作為污水處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處理工藝是城市污水廠最廣泛使用的方法，本文簡(jiǎn)要介紹活性污泥法基本知識(shí)-脫氮除磷原理及應(yīng)用。

氮(Organic-N)、無(wú)機(jī)氮(Inorganic-N)。

有機(jī)氮包括：蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、尿素等。

來(lái)源于生活污水、農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)廢水。

有機(jī)氮極不穩(wěn)定，無(wú)論有氧或無(wú)氧，在微生物的作用下很快會(huì)分解為氨氮;如果氧充足，會(huì)繼續(xù)氧化為亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮，—最終為無(wú)機(jī)氮。

無(wú)機(jī)氮包括：氨氮(NH4+-N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、硝態(tài)氮(NO3--N)。

來(lái)源于有機(jī)氮轉(zhuǎn)化、農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)廢水。

無(wú)機(jī)氮直接引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。

氮的脫除技術(shù)分為：物理化學(xué)脫氮技術(shù)，生物脫氮技術(shù)

(1)氨的吹脫處理(物化法)

原理：水中氨氮有氨離子(NH4+)和游離氨(NH3)，存在平衡關(guān)系：

水溫T=25℃，pH≈7時(shí)，NH4+ 占到99.4%，pH≈11時(shí)，NH3占到90%。調(diào)節(jié)pH值使氨離子(NH4+)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氨(NH3)，再經(jīng)吹脫塔去除。

缺點(diǎn)：耗堿;氨氣會(huì)造成大氣污染，必須回收。

其他方法：折電加氯法、選擇離子交換法、電滲析法、反滲透法、電解法。

(2)生物脫氮原理

利用微生物作用對(duì)氮進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)活性污泥細(xì)菌去除氮20~40%、去除磷10~30%。

污水生物處理中氮的轉(zhuǎn)化包括同化——氨化——硝化——反硝化作用。

①同化作用

微生物將部分NH4+-N和有機(jī)-N吸收為細(xì)胞組分。量少，氮只占細(xì)胞本身重量的12.5%。不是主要途徑

②氨化作用

有機(jī)氮化合物在氨化菌作用下，分解轉(zhuǎn)化為氨氮，稱“氨化反應(yīng)”。氨化是脫出羧基和氨基的過(guò)程。

氨化菌是異養(yǎng)菌，有好氧菌、也有兼性菌和厭氧菌。因此有機(jī)氮很容易被氨化。

③硝化作用

由種類非常有限的自養(yǎng)微生物完成，分兩步：一、亞硝酸菌利用氧將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮;二、硝酸菌利用氧將亞硝酸氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮，這一過(guò)程統(tǒng)稱硝化。

1)硝化過(guò)程

亞硝酸菌和硝酸菌均為化能自養(yǎng)菌，統(tǒng)稱硝化細(xì)菌。屬革蘭氏染色陰性、不生芽孢的短干菌和球菌，以CO2為碳源，從無(wú)機(jī)物的氧化中獲取能量。生長(zhǎng)速率很低(因?yàn)镹H4+-N和NO2--N氧化過(guò)程產(chǎn)能底)。

2)影響硝化反應(yīng)的環(huán)境因素

溫度：影響硝化細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率，及活性。一般4~45℃，最佳30℃。

溶解氧：硝化細(xì)菌——好氧菌，DO影響反應(yīng)速率和細(xì)菌增長(zhǎng)速度。一般DO≥2mg/L。

堿度和pH：如反應(yīng)式，硝化過(guò)程產(chǎn)生[H+]，消耗堿度，pH會(huì)下降。硝化細(xì)菌對(duì)pH相當(dāng)敏感(亞硝酸菌pH=7.7~8.1活性最強(qiáng)，硝酸菌pH=7.0~7.8活性最強(qiáng))，pH不適宜時(shí)活性急劇下降，pH值波動(dòng)是致命的。

C/N比：硝化細(xì)菌比增速率很慢，比其它異養(yǎng)菌底一個(gè)數(shù)量級(jí)，污水中的C/N過(guò)高(COD/TKN=10~15)，對(duì)硝化細(xì)菌基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)不利。

泥齡短時(shí)易被洗脫排出。

有毒物質(zhì)：常規(guī)毒物對(duì)其有害，氨及亞硝酸對(duì)其也有毒性，消化污泥上清液回流水就抑制活性20%左右。

④反硝化作用

在缺氧/厭氧條件下，兼性異養(yǎng)菌將硝酸氮又轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮、繼而還原為氮?dú)?N2、N2O、NO)釋放出來(lái)，這一階段使氮脫除，叫反硝化。

1)反硝化過(guò)程

反硝化細(xì)菌——異養(yǎng)兼性厭氧菌，自然界很多。包括變形桿菌、假單胞桿菌、小球菌。在有分子氧(O2)存在時(shí)，利用O2呼吸降解有機(jī)物，無(wú)O2時(shí)利用NO2-、NO3-作為電子受體。

NOx-N的還原包括同化作用(合成細(xì)胞)和異化作用(分解脫氮為N2)，異化反硝化為主，占到總脫氮量的70~75%。

例如以甲醇為電子供體，反應(yīng)式如下：

2)影響反硝化反應(yīng)的環(huán)境因素

溫度：影響反硝化細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率，及活性。一般20~40℃。

溶解氧：抑制反硝化菌活性，與硝態(tài)氮競(jìng)爭(zhēng)電子供體。一般DO<0.3mg/L。

另外，反硝化菌體內(nèi)某些酶只有在有氧條件下合成，所以要求好氧厭氧交替工作。

堿度和pH：如反應(yīng)式，反硝化過(guò)程產(chǎn)生[OH-]，積累堿度，正好補(bǔ)充硝化過(guò)程中消耗的堿度。

反硝化細(xì)菌對(duì)pH也敏感，適宜pH=7.0~7.5活性最強(qiáng)，pH不適宜時(shí)活性下降，pH值波動(dòng)是致命的。

碳源有機(jī)物：有機(jī)物是反硝化反應(yīng)的碳源，也是電子供體，消耗量很大。要求原水中提供或人工加入。

C/N比：理論上，還原1g硝酸氮——需要碳源2.86g(BOD5)，一般原水中的都不夠。

有毒物質(zhì)：反硝化細(xì)菌抗毒性能力>硝化細(xì)菌，與一般好氧異養(yǎng)菌相同。所以毒性瓶頸在消化過(guò)程。

(3)生物脫氮工藝

有機(jī)氮→氨氮→亞硝氮→硝態(tài)氮→亞硝氮→氮?dú)猓枰醚跆幚砼c缺氧處理交替運(yùn)行。

按生物固定場(chǎng)所分為：

懸浮生長(zhǎng)型——活性污泥法、氧化溝等;

附著生長(zhǎng)型——生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床。無(wú)需污泥回流、生物量高。

1)傳統(tǒng)脫氮工藝

三級(jí)生物脫氮系統(tǒng)

設(shè)置“曝氣池—中間沉淀池”+“硝化池—中間沉淀池”+“反硝化池—中間沉淀池”+ 二沉池。3個(gè)中間沉淀池和回流系統(tǒng)。

生物環(huán)境好，處理效果好，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高，已經(jīng)淘汰。

二級(jí)生物脫氮系統(tǒng)

設(shè)置“曝氣硝化池—中間沉淀池”+“反硝化池—中間沉淀池”+二沉池。2個(gè)中間沉淀池和回流系統(tǒng)。

生物環(huán)境好，處理效果好，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高，已經(jīng)淘汰。

單級(jí)生物脫氮系統(tǒng)

沒(méi)有中間沉淀池，僅有一個(gè)最終沉淀池。

特點(diǎn)：克服了多級(jí)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

但仍然是“氧化——硝化——反硝化”順序。

問(wèn)題：硝化階段需要加堿;反硝化階段需要加酸，反硝化碳源不足;控制難，運(yùn)行費(fèi)高。

2)前置反硝化脫氮工藝

為了克服傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)的缺陷，20世紀(jì)80年代后期產(chǎn)生了前置反硝化工藝，并得到應(yīng)用。(例如A/O工藝)

特點(diǎn)：缺氧池中，缺氧環(huán)境、回流水提供硝態(tài)氮、原水提供碳源，加上攪拌，脫氮效果好。好氧池中，好氧環(huán)境、原水碳源已經(jīng)降低、負(fù)荷小、氧化及硝化徹底，需氧量少、BOD去除率高。反硝化產(chǎn)生的堿度供硝化反應(yīng)利用，提高硝化效率，無(wú)需調(diào)pH值?；ㄙM(fèi)和運(yùn)行費(fèi)較低。

問(wèn)題：兩套回流系統(tǒng)，回流量造成池子容積較大。

除磷原理與工藝技術(shù)

水體中的磷，分為有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷。

有機(jī)磷包括：葡萄糖-6-磷酸，2-磷酸-甘油酸，磷肌酸等。來(lái)源于生活污水、農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)廢水。

無(wú)機(jī)磷包括：正磷酸鹽，偏磷酸鹽，磷酸氫鹽，磷酸二氫鹽等。都以磷酸鹽形式存在。來(lái)源于有機(jī)磷轉(zhuǎn)化、農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)廢水。無(wú)機(jī)磷直接引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。

有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷總和稱總磷，表示為TP，以PO43-計(jì)，單位mg/L。

一般生活污水中的TP=8~10mg/L，其中無(wú)機(jī)磷7mg/L，有機(jī)磷3mg/L。

測(cè)定：將所有含磷化合物首先轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽(PO43-)，再測(cè)定PO43-的含量，因此測(cè)定為總磷TP。

除磷技術(shù)分為化學(xué)除磷、生物除磷

(1)化學(xué)除磷

水中磷可分為：溶解性磷、顆粒性磷(0.45μm劃分)。

正磷、聚磷、有機(jī)磷。大部分有機(jī)磷是顆粒性的，

聚磷水解→正磷，溶解性有機(jī)磷降解→正磷。

投加化學(xué)藥劑，生成磷酸鹽沉淀去除。

常用化學(xué)藥劑：鈣鹽、鐵鹽、鋁鹽。(熟石灰、硫酸鋁、鋁酸鈉、三氯化鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵等)

①二價(jià)鈣除磷：pH調(diào)至10以上，消耗堿度，與堿度有關(guān)，抑制微生物，作為前置或后置，不能與生物作用協(xié)同。

②三價(jià)鐵鹽和鋁鹽：消耗堿度，pH下降。

③二價(jià)鐵鹽除磷：氧化為三價(jià)鐵后發(fā)揮作用。Ca2+、Fe2+聯(lián)合效果更好。

(2)生物除磷

①概念

生物除磷依靠聚磷菌完成，聚磷菌在好氧條件下，能夠過(guò)量、超過(guò)其生理需要從外部環(huán)境中攝取磷，將磷以聚合態(tài)貯存在菌體內(nèi)形成高磷污泥，通過(guò)排泥而除磷。

②機(jī)理

除磷機(jī)理尚不完全清楚。目前解釋：在厭氧條件下，聚磷菌吸收有機(jī)物釋放磷，自身繁殖;在好氧條件下，則過(guò)量吸收磷(聚磷菌增多、過(guò)量貯備)。通過(guò)這一交替方式，聚磷菌增殖、水中磷進(jìn)入污泥，好氧后立即排泥，即除磷。

③影響生物除磷效果的因素

1)厭氧/好氧交替條件

反復(fù)的“厭氧——好氧——厭氧——好氧”環(huán)境利于聚磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌。

厭氧條件釋放磷，好像對(duì)處理不利。引入的目的：厭氧條件下純好氧菌被抑制，而聚磷菌能存活，并且繁殖，在之后的好氧條件下才能大量吸收磷。

厭氧釋磷越徹底——好氧吸磷越充分。

2)硝酸鹽和易降解有機(jī)物

厭氧環(huán)境下存在反硝化，反硝化菌與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)基質(zhì)(易降解有機(jī)物)，影響聚磷菌貯存有機(jī)物，引起好氧階段吸磷能力減弱。硝酸鹽的存在，抑制厭氧階段聚磷菌釋磷，進(jìn)而影響聚磷菌貯存有機(jī)物及好氧段的吸磷，致使除磷效果降低。

3)污泥齡

污泥齡宜短不宜長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)泥量少且有可能再次釋磷。

4)溫度與pH

溫度T=10~30℃較好，pH=6~8。

5)BOD5/TP

BOD5/TP越高，厭氧釋磷越徹底。最好有較多的易降解有機(jī)物，會(huì)誘導(dǎo)聚磷菌大量釋磷。一般要求BOD/TP≥20。一般認(rèn)為易降解的低分子有機(jī)物誘導(dǎo)磷釋放的能力較強(qiáng)。

(3)生物除磷工藝流程

① Phostrip除磷工藝

基本原理：

原水——好氧聚磷——厭氧釋磷——對(duì)釋磷水化學(xué)除磷。

適合單純除磷工藝，要同時(shí)降解有機(jī)物及脫氮時(shí)不適合。

②厭氧—好氧除磷工藝

比較經(jīng)典的A/O工藝，圖13-39。

特征：遵循生物除磷原理;沉淀污泥含磷率4%。

問(wèn)題：a. 除磷率再難提高，特別是BOD/TP較低時(shí);b. 二沉池中易產(chǎn)生二次釋磷，須及時(shí)排放剩余污泥。

同步脫氮除磷工藝

(1)Bardenpho 脫氮除磷工藝

基于脫氮除磷的基本原理，形成了A—O—A—O串聯(lián)工藝。

特征：利用基本原理，反復(fù)脫氮除磷。

問(wèn)題：工藝流程過(guò)長(zhǎng);A1池，碳源充足、但NOx—N不足，脫氮效果一般;可降解有機(jī)物充足、釋磷充分;O1池，主要降解有機(jī)物、硝化，因積累NOx—N，吸磷較弱;A2池，與A1池相反，脫氮效果好;但因可降解有機(jī)物不足，釋磷不充分;O2池，主要吸磷，低負(fù)荷下硝化、降解BOD?？傮w來(lái)看，效率較低。

(2)A-A-O法同步脫氮除磷工藝

又稱A2/O，厭氧-缺氧-好氧(Anaerobic-Anoxic-Oxic)，如圖13-40。

特征：利用基本原理，提供最佳脫氮、除磷的條件和環(huán)境。

A1池，原水中可降解有機(jī)物充足，回流污泥濃度高，釋磷充分;A2池，回流使NOx—N充足，原水碳源充足，高效脫氮;O池，主要吸磷，低負(fù)荷下硝化、降解BOD。

效果較好，效率不高。

問(wèn)題：工藝流程仍然很長(zhǎng);回流系統(tǒng)龐大，耗能是其主要障礙。