污水脱氮除磷研究进展

硝化作用
NH+4 + 1.5O2 →→→→ NO-2 + H2O + 2H + NH+4 + 2O2 →→→→ NO-3 + H2O + 2H+
节约O2 25%
脱氮作用
6 NO-2 + 3CH3OH + 3CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 3H2O 6 NO-3 + 5CH3OH + CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 7H2O 节约 CH3OH 40%
BCFS工艺在荷兰已成功运用于工程实 践中，除了具有节能低耗的优点外，还 能保持稳定的处理水质，使出水总磷 ≤0.2ｍｇ/Ｌ，总氮≤0.5ｍｇ/Ｌ。
图5 UCT工艺流程图
在实际工程中，为最大程度地从工艺角 度创造DPB的富集条件，一种变型的 UCT工艺———BCFS 在荷兰应运而生 (图6)。
图6 BCFS工艺流程
BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间 分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其 生长环境。 BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器 及3路循环系统构成。 各循环的作用如下表所示。
生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨 氮。 有机氮占生活污水含氮量的40-60%，
氨氮占50-60%， 亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占0-5%。
图1 污水生物脱氮的可能途径
传统上，通过两步生物反应，即硝化 (NH+4→ NO-3)与反硝化(NO-3→N2)，实 现污水的生物脱氮。
硝化反应可表示为:
排放的剩余污泥中的含磷量在6%左 右（污泥干重）。
除磷机理的作用过程
A/O除磷工艺系统
进水
厌氧池
好氧池
二沉池
出水 剩余污泥
污泥回流（0.5Q）
为防止水体富 营养化，一般 污水处理既需 要脱氮,也需要 除磷，是否可 以把两者结合 起来实现氮磷 同时去除？
2/O工艺 A
生物除磷脱氮生化代谢模型
BCFS中各循环的主要作用
厌氧池 厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池 回流的缺氧混合液(其中NO3-N<0.1mg/) 来维持。 污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于 生物除磷。
接触池(选择器) 控制污泥膨胀。 接触池中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的 微量硝酸盐能很快地被去除。
起ANAMMOX作用的微生物已被成功 地分别在实验室流化床与SBR反应器中 培养、富集到一定浓度，合成培养基为 氨氮与亚硝酸氮的混合物。
ANAMMOX微生物的增长率与产率是 非常低的。 但是氮的转换率却为0.25mgN/(mgSS· d)， 这与传统好氧硝化的转换率相当。
ANAMMOX反应在10～43℃的温度范 围内具有活性，适宜的pH为6.7～8.3。 ANAMMOX无需有机碳源存在，碳酸 盐/二氧化碳是ANAMMOX微生物生长 所需的无机碳源。
试验表明，在SHARON反应器中氨氮的亚硝 化率完全受pH(在6 5～7 5间)控制。所以，要 想得到一个理想的亚硝化率可以靠控制pH来 实现。
* 生物膜内自养脱氮工艺(CANON) 如果在生物膜系统内ANAMMOX微生物也能 同时生长，那么生物膜内一体化的完全自养 脱氮工艺便可以实现。 这种生物膜内自养脱氮工艺被称为CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite)。
污水生物脱氮除磷新工艺
污水生物脱氮除磷新工艺

一、脱氮除磷的传统工艺 二、脱氮除磷的新工艺
一、脱氮除磷的传统工艺
1、 脱氮的传统工艺 2 、除磷的传统工艺
1、 脱氮的传统工艺 自然界中氮一般有四种形态： 有机氮、 氨氮、 亚硝酸盐氮和 硝酸盐氮等。
图3 亚硝化细菌和硝化细菌的 最小污泥龄与温度关系
0.8d 0.4d
SHARON工艺的基本工作原理便是利用 温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特点， 使硝化细菌失去竞争。
2.1.2 厌氧氨(氮)氧化 (Anaerobic Ammonium Oxidation，简 称为ANAMMOX)。 氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直 接氧化至成氮气，即： NH+4 + NO-2 → N2 + 2H2O
虽然目前CANON工艺在世界范围内仍处于 研发阶段，还没有真正的工程应用，但是它 必将会给污水脱氮技术带来革命性的变革。
2.2 除磷新工艺
2.2.1 反硝化除磷细菌 2.2.2反硝化除磷工艺
2.2.1 反硝化除磷细菌
脱氮要经历好氧(硝化)/厌氧(反硝化), 除磷要经历厌氧(释放磷)/好氧(积聚磷). 如果能使反硝化细菌同时具有生物摄/放 磷作用则可以将反硝化脱氮与生物除磷 有机地合二为一。
2.1.3 SHARON与ANAMMOX结合工艺 SHARON与ANAMMOX结合主要针对 高浓度氨氮污水。 进水首 先进入 一 悬 浮 、 无 污 泥 停 留 的 SHARON单元，运行最佳温度为35℃。
SHARON与ANAMMOX相结合的 自养脱氮工艺流程
目前，世界上SHARON工艺的首例工程应用 已在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理处理厂 内实现；它被用于污泥消化液(含有1000～ 1500mgN/L)反硝化的前处理(亚硝化)。
二、脱氮除磷的新工艺
2.1 脱氮新工艺 2.2 除磷新工艺
2.1脱氮新工艺
2.1.1中温亚硝化 2.1.2厌氧氨(氮)氧化 2.1.3 SHARON与ANAMMOX结合工艺
2.1.1中温亚硝化 (Single reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite，简称为 SHARON) 亚硝化/反硝化脱氮 即(NH+4→NO-2) ， (NO-2 → N2)
在这种环境下，丝状菌生长非常缓慢，可保 持较低的污泥指数(SVI)。 反硝化除磷菌在接触池中也同样发挥作用， 这一过程是缺氧池反应过程的延续。

缺氧池有两个功能： 首先是反硝化以获得不含硝酸盐的污泥 进而提高厌氧池的释磷效率， 其次是利用好氧池中的硝酸盐来除磷
（缺氧/好氧）混合池 主要功能是脱氮，正常情况 下该池可不充氧，缺氧条件可 通过好氧池回流的混合液来维 持。
好氧池 同常规的处理工艺一样，其主要功能是去除 COD、BOD及氨氮的硝化。
将厌氧池末端富磷上清液抽出，以离线方式 在沉淀单元内投以铁盐和镁盐予以回收。如： 通过投加镁化合物(如氯化镁等)形成磷酸铵镁 化合物鸟粪石而分离出磷。 生物污泥可免受化学药剂的污染，使BCFS 系统中微生物的活性不受化学污泥的影响。
亚硝化反应 NH4+ + O2 + HCO3- → NO2- + H2O + H2CO3 + 亚硝酸菌 硝化反应 NO2- + NH4+ + H2CO3 + HCO3-+ O2 → NO3- + H2O + 硝酸菌
总反应
NH4+ + O2 + HCO3- → NO3- + H2O + H2CO3 + 微生物细胞
NH+4 + 1.5O2 →→ NO-2 （∆G◦ = -275kjmol-1）
NH+4 + 2O2 →→ NO-3 （∆G◦ = -349kjmol-1） NH+4 + NO-2 →→ （∆G◦ = -357kjmol-1）
+ H2O + 2H+
+ H2O + Baidu NhomakorabeaH+ N2 + 2H2O
反硝化反应如下：
NO3- + CH3OH + H2CO3 → N2↑+H2O + HCO3-+微生物细胞
生物脱氮工艺
传统生物脱氮存在问题?
首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮， 要消耗大量能源(因为曝气)； 其次，还需要有足够碳源(COD)来还原 硝酸氮到氮气。
1.2除磷传统工艺
这个SHARON亚硝化单元以实验室2L小试反 应器为基础，通过数学模拟直接放大到现场 1500m3处理构筑物。 几年实际运行情况表明，这个亚硝化处理单 元性能良好，亚硝化率几乎可达100%(需控 制pH)。
SHARON与ANAMMOX结合自养脱氮 小试氮平衡
根据ANAMMOX的计量式，在SHARON反 应器中57%的氨氮亚硝化，在ANAMMOX反 应器中全部去除氨氮与亚硝酸氮。 NH+4 + 1.32NO-2 + 0.066HCO3- + 0.13H+ →→→→ 0.066CH2O0.5N0.15 + 1.02N2 + 0.26NO-3 2.03H2O +
从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚 至比产生于好氧氨(氮)氧化(硝化)的能量 还高，所以，能够支持自养细菌生长。
早在20世纪70年代中期，Broda便从自 由能理论计算中预测到自然界应该存在 着ANAMMOX现象，但它的现实发现 是在理论预测10年之后。
荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中 发现了这一现象。
磷最常见的形式有： 无机磷: 磷酸盐（H2PO4-、 HPO42-、PO43-）；聚磷酸盐； 有机磷。
生活污水中的含磷量一般在1015mg/L左右，其中70%是可溶性的。
活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时， 活性污泥中可产生所谓的“聚磷菌”。 聚磷菌在好氧条件下从废水中过量摄取 磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。
在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，反 硝化除磷细菌DPB (Denitrifying Phosphorus removing Bacteria) 能够 象在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当 电子受体，产生同样的生物摄磷作用。 在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮 气。
事实上，在早先应用的UCT(University of Cape Town)等生物脱氮除磷工艺中 存在着一定数量的反硝化除磷细菌 DPB(图5)，只不过当时没有被人们认识 而已。
CANON工艺生物膜反应模型
在支持同时硝化与ANAMMOX的生物膜系统 中，通常存在三种不同的自养微生物： 亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌。 这三种细菌相互间竞争氧、氨氮与亚硝酸氮。
由于亚硝化细菌与硝化细菌间对氧的亲和性 不同，以及传质限制等因素，亚硝酸氮在生 物膜表层的聚集是可能的。 当氧向内扩散到被全部消耗后，厌氧层出现， 厌氧氨氧化细菌便有可能在此生长。 随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸 氮扩散至厌氧层，ANAMMOX反应便能进行。