营养元素的生物去除 ——生物脱氮除磷原理与工艺 4-1 概述 营养元素的危害 氨氮会消耗水体中的溶解氧；氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气，增加氯的用量；含氮化合物对人和其它生物有毒害作用：①氨氮对鱼类有毒害作用；②NO3-和NO2-可被转化为亚硝胺——一种“三致”物质；③水中NO3-高，可导致婴儿患变性血色蛋白症——“Bluebaby”；加速水体的“富营养化”过程； ——所谓“富营养化”就是指水中的藻类大量繁殖而引起水质恶化，其主要因子是N和P（尤其是P）； ——控制污染源，降低废水中的N、P含量； ——对城市废水，传统的活性污泥法，对N的去除率只有40%左右，对磷的去除率只有20~30%。 脱氮的物化法 1）氨氮的吹脱法：  2）折点加氯法去除氨氮：   每mgNH4+--N被氧化为氮气，至少需要7.5mg的氯。 3）选择性离子交换法去除氨氮： 采用斜发沸石作为除氨的离子交换体。 三、除磷的物化法（混凝沉淀法） 1）铝盐除磷  一般用Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2） 2）铁盐除磷：FePO4 Fe(OH)3 一般用FeCl2、FeSO4 或 FeCl3 Fe2(SO4)3 3）石灰混凝除磷  向含P污水投加石灰，由于形成OH-，污水的pH值上升，P与Ca2+反应，生成羟磷灰石。 4-2 生物脱氮技术 4-1-1 生物脱氮原理 一、定义： ①污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养微生物氧化分解为氨氮——氨化；②由自养型的硝化菌将氨氮转化为NO2-和NO3-——硝化；③再由反硝化菌将NO2-和NO3-还原转化为N2——反硝化。 二、硝化反应（Nitrification） ——分为两步：①； ② ——由两组自养型硝化菌分步完成： ①亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）；②硝酸盐细菌（Nitrobacter） 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；强烈好氧，不能在酸性条件下生长；无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C（CO2或HCO3-）为碳源；化能自养型；生长缓慢，世代时间长。 （1）硝化反应过程及反应方程式： ①亚硝化反应： 加上合成，则： 亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH4+-N（113/55/14）； 氧化1mg NH4+-N为NO2--N，需氧3.16mg（76(32/55/14）； 氧化1mg NH4+-N为NO2--N，需消耗7.08mg碱度（以CaCO3计）（109(50/55/14） ②硝化反应：  加上合成，则： 硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO2---N(113/400/14) 氧化1mg NO2--N为NO3—N，需氧1.11mg(195*32/400/14) 几乎不消耗碱度 ③总反应：  加上合成，则： 总的细菌产率是： 0.02g/gNO2---N(113/400/14)； 氧化1mg 为，需氧4.27mg(1.86*32/14)； 氧化1 mg 为，需消耗碱度7.07mg(以CaCO3计)； ——污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致pH值下降，使反应速率减缓或停滞； ——如果不考虑合成，则：氧化1 mg NH4+-N为NO3—N，需氧4.57mg，其中亚硝化反应3.43mg，硝化反应1.14mg，需消耗碱度7.14mg(以CaCO3计) (2)硝化反应的环境条件： ——硝化菌对环境的变化很敏感：①好氧条件(DO不小于1mg/l)，并能保持一定的碱度以维持稳定的pH值(适宜的pH为8.0~8.4)；②进水中的有机物的浓度不宜过高，一般要求BOD5在15~20mg/l以下；③硝化反应的适宜温度是20~30(C，15(C以下时，硝化反应的速率下降，小于5(C时，完全停止；④硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为3~10天)；⑤高浓度的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐、有机物以及重金属离子等都对硝化反应有抑制作用。 二、反硝化反应 （1）反硝化反应过程及反硝化菌 ——反硝化反应是指硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程； ——反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，并不是一类专门的细菌，它们大量存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等，土壤微生物中有50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌； ——反硝化菌能在缺氧条件下，以或为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原； ——在反硝化菌的代谢活动下，或中的N可以有两种转化途径：①同化反硝化，即最终产物是有机氮化合物，是菌体的组成部分；②异化反硝化，即最终产物为 的氮气。 （2）反硝化反应的影响因素 碳源：一是原废水中的有机物，当废水的BOD5/TKN大于3~5时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇； 适宜的pH值是6.5~7.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降； 反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/l以下； 最适宜温度为20~40(C，低于15(C其反应速率将大为降低。 表 生物脱氮反应过程中各项生化反应特征 生化反应类型 去除有机物 硝化 反硝化    亚硝化 硝化   微生物 好氧菌及兼性菌 Nitrosomonas自养型菌 Nitrobacter自养型菌 兼性菌 异养型菌  能源 有机物 化能 化能 有机物  氧源(电子受体) O2 O2 O2 NO2- 、NO3-  溶解氧 1~2mg/l以上 2mg/l以上 2mg/l以上 0~0.5mg/l  碱度 无变化 氧化1mgNH4+--N需要7.14mg/l碱度 无变化 还原1mgNO3---N或NO2---N生成3.57mg碱度  耗氧 分解1mg有机物（BOD5）需氧2mg 氧化1mgNH4+--N需氧3.43mg 氧化1mg NO2---N需氧1.14mg 分解1mg有机物(COD)需NO2---N 0.58mg，NO3---N0.35mg所提供的化合态氧  最适pH值 6~8 7~8.5 6~7.5 6~8  最适水温 15~25(C 30(C 30(C 34~37(C  增殖速度(d-1) 1.2~3.5 0.21~1.08 0.28~1.44 好氧分解的1/2~1/2.5  分解速度 70~870 mgBOD/gMLSS.h 7mgNH4+--N /gMLSS.h  2~8mg NO3---N /gMLSS.h  产率       4-2-2 生物脱氮工艺 一、活性污泥法脱氮传统工艺 Barth开创的三级活性污泥法流程： 第一级曝气池的功能：①碳化——去除BOD5、COD；②氨化——使有机氮转化为氨氮；第二级是硝化曝气池，投碱以维持pH值；第三级为反硝化反应器，可投加甲醇作为外加碳源或引入原废水。 ——其优点是氨化、硝化、反硝化是在各自的反应器中进行，反应速率快且较彻底； ——缺点是处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。 两级活性污泥法脱氮工艺 二、缺氧——好氧活性污泥法脱氮系统（A—O工艺）