污水生物脱氮除磷工艺的新旧演变
脱氮除磷是污水处理永久的话题，今天，最终溯源，与大家聊一聊生物脱氮除磷工艺的新旧演变。
- 生物脱氮除磷传统工艺 -
自然界中氮一般有四种形态：
有机氮
氨氮
亚硝酸盐氮
硝酸盐氮等
生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨氮。有机氮占生活污水含氮量的40-60%，氨氮占50-60%，亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占0-5%。
污水生物脱氮的可能途径
传统上，通过两步生物反应，即硝化(NH+4→ NO-3)与反硝化(NO-3→N2)，实现污水的生物脱氮。
硝化反应可表示为：
亚硝化反应
NH4+ + O2 + HCO3- → NO2- + H2O + H2CO3 + 亚硝酸菌
硝化反应
NO2- + NH4+ + H2CO3 + HCO3-+ O2 → NO3- + H2O + 硝酸菌
总反应
NH4+ + O2 + HCO3- → NO3- + H2O + H2CO3 + 微生物细胞
反硝化反应如下：
NO3- + CH3OH + H2CO3 →N2↑+H2O + HCO3-+微生物细胞
生物脱氮工艺
传统生物脱氮存在哪些问题?
首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，要消耗大量能源(因为曝气)；
其次，还需要有足够碳源(COD)来还原硝酸氮到氮气。
除磷传统工艺
磷最常见的形式有：
无机磷: 磷酸盐（H2PO4-、HPO42-、PO43-）；聚磷酸盐；
有机磷。
生活污水中的含磷量一般在10-15mg/L左右，其中70%是可溶性的。
活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时，活性污泥中可产生所谓的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧条件下从废水中过量摄取磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。排放的剩余污泥中的含磷量在6%左右（污泥干重）。
A/O除磷工艺系统
为防止水体富营养化，一般污水处理既需要脱氮,也需要除磷，是否可以把两者结合起来实现氮磷同时去除？
A²/O工艺
生物除磷脱氮生化代谢模型
02
- 脱氮除磷的新工艺 -
脱氮新工艺
1.中温亚硝化（SHARON）
亚硝化/反硝化脱氮
即(NH4+ → NO2-) ，(NO2- → N2)
硝化作用
NH4+ + 1.5O2 →→→→ NO2- + H2O + 2H +
NH4+ + 2O2 →→→→ NO3- + H2O + 2H+
节约O2 25%
脱氮作用
6 NO2- + 3CH3OH + 3CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 3H2O
6 NO3- + 5CH3OH + CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 7H2O
节约 CH3OH 40%
亚硝化细菌和硝化细菌的最小污泥龄与温度关系
SHARON工艺的基本工作原理便是利用温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特点，使硝化细菌失去竞争。
2.厌氧氨(氮)氧化（ANAMMOX）
氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直接氧化至成氮气，即：
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O
NH4+ + 1.5O2 →→ NO2- + H2O + 2H+ （∆G◦ = -275kjmol-1）
NH4+ + 2O2 →→ NO3- + H2O + 2H+ （∆G◦ = -349kjmol-1）
NH4+ + NO2- →→ N2 + 2H2O （∆G◦ = -357kjmol-1）
从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚至比产生于好氧氨(氮)氧化(硝化)的能量还高，所以，能够支持自养细菌生长。
ANAMMOX微生物的增长率与产率是非常低的。但是氮的转换率却为0.25mgN/(mgSS·d)，这与传统好氧硝化的转换率相当。ANAMMOX反应在10～43℃的温度范围内具有活性，适宜的pH为6.7～8.3。ANAMMOX无需有机碳源存在，碳酸盐/二氧化碳是ANAMMOX微生物生长所需的无机碳源。
3.SHARON与ANAMMOX结合工艺
SHARON与ANAMMOX结合主要针对高浓度氨氮污水。进水首先进入一悬浮、无污泥停留的SHARON单元，运行最佳温度为35℃。
SHARON与ANAMMOX相结合的自养脱氮工艺流程
SHARON与ANAMMOX结合自养脱氮小试氮平衡
根据ANAMMOX的计量式，在SHARON反应器中57%的氨氮亚硝化，在ANAMMOX反应器中全部去除氨氮与亚硝酸氮。
NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H+ →→→→0.066CH2O0.5N0.15 + 1.02N2 + 0.26NO3- + 2.03H2O
试验表明，在SHARON反应器中氨氮的亚硝化率完全受pH(在6 5～7 5间)控制。所以，要想得到一个理想的亚硝化率可以靠控制pH来实现。
除磷新工艺
反硝化除磷细菌
脱氮要经历好氧(硝化)/厌氧(反硝化),除磷要经历厌氧(释放磷)/好氧(积聚磷).如果能使反硝化细菌同时具有生物摄/放磷作用则可以将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。
在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，反硝化除磷细菌DPB (Denitrifying Phosphorus removing Bacteria) 能够象在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气。
UCT工艺流程图
BCFS工艺流程
BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其生长环境。 BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器及3路循环系统构成。各循环的作用如下表所示。
厌氧池
厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO3-N<0.1mg/)来维持。
污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于生物除磷。
接触池(选择器)
控制污泥膨胀。
接触池中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的微量硝酸盐能很快地被去除。
在这种环境下，丝状菌生长非常缓慢，可保持较低的污泥指数(SVI)。反硝化除磷菌在接触池中也同样发挥作用，这一过程是缺氧池反应过程的延续。
缺氧池有两个功能：
首先是反硝化以获得不含硝酸盐的污泥进而提高厌氧池的释磷效率，其次是利用好氧池中的硝酸盐来除磷。
（缺氧/好氧）混合池
主要功能是脱氮，正常情况下该池可不充氧，缺氧条件可通过好氧池回流的混合液来维持。
好氧池
同常规的处理工艺一样，其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。
将厌氧池末端富磷上清液抽出，以离线方式在沉淀单元内投以铁盐和镁盐予以回收。如：通过投加镁化合物(如氯化镁等)形成磷酸铵镁化合物鸟粪石而分离出磷。生物污泥可免受化学药剂的污染，使BCFS系统中微生物的活性不受化学污泥的影响。
BCFS工艺在荷兰已成功运用于工程实践中，除了具有节能低耗的优点外，还能保持稳定的处理水质，使出水总磷≤0.2ｍｇ/Ｌ，总氮≤0.5ｍｇ/Ｌ。
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