工艺技术 聊聊：城市污水深度脱氮除磷处理

引起富营养化的营养元素有碳、磷、氮、钾、铁等，其中，氮和磷是引起藻类大量繁殖的主要因素。欲控制富营养化，必须限制氮、磷的排放。国外一些污水处理厂把氮、磷的排放标准分别设定为15mg/L和0.5mg/L。

01

氮的去除

废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。在生活污水中，主要含有有机氮和氨态氮，它们均来源于人们食物中的蛋白质。新鲜生活污水含氮中有机氮约占总氮的60％，氨氮约占40％。当污水中的有机物被生物降解氧化时，其中的有机氮被转化为氨氮。经活性污泥法处理的污水有相当数量的氨氮排入水体，可导致水体富营养化。水体若为水源，将增加给水处理的难度和成本。因此二级处理的出水有时需进行脱氮处理。脱氮的方法有化学法和生物法两大类，现分别加以论述。

1化学法除氮

常用于去除氨氮的方法有吹脱法、折点加氯法和离子交换法。它们主要用于工厂内部的治理，对于城市污水处理厂很少采用。

(1)吹脱法  废水的氨氮可以气态吹脱。废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：

NH3+H2O=NH4++OH-

这一平衡受pH值的影响，pH为10.5～11.5时，因废水中的氨呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。

吹脱过程包括将废水的pH值提高至10.5～11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行城市污水的深度处理---氮磷的去除）。




该过程受温度的影响较大，随温度的降低，为达到同样处理效果所需的空气量迅速增加，由于用石灰调pH值，在吹脱塔中会发生碳酸钙结垢现象，影响运行。另外，NH3气的释放会造成空气污染。因此，对该工艺已有多种改进，例如使吹脱塔的气体通过H2SO4溶液以吸收NH3。

(2)折点加氯法

在净水工程中，称氯胺为化合余氮，次氯酸为余氯，均有杀菌作用。




城市污水的深度处理---氮磷的去除途中A、B二个折点A点前余氯基本上是氯胺，B点称这点，折点后余氯基本上是自由氯（游离氯）家率脱氮时采用的加氯量应以折点相应的加氯量为准。

此法最大的优点是通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。为了减少氯的投加量，此法常与生物硝化联用，先硝化再除微量的残留氨氮。

(3)离子交换法  用离子交换法去除氨氮时，常用天然的离子交换剂，如沸石等。与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。采用合成树脂，预处理工序和再生系统均较复杂，且树脂寿命短，应用上受到一定的限制，在此不作详述。

2生物法脱氮

(1)生物脱氮机理  生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和N20气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。

硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成的。这两种菌属于化能自养型微生物。其反应如下：

NH4++2O2=NO3-+2H++H2O

硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。

硝化反应的适宜温度为20℃～30℃。低于15℃时，反应速度迅速下降，5℃时反应几乎完全停止。

由于硝化菌是自养菌，若水中BOD5值过高，将有助于异氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用的进行，泥龄应取大于硝化菌最小世代时间两倍以上。

硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降。硝化菌受pH 值的影响很敏感，为了保持适宜的pH值7—8，应在废水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化。1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以CaCO3 计)7.1 g。

反硝化反应是指在无氧条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮NO2-)还原为氮气的过程。反应如下：

6NO3-+5CH3OH=5CO2+3N2+7H2O+6OH-

反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有O3-或N02-存在时，则以N03-或N02-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。

在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。当污水中BOD5／TKN>3～5时，可认为碳源充足。不同的有机碳将导致反硝化速率的不同。碳源按其来源可分为三类：

①外加碳源，多采用甲醇，因为甲醇被分解后的产物为CO2，H20，不产生其它难降解的中间产物，但其费用较高；

②原水中含有的有机碳；

③内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其贮存的有机物。

反硝化反应的适宜pH值为6．5～7．5。pH值高于8或低于6时，反硝化速率将迅速下降。

反硝化反应的温度范围较宽，在5℃～40℃范围内都可以进行。但温度低于15℃时，反硝化速率明显下降。

(2)生物脱氮工艺  生物脱氮技术的开发是在30年代发现生物滤床中的硝化、反硝化反应开始的。但其应用还是在1969年美国的Barth提出三段生物脱氮工艺后。现对几种典型的生物脱氮工艺进行讨论。

①三段生物脱氮工艺

该工艺是将有机物氧化，硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。使除碳，硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行，处理效率高。

由于反硝化段设置在有机物氧化和硝化段之后，主要靠内源呼吸碳源进行反硝化，效率很低，所以必须在反硝化段投加外加碳源来保证高效稳定的反硝化反应。随着对硝化反应机理认识的加深，将有机物氧化和硝化合并成一个系统以简化工艺，从而形成二段生物脱氮工艺成为现实。各段同样有其自己的沉淀及污泥回流系统。除碳和硝化作用在一个反应器中进行时，设计的污泥负荷率要低，水力停留时间和泥龄要长，否则，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源来维持反硝化的顺利进行。

②Bardenpho生物脱氮工艺




该工艺取消了三段脱氮工艺的中间沉淀池。该工艺设立了两个缺氧段，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。经第一段处理，脱氮已基本完成。为进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。最后的曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污 泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。这一工艺比三段脱氮工艺减少了投资和运行费用。

③缺氧一好氧生物脱氮工艺




该工艺于80年代初开发。该工艺将反硝化段设置在系统的前面，因此又称为前置式反硝化生物脱氮系统，是目前较为广泛采用的一种脱氮工艺。反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。在反硝化反应中产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度的50％左右。该工艺流程简单，无需外加碳源，因而基建费用及运行费用较低，脱氮效率一般在70％左右；但由于出水中含有一定浓度的硝酸盐，在二沉池中，有可能进行反硝化反应，造成污泥上浮，影响出水水质。

随着生物脱氮技术的发展，新的工艺不断被开发出来，如氧化沟、序批式活性污泥法等，可在同一池中通过控制运行条件，在不同时段，形成缺氧和好氧的条件，从而达到除碳和脱氮的目的。另外，人们又开发了与除磷相结合的脱氮工艺，该内容将在本节后面加以讨论。

02

磷的去除

城市污水中的磷主要有三个来源：粪便、洗涤剂和某些工业废水。污水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式溶解于水中。一般仅能通过物理、化学或生物方法使溶解的磷化合物转化为固体形态后予以分离。除磷的方法主要分为物理法，化学法及生物法三大类。物理法因成本过高、技术复杂而很少应用。

下面主要介绍化学法及生物法。

1化学法除磷

化学法是最早采用的一种除磷方法。它是以磷酸盐能和某些化学物质如铝盐、铁盐、石灰等反应生成不溶的沉淀物为基础进行的。

化学法的特点是磷的去除率较高，处理结果稳定，污泥在处理和处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染，但污泥的产量比较大。

2生物法除磷

生物法除磷是新工艺，近二十年来受到了广泛的重视和研究。它是利用微生物在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐的过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。含有过量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系统，大部分和污水一起进入厌氧状态，此时污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量部分供聚磷菌生存。另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧放磷。进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。这就是厌氧和好氧交替的生物处理系统除磷的本质。

从以上论述可知，在厌氧状态下放磷愈多，合成的PHB愈多，则在好氧状态下合成的聚磷量愈多，除磷的效果也就愈好。合成PHB的量和碳源的性质密切相关，乙酸等低级脂肪酸易被聚磷菌吸收转化为PHB，因而在厌氧区加入消化池上清液可提高放磷速率。硝酸盐对厌氧放磷不利，它有助于反硝化菌的增长，从而和聚磷菌争夺碳源，抑制其生长和放磷。温度对放磷也有重要的影响。当温度从10℃上升到30℃时，放磷速率可提高5倍。

生物除磷的基本类型有二种：A／O法城市污水的深度处理---氮磷的去除和Phostrip工艺城市污水的深度处理---氮磷的去除）。






(1)A／O法是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有机污染物及磷的处理系统。

为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2mg／L以上，pH值应控制在7—8之间。磷的去除率还取决于进水中的BOD5与磷浓度之比。

(2) Phostrip工艺

该工艺主流是常规的活性污泥工艺，而在回流污泥过程中增设厌氧放磷池和上清液的化学沉淀池，称为旁路。约0．1～0．2qv的回流污泥经厌氧放磷后再和进水一起进入曝气池吸收磷。因而该法是一种生物法和化学法协同的除磷方法。该工艺操作稳定性好，出流中磷含量可小于1．5mg／L。

3 生物脱氮除磷

为了达到在一个处理系统中同时去除氮、磷的目的，近年来，各种脱氮除磷工艺应运而生。主要是A2／O工艺、改进的Bardenpho工艺、UCT工艺和SBR工艺。




1A2／O工艺

在原来A／O工艺的基础上，嵌入一个缺氧池，并将好氧池中的混合液回流到缺氧池中，达到反硝化脱氮的目的，这样厌氧一缺氧一好氧相串联的系统能同时除磷脱氮。简称A2/O工艺。

该处理系统出水中磷浓度基本可在1mg/L以下，氨氮也可在15mg/L．以下。由于污泥交替进入厌氧和好氧池，丝状菌较少，污泥的沉降性能很好。

2改进的Bardenpho工艺

改进的Bardenpho工艺由四池串联，即缺氧一好氧一缺氧池一好氧池。类似二级A/O工艺串联。第二级A/O的缺氧池基本上利用内源碳源进行脱氮，最后的曝气池可以吹脱氨氮，提高污泥的沉降性能。

为了提高除磷的稳定性，在Bardenpho工艺流程之前增设一个厌氧池，以提高污泥的磷释放效率。只要脱氮效果好，那么通过污泥进入厌氧池的硝酸盐是很少的，不会影响污泥的放磷效果，从而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果。

3UCT工艺

在改进的Bardenpho工艺中，由于二沉池回流污泥中很难避免有一些硝酸盐回流到流程前端的厌氧池，从而影响除磷效果；为此，UCT工艺将二沉池的回流污泥回流到缺氧池，污泥中携带的硝酸盐在缺氧池中反硝化脱氮。同时为弥补厌氧池中污泥的流失，增设缺氧池至厌氧池的污泥回流。这样厌氧池可免受硝酸盐的干扰。

4SBR工艺

SBR工艺是将除磷脱氮的各种反应，通过时间顺序上的控制，在同一反应器中完成。如进水后进行一定时间的缺氧搅拌，好氧菌将利用进水中携带的有机物和溶解氧进行好氧分解，此时水中的溶解氧将迅速降低甚至达到零，这时厌氧发酵菌进行厌氧发酵，反硝化菌进行脱氮；然后停止搅拌一段时间，使污泥处于厌氧状态，聚磷菌放磷；接着进行曝气，硝化菌进行硝化反应，聚磷菌吸磷，经一定反应时间后，停止曝气，进行静止沉淀，当污泥沉淀下来后，撇出上部清水而后再放人原水，如此周而复始。研究表明，SBR工艺可取得很好的脱氮除磷效果。自动控制系统的完善，为SBR的应用提供了物质基础。SBR是间歇运行的，为了连续进水，至少需设置二套SBR设施，进行切换。

4 脱氮除磷活性污泥法的影响因素

影响传统活性污泥法的因素同样影响生物脱氮除磷活性污泥法，但影响的程度则可能有差异，因为主体微生物的生理特性和环境要求有差异。

影响因素主要有三类：

①环境因素，如温度、pH、溶解氧；

②工艺因素，如泥龄、各反应区的水力停留时间；

③污水成分，如B0D5与N、P的比值。

生命活动一般都受温度影响，通常温度上升，活性加强。温度影响应在处理设施长期的运行中留心考察。

城市污水的pH值通常在7左右，适于生物处理，略有波动影响不大，未见因pH值波动而运行失败的报导。硝化菌和聚磷菌对pH较为敏感，pH值低于6.5时影响严重，处理效率下降。

硝化菌和聚磷菌要求有氧区有丰富的溶解氧，而在缺氧区或无氧区没有溶解氧。但回流混合液和回流污泥挟带溶解氧，因而有氧区溶解氧也不宜过高，通常维持在2mg/L左右。

生物除磷泥龄越短，污泥含磷量越高，因而希望在高负荷下运行；但除磷的同时又希望脱氮，而硝化只能在泥龄长的低负荷系统中才能进行，因而是有矛盾的。这种矛盾在水温较低时更明显，水温低于15℃时，硝化效果下降。

通常城市生活污水比较高的N、P的组成，可适应生物脱氮除磷的要求。近年来的研究表明，通过缺氧、厌氧和好氧的合理组合，并提高活性污泥的浓度，在水力停留时间接近传统活性污泥法的情况下，出水COD、BOD5、SS、NH3—N和总磷都能达到排放标准。若N或P过高，则较难同时达到排放标准。