第十一章 廢水的脫氮與除磷

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目前造成水體的富營養(yǎng)化的主要兩種元素——氮和磷。湖泊的富營養(yǎng)化過程也就是老化和消失的過程。由于人為因素，水體出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化的現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化后將惡化水質、降低水資源的使用價值。

廢水脫氮(denitrification)和脫磷（phosphorousremoval）的方法好多，包括物理化學法、生物處理法和生物一化學聯(lián)合處理法。本章主要介紹生物脫氮和生物脫磷方法。

本章重點：

生物脫氮脫磷

§11.1生物脫氮和脫磷的基本原理

1.生物脫氮基本原理

從反應類型分可分為氨的硝化作用和硝酸（或亞硝酸）的反硝化作用兩種。硝化作用以氨為電子給體，以分于氧為電子受體，使氨從負三價（NH4+）轉變?yōu)檎齼r(NO2-)和正五價(N03-)。但這只是改變了氮在水中的化臺態(tài)，并沒有降低水中氮的含量，這對于防止水體富營養(yǎng)化，并沒有解決根本問題。反硝化作用則是以硝酸鹽為電子受體，以其它有機物（例如甲醇）為電子給體，使硝酸鹽中的氮逐漸從正五價降到零價，形成氮氣從廢水中釋放出來。其還原代謝途徑如圖11-1所示。圖11-1中的N2、N20均可以作為最終氣體產物釋放，但在廢水處理中，N2是主要氣體產物。從圖11-1中可以看出，脫氮過程不需要分子氧，但需要供給反應過程所需要的氫。尋常的廢水處理系統(tǒng)是為了去除電子給體，而反硝化廢水處理系統(tǒng)是為了去除電子受體。

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2.生物脫氮動力學

目的在于求出硝酸鹽氮電子受體和有機物電子給體兩者對微生物比增殖率的關系，和需氧系統(tǒng)中氧為受體、有機物為給體的狀況類似。不同的是有機物和硝酸鹽兩種濃度都可能成為微生物增殖率限制因素的狀況。

對于受兩種底物濃度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：假使有兩種低于飽和濃度的底物存在，那么這兩種底物必將都影響微生物總的比增殖率。雙底物模型有數(shù)種形式，常用的是由兩個單一底物的Monod模型的乘積得來的，稱為“雙Monod模型〞(DoubleMonodModel)：

???max???N?K????KN??N?(11-1)

式中，K和?表示有機物的飽和常數(shù)和濃度；KN和?N為硝酸鹽氮(N03-—N)的飽和常數(shù)和濃度。

利用式(1l—1)可以在?和?N的關系曲線圖上確定出比增殖率?的等值線。由于將式（11-1）經(jīng)變換后可得?和?N的關系式為??K?KN??N??N?????max???1???KN?(11-2)

3.生物脫磷基本原理

生物脫磷主要是利用聚磷菌（屬于不動桿菌屬、氣單胞菌屬和假單胞菌屬等）在厭氧條件下釋放磷和在需氧條件下蓄積磷的作用。

在厭氧條件下，聚磷菌在分解體內聚磷酸鹽的同時產生三磷酸腺苷(ATP)，聚磷菌利用ATP以主動運輸方式將細胞外的有機物攝人細胞內，以聚β一羥基丁酸(PHB)及糖原等有機顆粒的形式存儲在細胞內。聚磷菌在厭氧條件下釋放出的磷，是利用ATP時的水解產物．反應式如下：ATP+H2O→ADP+H2PO4（11-3）

應當說明，這里所謂的厭氧（anaerobic）條件是指既無分子氧也無氧化態(tài)氮(NOx)，以

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區(qū)別于只無分子氧的厭氧或缺氧（anoxic）條件。

在需氧條件下，儲存有有機物的聚磷菌在有溶解氧和氧化態(tài)氮的條件下進行有機物代謝，同時產生大量的ATP，產生的ATP大部分當然是供給細菌合成和維持生命活動，一部分則用于合成磷酸鹽蓄積在細菌細胞內。

上述釋放和過量吸收磷的過程，可通過圖11—3形象地描述。圖中△Ea為主動運輸能量，△Em為維持生命活動能量，△Es為合成能量，AEp為合成聚合磷的能量。

§11.2生物脫氮和脫磷的影響因素

由于采用的是生物影響因素，故此處影響影響因素也就是影響微生物活性的因素。

1.溫度

生物活性與溫度密切相關．溫度過低，生物處于休眠狀態(tài)，過高則使之變性失活。溫度對硝化與反硝化速率的影響遵從Arrhmius方程，但溫度對反硝化速率的影響與反應器類別及硝酸鹽負荷有關，附著生長型反應器和負荷低的系統(tǒng)受溫度的影響較小。

一般地說，生物脫氨脫磷系統(tǒng)在5—40℃溫度范圍內都能成功地運行。

2.pH值與堿度

硝酸菌、亞硝酸菌和反硝化菌的最適合pH值分別是6-0~7.5、7.0~8.5和7.0~7.5，超出這些范圍其活性迅速下降．特別是硝化菌對pH值的變化十分敏感．因此生物脫氨系統(tǒng)最好是在6.5~8.0之間運行。在硝化反應中，理論上每氧化1g氨氮需消耗堿度7.14g（以CaCO3計），對于一般的廢水，硝化所需堿度往往不夠,必需補充以防止pH值降低。在反硝化過程中，理論上每還原Ig的N03-—N產生3.5g（以CaC03計）的堿度．還可以補充硝化過程消耗的部分堿度。

生物脫磷的適合pH值大致是6.0一8.0。pH值的升高會引起吸磷量的少量增加，pH值的降低則會引起釋磷量的大量增加。

3.溶解氧

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硝化反應必需在需氧下進行，一般建議其溶解氧濃度為2.0mg/L。溶解氧濃度既影響消化反應速率，也影響其代謝產物。在低溶解氧條件下，亞硝酸化毛桿菌將大量產生N2O等代謝產物。反硝化過程需要較為嚴格的缺氧條件，溶解氧含量不宜大于0.5mg／L，由于分子態(tài)氧不僅與硝酸鹽競爭電子供體，而且會抑制硝酸鹽還原酶的合成與活性。

控制生物脫磷系統(tǒng)中厭氧段的溶解氧濃度不僅影響聚磷菌的釋磷能力及其利用有機底物合成PHB的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生長消耗有機底物，使發(fā)酵產酸菌得不到足夠的營養(yǎng)來產生短鏈脂肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生長受到抑制。所以厭氧段的溶解氧濃度應控制在0.2mg/L以下。在需氧段，為供給足夠的溶解氧以維持聚磷菌的需氧呼吸，一般溶解氧濃度應控制在1.5—2.5mg／L。

4.C/N和C/P值

為保證脫氮脫磷效果，脫氮系統(tǒng)的BOD5/TKN應在4~6以上。脫磷系統(tǒng)中進水的BOD5/TP至少應在l5姒上，一般應在20~30。

5.污泥齡

為使脫氮過程中的硝化細菌能在反應器中存活并維持一定的數(shù)量，微生物在反應器中的停留耐間，即污泥齡必需大于硝化細菌的最小世代時間。。一般建儀以脫磷為主要目的的系統(tǒng)的污泥齡宜控制在3.5—7d。

6.廢水水質的組成

廢水中有機底物的組成成分，特別是生物可降解性的成分，對生物脫磷系統(tǒng)的性能影響很大。在脫磷系統(tǒng)的厭氧區(qū)，聚磷菌傳輸短鏈揮發(fā)性脂肪酸進入細胞并儲存它們合成乙酸鹽。因此要提高脫磷系統(tǒng)的除磷效率，就要提高原水中揮發(fā)性脂肪酸在總有機底物中的比例，至少應提高可迅速降解有機底物的含量。

7.其它影響因素

生物脫氯和脫磷系統(tǒng)都涉及厭氧和缺氧過程，系統(tǒng)中的厭氧區(qū)或缺氧區(qū)不需要供氧，但使污泥處于懸浮態(tài)（懸浮生長系統(tǒng)）的攪拌是必需的。

此外，由于是和用微生物脫氮和脫磷，所以廢水中不能含超過容許的有毒有害物質。

§11.3生物脫氮系統(tǒng)

1.基本流程

圖11-4為生物脫氮系統(tǒng)的基本流程，主要包括六個組成部分。缺氧反應器是脫氮的主體，細菌在這里以外加的有機物作為電子給體，以硝酸鹽氮作為電子受體將氮去除。需氧反應器的作用有三：一是吹脫水中氮氣，以防沉淀池污泥上??；二是在需氧條件下去除水中剩

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余的有機物，以提高出水水質；三是提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中產生脫氮作用。從需氧反應器回流混合液是為提高脫氮效率和出水水質，這種回流設備不是非設不可的。沉淀池的作用及污泥回流設備的作用和尋常的廢水生物處理系統(tǒng)一樣，在活性污泥法的脫氮系統(tǒng)中是必需的，在生物膜的脫氮系統(tǒng)中，則并非是必需的。有機物投加設備是脫氯系統(tǒng)中特有的，目的是提供足夠的電子給體。

圖l1-4所示的脫氮系統(tǒng)常簡稱為A/O脫氮系統(tǒng)，由于它是缺氧(anoxic)反應器和需氧(oxic)反應器串聯(lián)的系統(tǒng)。2.活性污泥脫氮系統(tǒng)（1）基本方程式

活性污泥法脫氮系統(tǒng)的基本方程式理論上可由Monod模型式導出???max??N??K????KN??N?

在無回流的CSTR脫離（缺氧）反應器中，對于硝酸鹽氮可列出物料衡算方程：

Q?iN?Q?N??XV/YCN?bXV/Yb?0（11-4）

式中．Q為流量；v為脫氮反應器容積；Yb為細菌衰減時釋放電子而還原硝酸鹽氮的系數(shù)，單位為mg衰減細胞/mgNO3--N。假使細菌衰減時只用N03--N為電子受體，則Yb=2.86/β，β為細菌衰減時的氧當量，在脫氮中，β常取為1.25mgO2/mg;細菌。

由前面學的??1?b和本章X?YG??i???1?b?c?c代入上式整理得

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