污水处理活性污泥法基本知识：脱氮除磷原理及应用

作为污水处理常用方法之一的活性污泥法，如今活性污泥法及其衍生改良污水处理工艺是城市污水厂最广泛使用的方法，本文简要介绍活性污泥法基本知识-脱氮除磷原理及应用。

氮(Organic-N)、无机氮(Inorganic-N)。

有机氮包括：蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等。

来源于生活污水、农业废弃物、工业废水。

有机氮极不稳定，无论有氧或无氧，在微生物的作用下很快会分解为氨氮;如果氧充足，会继续氧化为亚硝酸盐氮与硝酸盐氮，—最终为无机氮。

无机氮包括：氨氮(NH4+-N)、亚硝态氮(NO2--N)、硝态氮(NO3--N)。

来源于有机氮转化、农业施肥、工业废水。

无机氮直接引起水体富营养化。

氮的脱除技术分为：物理化学脱氮技术，生物脱氮技术

(1)氨的吹脱处理(物化法)

原理：水中氨氮有氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)，存在平衡关系：

水温T=25℃，pH≈7时，NH4+ 占到99.4%，pH≈11时，NH3占到90%。调节pH值使氨离子(NH4+)转变为游离氨(NH3)，再经吹脱塔去除。

缺点：耗碱;氨气会造成大气污染，必须回收。

其他方法：折电加氯法、选择离子交换法、电渗析法、反渗透法、电解法。

(2)生物脱氮原理

利用微生物作用对氮进行吸收、转化。传统活性污泥细菌去除氮20~40%、去除磷10~30%。

污水生物处理中氮的转化包括同化——氨化——硝化——反硝化作用。

①同化作用

微生物将部分NH4+-N和有机-N吸收为细胞组分。量少，氮只占细胞本身重量的12.5%。不是主要途径

②氨化作用

有机氮化合物在氨化菌作用下，分解转化为氨氮，称“氨化反应”。氨化是脱出羧基和氨基的过程。

氨化菌是异养菌，有好氧菌、也有兼性菌和厌氧菌。因此有机氮很容易被氨化。

③硝化作用

由种类非常有限的自养微生物完成，分两步：一、亚硝酸菌利用氧将氨氮转化为亚硝酸氮;二、硝酸菌利用氧将亚硝酸氮转化为硝酸氮，这一过程统称硝化。

1)硝化过程

亚硝酸菌和硝酸菌均为化能自养菌，统称硝化细菌。属革兰氏染色阴性、不生芽孢的短干菌和球菌，以CO2为碳源，从无机物的氧化中获取能量。生长速率很低(因为NH4+-N和NO2--N氧化过程产能底)。

2)影响硝化反应的环境因素

温度：影响硝化细菌的比增长速率，及活性。一般4~45℃，最佳30℃。

溶解氧：硝化细菌——好氧菌，DO影响反应速率和细菌增长速度。一般DO≥2mg/L。

碱度和pH：如反应式，硝化过程产生[H+]，消耗碱度，pH会下降。硝化细菌对pH相当敏感(亚硝酸菌pH=7.7~8.1活性最强，硝酸菌pH=7.0~7.8活性最强)，pH不适宜时活性急剧下降，pH值波动是致命的。

C/N比：硝化细菌比增速率很慢，比其它异养菌底一个数量级，污水中的C/N过高(COD/TKN=10~15)，对硝化细菌基质竞争不利。

泥龄短时易被洗脱排出。

有毒物质：常规毒物对其有害，氨及亚硝酸对其也有毒性，消化污泥上清液回流水就抑制活性20%左右。

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④反硝化作用

在缺氧/厌氧条件下，兼性异养菌将硝酸氮又转化为亚硝酸氮、继而还原为氮气(N2、N2O、NO)释放出来，这一阶段使氮脱除，叫反硝化。

1)反硝化过程

反硝化细菌——异养兼性厌氧菌，自然界很多。包括变形杆菌、假单胞杆菌、小球菌。在有分子氧(O2)存在时，利用O2呼吸降解有机物，无O2时利用NO2-、NO3-作为电子受体。

NOx-N的还原包括同化作用(合成细胞)和异化作用(分解脱氮为N2)，异化反硝化为主，占到总脱氮量的70~75%。

例如以甲醇为电子供体，反应式如下：

2)影响反硝化反应的环境因素

温度：影响反硝化细菌的比增长速率，及活性。一般20~40℃。

溶解氧：抑制反硝化菌活性，与硝态氮竞争电子供体。一般DO<0.3mg/L。

另外，反硝化菌体内某些酶只有在有氧条件下合成，所以要求好氧厌氧交替工作。

碱度和pH：如反应式，反硝化过程产生[OH-]，积累碱度，正好补充硝化过程中消耗的碱度。

反硝化细菌对pH也敏感，适宜pH=7.0~7.5活性最强，pH不适宜时活性下降，pH值波动是致命的。

碳源有机物：有机物是反硝化反应的碳源，也是电子供体，消耗量很大。要求原水中提供或人工加入。

C/N比：理论上，还原1g硝酸氮——需要碳源2.86g(BOD5)，一般原水中的都不够。

有毒物质：反硝化细菌抗毒性能力>硝化细菌，与一般好氧异养菌相同。所以毒性瓶颈在消化过程。

(3)生物脱氮工艺

有机氮→氨氮→亚硝氮→硝态氮→亚硝氮→氮气，需要好氧处理与缺氧处理交替运行。

按生物固定场所分为：

悬浮生长型——活性污泥法、氧化沟等;

附着生长型——生物滤池、生物转盘、生物流化床。无需污泥回流、生物量高。

1)传统脱氮工艺

三级生物脱氮系统

设置“曝气池—中间沉淀池”+“硝化池—中间沉淀池”+“反硝化池—中间沉淀池”+ 二沉池。3个中间沉淀池和回流系统。

生物环境好，处理效果好，系统复杂，造价高，已经淘汰。

二级生物脱氮系统

设置“曝气硝化池—中间沉淀池”+“反硝化池—中间沉淀池”+二沉池。2个中间沉淀池和回流系统。

生物环境好，处理效果好，系统复杂，造价高，已经淘汰。

单级生物脱氮系统

没有中间沉淀池，仅有一个最终沉淀池。

特点：克服了多级系统的复杂性。

但仍然是“氧化——硝化——反硝化”顺序。

问题：硝化阶段需要加碱;反硝化阶段需要加酸，反硝化碳源不足;控制难，运行费高。

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2)前置反硝化脱氮工艺

为了克服传统生物脱氮系统的缺陷，20世纪80年代后期产生了前置反硝化工艺，并得到应用。(例如A/O工艺)

特点：缺氧池中，缺氧环境、回流水提供硝态氮、原水提供碳源，加上搅拌，脱氮效果好。好氧池中，好氧环境、原水碳源已经降低、负荷小、氧化及硝化彻底，需氧量少、BOD去除率高。反硝化产生的碱度供硝化反应利用，提高硝化效率，无需调pH值。基建费和运行费较低。

问题：两套回流系统，回流量造成池子容积较大。

除磷原理与工艺技术

水体中的磷，分为有机磷和无机磷。

有机磷包括：葡萄糖-6-磷酸，2-磷酸-甘油酸，磷肌酸等。来源于生活污水、农业废弃物、工业废水。

无机磷包括：正磷酸盐，偏磷酸盐，磷酸氢盐，磷酸二氢盐等。都以磷酸盐形式存在。来源于有机磷转化、农业施肥、工业废水。无机磷直接引起水体富营养化。

有机磷与无机磷总和称总磷，表示为TP，以PO43-计，单位mg/L。

一般生活污水中的TP=8~10mg/L，其中无机磷7mg/L，有机磷3mg/L。

测定：将所有含磷化合物首先转化为正磷酸盐(PO43-)，再测定PO43-的含量，因此测定为总磷TP。

除磷技术分为化学除磷、生物除磷

(1)化学除磷

水中磷可分为：溶解性磷、颗粒性磷(0.45μm划分)。

正磷、聚磷、有机磷。大部分有机磷是颗粒性的，

聚磷水解→正磷，溶解性有机磷降解→正磷。

投加化学药剂，生成磷酸盐沉淀去除。

常用化学药剂：钙盐、铁盐、铝盐。(熟石灰、硫酸铝、铝酸钠、三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁等)

①二价钙除磷：pH调至10以上，消耗碱度，与碱度有关，抑制微生物，作为前置或后置，不能与生物作用协同。

②三价铁盐和铝盐：消耗碱度，pH下降。

③二价铁盐除磷：氧化为三价铁后发挥作用。Ca2+、Fe2+联合效果更好。

(2)生物除磷

①概念

生物除磷依靠聚磷菌完成，聚磷菌在好氧条件下，能够过量、超过其生理需要从外部环境中摄取磷，将磷以聚合态贮存在菌体内形成高磷污泥，通过排泥而除磷。

②机理

除磷机理尚不完全清楚。目前解释：在厌氧条件下，聚磷菌吸收有机物释放磷，自身繁殖;在好氧条件下，则过量吸收磷(聚磷菌增多、过量贮备)。通过这一交替方式，聚磷菌增殖、水中磷进入污泥，好氧后立即排泥，即除磷。

③影响生物除磷效果的因素

1)厌氧/好氧交替条件

反复的“厌氧——好氧——厌氧——好氧”环境利于聚磷菌成为优势菌。

厌氧条件释放磷，好像对处理不利。引入的目的：厌氧条件下纯好氧菌被抑制，而聚磷菌能存活，并且繁殖，在之后的好氧条件下才能大量吸收磷。

厌氧释磷越彻底——好氧吸磷越充分。

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2)硝酸盐和易降解有机物

厌氧环境下存在反硝化，反硝化菌与聚磷菌竞争基质(易降解有机物)，影响聚磷菌贮存有机物，引起好氧阶段吸磷能力减弱。硝酸盐的存在，抑制厌氧阶段聚磷菌释磷，进而影响聚磷菌贮存有机物及好氧段的吸磷，致使除磷效果降低。

3)污泥龄

污泥龄宜短不宜长，过长泥量少且有可能再次释磷。

4)温度与pH

温度T=10~30℃较好，pH=6~8。

5)BOD5/TP

BOD5/TP越高，厌氧释磷越彻底。最好有较多的易降解有机物，会诱导聚磷菌大量释磷。一般要求BOD/TP≥20。一般认为易降解的低分子有机物诱导磷释放的能力较强。

(3)生物除磷工艺流程

① Phostrip除磷工艺

基本原理：

原水——好氧聚磷——厌氧释磷——对释磷水化学除磷。

适合单纯除磷工艺，要同时降解有机物及脱氮时不适合。

②厌氧—好氧除磷工艺

比较经典的A/O工艺，图13-39。

特征：遵循生物除磷原理;沉淀污泥含磷率4%。

问题：a. 除磷率再难提高，特别是BOD/TP较低时;b. 二沉池中易产生二次释磷，须及时排放剩余污泥。

同步脱氮除磷工艺

(1)Bardenpho 脱氮除磷工艺

基于脱氮除磷的基本原理，形成了A—O—A—O串联工艺。

特征：利用基本原理，反复脱氮除磷。

问题：工艺流程过长;A1池，碳源充足、但NOx—N不足，脱氮效果一般;可降解有机物充足、释磷充分;O1池，主要降解有机物、硝化，因积累NOx—N，吸磷较弱;A2池，与A1池相反，脱氮效果好;但因可降解有机物不足，释磷不充分;O2池，主要吸磷，低负荷下硝化、降解BOD。总体来看，效率较低。

(2)A-A-O法同步脱氮除磷工艺

又称A2/O，厌氧-缺氧-好氧(Anaerobic-Anoxic-Oxic)，如图13-40。

特征：利用基本原理，提供最佳脱氮、除磷的条件和环境。

A1池，原水中可降解有机物充足，回流污泥浓度高，释磷充分;A2池，回流使NOx—N充足，原水碳源充足，高效脱氮;O池，主要吸磷，低负荷下硝化、降解BOD。

效果较好，效率不高。

问题：工艺流程仍然很长;回流系统庞大，耗能是其主要障碍。

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原标题：活性污泥法基本知识-脱氮除磷原理及应用