污水脱氮除磷机理教学提纲.doc

污水脱氮除磷机理

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浅谈生活污水脱氮除磷研究
摘要：介绍了污水中氮磷的来源和危害，污水脱氮除磷的机理以及几种常用的生活污水脱氮除磷工艺，分析了其优缺点，并介绍了相关污水脱氮除磷的研究。
关键词：生活污水 脱氮除磷
1 前言
氮和磷是生物重要营养源。随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，以及二级生化处理城市污水出水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加，蓝、绿藻大量繁殖，水体缺氧并产生毒素，水质恶化。我国淮河流域、太湖、巢湖、滇池等水体富营养化严重，近海岸每年发生的十多起大面积的赤潮，严重影响水生生物和人体健康。
大量氮、磷化合物进入水体后加速水体的富营养化进程，降低了水体的经济价值和美学价值，破坏水体生态环境，影响供水水质等；消耗水体中的溶解氧，不利于水体质量的改善以及鱼类的生存；降低氯的消毒效率，大大增加氯的消耗量，同时对人类的健康存在着潜在的危害。
因此，解决氮磷污染问题对解决我国水环境污染问题具有重大意义。
2 污水脱氮除磷机理
污水中氮的存在形式主要有氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，可通过物理法、化学法和生物法去除。常用的物化方法有氨吹脱法、化学沉淀法、折点加氯法、选择性离子交换法和催化氧化法。污水中磷的存在形态主要是磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，其去除方法主要有混凝沉淀法、结晶法和生物法。由于生物脱氮除磷被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法，且生活污水的可生化性好，因此，目前污水脱氮除磷大多采用生物法。
2.1生物脱氮机理
污水生物处理脱氮过程主要是氮的转化，即同化、氨化、硝化和反硝化。
（1）同化作用 在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分。同化作用的氨氮去除率一般为8%～20%。
（2）氨化作用 污水中的含氮有机物（一般动物、植物和微生物残体以及它们的排泄物、代谢产物所含的有机氮化合物，主要包括蛋白质、核酸、尿素、尿酸、几丁酸质、卵磷脂等含氮有机物）在氨化菌的作用下，分解、转化并释放出氨。
（3）硝化作用 氨氮在有氧存在的情况下经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸盐的过程称为生物硝化过程。好氧菌亚硝酸单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝酸球菌属（Nitrosococcus）及亚硝酸螺菌属（Nitrosospira）、亚硝酸叶菌属（Nitrosolobus）和亚硝酸弧菌（Nitrosovibrio）等将氨氮转化为亚硝酸盐，硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化球菌属（Nitrococcus）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐[1]。
（4）反硝化作用 在厌氧的条件下，施氏假单胞菌（Pseudomonas）、脱氮假单胞菌（Ps.denitrificans）、荧光假单胞菌（Ps.fluorescens）、紫色杆菌（Chormobacterium violaceum）、脱氮色杆菌（Chorm.denitrificans）等反硝化细菌利用各种有机质（如甲醇等）作为电子供体，利用硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸，将硝酸还原为N2。当污水中缺乏有机物时，微生物也可以利用无机盐如Na2S作为反硝化的电子供体进行的内源反硝化，但由于内源反硝化使细胞原生质减少，并会有氨氮生成，污水处理中为避免此反应占主导地位而提供必要的碳源。
2.2除磷机理
在厌氧池，在没有溶解氧和硝态氧存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性BOD通过发酵作用转化为低分子可生物降解的挥发性有机酸（VFA），优势菌种聚磷菌（小型革兰氏阴性储短杆菌、假单胞菌属和气单胞菌属等）构成了活性污泥絮体的主体，利用聚磷酸盐的水解以及细胞内糖的酵解产生的能量将吸收的VFA运送到细胞内同化成细胞内碳能源储存物聚β羟基丁酸(PHB)，同时释放出磷酸盐。在好氧池中，聚磷菌所吸收的有机物被氧化分解，提供能量的同时从污水过量摄取磷，磷以聚合磷酸盐的形式储藏在菌体内而形成高磷污泥，通过排出剩余污泥统而除磷。
污水生物除磷工艺中的聚磷菌除了小型革兰式阴性短杆菌外，还有假单胞菌属和气单胞菌属，占聚磷菌数量的15%~20%，杆菌仅占1%~10%，但聚磷能力最强[2]。
3常用的生活污水脱氮除磷工艺及其比较
目前在生活污水处理流程中，主要是通过形成厌氧、缺氧和好氧环境，使聚磷菌、硝化菌和反硝化菌共存，从而有效的同时进行生物脱氮除磷。最广泛应用的同步脱氮除磷工艺有：A2/O、氧化沟、SBR及其改型、改良Bardenpho工艺、和改良UCT工艺等[3]。
3.1 A2/O工艺
A2/O工艺或称AAO工艺，在一个处理系统中同时具有厌氧区、缺氧区、好氧区，能够同时做到脱氮、除磷和有机物的降解，其工艺流程见图1所示。

图1 A2/O生物脱氮除磷工艺流程
污水经格栅拦截悬浮物后进入厌氧反应区，同时进入的还有从二沉池回流的活性污泥，池中兼性厌氧发酵菌在厌氧条件下将污水中可生化降解的大分子有机物转化为小分子的中间发酵产物（如VFA），聚磷菌将贮存在体内的聚磷酸分解并释放出能量供专性好氧聚磷菌在厌氧环境中生存，剩余的部分能量供聚磷菌从环境中吸收VFA等易降解有机质，并以PHB (聚β-羟基丁酸) 的形式在体内加以贮存；出水进入缺氧池，反硝化菌利用来自好氧池回流液中的NOx-N 及污水中的有机质进行反硝化，达到去除水中BOD5 和氮的效果；在好氧池中，聚磷菌通过分解体内的PHB进行增殖，通过超量摄取水中的溶解态磷将其生长所需要的磷以聚磷酸的形式贮存起来，最终通过排除高磷污泥达到除磷的目的[4]。
该工艺流程简洁，污泥在厌氧、缺氧、好氧环境中交替运行，丝状菌不能大量繁殖，且污泥沉降性能好。该处理系统中出水可达到GB8978-1996《污水综合排放标准》中一级排放标准，磷浓度基本可达到1mg/L以下，氨氮也可达到8mg/L以下[5]。
3.2 氧化沟工艺
氧化沟是活性污泥法的变形，通常采用延迟曝气，结构形式采用封闭的环形沟渠形式，污水及活性污泥混合液在氧化沟曝气池的推动下作平流运动，使得污水中形成良好的的混合液生物絮凝体，有利于除磷脱氮。
氧化沟工艺是一种利用循环式混合曝气沟渠来处理污水的简易污水处理技术。一般不设初沉池，通常采用延时曝气，连续进出水，结构形式采用封闭的环形沟渠形式，污水及活性污泥混合液在氧化沟曝气池的推动下作平流运动，形成良好的的混合液生物絮凝体，有利于除磷脱氮。所产生的微生物污泥在曝气的同时得到稳定，无需设置污泥消化池，简化了处理设施。该工艺具有能耗少、占地面积小、耐冲击负荷强、高效除磷的特点。
常用的氧化沟工艺类型有Carrousel 氧化沟、Orbal 氧化沟、一体化氧化沟、交替工作式氧化沟及其改良工艺[6]。

3.3 SBR及其改型
SBR法，即序批式活性污泥法，是由英国学者Ardern和Lockett提出的，为近年来较为通用的污水处理方法。SBR省去了二沉池和回流污泥泵房，布置紧凑，通常采用鼓风曝气，工艺间歇运行，无需设调节池，污水完全混合，耐冲击负荷强，有较好的脱氮除磷效果。
SBR工艺发展迅速，衍生出许多新型SBR处理工艺，如CASS、ICEAS、IDEA、DAT-IAT、UNITANK、MSBR等。各种SBR法的特点及适用范围见表1[7]。
表1 各种SBR工艺的特点及适用范围
工艺名称
传统SBR
ICEAS
DAT-IAT
CAST
UNITANK

主
要
优
点
①流程简单：不设初沉池、二沉池、污泥回流泵房、消化池和沼气贮存利用设施
②管理方便：处理设施少，，没有沼气系统，不存在危险性，管理简化
③占地少：是各种污水二级处理中最少的，比常规活性污泥法省30%～50%
④处理效果好：有机物去除率高，能脱氮除磷，缓冲能力强，抗污泥膨胀能力强
⑤基建投资省：规模小于10万m3/d的污水处理厂基建投资比常规活性污泥法省10%～20%
⑥处理成本低：规模小于10万m3/d的污水处理成本低于常规活性污泥法
①设施、操作简单
②静止沉淀出水水质更好
③脱氮除磷效果尚可
①水位差较小
②基建费用省
③脱氮除磷效果尚可
①容积利用率最高
②水位差最小
③基建投资小
①脱氮除磷最好，同步硝化反硝化，耗电省，池容小
②防止污泥膨胀性能最好
③静沉水质好
①固定水位，提升水泵扬程较低
②占地最少
③基建费更省

主
要
缺
点
①对自控要求高，人工操作基本上不可能正常运行，自控系统必须质量好，运行可靠
②对操作人员的技术要求高
③间歇周期运行使曝气、搅拌、排水、排泥等设备利用率不高，增大了设备费用和装机容量
①周期较长，池容和设备排水较大
②要脱氮除磷需延长周期，加大排水设备，增加搅拌
③水位变化大，水泵扬程较高
④至少需两池
①容积利用率低，池容相对较大
②水位变化大，水泵扬程较高
③要脱氮除磷需延长周期，加大排水设备，增加搅拌

①要脱氮除磷需延长周期，加大排水设备
②污泥回流量打，能耗高
③水位变化增加了水泵扬程
④除磷效率不高
①容积利用率低，池容相对较大
②水位变化增加了水泵扬程
③少量污泥回流，增加电耗
④至少需两池才能运行
①容积利用率低，池容较大
②要脱氮除磷需延长周期，加大排水设备，增加搅拌
③三池污泥浓度相差大，影响池容利用
④除磷效率不高
反应池分容
单池，不分格
有中隔墙分成预反应区和主反应区
有中隔墙分为DAT池及IAT池
分为选择区和主反应区
用隔墙分为三池
进水方式
间歇交替进水
连续进水
连续进水
间歇交替进水
间歇交替进水
是否回流
否
否
回流比200～300%
回流比20～35%
否
适用规模
小型
可用于大、中型
可用于大、中型
脱氮除磷要求高
土地特别紧张
工程实例
全国几百座小型污水厂
昆明第三、四污水厂，瓦房店市污水厂
天津市开发区污水厂、抚顺三宝屯污水厂
镇江新区污水厂
石家庄市经济开发区污水厂

3.1.4 改良Bardenpho工艺
改良Bardenpho工艺是由厌氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧五段组成，第二个缺氧段利用好氧段产生的硝酸盐作为电子受体，利用剩余碳源或内碳源作为电子供体进一步提高反硝化效果，最后好氧段主要用于剩余氮气的吹脱，其工艺流程见图2。该系统脱氮效果好，由于回流污泥进入厌氧池的硝酸盐量较少，对污泥的释磷影响较小，因而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果，但工艺流程较为复杂，投资和运行成本较高。

图2 改良Bardenpho脱氮除磷工艺流程
3.1.5 改良UCT工艺
改良UCT工艺中污泥回流到相分隔的第一缺氧区，不与混合液回流到第二缺氧区硝酸盐混合，第一缺氧区主要 对回流污泥中硝酸盐反硝化，第二缺氧区是系统的主要反硝化区，其工艺流程见图3。

图3 改良UCT生物脱氮除磷工艺
4 最新研究
鉴于传统的A2/O工艺脱氮与除磷之间存在碳源竞争，而城市生活污水的碳源浓度普遍较低，难以满足同时高效脱氮除磷效果，且占地面积较大，北京交通大学环境工程实验室针对这些问题，将传统A2/O工艺与现行MBR 工艺结合，充分发挥两者的优势，使其在比较低的碳氮比下M（C）：M（N）= 5~ 6不外加碳源，进水COD为260 ~ 300 mg/L，TN、TP分别为46 ~ 48 mg/L、7 ~ 8 mg/L下，使出水的TN和TP维持在10 mg/L、0.5 mg/L 以下，去除率达到76%、95%以上[8]，其工艺流程如图：

图5 A2/O+MBR工艺流程图
温沁雪等考察了在曝气池前投加不同量的聚合铝铁强化A2/O除磷系统对TP、TN、COD的去除效果，研究表明聚合铝铁的投加有助于TN和COD的去除，其投加量为6mg/L（以Al计）时，出水氨氮含量为4.80mg/L，去除率达到73.43%，效果最佳；当投加量为4mg/L（以Al计）时，出水中磷含量为0.77mg/L，去除率达到89.23%时效果最佳[9]。
张苏平等用SBR法处理城市生活污水，研究得出最佳运行参数为进水厌氧搅拌2h，曝气5h，缺氧搅拌2.5h，沉淀、出水、排泥1.5h，出水中氮含量为0.43 mg/L，去除率为99.43%，出水符合我国《污水综合排放标准》（GB8978-1996）的一级排放标准[10]。
王朝朝采用脱氮除磷膜生物反应器（BNPR-MBR）处理北方某城市生活污水，结果表明：在没有外加碳源的情况下，氨氮基本上完全硝化，TN由51.9mg/L降低到10.76mg/L，平均去除率达到79%；系统的污泥龄为40d左右时，TP由6.22 mg/L降低到0.93mg/L，平均去除率达到85%[11]。
3.2几种脱氮除磷工艺的比较
生物脱氮除磷工艺比较如表1。各工艺产泥量均与活性污泥法相当，无需投加药剂即可达到除磷目的。
表1 脱氮除磷工艺比较
工艺
优点
缺点
A2/O

氧化沟

SBR及其改型

改良Bardenpho
是生物除磷法中产泥量最少的工艺，剩余污泥中磷浓度高；出水TN比其他工艺低；补充碱度用药量少或无需使用药剂。该工艺在南非广泛使用，运行经验多。
内循环量大，耗电多，维护管理复杂，美国应用较少。投药量不确定，反应器容积比A2/O大，设置初沉池降低了氮磷去除能力，需要较高的BOD/P比，处理效果受温度影响。
改良UCT
厌氧池良好的厌氧条件保证磷的充分释放和好氧池过量吸收；与Bardenpho比，反应池容积小。
美国应用实例较少。内循环量大，泵耗电多，维护管理复杂。投药量不确定，需要较高的BOD/P比，温度对处理效果不明显。
VIP

富硝基液回流到缺氧池减少了氧量和碱度的消耗。缺氧池回流到厌氧池减少了好氧池硝酸盐负荷对厌氧条件的影响。氮磷去除与季节水温成正比。
内循环量大，泵耗电多，维护管理复杂。美国应用实例较少，低温时脱氮效果降低。

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