(废水生物脱氮)AO脱氮课件

10.5.1 A/O——缺氧——好氧活性污泥法
（1）基本原理 A/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越
性是除了使有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮
除磷功能，是将厌氧水解技术用为活性污泥的前处理，所
以A/O法是改进的活性污泥法。

A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO 不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。

在缺氧段异养菌将污
水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有
机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，
不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解
的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率；在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物
进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（NH4+）氧化为HO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，
异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。

（2）工艺流程
图10.1 A/O工艺流程
活性污泥几种主要运行方式工艺参数比较
单位：Ls─污泥负荷 KgBOD5/KgMLSS·ｄ
Lv─容积负荷 KgBOD5/m3（有效容积）·ｄ
MLSS─混合液浓度mg/L
R─污泥回流比%
HI─供气量m3（空气）/m3污水
ts─污泥龄 d
说明：
①上表是根据回流污泥浓度4～8g/L确定的，回流污泥浓度改变时，相关数据也应相对改变。

②当所要求的处理效率降低时，Ls值可以增大。

③当进水BOD5小于一般城市污水的BOD5时，Ls应相应减少
④污水在曝气池内实际水力停留时间t’=V/(1+R)Q? (h)
⑤曝气时间 t=曝气池有效容积V(m3)/污水设计流量
Q(m3/h)=污水在曝气池内名义水力停留时间
（3）主要工艺特点
1.缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，
可减轻其后好氧池的有机负荷，反硝化反应产生
的减度可以补偿好氧池中进行硝化反应对碱度
的需求。

2.好氧在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机污
染物得到进一步去除，提高出水水质。

3.B OD5的去除率较高可达90～95%以上，但脱氮除
磷效果稍差，脱氮效率70～80%，除磷只有20～
30%。

尽管如此，由于A/O工艺比较简单，也有
其突出的特点，目前仍是比较普遍采用的工艺。

该工艺还可以将缺氧池与好氧池合建，中间隔以
档板，降低工程造价，所以这种形式有利于对现
有推流式曝气池的改造。

（4）A/O工艺的影响因素
A/O工艺运行过程控制不要产生污泥膨胀和流失，其对有
机物的降解率是较高的（90～95%），缺点是脱氮除磷效果
较差。

如果原污水含磷浓度<3mg/L，则选用A/O工艺是合适的，为了提高脱氮效果，A/O工艺主要控制几个因素：
①MLSS一般应在3000mg/L以上，低于此值A/O系统脱氮效果明显降低。

②TKN/MLSS负荷率（TKN─凯式氮，指水中氨氮与有机氮
之和）：在硝化反应中该负荷率应在0.05gTKN/(gMLSS·d)之下。

③BOD5/MLSS负荷率：在硝化反应中，影响硝化的主要因素
是硝化菌的存在和活性，因为自氧型硝化菌最小比增长速
度为0.21/d；而异养型好氧菌的最小比增殖速度为 1.2/d。

前者比后者的比增殖速度小得多。

要使硝化菌存活并占优
势，要求污泥龄大于 4.76d；但对于异养型好氧菌，则污
泥龄只需0.8d。

在传统活性污泥法中，由于污泥龄只有2～4d，所以硝化菌不能存活并占有优势，不能完成硝化任务。

要使硝化菌良好繁殖就要增大MLSS浓度或增大曝气池容
积，以降低有机负荷，从而增大污泥龄。

其污泥负荷率（BOD5/MLSS）应小于0.18KgBOD5/KgMLSS·ｄ
④污泥龄 ts：为了使硝化池内保持足够数量的硝化菌以保
证硝化的顺利进行，确定的污泥龄应为硝化菌世代时间的
3倍，硝化菌的平均世代时间约 3.3d（20℃）
硝化菌世代时间与污水温度的关系
若冬季水温为10℃，硝化菌世代时间为10d，则设计污泥龄应为30d
⑤污水进水总氮浓度：TN应小于30mg/L，NH3-N浓度过高会抑制硝化菌的生长，使脱氮率下降至50%以下。

⑥混合液回流比：R的大小直接影响反硝化脱氮效果，R增大，脱氮率提高，但R增大增加电能消耗增加运行费。

A/O工艺脱氮率与混合液回流比关系
⑦缺氧池BOD5/NOx--N比值：H>4以保证足够的碳/氮比，否则反硝化速率迅速下降；但当进入硝化池BOD5值又应控制在80mg/L以下，当BOD5浓度过高，异养菌迅速繁殖，
抑制自养菌生长使硝化反应停滞。

⑧硝化池溶解氧：DO>2mg/L，一般充足供氧DO应保持2～4mg/L，满足硝化需氧量要求，按计算氧化1gNH4+需4.57g 氧。

⑨水力停留时间：硝化反应水力停留时间>6h；而反硝化水力停留时间2h，两者之比为3:1，否则脱氮效率迅速下降。

⑩pH：硝化反应过程生成HNO3使混合液pH下降，而硝化
菌对pH很敏感，硝化最佳pH =8.0～8.4，为了保持适宜
的PH就应采取相应措施，计算可知，使1g氨氮（NH3-N）完全硝化，约需碱度7.1g（以CaCO3计）；反硝化过程产
生的碱度（3.75g碱度/gNOx--N）可补偿硝化反应消耗碱
度的一半左右。

反硝化反应的最适宜pH值为6.5～7.5，大于8、小于7
均不利。

⑾温度：硝化反应20～30℃，低于5℃硝化反应几乎停止；
反硝化反应20～40℃，低于15℃反硝化速率迅速下降。

???因此，在冬季应提高反硝化的污泥龄ts，降低负荷率，提高水力停留时间等措施保持反硝化速率。

（5）A/O工艺设计参数
①水力停留时间：硝化不小于5～6h；反硝化不大于2h，A 段:O段=1:3
②污泥回流比：50～100%
③混合液回流比：300～400%
④反硝化段碳/氮比：BOD5/TN>4，理论BOD消耗量为
1.72gBOD/gNOx--N
⑤硝化段的TKN/MLSS负荷率（单位活性污泥浓度单位时间
内所能硝化的凯氏氮）：<0.05KgTKN/KgMLSS·ｄ
⑥硝化段污泥负荷率：BOD/MLSS<0.18KgBOD5/KgMLSS·ｄ
⑦混合液浓度x=3000～4000mg/L（MLSS）
⑧溶解氧：A段DO<0.2～0.5mg/L
O段DO>2～4mg/L
⑨pH值：A段pH =6.5～7.5
O段pH =7.0～8.0
⑩水温：硝化20～30℃　
反硝化20～30℃　
⑾碱度：硝化反应氧化1gNH4+-N需氧4.57g，消耗碱度7.1g （以CaCO3计）。

反硝化反应还原1gNO3--N将放出 2.6g氧，生成 3.75g碱度（以CaCO3计）
⑿需氧量Ro?单位时间内曝气池活性污泥微生物代谢所需
的氧量称为需氧量(KgO2/h)。

微生物分解有机物需消耗溶
解氧，而微生物自身代谢也需消耗溶解氧，所以Ro应包括这三部分。

Ro=a’QSr+b’VX+4.6Nr
a’─平均转化1Kg的BOD的需氧量KgO2/KgBOD
b’─微生物（以VSS计）自身氧化（代谢）所需氧量
KgO2/KgVSS·d。

上式也可变换为：
Ro/VX=a’·QSr/VX+b’或Ro/QSr=a’+b’·VX/QSr
Sr─所去除BOD的量（Kg）
Ro/VX─氧的比耗速度，即每公斤活性污泥（VSS）平均每天的耗氧量KgO2/KgVSS·ｄ
Ro/QSr─比需氧量，即去除1KgBOD的需氧量KgO2/KgBOD 由此可用以上两方程运用图解法求得a’ b’
Nr—被硝化的氨量kd/d
4.6—1kgNH3－N转化成NO3-所需的氧量（KgO2）
几种类型污水的a’ b’值
⒀供氧量─单位时间内供给曝气池的氧量，因为充氧与水温、气压、水深等因素有关，所以氧转移系数应作修正。

ⅰ.理论供氧量
1.温度的影响
KLa(θ)=KL(20)×1.024Q-20 θ─实际温度
2.分压力对Cs的影响（ρ压力修正系数）
ρ=所在地区实际压力（Pa）/101325（Pa）
=实际Cs值/标准大气压下Cs值
3.水深对Cs的影响
Csm=Cs/2·(Pb/0.1013+Qt/21)
Csm─曝气池中氧的平均饱和浓度（mg/L）Pb─曝气设备装设深度（Hm）处绝对气压（Mpa）
Pb=Po+9.81×10-3H Po─当地大气压力（Mpa）
Qt=21·(1-EA)/[79+21·(1-EA)]??
E A─扩散器的转移效率
Qt ─空气离开池子时含氧百分浓度
综上所述，污水中氧的转移速率方程总修正为：
dc/dt=αKLa(20)(βρCsmθ-Cl×1.024θ-20
{理论推出氧的转移速率dc/dt=αKLa(βCs-Cl)}
在需氧确定之后，取一定安全系数得到实际需氧量Ra Ro=RaCsm(20)/α(βρCsm(θ)-CL)×1.024θ-20
则所需供气量为：
q=(Ro/0.3EA)×100m3/h
C L─混合液溶解氧浓度，约为2～3（mg/L）
Ra─实际需氧量KgO2/h
Ro─标准状态需氧量KgO2/h
在标准状态需氧量确定之后，根据不同设备厂家的曝气机
样本和手册，计算出总能耗。

总能耗确定之后，就可以确
定曝气设备的数量和规格型号。

ⅱ.实际曝气池中氧转移量的计算
1.经验数据法当曝气池水深为
2.5～
3.5m时，供气量为：采用穿孔管曝气，去除1KgBOD5的供气量80～140m3/KgBOD5扩散板曝气，去除1KgBOD5供气量40～70m3空气/KgBOD5 2.空气利用率计算法
每m3空气中含氧209.4升
1大气压（101.325Kpa）,0℃ 1m3空气重1249克含氧300克
1大气压（101.325Kpa）,20℃　1m3空气重1221克含氧280克
按去除1Kg的BOD5需氧1Kg计算，需空气量分别为 3.33
和3.57m3，曝气时氧的利用率一般5～10%（穿孔管取值低，扩散板取值高），假定试验在20℃进行：
若氧利用率为5%，去除1Kg的BOD5需供空气72m3
若氧利用率为10%，去除1Kg的BOD5需供空气36m3
算出了总的空气供气量，就可根据设备厂家提供的机样选
择曝气设备的规格型号和所需台数。

（6）活性污泥法系统的工艺设计
(1)处理效率（E%）
E=(La-Le)/La ×100%=Lr/La ×100%
La─进水BOD5浓度（mg/L）
Le─二沉池出水BOD5浓度（mg/L）
Lr─去除的BOD5浓度（mg/L）
(2)曝气池容积（V）
V=Qla/XLs=QLr/Lv
Q─曝气池污水设计流量（m3/d）
Ls─污泥负荷率KgBOD5/KgMLSS·ｄ
Lv─容积负荷KgBOD5/m3有效容积·ｄ
X─混合液MLSS浓度mg/L
(3)曝气时间（名义水力停留时间）t(d)
t=V/Q(d)
(4)实际水力停留时间t’(d)
t’=V/(1+R)Q? (d)
R─污泥回流比%
(5)污泥产量ΔX(Kg/d)
ΔX=aQLr-bVXv
Xv=fx f=0.75
a─污泥增长系数，取0.5～0.7
b─污泥自身氧化率（d-）,一般取0.04～0.1
Xv─混合液挥发性污泥浓度（MLVSS）Kg/m3
(6)污泥龄（ts）污泥停留时间SRT
ts=1/(aLs-b)
(7)剩余污泥排放量q(m3/d)
q=VR/(1+R)ts (m3/d)或q=ΔX/fXR(m3/d)，f=MLVSS/MLSS 一般为0.75
XR─回流污泥浓度（Kg/ m3）
(8)曝气池需氧量（O2Kg/d）
Ro=a’QSr+b’VXv+4.6Nr
a’─氧化每KgBOD5需氧千克数（KgO2/KgBOD5）
一般a’取0.42～0.53
b’─污泥自身氧化需氧率（d-1）即KgO2/KgMLVSS·ｄ
一般取0.188～0.11
Nr─被转化的氨氮量Kg/d
4.6─为1Kg NH3-N转化成硝酸盐所需氧量（KgO2）
10．5．4 A2/O脱氮除磷工艺
Anaerobic─Anoxic─Oxic 厌氧─缺氧─好氧工艺
（1）作用机理
①首段厌氧池─有机物水解、磷的释放
微生物吸收利用污水中的有机物，通异养菌分泌的外酶，促使淀粉、碳水化合物、纤维、烃类水解，将大分子有机物变成小
分子有机物（主要是有机酸），有机物水解过程及主要产物：
在有机物水解的第一阶段主要产物是有机酸，所以这一阶段又称为水解产酸阶段。

水解的第二阶段是蛋白质和脂肪等含氮化合物的水解：
细胞原生质中，含胆碱的磷酸酯，在芽胞杆菌假胞杆菌和某些霉菌的作用下，分泌出卵磷酯类酶，通过水解作用生成甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱，再进一步水解放出NH3、有机酸等：
??
真菌的细胞壁、昆虫的甲壳含有的几丁质，是葡萄糖的缩聚物，某些微生物如贝内克氏菌（Beneckea）中的一些种属能分泌几丁质酶使几丁质水解产生氨基葡萄糖和乙酸，氨基葡萄糖再经氨基脱氢酶的水解作用产生氨：
核酸是蛋白质组成的重要组分。

它是许多单核苷酸的多聚物，核苷酸由嘌呤碱或嘧啶碱与核酸和磷酸分子组成。

在微生物产生的核酸酶的作用下水解成核苷和磷酸，核苷再经核苷酸水解成嘧啶、嘌呤和核糖。

?
生成的嘌呤或嘧啶在脱氨酶的作用下继续水解放出
氨：
厌氧段各种有机物被微生物吸收利用使BOD5浓度下降，同时由于合成细胞原生质，NH3-N因细胞合成而被除去一部分，磷则大量释放形成磷酸盐。

在缺氧段──反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将回流混合液中带入的大量NO3-N和NO2-N还原为N2，因此BOD5继续下降，NO3-和NO2-浓度大幅度下
降，而磷在缺氧段变化很小。

②在好氧段——未分解的小分子有机进一步氧化分解；在充足供氧条件下，好氧池的后段，硝化菌将NO3-N转化为NO3-；而聚磷菌（异养型革兰氏阴性菌短杆菌）是兼性厌氧菌竞争力很差，然而却能在细胞内贮存聚β羟基丁酸（PHB）和聚磷酸盐（poly-p）。

在厌氧—好氧过程中，聚磷菌在厌氧池中为优
势菌种，构成了活性污泥絮体的主体，它吸收低分子的有机物（如脂肪酸），同时将贮存在细胞中聚合磷酸盐中的磷通过水
解而释放出来，并提供必需的能量。

而在随后的好氧池中，聚
磷菌所吸收的有机物将被氧化分解释放能量，这时聚磷菌过量地吸收磷，在数量上远远超过其细胞合成所需的磷，将磷以聚合磷酸盐的形式贮藏在菌体内，而形成高磷污泥，通过剩余污
泥排泥系统排出，因而可获得相当好的除磷效果。

好氧池的前段，由于小分子有机物的进一步分解，使有机物浓度进一步降低时硝化菌得以繁殖使NH3-N得到硝化：
氧化代谢不是单独进行的，在NH4+被硝化的同时，微生物分泌的内酶作用
下合成新的细胞原生质，这就导致了微生物的连续增长：
由上述反应过程可知：
（1）将1g氨氮转化为硝酸盐需耗氧2O2/NH4+=4.57g；
（2）硝化过程中释放出的H+将消耗水中的碱度，每氧化1g氨氮消耗碱7.14gCaCO3。

虽然硝化过程消耗一定的碱度，但由于在反硝化池的缺氧条件下，兼性厌氧菌(反硝化菌)的作用，在氢供体(有机物)充足的条件下，NO2-和NO3-被还原成N2：
由（22）（23）两式可知：（1）其反硝反应实际上是利用了废水中的NO2-和NO3-中的氧，每还原1gNO3--N的供氧量约为2.6g(理论值为 3.4g/g NO3-)；（2）反硝化过程产生一定量的碱度，约为 3.47g(CaCO3)/g NO3-，可抵消硝化过程消耗碱的一半(7.14gCaCO3)左右。

（2） A2/O工艺流程
①A2O工艺参数设计
1) 水力停留时间? 厌氧、缺氧、好氧三段总停留时间6～8h，厌氧：缺氧：好氧=1：1：(3～4)
2) 混合液回流比? 200%
3) 污泥回流比? 50～100%
4) 有机物负荷? 好氧段 < 0.18Kg BOD5/KgMLSS·ｄ
厌氧段>0.18KgBOD5/KgMLSS·ｄ
5) 总凯氏氮污泥负荷率
·ｄ
好氧段TKN/MLSS<0.05TKN/KgMLSS
6) 厌氧段BOD5/NOx--N>4
7) 厌氧段进水P/BOD5<0.06
8) 污泥浓度3000～4000mg·Ｌ-1
9) 溶解氧? 好氧段DO=2～3mg/L
缺氧段DO≤0.5mg/L
厌氧段DO≤0.2mg/L；硝态氮≈０
10) 硝化反应氧化1gNH4+-N需氧4.57g，需消耗碱度7.1g（以CaCO3）计
11) 反硝化反应还原1gNOx--N将放出2.6g氧，生成3.75g碱度（以CaCO3计），并消耗 1.72BOD5
12) 需氧量? 与A/O工艺计算方法相同
13) PH? 好氧池PH=7.0～8.0
缺氧池PH=6.5～7.5
厌氧池PH=6～8
14) 水温? 13～25℃微生物生长较稳定
15) 污泥中含磷比率 2.5%
②A2/O存在问题
A2/O工艺在去除有机污染物的同时，具有一定脱氮除磷效果，为污水回用和实现资源化开辟了新途径，产生污泥量少。

但该工艺要求同时取得脱氧除磷的高效果是困难的。

其原因是：
硝化反应要求低的有机物负荷，高的回流污泥比，但高的回流比将大量NO3-带回厌氧池，反硝化的进行影响聚磷菌对磷的释放，因为聚磷菌生长要求高有机物负荷，低污泥龄和低的污泥回流比，并在低NO3-浓度的厌氧条件下，聚磷菌释放磷，才能为在好氧池聚磷菌吸收磷提供条件，所以工艺流程中将污泥回流分别回流到厌氧池和缺氧池，即污泥在厌氧池的回流率为10%，以利于聚磷菌在厌氧池中良好繁殖，将磷从污泥中释放
出来；90%污泥回流至缺氧池，以利于NO3--N在缺氧池进行反硝化，减少因NO3-的反硝化作用对聚磷菌的抑制。

10．5．5VIP工艺（Virginia Initiative Plant）
VIP是美国Virginia州Hampton Roads公共卫生区与CHZM HILL公司开发的，并获得了专利。

该工艺流程如下：
VIP工艺反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式反应格（池）串联在一起，这种形式形成了有机
物的梯度分布，充公发挥了聚磷菌的作用，提高了厌氧池
磷的释放和好氧池磷的吸收速度。

因而比单个体积的完全
混合式反应池是有更高的除磷效果。

缺氧反应池的分格使
大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺氧池的完全
反硝化，这样在缺氧池的最后一格硝酸盐的量极少，甚至
基本上没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧池，保证
了厌氧池严格的厌氧环境。