生物脱氮除磷原理及工艺

一、 氮的吹脱去除
1、原理
（1）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
（2）脱氮塔
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
16% CH3OH/gC5H702
N
硝化
亚硝化
硝化
Nitrosomonas 自养型细菌
Nitrobacter 自养型细菌兼性菌
化学能
化学能
O2 2mg/l以上 氧化1mg NH4+-N 需要7.14mg的碱度
O2 2mg/l以上 没有变化
氧化1mg NH4+- N 氧化1mgNO2--N 需
需氧3.43mg
NO2-+1/2O2 硝化菌 NO3- -△F（△F=72.27kj ) NH4++2O2 NO3-+H2O+2H+-△F（△F=351kj） 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，革兰氏染色阴性，可生芽孢的短
杆状细菌 .
（2）环境因素对硝化反应的影响 ※硝化菌对环境条件的变化极为敏感
反硝化
异养型细菌
有机物 NO3- NO20—0.5mg/l 还原1mgNO3--N,N02--N生成3.57g
碱度 分解1mg有机物(COD)需要NO3N 0.35mg, N02-N0.58mg，以提
供化合态的氧 6—8
34—37℃ θ=1.06—1.15 好氧分解的 1/2 —1/2.5
2—8mg NO3-—N/(gMLSS·h) 16% CH3OH/gC5H7O2N8
生物脱氮除磷原理及工艺
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活性污泥的脱氮除磷原理及应用
13.7.1脱氮原理与工艺技术
1、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——应用水，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。
（2）除磷效果影响因素
pH值，如P<1mg/l，二级出水 PH>9.5；原污水 PH>11
磷的形式
正磷酸盐（PO4） 聚磷酸盐（焦磷酸盐(P2O74-)<三磷酸盐(P3O105- ) <偏磷酸盐(PO3-)）（去除难易程度） 原水中Ca2+的浓度
（3）石灰混凝沉淀除磷处理流程
由以下三部分组成：
快速搅拌池
缓慢搅拌池
沉淀池
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三、 生物除磷原理
霍米尔（Holmers）提出活性污泥的化学式 C118H170O51N17P 或C：N：P=46：8：1
※ 生物除磷——就是利用聚磷菌一类的的微生物，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。
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聚磷菌---甲单胞菌属、气单胞菌属：起主要作用，15%--20%；
不动杆菌属：储存聚磷的能力最强；
某些反硝化菌：也能超量吸收磷；
发酵产酸菌：将大分子物质降解为低分子脂肪酸类基质；
2、生物除磷的影响因素
（1）厌氧/好氧条件的交替
引入厌氧条件就加强了聚磷菌的优势选择，相当一部分的M由
这类菌组成；
（2）硝酸盐和易降解的有机物
2HNO3 -2H2O2HNO2-2H2O 2HNO
2NH2OH
2NH3
NO3-
NO2-
-H2O
N2
NO
异化反硝化
NH2OH
有机体(同化反 硝化)
NO2-
N2O
N2(异化反硝化)
反硝化过程式 上式的简化式
图7－14 反硝化反应过程（同化反硝化、异化反硝化）
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表7-4生物脱氮反应过程各项生化反应特征
+1.44H2O 在缺氧条件下， C2H4O2+0.16NH+4+0.96NO-3+0.2PO3-4
0.61C5H7NO2 +1.2CO2 +0.2HPO3(聚磷)+ 1.4OH-
+0.96H2O+0.48N2 在厌氧条件下，聚磷菌释放磷可以简写如下 C（2H贮4存O2的+ 有HP机O物3(聚）磷+H)+2OH2+O PO3-4 （C2H4O2）2
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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/l ③PH——对PH变化敏感（硝化菌),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/l ⑥污泥龄（SRT）——微生物在反应器内的停留时间（θc）
生化反应类 型
微生物
能源 氧源(H受体)
溶解氧 碱度
氧的消耗
最适pH值 最适温度
增殖速度(d-1) 分解速度
产率
去除有机物 （好氧分解）
好氧菌和兼性菌 （异养型细菌）
有机物
O2 1—2mg/l以上
没有变化
分解1mg有机物 (BOD5)需氧2mg
6—8 15—25℃ θ=1.0—1.04 1.2—3.5 70—870mg BOD/(gMLSS·h)
（2）反应过程 （3）反硝化反应的控制指标
①碳源
污水中的碳源，BOD5/T—N>3-5时，勿需外加 外加碳源，CH3OH（反硝化速率高生成CO2+H2O），
②PH值
当BOD5/T—N<3-5时
适当的PH值（6.5-7.5） ——主要的影响因素
PH>8，或PH<6，反硝化速率下降
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同化反硝化
+4H
+4H
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
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（3）改进的二级生物脱氮系统 BOD去除和硝化两个反应合并
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2、缺氧—好氧活性污泥法 A/O工艺
（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
（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）BOD5/TP BOD/TP要大于15，才能保证聚磷菌有足够的基质需求；
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N2
原污水
内循环（硝化液循环） 碱
反硝化反应器 （缺氧）
BOD去除,硝 化反应反应器 （好氧）
沉淀池 处理水
回流污泥
剩余污泥
分建式缺氧-好氧活性污泥脱氮系统
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13.7.2 除磷技术
一、 概述 1、富营养化的限制因素
（1）P>0.5mg/l，促进富营养化； （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。
2、磷的存在形式
（1）有机磷酸盐——存在有机物和原生质细胞
如：葡萄糖—6—磷酸，2—磷酸—甘油，
大量胶体和颗粒状，可溶性占30%。
（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-
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三、 生物脱氮工艺技术
1、传统脱氮工艺 三级脱氮工艺，
氨化 由三个反应过程建立 硝化
反硝化
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（1）流程说明
“一级”曝气池：去除 COD、BOD，BOD<15-20mg/l 有机氮转化为 NH3 NH4+ ；
“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，
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：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/l。
活性污泥法的传统功能——去除水中溶解性有机物
1、同化作用
污水生物处理中，一部分氮备同化微生物细胞的 组分。按细胞干重计算，微生物中氮的含量约为 12.5%
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2、氨化反应 与硝化反应 （1）氨化反应
RCHNH2COOH+O2氨化菌 RCOOH+CO2+NH3
3、硝化反应
（1）硝化过程
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NH4++3/2O2 亚硝化菌NO2-+H2O+2H+-△（△F=278.42kj）
2、氮的存在形式
（1）有机氮 （2）氨态氮（NH3—N、NH4+—N） （3） NO2—N、NO3—N （4） N2
凯式氮
3、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)H2O2
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（3）脱氮塔工作影响因素与设计参数 ①PH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.d ⑤气液比——填料6m高以上时，2200-2300以下为好。
二、 污水生物脱氮原理
3、其他 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。
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。
4、去除方法 ➢ 化学除磷法-----混凝沉淀和晶析法除磷 ➢ 生物除磷法——设想是由Greenburyg于1955年提出的，60年 代人们对上述方法广泛应用。
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③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合成； 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
提高SRT，降低负荷率，从而提高污水的HRT 。
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二、化学除磷
1、Βιβλιοθήκη Baidu属盐混凝沉淀
（1）铝盐除磷 Al3++PO43-（正磷酸离子） AlPO4（难溶）
PH值上升，溶解度上升 Al2(SO4)3+2PO43- 2AlPO4+3SO42Al2(SO4)3+6HCO3- 2Al(OH)3+6CO2+3SO42聚氯化铝（PAC），反应相同与Al2(SO4)3，但pH值不下降； 铝酸钠（NaAlO2）
N>(θc)Nmin，硝化菌最小的世代时间(θc)Nmin ⑦重金属机有害物质 重金属对硝化反应抑制 高浓度NH4+—N，高浓度NOx-—N
有机物、络合物阳离子
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4、反硝化反应 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。
（1）反硝化菌的特点
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，不能释放更 多的ATP，合成的细胞物质较少 。
聚磷 聚磷菌
溶解质 ATP
合成
降解 PHB PHB
ADP
ADP
无机物 ATP
释放的少
污泥回流
剩余污泥（高磷）
摄取的多
PHB：聚—β—羟基酸盐
生物除磷几乎全为活性污泥法，生物膜法很少
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在好氧条件下聚磷菌的积累可以简化的方式描述 如下：
C2H4O2+0.16NH+4+1.2O2+0.2PO3-4 0.61C5H7NO2+1.2CO2+0.2HPO3(聚磷)+0.44OH-
化学法除磷：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
（2）铁盐除磷
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2、石灰混凝除磷
（1）石灰与磷的反应
5Ca2++7OH-+3H2PO4 -
Ca5(OH)(PO4)3+6H2O
PH升高，P的含量下降，（对数降低的趋势)
1、生物除磷机理
（１）好氧吸收（聚磷菌对磷的过量吸收）
ADP+H3PO4+能量 （2）厌氧释放
ATP+H2O
厌氧条件下（DO=0，NO3-=0）， ATP+H2O ADP+H3PO4+能量
上述两反应为可逆反应
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聚磷酸ploy
进水
厌氧段
好氧段
ADP
ATP
ATP
无机磷
ADP 有机磷
有机磷聚磷释菌放+P无oly机磷
氧1.14mg
7—8.5 30℃ θ=1.1
0.21—1.08
7mg NH4+- N /(gMLSSh)
0.04—0.13 mg SS/ mg NH4+- N能量 转换率为5%—35%
6—7.5 30℃ θ=1.1 0.28—1.44 0.02
0.02—0.07 mg VSS/mg N02--N能 量转换率10%—30%