水污染控制工程：第5章 污水處理基本原理

1、第5章 污水處理基本原理水污染控制工程：污水生物處理水污染控制工程：污水生物處理5.1 有機物去除的基本原理污水中的有機物有多種類型，去除機制各有不同主要處理方法有沉淀吸附（化學、生物）生物降解好氧厭氧最終去處空氣（CO2、CH4）污泥隨水流走傳統(tǒng)的生物轉化有機物的好氧氧化需要大量氧氣自由能高細胞增殖速率快細胞產率高C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH5.2 生物脫氮的基本原理污水中氮的來源：有機氮、氨氮、硝氮 新鮮污水中，含氮化合物主要是以有機氮，如蛋白質、尿素、胺類化合

2、物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少數的氨態(tài)氮如NH3及NH4+等。 生活污水中的N，80%以上來自人類的尿液。 微生物分解有機氮化合物產生氨的過程稱為氨化作用，很多細菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質及其含氮衍生物，其中分解能力強并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機氮化合物分解、轉化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例：異化脫氮 異化生物脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨態(tài)氮轉化為N2和NxO氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程。同化脫氮 微生物生長過程中需要攝入氮，合成氨基酸。細胞中的含氮量通?？蛇_0.050.1 gN/gCOD。因此，當污水中含氮量較低，且B

3、OD:N比例較高時，同化脫氮可滿足脫氮的需要。傳統(tǒng)生物脫氮方法傳統(tǒng)生物脫氮方法 硝化反應是在好氧條件下，將NH4+轉化為NO2-和NO3-的過程。O2H4H2NO3O2NH22亞硝酸菌24 322NO2O2NO2硝酸菌 總反應式為：OHH2NOO2NH2324硝化細菌 硝化細菌是化能自養(yǎng)菌，生長率低，對環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機負荷等都會對它產生影響。32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羥胺OHNHNH硝化反應： （a）好氧環(huán)境條件，并保持一定的堿度：硝化菌為了獲得足夠的能量用于生長，必須氧化大量的NH3和NO2-，氧是硝化反應的電子受體，反應器內溶解氧含量

4、的高低，必將影響硝化反應的進程，在硝化反應的曝氣池內，溶解氧含量不得低于1mg/L，多數學者建議溶解氧應保持在1.22.0mg/L。 在硝化反應過程中，釋放H+，使pH下降，硝化菌對pH的變化十分敏感，為保持適宜的pH，應當在污水中保持足夠的堿度，以調節(jié)pH的變化，lg氨態(tài)氮（以N計）完全硝化，需堿度（以CaCO3計）7.14g。對硝化菌的適宜的pH為78。 硝化過程的影響因素： （b）混合液中有機物含量不應過高：硝化菌是自養(yǎng)菌，有機基質濃度并不是它的增殖限制因素，若BOD值過高，將使增殖速度較快的異養(yǎng)型細菌迅速增殖，從而使硝化菌不能成為優(yōu)勢種屬。 （c）硝化反應的適宜溫度是2030，15以下

5、時，硝化反應速度下降，5時完全停止。 （d）硝化菌在反應器內的停留時間，即生物固體平均停留時間（污泥齡）SRT，必須大于其最小的世代時間，否則將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡，一般認為硝化菌最小世代時間在適宜的溫度條件下為3d。SRT值與溫度密切相關，溫度低，SRT取值應相應明顯提高。 （e）除有毒有害物質及重金屬外，對硝化反應產生抑制作用的物質還有高濃度的NH4-N、高濃度的NO-x-N、高濃度的有機基質、部分有機物以及絡合陽離子等。 反硝化反應是指在無氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮氣的過程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸還原菌-222

6、326OHOH3CO3N3OHCH36NO亞硝酸還原菌 反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O2為電子進行呼吸；在無氧而有NO3-或NO2-存在時，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機碳為電子供體和營養(yǎng)源進行反硝化反應。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌 總反應式為：反硝化反應反硝化反應 在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程，反應如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47. 0NOH.065C0HOHCH08. 1NO22227533式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學組

7、成。 反硝化還原和微生物合成的總反應式為： 從以上的過程可知，約94的NO3-N經異化過程還原，6經同化過程合成微生物。 （a）碳源：能為反硝化菌所利用的碳源較多，從污水生物脫氮考慮，可有下列三類：一是原污水中所含碳源，對于城市污水，當原污水BOD5/TKN35時,即可認為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因為甲醇被分解后的產物為CO2和H2O，不留任何難降解的中間產物；三是利用微生物組織進行內源反硝化。 （b）pH：對反硝化反應，最適宜的pH是6.57.5。pH高于8或低于6，反硝化速率將大為下降。反硝化過程的影響因素 （c）溶解氧濃度：反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在無分子氧同

8、時存在硝酸根離子和亞硝酸根離子的條件下，它們能夠利用這些離子中的氧進行呼吸，使硝酸鹽還原。另一方面，反硝化菌體內的某些酶系統(tǒng)組分，只有在有氧條件下，才能夠合成。這樣，反硝化反應宜于在缺氧、好氧條件交替的條件下進行，溶解氧應控制在0.5 mg/L以下。 （d）溫度：反硝化反應的最適宜溫度是2040，低于15反硝化反應速率最低。為了保持一定的反硝化速率，在冬季低溫季節(jié)，可采用如下措施：提高生物固體平均停留時間；降低負荷率；提高污水的水力停留時間。新型生物脫氮方法新型生物脫氮方法5.3 除磷的基本原理生物強化除磷Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR

9、) 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧/缺氧條件下對污水中溶解性磷酸鹽過量吸收作用，和在厭氧條件下過梁釋磷，促進聚磷菌生長并吸磷，然后沉淀分離而除磷。 厭氧環(huán)境 好氧環(huán)境 有機基質 產酸菌 P 乙酸 P 聚 P 聚 P PHB PHB 聚 P 聚 P 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 生物除磷機理 污水中的有機物在厭氧發(fā)酵產酸菌的作用下轉化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內積聚的聚磷分解，分解產生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動吸收乙酸苷轉化為PHB(聚-羥基丁酸)的形態(tài)儲藏于體內。 聚磷分解形成的無機磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。厭氧環(huán)境中： 進入好氧狀態(tài)后

10、，聚磷菌將儲存于體內的PHB進行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動，部分供其主動吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內，這就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含過量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質。 普通活性污泥法通過同化作用除磷率可以達到12%20%。而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基本可滿足排放要求。好氧環(huán)境中： （1）厭氧環(huán)境條件： （a）氧化還原電位：Barnard、Shapiro等人研究發(fā)現，在批式試驗中，反硝化完成后，ORP突然下降，隨后開始放磷，放磷時ORP一般小于100mV； （b）溶解氧濃度：厭氧區(qū)如存在溶解氧，兼

11、性厭氧菌就不會啟動其發(fā)酵代謝，不會產生脂肪酸，也不會誘導放磷，好氧呼吸會消耗易降解有機質； （c）NOx-濃度：產酸菌利用NOx- 作為電子受體，抑制厭氧發(fā)酵過程，反硝化時消耗易生物降解有機質。生物除磷影響因素： （2）有機物濃度及可利用性：碳源的性質對吸放磷及其速率影響極大，傳統(tǒng)水質指標很難反映有機物組成和性質，ASM模型對其進一步劃分為： （a）1987年發(fā)展的ASM1:（b）1995年發(fā)展的ASM2: 溶解性與顆粒性：SA+SF+SI+XSXI S表示溶解性組分，X表示顆粒性組分；下標S溶解性，I惰性，A發(fā)酵產物，F可發(fā)酵的易生物降解的底物。 厭氧釋磷主要吸收的是Ac-，按成分劃分是SACODtot=SS+SI+XS+XI （3）污泥齡：污泥齡影響著污泥排放量及污泥含磷量，污泥齡越長，污泥含磷量越低，去除單位質量的磷須同時耗用更多的BOD。 Rensink和Ermel研究了污泥齡對除磷的影響，結果表明：SRT=30d時，除磷效果40%；SRT=17d時，除磷效果50%；SRT=5d天時，除磷效果87%。 同時脫氮除磷系統(tǒng)應處理好泥齡的矛盾。 （4）pH：與