第十章 废水的深度处理

第一节 氮、磷的去除

第二节 城市污水的三级处理

城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养化，影响饮用水水源。

太湖的富营养化

第一节 氮、磷的去除

一、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。1. 化学法除氮 (1) 吹脱法 :

废水中， NH3与 NH4+ 以如下的平衡状态共存：

OHNHOHNH 423

这一平衡受 pH 的影响， pH为 10.5~11.5 时，因废水中的氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。 吹脱过程包括将废水的 pH 提高至 10.5~11.5 ，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行。

通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。

为减少氯的投加量，常与生物硝化联用，先硝化再除微量的残留氨氮。

(2) 折点加氯法 :

含氨氮的水加氯时，有下列反应： ClHHOClOHCl 22

OHHClNHHOClNH 224

O2HHNHCl2HOClNH 224

O3H3Cl5HN3HOCl2NH 224

O3HHNCl3HOClNH 234

(3) 离子交换法 :

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。

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 NxO 气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。

同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果微生物细胞中氮含量以 12.5% 计算，同化氮去除占原污水 BOD的 2%~5% ，氮去除率在 8%~20% 。

氨化反应：

新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如 NH3及 NH4

+ 等。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：

322 NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH

3222 NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH

有机氮

（蛋白质、尿素）

细菌分解和水解

氨 氮 同 化 有机氮 有机氮

（NH3-N） （细菌细胞） （净增长）

O2

硝化 自溶和自身氧化

亚硝态氮 反硝化

（NO2-）

O2 有机碳

硝化

硝态氮 反硝化 氮气

（NO3-） （N2）

有机碳

硝化反应是在好氧条件下，将 NH4+ 转化为 NO2

-

和 NO3- 的过程。

O2H4H2NO3O2NH 22亚硝酸菌

24

322 NO2O2NO2 硝酸菌

总反应式为：

OHH2NOO2NH 2324 硝化细菌

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。

32e

22e2e

22e

4 NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNH

硝化反应：

硝化过程的影响因素：

（ a ）好氧环境条件，并保持一定的碱度：硝化菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的 NH3和 NO2

- ，氧是硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧含量的高低，必将影响硝化反应的进程，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L ，多数学者建议溶解氧应保持在 1.2~2.0mg/L 。

在硝化反应过程中，释放 H+ ，使 pH 下降，硝化菌对 pH的变化十分敏感，为保持适宜的 pH ，应当在污水中保持足够的碱度，以调节 pH 的变化， lg 氨态氮（以 N 计）完全硝化，需碱度（以 CaCO3 计） 7.14g 。对硝化菌的适宜的 pH为8.0~8.4 。

硝化过程的影响因素：

（ b ）混合液中有机物含量不应过高：硝化菌是自养菌，有机基质浓度并不是它的增殖限制因素，若 BOD 值过高，将使增殖速度较快的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势种属。

（ c ）硝化反应的适宜温度是 20~30℃， 15℃ 以下时，硝化反应速度下降， 5℃ 时完全停止。

硝化过程的影响因素：

（ d ）硝化菌在反应器内的停留时间，即生物固体平均停留时间（污泥龄） SRTn ，必须大于其最小的世代时间，否则将使硝化菌从系统中流失殆尽，一般认为硝化菌最小世代时间在适宜的温度条件下为 3d。 SRTn 值与温度密切相关，温度低，SRTn取值应相应明显提高。

（ e ）除有毒有害物质及重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有高浓度的 NH4-N 、高浓度的 NOx-N 、高浓度的有机基质、部分有机物以及络合阳离子等。

反硝化反应是指在无氧的条件下，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。

OH4CO2NO6OHCH26NO 22233 硝酸还原菌

-22232 6OHOH3CO3N3OHCH36NO 亚硝酸还原菌

反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以 O2 为电子进行呼吸；在无氧而有 NO3

-或 NO2- 存

在时，则以 NO3-或 NO2

- 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。

-22233 6OHOH7CO5N3OHCH56NO 反硝化菌

总反应式为：

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，反应如下：

O19HNOHC3H3COOHCH14NO3 2275233

O2.44H0.76CON47.0NOH.065C0HOHCH08.1NO 22227533

式中： C5H7O2N 为反硝化微生物的化学组成。

反硝化还原和微生物合成的总反应式为：

从以上的过程可知，约 96％的 NO3-N经异化过程还原， 4％经同化过程合成微生物。

反硝化过程的影响因素：

（ a ）碳源：能为反硝化菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可有下列三类：一是原污水中所含碳源，对于城市污水，当原污水 BOD5/TKN>3~5时 ,即可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（ CH3OH ），因为甲醇被分解后的产物为 CO2和 H2O ，不留任何难降解的中间产物；三是利用微生物组织进行内源反硝化。

（ b） pH ：对反硝化反应，最适宜的 pH是6.5~7.5。 pH 高于 8或低于 6 ，反硝化速率将大为下降。

反硝化过程的影响因素：

（ c ）溶解氧浓度：反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧同时存在硝酸根离子和亚硝酸根离子的条件下，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组分，只有在有氧条件下，才能够合成。这样，反硝化反应宜于在缺氧、好氧条件交替的条件下进行，溶解氧应控制在 0.5 mg/L 以下。

（ d ）温度：反硝化反应的最适宜温度是 20~40℃ ，低于 15℃ 反硝化反应速率最低。为了保持一定的反硝化速率，在冬季低温季节，可采用如下措施：提高生物固体平均停留时间；降低负荷率；提高污水的水力停留时间。

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。

碳源

原水中含有的有机碳

外加碳源，多用甲醇

内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其贮存的有机物

(2) 生物脱氮工艺（ a ）三段生物脱氮工艺：

将有机物氧化、硝化以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。

（ b） Bardenpho 生物脱氮工艺：

设立两个缺氧段，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。

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。

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。

（ c ）缺氧——好氧生物脱氮工艺： 该工艺将反硝化段设置在系统的前面，又称前置式反硝化生物脱氮系统。 反硝化反应以水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量的硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。

缺氧 - 好氧生物脱氮工艺

磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。 磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。 危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。

含磷化合物

有机磷 有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等

无机磷

磷酸盐：正磷酸盐 (PO43-)、磷酸氢盐 (HPO4

2-) 、 磷酸二氢盐 H2PO4

- 、偏磷酸盐 (PO3-)

聚合磷酸盐：焦磷酸盐 (P2O74 － ) 、三磷酸盐 (P3O10

5-) 、 三磷酸氢盐 (HP3O9

2-)

二、污水中磷的去除

一般城市污水水质与排放要求

常规活性污泥法的微生物同化和吸附；

项 目项 目 进水水质进水水质 //（（ mg·Lmg·L--

11 ））

国家排放标准国家排放标准 //（（ mg·Lmg·L-1-1 ））

一级一级 AA 一级一级 BB

CODcrCODcr 250~300250~300 5050 6060

BODBOD55 100~150100~150 1010 2020

SSSS 150~200150~200 1010 2020

TKN(NHTKN(NH33-N)-N) 3535（（ 2525）） 55（（ 88）） 88（（ 1515））

TPTP 5~65~6 11 1.51.5

如何去除以达到排放标准？

生物强化除磷；

投加化学药剂除磷。

常规活性污泥法的微生物同化和吸附

普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干重的 1.5%~2.0% ，通过同化作用可去除磷 12%~20% 。

observe015.0dBOD

dTPy

生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重 5%~6% 。

生物强化除磷工艺

如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。

生物强化除磷工艺

利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。

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，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为 PHB(聚 β-羟基丁酸 ) 的形态储藏于体内。

聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。

厌氧环境中：

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等生理活动，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。

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。

普通活性污泥法通过同化作用除磷率可以达到12%~20% 。而具生物除磷功能的处理系统排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重 5%~6% ，去除率基本可满足排放要求。

好氧环境中：

厌氧环境 好氧环境

有机基质

产酸菌

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

生物除磷机理

（ 1 ）厌氧环境条件：

（ a ）氧化还原电位： Barnard、 Shapiro 等人研究发现，在批式试验中，反硝化完成后， ORP突然下降，随后开始放磷，放磷时 ORP 一般小于 100mV；

（ b ）溶解氧浓度：厌氧区如存在溶解氧，兼性厌氧菌就不会启动其发酵代谢，不会产生脂肪酸，也不会诱导放磷，好氧呼吸会消耗易降解有机质；

（ c） NOx- 浓度：产酸菌利用 NOx

- 作为电子受体，抑制厌氧发酵过程，反硝化时消耗易生物降解有机质。

生物除磷影响因素：

（ 2 ）有机物浓度及可利用性：碳源的性质对吸放磷及其速率影响极大，传统水质指标很难反映有机物组成和性质， ASM模型对其进一步划分为：

（ a） 1987年发展的 ASM1:

CODtot=SS+SI+XS+XI

（ b） 1995年发展的 ASM2:

溶解性与颗粒性： SA+SF+SI+XS＋ XI

S表示溶解性组分， X表示颗粒性组分；下标 S 溶解性， I惰性， A发酵产物， F 可发酵的易生物降解的。

生物除磷影响因素：

（ 3 ）污泥龄：污泥龄影响着污泥排放量及污泥含磷量，污泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷须同时耗用更多的 BOD 。

Rensink和 Ermel研究了污泥龄对除磷的影响，结果表明： SRT=30d 时，除磷效果 40%； SRT=17d 时，除磷效果 50%； SRT=5d 天时，除磷效果 87% 。

同时脱氮除磷系统应处理好泥龄的矛盾。

生物除磷影响因素：

（ 4） pH ：与常规生物处理相同，生物除磷系统合适的 pH 为中性和微碱性，不合适时应调节。

生物除磷影响因素：

（ 5 ）温度：在适宜温度范围内，温度越高释磷速度越快；温度低时应适当延长厌氧区的停留时间或投加外源 VFA 。

（ 6 ）其他：影响系统除磷效果的还有污泥沉降性能和剩余污泥处置方法等。

(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。

厌氧 - 好氧除磷工艺流程

三、 生物除磷及生物脱氮除磷工艺

1.A/O 生物除磷工艺

(2) Phostrip 去除磷工艺流程：

三、生物除磷及生物脱氮除磷工艺

2. A2/O工艺

A2/O工艺基本流程

进水进水

沉淀池沉淀池厌氧池厌氧池 缺氧池缺氧池 好氧池好氧池

剩余污泥剩余污泥

出水出水

内回流内回流

污泥回流污泥回流

进进气气管管

3. 改进的 Bardenpho工艺

4.UCT工艺

5. SBR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。

M M M 进水 M 出水 M M

6.三沟式氧化沟

7. YAAO工艺

四、主要的脱氮除磷活性污泥法功能表及影响因素

1. 脱氮除磷工艺及功能表

2. 脱氮除磷活性污泥法的影响因素

环境因素，如温度、 pH 、溶解氧。

工艺因素，如泥龄、各反应区的水力停留时间。

污水成分，如 BOD5与 N、 P 的比值。

进水磷浓度为 10mg/L 时， SRT和 BODL 的去除率对出水磷浓度的影响：

BODBODLL 的去除量的去除量 //

（（ mg·Lmg·L-1-1））

泥龄泥龄 /d/d

33 66 1515 3030

出水出水 POPO443-3--P-P 浓度浓度 //（（ mg·Lmg·L-1-1））

100100 9.09.0 9.19.1 9.49.4 9.59.5

300300 7.07.0 7.47.4 8.18.1 8.58.5

500500 5.05.0 5.75.7 6.86.8 7.57.5

10001000 00 1.41.4 3.63.6 5.15.1

第二节 城市污水的三级处理

一、 活性碳吸附 主要去除传统活性污泥法出流中的难降解化合物，残留的无机化合物，如氮、硫化物和重金属。二、投加粉末活性炭的活性污泥工艺

该工艺是将活性炭直接加入曝气池中，使生物氧化与物理吸附同时进行。

投加粉末活性炭的活性污泥工艺流程图

三、 化学氧化法

在废水的深度处理中，应用化学氧化法可去除氨氮，降低残留有机物的浓度及减少水中细菌和病毒的数量。

3.0~8.03.0~8.0

1.0~3.01.0~3.0范围范围

6.06.0降低降低 CODCOD 浓度浓度臭氧臭氧2.02.0降低降低 BODBOD55 浓度浓度氯氯典型值典型值

剂量剂量 //（（ kg·kgkg·kg-1-1 ））作用作用化学药剂化学药剂

氧化二级出水有机化合物所需的化学药剂量