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1、第十一章废水的脱氮与除磷（-）教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面生物脱氮除磷机制、脱氮动力学生物脱氮除磷影响因素生物脱氮工艺及动力学设计生物脱磷流程及工艺设计1.2 本章节重点本章节重点：脱氮除磷机制及影响因素、脱氮除磷工艺与设计本章节难点：不同脱氮工艺比较、不同除磷工艺比较1.3 本章节教学内容本章教学内容如下11.废水的脱氮与脱磷11.1 生物脱氮和脱磷的基本原理11.2 生物脱氮和脱磷的影响因素11.3 生物脱氮系统11.4 生物脱磷系统1.4本章节教学方法1 .情景导入藻类、水华水体富营养化情景入手，引出氮磷在水体污染的危害，脱氮除磷作用机制。2 .双案例关联脱氮
2、除磷基础研究方面的应用（案例二十二）脱氮除磷工程设计方面的应用（案例二十三）1.5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：氮磷对水环境的危害、脱氮方法比较、生物脱氮机制、生物脱氮动力学设计、生
3、物除磷机制、同时脱氮除磷工艺及相互影响（二）教学内容L废水的脱氮与脱磷生物脱氮基本原理、生物脱氮动力学、生物脱磷基本原理2 .生物脱氮和脱磷的影响因素温度、PH值与碱度、溶解氧、C/N和C/P值、污泥龄、水质的组成、其它影响因素3 .生物脱氮系统工艺流程、污泥脱氮系统、膜法脱氮系统、进展及脱氮工艺的比较4 .生物脱磷系统厌氧需氧活性污泥法脱磷系统、其他生物脱磷系统第十一章废水的脱氮与除磷目前造成水体的富营养化的主要两种元素-氮和磷（元凶和帮凶）。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（de
4、nitrification）和脱磷（PhOSPhOrOUSremoval）的方法很多，包括物理化学法、生物处理法和生物-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（NHT）转变为正三价（No2一）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
5、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心”一2HNG +4H-2R0-2()HON= NOH+4H2NH2OH 一 一2NH4H-2H0H2O+2H、N2O-HJO图U-1硝酸还原及脱氮的代谢途径E2.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
6、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”(DoUbIeMonodModel)：_ZAnaXP.PN/1(K+pKn+pn)式中，K和P表示有机物的饱和常数和浓度；KN和PN为硝酸盐氮(N。3一一N)的饱和常数和浓度。利用式(111)可以在P和PN的关系曲线图上确定出比增殖率的等值线。因为将式(in)经变换后可得P和PN的关系式为p=A
7、VI-KN(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甘(ATP),聚磷菌利用ATP以主动运输方式将细胞外的有机物摄人细胞内，以聚一羟基丁酸（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ATP时的水解产物.反应式如下：ATP+H2OADP+H2PO4（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
8、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ATP,产生的ATP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113形象地描述。图中AEa为主动运输能量，AEm为维持生命活动能量，4Es为合成能量，AEP为合成聚合磷的能量。U-3聚磷菌释放和吸收磷的代谢过程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Arrhmiu
9、s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5T0C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6-07.5、7.08.5和7.07.5,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6.58.0之间运行。在硝化反应中，理论上每氧化1g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Ig的N03-N产生3.5g（以CaC03计）
10、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6.08.0oPH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2.0mgL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0.5mg/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
11、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0.2mgL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1.52.5mg/Lo4 .C/N和C/P值为保证脱氮脱磷效果，脱氮系统的BOD5TKN应在46以上。脱磷系统中进水的BOD5ZTP至少应在15以上，一般应在20-30O5 .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地系统的污泥龄宜控制在3.5-7d
12、o6 .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
13、。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余的有机物，以提高出水水质；三是提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中产生脱氮作用。从需氧反应器回流混合液是为提高脱氮效率和出水水质，这种回流设备并不是必需的。沉淀池的作用及污泥回流设备的作用和通常的废水生物处理系统一样，在活性污泥法的脱氮系统中是必需的，在生物膜的脱氮系统中，则并非是必需的。有机物投加设备是脱氯系统中特有的，目的是提供足够的电子给体。11-4生物脱氮系统基本流程图11-4所示的脱氮系统常简称为A/0
14、脱氮系统，因为它是缺氧(anoxic)反应器和需氧(OXiC)反应器串联的系统。2 .活性污泥脱氮系统(1)基本方程式活性污泥法脱氮系统的基本方程式理论上可由Monod模型式导出_max夕PN一(K+iXKn+0y)在无回流的CSTR脱离(缺氧)反应器中，对于硝酸盐氮可列出物料衡算方程：QpiNQpNNXV/YcNbXVIYb=D(11-4)式中.Q为流量；V为脱氮反应器容积；Yb为细菌衰减时释放电子而还原硝酸盐氮的系数，单位为mg衰减细胞/mgNOT-N。如果细菌衰减时只用NOT-N为电子受体，则Yb=2.86,P为细菌衰减时的氧当量，在脱氮中，P常取为1.25mgCh/mg;细菌。由前面学
15、的=!+。和本章X=代入上式整理得l.+bcPn= PiN jg(z7/ pYGNLI+(11-5)再进行整理得p=二8+-4M(11-6)2A式中：A=GHYg,B=KnF+pG+YgH(KF-PiG),D=KF(pin-YgpH+Kn)以及G=I+03-4max%,H=-+-1F=+bcYGN/U+3J的学习可直接得到(11-7)在脱氮系统中一个重要参数是还原每单位NO3N量所需要的有机物(TbOD)量，此值由前面p=pi-p1MfNPin-PnJ_1(bcV脱氮系统的污泥龄。.可推出为(K+p)(Kn+Pn)zxP*Plb(+pKn+PN)(11-8)这些从理论上推出的公式较为复杂，实际
16、应用应简化。因有机物一般过量加入故其一般不会成为脱氮反应的速率限制性因素，即可简化为单一底物限制的模型。对于有回流的CSTR型脱氮反应器，可对NO3-N列物料衡算方程：(等=QqN+RO+簧V(1+R)QaV(11-9)式中R为回流比当用甲醇(CH3H)作电子给体时，活性污泥脱氮系统中的污泥浓度增量X和甲醇浓度夕,“可按下式计算：X=0.53p,v+0.32AVo2+019o(11-10)Pm=2.47PiN+L539aq+0.87pDO(11-11)式中pNO2和夕Co分别为进水中NO3-N和溶解氧的浓度。(2)活性污泥脱氮系统的设计目前生产性实例还比较少，多半为试验装置。脱氮细菌活动的最佳
17、PH为6.5-7.5,最佳温度为2530。从试验得典型数值如表11-1。表11-1硝化一脱氮活性污泥处理系统的典型参数工艺过程c!dMLVSSmgIL污泥回流比R脱氮效率/%PH硝化10-200.5-31000-20000.5-1.0)80-907.4-8.6脱氮150.2-21000-20000.5-1.06.57.03 ,生物膜法脱氮系统目前研究较多的是生物膜脱氮反应器是填充床和硫化床。这些方法的基本流程与活性污泥法类似，只是不需要回流污泥。填充床不需要回流废水，但需要用处理后出水反冲洗，而流化床则需回流废水不需要反冲洗。4 ,脱氮系统的开发与各类脱氮工艺的比较在脱氮系统中，为了提供电子给
18、体必须向水中投加有机物碳源。但大多数可作为碳源的有机物价格昂贵。因此目前的开发方向是发展在不投加外来碳源的条件下进行脱氯的工艺。具体做法是将废水中有机碳的氧化一硝化一脱氮过程结合在一起形成一种工艺过程，如图117、图118所示。图118为废水中有机碳源和污泥内源代谢碳源循序利用的脱氮工艺，它是由Bamard开发的，简称“Bardenpho”法。在各种脱氮处理系统中，每种工艺都有其各自的优缺点，表11-2列出各种工艺的一般比较。11-7有机碳氧化-硝化-脱氨循序处理系统用回流混合液图11-8Burden曲。脱氮处理系统表11-2生物脱氮系统处理比较系统类型优点缺点投加甲醇的活性污泥脱氮法（进水先
19、经硝化）脱氮速率快；构筑物体积小；性能较稳定；除氮效率高；系统中各处理程序相互干扰小；对处理序列的选择几乎没有限制需消耗甲醉；性能与沉淀池运行状态有关；完成硝化一脱氮处理所需单元过程较多投加甲醇的生物膜脱离法（进水先经硝化）脱氮速率快；构筑物体积小；性能稳定，且与沉淀池运行状态无关；除氮效率高；系统中处理单元方法间相互干扰小；对处理序列的选择几乎没有限制需消耗甲醇；完成硝化一脱氮处理所需单元过程较多有机碳氧化一硝化脱氮循序处理系统（利用内源代谢碳源和活性污泥系统）不消化甲醇；所需单元方法少脱氮速率慢；构筑物体积大；除氮效率低；性能与沉淀池运行状态有关；同时脱氮、除磷时，处理序列选择受限制；硝化
20、和脱氮过程相互干扰大；对硝化菌中毒无保护措施有机碳氧化一硝化脱氮循序处理系统（利用废水中的有机碳和活性污泥法）不消化甲醇；所需单元方法少除与利用内源代谢碳源和活性污泥系统具有相同的缺点外，还可能出现污泥膨胀11.4生物脱磷系统L厌氧需氧活性污泥法脱磷系统厌氧需氧活性污泥法脱磷系统常简称为A/0（anaerbic/Oxic）脱磷法，它与A/O脱氮法的区别主要是，前者既不能有溶解氧也不能有氧化态氮，后者则只要无分子氧即可，所以，往往将后者称缺氧。厌氧需氧活性污泥脱磷的流程如图11-9所示。在厌氧池中，依靠聚磷菌的代谢而释放出磷，同时废水中的BOD也减少。在需氧反应器中，聚磷菌进行需氧呼吸在氧化BO
21、D的同时将磷以聚合磷酸盐的形式蓄积在聚磷菌体内。BC)D和磷在厌氧反应器和需气反应器的变化情况如图11-10所示。根据Fuhs和Buchan的研究，在厌氧需氧活性污泥法脱磷中，异养菌的48%63%为聚磷菌，这说明厌氧池对细菌起了筛选作用。图11-9厌氧需氧活性污泥法脱磷流程图IlTO厌氧需氧相件污泥法脱磷过程中BOD,磷与停留时间的关系妈送修loc厌氧需氧活性污泥脱磷系统的运行条件是：(1)需氧反应器中的溶解氧应维持在2mg/L以上。聚磷菌对磷酸的吸收和释放是可逆的，其控制因素是溶解氧浓度。溶解氧高易于吸收，低则易于释放。(2)PH值应控制在78之间。LeVin研究了PH值对聚磷菌吸收磷酸的影
22、响:当PH值为6以下时，混合液中的磷酸在1小时内急剧增加；当PH值为7-8时，磷酸减少；PH值为9时虽也减少，但减少的比例比PH为78时要小些。(3)原水中的BODs浓度应在50mg/L以上。Levin还研究了废水中有机物对聚磷菌吸收磷酸的影响，发现向废水中投加有机物可提高吸收率。因此废水中的有机物必须保证有一定的浓度。(4)其它条件主要是因为聚磷菌吸收磷可逆，所以需氧池曝气时间不能过长;污泥在沉淀池中停留时间应尽可能短等。表11-3列出了一些厌氧需氧活性污泥法脱磷的数据。表11-3A/O法应用实例实运行条件进水/出水水质mgL污泥含磷/%规模处理例MLSS停留时间/h厌氧池+需氧池BODPT
23、N以MLSS计以MLVSS计水量m3dmg/L11.2+2.1110/108.4/0.95生产性11400227101.8+3.247/5.93.8/0.732.7/28.74-4.76.1中试50329901.0+3.0180/45.2/035.2/0.34-4.7中试5428003.O+3.O130/273.6/0.73.6/0.73中试362.其他生物脱磷系统其它生物脱磷系统都是以A/0系统为基础的。例如在上述的“Bardenpho”法流程前加一级厌氧发酵过程，可使出水平均含磷量约为0,8mgL（进水平均7mgL时）。实际上，普通活性污泥废水处理过程也是有脱磷作用的，但一般都在40%以下
24、，证明普通活性污泥中就存在聚磷菌。生物脱磷系统的任务只是根据聚磷菌的生长特性，采取措施，以充分发挥其聚磷特性和使之成为活性污泥中的优势菌种。A-A/O脱磷脱氮系统流程如图II-Il所示。该流程以脱磷为主，已有生产性应用实例，在有些文献中称它为改进的“Phoredox流程。回流混合液（IOo*300%）图Il-WA-A/O脱璘脱M流程图1】-I2ICEAS工艺过程ICEAS系统实际上是改良的SBR（序批式反应器）工艺，它将初况、脱氮、脱磷与终沉放在一个反应器中完成，为控制丝状菌生长，反应器前端设有缺氧生物选择器。曝气、沉淀和排水在时间序列上分阶段完成，但反应器进水是连续的，如图11-12所示。该工艺是由澳大利亚新南威尔士大学和美国ABJ公司开发的专利技术，自1976年建成第一座污水厂以来，世界上己有300座左右的污水厂建成投产，美国环保局于1986年正式承认其属于革新代用技术（I/A）。1997年，我国昆明第三污水厂也采用了这一工艺，从目前的运行情况看，其脱氨脱磷以及有机底物的去除效果良好.出水BOD5和SS在15mgL以下，TN在8mgL以下（其中NH3-N2mgL,TPW1.0mgL（通常小于0.5mgL）0该工艺设计运行周期为4.8h,实际运行4.5h（曝气2.0h、沉淀1.5h和排水Loh）。
