第十一章 废水的脱氮与除磷

第十一章废水的脱氮与除磷

本章重点：

生物脱氮脱磷

目前造成水体的富营养化的主要两种元素——氮和磷。湖泊的富营养化过程也就是老化和消失的过程。由于人为因素，水体出现了明显的富营养化的现象。水体富营养化后将恶化水质、降低水资源的使用价值。

废水脱氮( denitrification)和脱磷（phosphorous removal）的方法很多，包括物理化学法、生物处理法和生物一化学联合处理法。本章主要介绍生物脱氮和生物脱磷方法。

§11.1 生物脱氮和脱磷的基本原理

1.生物脱氮基本原理

从反应类型分可分为氨的硝化作用和硝酸（或亚硝酸）的反硝化作用两种。硝化作用以氨为电子给体，以分于氧为电子受体，使氨从负三价（NH4+）转变为正三价( NO2-)和正五价( N03-)。但这只是改变了氮在水中的化台态，并没有降低水中氮的含量，这对于防止水体富营养化，并没有解决根本问题。反硝化作用则是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物（例如甲醇）为电子给体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成氮气从废水中释放出来。其还原代谢途径如图11-1所示。图11 -1中的N2、N20均可以作为最终气体产物释放，但在废水处理中，N2是主要气体产物。从图11 -1中可以看出，脱氮过程不需要分子氧，但需要供给反应过程所需要的氢。通常的废水处理系统是为了去除电子给体，而反硝化废水处理系统是为了去除电子受体。

2.生物脱氮动力学

目的在于求出硝酸盐氮电子受体和有机物电子给体两者对微生物比增殖率的关系，和需氧系统中氧为受体、有机物为给体的情况类似。不同的是有机物和硝酸盐两种浓度都可能成为微生物增殖率限制因素的情况。

对于受两种底物浓度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：如果有两种低于饱和浓度的底物存在，那么这两种底物必将都影响微生物总的比增殖率。双底物模型有数种形式，常用的是由两个单一底物的Monod 模型的乘积得来的，称为“双Monod 模型”(Double Monod Model)：

()()

N

N N

K K

ρρρρμμ++∙=

max (11-1)

式中，K 和ρ表示有机物的饱和常数和浓度；K N 和N ρ为硝酸盐氮(N03-—N)的饱和常数和浓度。

利用式(1l —1)可以在ρ和N ρ的关系曲线图上确定出比增殖率μ的等值线。因为将式（11-1）经变换后可得ρ和N ρ的关系式为()

N

N N

N K K K -⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛-+=

1max

μ

μρρρ (11-2)

3.生物脱磷基本原理

生物脱磷主要是利用聚磷菌（属于不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等）在厌氧条件下释放磷和在需氧条件下蓄积磷的作用。

在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三磷酸腺苷(A TP)，聚磷菌利用A TP 以主动运输方式将细胞外的有机物摄人细胞内，以聚β一羟基丁酸( PHB)及糖原等有机颗粒的形式存储在细胞内。聚磷菌在厌氧条件下释放出的磷，是利用A TP 时的水解产物．反应式如下：A TP+H 2O→ADP+H 2PO 4 （11-3）

应当说明，这里所谓的厌氧（anaerobic ）条件是指既无分子氧也无氧化态氮(NOx)，以

区别于只无分子氧的厌氧或缺氧（anoxic）条件。

在需氧条件下，储存有有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，同时产生大量的A TP，产生的A TP大部分当然是供给细菌合成和维持生命活动，一部分则用于合成磷酸盐蓄积在细菌细胞内。

上述释放和过量吸收磷的过程，可通过图11—3形象地描述。图中△E a为主动运输能量，△E m为维持生命活动能量，△Es为合成能量，AEp为合成聚合磷的能量。

§11.2生物脱氮和脱磷的影响因素

因为采用的是生物影响因素，故此处影响影响因素也就是影响微生物活性的因素。

1.温度

生物活性与温度密切相关．温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从Arrhmius方程，但温度对反硝化速率的影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受温度的影响较小。

一般地说，生物脱氨脱磷系统在5—40℃温度范围内都能成功地运行。

2.pH值与碱度

硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜pH值分别是6-0~7.5、7.0~8.5和7.0~7.5，超出这些范围其活性迅速下降．特别是硝化菌对pH值的变化十分敏感．因此生物脱氨系统最好是在6.5~8.0之间运行。在硝化反应中，理论上每氧化1 g氨氮需消耗碱度7.14g（以CaCO3计），对于一般的废水，硝化所需碱度往往不够,必须补充以防止pH值降低。在反硝化过程中，理论上每还原I g的N03-—N产生3.5g（以CaC03计）的碱度．还可以补充硝化过程消耗的部分碱度。

生物脱磷的适宜pH值大致是6.0一8.0。pH值的升高会引起吸磷量的少量增加，pH值的降低则会引起释磷量的大量增加。

3.溶解氧

硝化反应必须在需氧下进行，一般建议其溶解氧浓度为2.0mg/L。溶解氧浓度既影响消化反应速率，也影响其代谢产物。在低溶解氧条件下，亚硝酸化毛杆菌将大量产生N2O等代谢产物。反硝化过程需要较为严格的缺氧条件，溶解氧含量不宜大于0.5 mg／L，因为分子态氧不仅与硝酸盐竞争电子供体，而且会抑制硝酸盐还原酶的合成与活性。

控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度不仅影响聚磷菌的释磷能力及其利用有机底物合成PHB的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生长受到抑制。所以厌氧段的溶解氧浓度应控制在0.2mg/L以下。在需氧段，为供给足够的溶解氧以维持聚磷菌的需氧呼吸，一般溶解氧浓度应控制在1.5—2.5 mg／L。

4.C/N和C/P值

为保证脱氮脱磷效果，脱氮系统的BOD5/TKN应在4~6以上。脱磷系统中进水的BOD5/TP至少应在l5姒上，一般应在20~30。

5.污泥龄

为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在反应器中的停留耐间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。。一般建仪以脱磷为主要目的的系统的污泥龄宜控制在3.5—7 d。

6.废水水质的组成

废水中有机底物的组成成分，特别是生物可降解性的成分，对生物脱磷系统的性能影响很大。在脱磷系统的厌氧区，聚磷菌传输短链挥发性脂肪酸进入细胞并储存它们合成乙酸盐。因此要提高脱磷系统的除磷效率，就要提高原水中挥发性脂肪酸在总有机底物中的比例，至少应提高可迅速降解有机底物的含量。

7.其它影响因素

生物脱氯和脱磷系统都涉及厌氧和缺氧过程，系统中的厌氧区或缺氧区不需要供氧，但使污泥处于悬浮态（悬浮生长系统）的搅拌是必需的。

此外，因为是和用微生物脱氮和脱磷，所以废水中不能含超过容许的有毒有害物质。

§11.3 生物脱氮系统

1.基本流程

图11-4为生物脱氮系统的基本流程，主要包括六个组成部分。缺氧反应器是脱氮的主体，细菌在这里以外加的有机物作为电子给体，以硝酸盐氮作为电子受体将氮去除。需氧反应器的作用有三：一是吹脱水中氮气，以防沉淀池污泥上浮；二是在需氧条件下去除水中剩