生产性污水处理厂进行了观测和实验研究，证明了除磷作用的生物学本质和生物诱导化学沉淀的辅助作用；(2)认识到好氧区之前设置厌氧接触区，污泥进行厌氧—好氧交替循环的必要性，从而开发了多种生物除磷工艺流程，并开始工程化应用；(3)在实验研究和工程实践中认识到避免缺氧或好氧性电子受休(硝态氮或溶解氧)进入厌氧区的必要性，开发了优化生物除磷性能的工艺技术和远行技术；(4)认识到简单低分子质量(可快速生物降解)基质的作用及存在的必要性，物化学和生物力能学理论，使污水生物除磷技术进入了定量化模拟与优化阶段；(5)建立了污水生物除磷的数学模式。生物强化除磷工艺的主要机理：微生物以聚磷酸盐的形式超量储存磷。生物强化除磷工艺系统的基本特征：微生物在好氧区与厌氧区之间循环，废水自厌氧区进入系统。生物处理过程中除磷途径小结研究结果表明，超量除磷主要是生物作用的结果，但生物超量除磷并不能完全解释某些条件下出现的除磷性能，生物诱导的化学除磷可能是生物除磷的补充。在生物除磷系统中磷的去陈可能包括下列5种途径。(1)生物超量除磷：处理系统的厌氧好氧交替导致微生物群体功能的变化，使污泥含磷量可达到3％一7％。(2)正常磷的同化作用：微生物合成对磷的消耗。(3)正常液相沉淀：系统中的pH、阳离子浓度及各种沉淀抑制剂决定总的液相沉淀效率。(4)加速液相沉淀：在厌氧条件下通过分解聚磷使磷从菌胶团中释放出来，造成厌氧条件下的高磷浓度，加速了磷的化学沉淀作用。(5)生物膜沉淀：由细菌反硝化作用造成，使膜内pH升高，导致磷从液相进入无机相。（二）工艺流程1.A/O工艺（厌氧／好氧工艺）厌氧池好氧池二沉池出水进水回流A/O工艺本工艺的特征及运行参数（1）反应器中水力停留时间为3～6h（2）曝气池内污泥浓度在2700～3600mg/L之间（3）磷去除效果较好，去除率在76％左右（4）沉淀污泥含磷4％，肥效好（5）SVI值≤100，易沉淀，不膨胀存在问题：微生物对磷的吸收有限度，磷去除率难提高；在沉淀池易于产生磷的释放现象，应及时排泥和回流2.A2/O工艺（厌氧／缺氧／好氧工艺）在A/O工艺的厌氧池和好氧池之间增设一个不曝气的缺氧池，并使好氧池中带有硝酸盐的混合液回流到缺氧池，进行反硝化脱氮，在除磷的同时达到脱氮目的。各工艺单元特征：(1)厌氧反应器的功能是释放磷，进入本单元的除原废水外．还有从沉淀池排出的污泥；(2)缺氧反应器的首要功能是脱氟，由好氧反应器送出的内循环量为2Q(Q为原废水流量；(3)好氧反应器是多功能的，在这里进行去除BOD、硝化和吸收磷等反应。(4)沉淀池的功能为泥水分离，上清液作为处理水排放，部分污泥回流厌氧反应器，在那里释放磷。本工艺特征：（1）简单的同步脱氮除磷工艺，总水力停留时间少于其他同类工艺（2）厌氧（缺氧）好氧交替进行，不宜丝状菌生长，无污泥膨胀（3）不需投药，厌氧和缺氧段只进行缓慢搅拌，运行费用低问题：（1）脱氮效果难以提高（2）污泥增长受到一定限度，除磷效果不易提高（3）沉淀池需要保持一定浓度溶解氧，应降低污泥停留时间，防止厌氧状态和释放磷的现象，但溶解氧含量不宜过高，以防止循环液对缺氧反应器的干扰3.Bardenpho工艺以四个完全混合活性污泥反应池串联而成，其中第一、三池不曝气，搅拌器缓慢转动以防污泥沉淀，第二、四池好氧曝气。Bardenpho工艺缺氧段好氧段厌氧段好氧段二沉池出水回流污泥剩余污泥进水各工艺单元特征：本工艺主要优点：各项反应都反复进行两次以上，各反应单元都有首要功能，并兼行二、三项功能。工艺脱氮、除磷效果良好。问题：工艺复杂，反应器单元多，运行繁琐，成本高福列德克斯脱氮除磷工艺这是巴登福脱氮除磷工艺的改进，主要是在第1厌氧反应器(缺氧反应器)之前再加一厌氧反应器，以强化磷的释放，从而能够保证在好氧条件下，有更强的吸收磷的能力，以提高除磷效果。三、影响因素1.碳源的浓度和种类碳源浓度提高后诱发了反硝化作用，并迅速耗去了硝酸盐，使得污泥放磷早、快。其次，可为发酵产酸提供养料聚磷菌优先吸收小分子的低级脂肪酸，大分子、难降解物质需要经过产酸菌作用后才能被利用研究发现：要使出水磷浓度小于1mg/L，进水总BOD与总磷之比必须在23～30：1Hong等建议：进水总BOD与总磷之比至少高于15，才可使泥龄较短的除磷系统出水磷较低厌氧段，溶解氧浓度直接影响到聚磷菌的生长情况、释放磷及利用有机质合成PHB的能力；好氧段，必须提供充足的溶解氧，来满足聚磷菌对其储存的PHB进行彻底降解所需的氧量。2.溶解氧经验：厌氧放磷池溶氧浓度严格控制在0.2mg/L以下，好氧池溶氧浓度大于2mg/L，最好控制在3～4mg/L。厌氧区中如存在硝酸盐和亚硝酸盐，反硝化细菌以它们为最终电子受体而氧化有机基质，使厌氧区中厌氧发酵受到抑制而不产生挥发性脂肪酸3.硝酸盐和亚硝酸盐4.温度温度对微生物除磷过程影响较小温度对除磷影响主要是发酵产酸菌速率的下降。5.pH生物除磷系统适合的pH范围为中性和弱碱性，生活污水的pH通常在此范围。对pH不合适的工业废水，处理前须先进行调节，并设置监测和旁流装置，以免污泥中毒。6.泥龄泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位重量的磷需要消耗较多的BOD5泥龄越短，污泥含磷量越高，污泥的产磷率也越高，去除的磷量也就越多。泥龄30d时，去磷效率40％；17d为50％，5d为87％。一般以除磷为目的的泥龄控制在3.5～7d