污水脱氮除磷机理.doc

1、浅谈生活污水脱氮除磷研究 摘要：介绍了污水中氮磷的来源和危害，污水脱氮除磷的机理以及几种常 用的生活污水脱氮除磷工艺，分析了其优缺点，并介绍了相关污水脱氮除磷的 研究。 关键词：生活污水 脱氮除磷 1 前言 氮和磷是生物重要营养源。随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提 高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，以及二级生化处 理城市污水出水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加， 蓝、绿藻大量繁殖，水体缺氧并产生毒素，水质恶化。我国淮河流域、太湖、 巢湖、滇池等水体富营养化严重，近海岸每年发生的十多起大面积的赤潮，严 重影响水生生物和人体健康。 大量氮、磷化合物进

2、入水体后加速水体的富营养化进程，降低了水体的经 济价值和美学价值，破坏水体生态环境，影响供水水质等；消耗水体中的溶解 氧，不利于水体质量的改善以及鱼类的生存；降低氯的消毒效率，大大增加氯 的消耗量，同时对人类的健康存在着潜在的危害。 因此，解决氮磷污染问题对解决我国水环境污染问题具有重大意义。 2 污水脱氮除磷机理 污水中氮的存在形式主要有氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，可通过物理法、 化学法和生物法去除。常用的物化方法有氨吹脱法、化学沉淀法、折点加氯法、 选择性离子交换法和催化氧化法。污水中磷的存在形态主要是磷酸盐、聚磷酸 盐和有机磷，其去除方法主要有混凝沉淀法、结晶法和生物法。由于生物脱氮 除

3、磷被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法，且生活污水的可生化 性好，因此，目前污水脱氮除磷大多采用生物法。 2.1 生物脱氮机理 污水生物处理脱氮过程主要是氮的转化，即同化、氨化、硝化和反硝化。 （1）同化作用 在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮） 被同化成微生物细胞的组成成分。同化作用的氨氮去除率一般为 8%20%。 （2）氨化作用 污水中的含氮有机物（一般动物、植物和微生物残体以及 它们的排泄物、代谢产物所含的有机氮化合物，主要包括蛋白质、核酸、尿素、 尿酸、几丁酸质、卵磷脂等含氮有机物）在氨化菌的作用下，分解、转化并释 放出氨。 （3）硝化作用 氨氮在有氧存在的情况下

4、经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用 转化为硝酸盐的过程称为生物硝化过程。好氧菌亚硝酸单胞菌属 （Nitrosomonas） 、亚硝酸球菌属（Nitrosococcus）及亚硝酸螺菌属 （Nitrosospira ） 、亚硝酸叶菌属（ Nitrosolobus）和亚硝酸弧菌（ Nitrosovibrio） 等将氨氮转化为亚硝酸盐，硝化杆菌属（Nitrobacter） 、硝化球菌属 （Nitrococcus ）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐 1。 （4）反硝化作用 在厌氧的条件下，施氏假单胞菌（Pseudomonas） 、脱氮 假单胞菌（Ps.denitrificans ） 、荧光假单胞菌（Ps.fluo

5、rescens） 、紫色杆菌 （Chormobacterium violaceum） 、脱氮色杆菌（Chorm.denitrificans）等反硝化细 菌利用各种有机质（如甲醇等）作为电子供体，利用硝化过程中产生的硝酸盐 或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸，将硝酸还原为 N2。当污水中缺乏有机 物时，微生物也可以利用无机盐如 Na2S 作为反硝化的电子供体进行的内源反硝 化，但由于内源反硝化使细胞原生质减少，并会有氨氮生成，污水处理中为避 免此反应占主导地位而提供必要的碳源。 2.2 除磷机理 在厌氧池，在没有溶解氧和硝态氧存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性 BOD 通过发酵作用转化为低分子可

6、生物降解的挥发性有机酸（VFA） ，优势菌 种聚磷菌（小型革兰氏阴性储短杆菌、假单胞菌属和气单胞菌属等）构成了活 性污泥絮体的主体，利用聚磷酸盐的水解以及细胞内糖的酵解产生的能量将吸 收的 VFA 运送到细胞内同化成细胞内碳能源储存物聚 羟基丁酸(PHB)，同 时释放出磷酸盐。在好氧池中，聚磷菌所吸收的有机物被氧化分解，提供能量 的同时从污水过量摄取磷，磷以聚合磷酸盐的形式储藏在菌体内而形成高磷污 泥，通过排出剩余污泥统而除磷。 污水生物除磷工艺中的聚磷菌除了小型革兰式阴性短杆菌外，还有假单胞 菌属和气单胞菌属，占聚磷菌数量的 15%20%，杆菌仅占 1%10%，但聚磷能 力最强 2。 3 常

7、用的生活污水脱氮除磷工艺及其比较 目前在生活污水处理流程中，主要是通过形成厌氧、缺氧和好氧环境，使 聚磷菌、硝化菌和反硝化菌共存，从而有效的同时进行生物脱氮除磷。最广泛 应用的同步脱氮除磷工艺有：A 2/O、氧化沟、SBR 及其改型、改良 Bardenpho 工艺、和改良 UCT 工艺等 3。 3.1 A2/O 工艺 A2/O 工艺或称 AAO 工艺，在一个处理系统中同时具有厌氧区、缺氧区、 好氧区，能够同时做到脱氮、除磷和有机物的降解，其工艺流程见图 1 所示。 图 1 A2/O 生物脱氮除磷工艺流程 污水经格栅拦截悬浮物后进入厌氧反应区，同时进入的还有从二沉池回流 的活性污泥，池中兼性厌氧

8、发酵菌在厌氧条件下将污水中可生化降解的大分子 有机物转化为小分子的中间发酵产物（如 VFA） ，聚磷菌将贮存在体内的聚磷 酸分解并释放出能量供专性好氧聚磷菌在厌氧环境中生存，剩余的部分能量供 聚磷菌从环境中吸收 VFA 等易降解有机质，并以 PHB (聚 -羟基丁酸) 的形式 在体内加以贮存；出水进入缺氧池，反硝化菌利用来自好氧池回流液中的 NOx- N 及污水中的有机质进行反硝化，达到去除水中 BOD5 和氮的效果；在好氧池 中，聚磷菌通过分解体内的 PHB 进行增殖，通过超量摄取水中的溶解态磷将其 生长所需要的磷以聚磷酸的形式贮存起来，最终通过排除高磷污泥达到除磷的 目的 4。 该工艺流程

9、简洁，污泥在厌氧、缺氧、好氧环境中交替运行，丝状菌不能 大量繁殖，且污泥沉降性能好。该处理系统中出水可达到 GB8978-1996污水 综合排放标准中一级排放标准，磷浓度基本可达到 1mg/L 以下，氨氮也可达 到 8mg/L 以下 5。 3.2 氧化沟工艺 氧化沟是活性污泥法的变形，通常采用延迟曝气，结构形式采用封闭的环 形沟渠形式，污水及活性污泥混合液在氧化沟曝气池的推动下作平流运动，使 得污水中形成良好的的混合液生物絮凝体，有利于除磷脱氮。 氧化沟工艺是一种利用循环式混合曝气沟渠来处理污水的简易污水处理技 术。一般不设初沉池，通常采用延时曝气，连续进出水，结构形式采用封闭的 环形沟渠形式

10、，污水及活性污泥混合液在氧化沟曝气池的推动下作平流运动， 形成良好的的混合液生物絮凝体，有利于除磷脱氮。所产生的微生物污泥在曝 气的同时得到稳定，无需设置污泥消化池，简化了处理设施。该工艺具有能耗 少、占地面积小、耐冲击负荷强、高效除磷的特点。 常用的氧化沟工艺类型有 Carrousel 氧化沟、Orbal 氧化沟、一体化氧化沟、 交替工作式氧化沟及其改良工艺 6。 3.3 SBR 及其改型 SBR法，即序批式活性污泥法，是由英国学者Ardern 和Lockett 提出的，为 近年来较为通用的污水处理方法。SBR省去了二沉池和回流污泥泵房，布置紧 凑，通常采用鼓风曝气，工艺间歇运行，无需设调节

11、池，污水完全混合，耐冲 击负荷强，有较好的脱氮除磷效果。 SBR工艺发展迅速，衍生出许多新型SBR 处理工艺，如 CASS、 ICEAS、IDEA 、 DAT-IAT、UNITANK 、 MSBR等。各种SBR法的特点 及适用范围见表1 7。 表1 各种SBR工艺的特点及适用范围 工艺名称 传统SBR ICEAS DAT-IAT CAST UNITANK 流程简单：不设初沉池、二沉池、污泥回流泵房、消化池和沼气贮存利用设施 管理方便：处理设施少， ，没有沼气系统，不存在危险性，管理简化 占地少：是各种污水二级处理中最少的，比常规活性污泥法省30%50% 处理效果好：有机物去除率高，能脱氮除磷，

12、缓冲能力强，抗污泥膨胀能力强 基建投资省：规模小于10万m3/d的污水处理厂基建投资比常规活性污泥法省 10%20% 处理成本低：规模小于10万m3/d的污水处理成本低于常规活性污泥法 主 要 优 点 设施、操作 简单 静止沉淀出 水水质更好 脱氮除磷效 果尚可 水位差较小 基建费用省 脱氮除磷效 果尚可 容积利用率 最高 水位差最小 基建投资小 脱氮除磷最 好，同步硝化 反硝化，耗电 省，池容小 防止污泥膨 胀性能最好 静沉水质好 固定水位， 提升水泵扬程 较低 占地最少 基建费更省 对自控要求高，人工操作基本上不可能正常运行，自控系统必须质量好，运行可靠 对操作人员的技术要求高 间歇周期运

13、行使曝气、搅拌、排水、排泥等设备利用率不高，增大了设备费用和装机 容量 主 要 缺 点 周期较长， 池容和设备排 水较大 要脱氮除磷 需延长周期， 加大排水设备， 增加搅拌 水位变化大， 水泵扬程较高 至少需两池 容积利用率 低，池容相对 较大 水位变化大， 水泵扬程较高 要脱氮除磷 需延长周期， 加大排水设备， 增加搅拌 要脱氮除磷 需延长周期， 加大排水设备 污泥回流量 打，能耗高 水位变化增 加了水泵扬程 除磷效率不 高 容积利用率 低，池容相对 较大 水位变化增 加了水泵扬程 少量污泥回 流，增加电耗 至少需两池 才能运行 容积利用率 低，池容较大 要脱氮除磷 需延长周期， 加大排水设

14、备， 增加搅拌 三池污泥浓 度相差大，影 响池容利用 除磷效率不 高 反应池分容 单池，不分格 有中隔墙分成 有中隔墙分为 分为选择区和 用隔墙分为三 预反应区和主 反应区 DAT池及IAT 池 主反应区 池 进水方式 间歇交替进水 连续进水 连续进水 间歇交替进水 间歇交替进水 是否回流 否 否 回流比 200300% 回流比 2035% 否 适用规模 小型 可用于大、中 型 可用于大、中 型 脱氮除磷要求 高 土地特别紧张 工程实例 全国几百座小 型污水厂 昆明第三、四 污水厂，瓦房 店市污水厂 天津市开发区 污水厂、抚顺 三宝屯污水厂 镇江新区污水 厂 石家庄市经济 开发区污水厂 3.1

15、.4 改良 Bardenpho 工艺 改良 Bardenpho 工艺是由厌氧 缺氧好氧缺氧 好氧五段组成，第二 个缺氧段利用好氧段产生的硝酸盐作为电子受体，利用剩余碳源或内碳源作为 电子供体进一步提高反硝化效果，最后好氧段主要用于剩余氮气的吹脱，其工 艺流程见图 2。该系统脱氮效果好，由于回流污泥进入厌氧池的硝酸盐量较少， 对污泥的释磷影响较小，因而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果，但工艺流 程较为复杂，投资和运行成本较高。 图 2 改良 Bardenpho 脱氮除磷工艺流程 3.1.5 改良 UCT 工艺 改良 UCT 工艺中污泥回流到相分隔的第一缺氧区，不与混合液回流到第二 缺氧区硝酸盐混

16、合，第一缺氧区主要 对回流污泥中硝酸盐反硝化，第二缺氧区 是系统的主要反硝化区，其工艺流程见图 3。 图 3 改良 UCT 生物脱氮除磷工艺 4 最新研究 鉴于传统的 A2/O 工艺脱氮与除磷之间存在碳源竞争，而城市生活污水的碳 源浓度普遍较低，难以满足同时高效脱氮除磷效果，且占地面积较大，北京交 通大学环境工程实验室针对这些问题，将传统 A2/O 工艺与现行 MBR 工艺结合， 充分发挥两者的优势，使其在比较低的碳氮比下 M（C）：M （N）= 5 6 不外 加碳源，进水 COD 为 260 300 mg/L，TN、TP 分别为 46 48 mg/L、7 8 mg/L 下，使出水的 TN 和

17、 TP 维持在 10 mg/L、0.5 mg/L 以下，去除率达到 76%、 95%以上 8，其工艺流程如图： 图 5 A2/O+MBR 工艺流程图 温沁雪等考察了在曝气池前投加不同量的聚合铝铁强化 A2/O 除磷系统对 TP、TN、COD 的去除效果，研究表明聚合铝铁的投加有助于 TN 和 COD 的去 除，其投加量为 6mg/L（以 Al 计）时，出水氨氮含量为 4.80mg/L，去除率达到 73.43%，效果最佳；当投加量为 4mg/L（以 Al 计）时，出水中磷含量为 0.77mg/L，去除率达到 89.23%时效果最佳 9。 张苏平等用 SBR 法处理城市生活污水，研究得出最佳运行参

18、数为进水厌氧 搅拌 2h，曝气 5h，缺氧搅拌 2.5h，沉淀、出水、排泥 1.5h，出水中氮含量为 0.43 mg/L，去除率为 99.43%，出水符合我国污水综合排放标准 （GB8978- 1996）的一级排放标准 10。 王朝朝采用脱氮除磷膜生物反应器（BNPR-MBR）处理北方某城市生活污 水，结果表明：在没有外加碳源的情况下，氨氮基本上完全硝化，TN 由 51.9mg/L 降低到 10.76mg/L，平均去除率达到 79%；系统的污泥龄为 40d 左右 时，TP 由 6.22 mg/L 降低到 0.93mg/L，平均去除率达到 85%11。 3.2 几种脱氮除磷工艺的比较 生物脱氮除

19、磷工艺比较如表 1。各工艺产泥量均与活性污泥法相当，无需 投加药剂即可达到除磷目的。 表 1 脱氮除磷工艺比较 工艺 优点 缺点 A2/O 氧化沟 SBR 及其 改型 改良 Bardenpho 是生物除磷法中产泥量最少的工 艺，剩余污泥中磷浓度高；出水 TN 比其他工艺低；补充碱度用 药量少或无需使用药剂。该工艺 在南非广泛使用，运行经验多。 内循环量大，耗电多，维护管 理复杂，美国应用较少。投药 量不确定，反应器容积比 A2/O 大，设置初沉池降低了氮磷去 除能力，需要较高的 BOD/P 比， 处理效果受温度影响。 改良 UCT 厌氧池良好的厌氧条件保证磷的 充分释放和好氧池过量吸收；与 Bardenpho 比，反应池容积小。 美国应用实例较少。内循环量 大，泵耗电多，维护管理复杂。 投药量不确定，需要较高的 BOD/P 比，温度对处理效果不 明显。 VIP 富硝基液回流到缺氧池减少了氧 内循环量大，泵耗电多，维护 量和碱度的消耗。缺氧池回流到 厌氧池减少了好氧池硝酸盐负荷 对厌氧条件的影响。氮磷去除与 季节水温成正比。 管理复杂。美国应用实例较少， 低温时脱氮效果降低。