生物脱氮除磷工艺.ppt

,水体污染及其危害氮磷的物化处理法生物脱氮工艺原理生物脱氮工艺技术污水生物除磷的基本原理污水生物除磷工艺与技术废水生物脱氮除磷工艺的应用实例生物脱氮工艺的运行控制要点最新的脱氮技术,生物脱氮除磷工艺,一水体中的氮1水体中氮的形态有机氮 亚硝态氮不稳定，会产生如下反应：有机氮在好氧或厌氧条件下均可转化成氨氮，如尿素的转化：总凯氏氮（TKN）=有机氮+氨氮,第1节 水体中的氮、磷,有机氮,无机氮,尿素 氨基酸 蛋白质,核酸 尿酸 脂肪氨,氨氮,硝态氮（NO3-N，NO2N）,游离氨态氮NH3-N,铵盐态氮NH+4-N,水体中氮的形态,2水体中氮的危害2.1 造成水体的富营养化 氮和磷是植物和微生物的主要营养性元素，当水体中N 0.2 mg/L，P O.02 mg/L，水体就会营养化。水体中所含的氨氮，特别是封闭水体中的氨氮最突出的危害是会造成水体的富营养化。水体富营养化后会引起某些藻类的恶性繁殖，一方面有些藻类本身有藻腥味会引起水质恶化使水变得腥臭难闻；另一方面有些藻类所含的蛋白质毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。水体中大量藻类死亡的同时会耗去水中所含的氧气，从而引起水体中鱼虾类等水产物的大量死亡，致使湖泊退化、淤泥化，甚至变浅、变成沼泽地甚至消亡。据统计，我国平均每年有20个天然湖泊消亡。,第1节 水体中的氮、磷,水体富营养化,2.2 降低水体的观赏价值 通常1mg氨氮氧化成硝态氮需耗4.57mg溶解氧。水体中氨氮越多耗去的溶解氧也愈多，水体的黑臭现象就越发严重。这就影响了水体中鱼类等水产物的生存，使其易因缺氧而死亡。富营养的水质不仅又黑又臭，且透明度也差，往往影响了江河湖泊的观赏和旅游价值。2.3 危害人类及生物的生存 当水体中pH值较高时，氨态氮呈游离氨的形式存在，游离氨毒害鱼及水生物。当水体中的NH3-N1 mg/L时，就会使生物血液结合氧的能力下降；当水体中的NH3-N3mg/L时，在2496 h内金鱼及鳊鱼等大部分鱼类和水生物就会死亡。人体若饮用了NO-3-N10mg/L或NO-2-N50mg/L的水，则可使人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输送氧的能力，出现缺氧的症状。亚硝酸盐若长时间作用人体可引起至癌。,第1节 水体中的氮、磷,2.4 增加污水的处理成本 污水中NH3-N的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理法计，每增加1gNH3-N则需增加810 g的氯气量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加化学沉淀剂的投入量。除此之外氨还会与一些含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。3水体中氮的来源 水体中的氮其来源是多方面的，主要由城市生活污水、工业废水和农溉污水三方面。此外自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定大气中的氮就占天然固氮的15。大气中的氮通过下雨会降解到水体，水体本身尚有许多能固氮的微生物，如某些固氮菌和蓝绿藻，在光照充足的情况下能将大气中的氮固定下来并进人水体。,第1节 水体中的氮、磷,3.l 城市生活污水中的氮 城市生活污水中的氮主要由厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣等带入，城市垃圾的渗滤液含有较高的氨氮。城市生活污水中含有的有机氮和氨氮。主要来源于人体食物中蛋白质代谢的废弃物如粪便等。通常新鲜生活污水中有机氮如尿素等约占60，无机氮中氨氮约占40，并有微量的硝酸态氮和亚硝酸态氮，约占不到1。,第1节 水体中的氮、磷,3.2 工业废水中的氮 工业废水中的氮，既取决于工厂所用原料的性质，也与生产工艺及产品的种类有关；同时与工厂的管理尤其是废水的管理技术及水平有关。因此不仅在不同类型工厂的工业废水中所含的氨氮，硝态、亚硝态氮的浓度是不相同的；就是同一类型产品的工厂，不同工厂之间的废水含氮情况也各不相同。产生高浓度含氮废水的工厂大致可以分为两大类型。一类是含氨产品的生产厂，另一类是含氮产品的使用厂和加工厂。会产生氨氮废水的工厂主要是合成氨厂及系列氮肥厂，复合肥厂，硝酸生产厂，炼焦厂，玻璃及玻璃制品厂，半导体印刷电路板生产厂，铁合金厂、石化厂、炼油厂、家电厂、制冷剂厂、屠宰厂、肉品加工厂、酒厂等。,第1节 水体中的氮、磷,3.3 农业污水中的氮 目前我国生产的含氮化肥有如下几种品种，铵态氮肥有：硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、碳化氨水、氨水及液氨、尿素及尿素锌。硝态氮肥有：硝酸钙、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锌。铵、硝双态氮肥有：硝酸铵、硝酸铵钙、硫硝铵等。此外还有含氮的复合肥：磷酸一铵(MAP)、磷酸二铵(DAP)、硫磷铵、尿磷铵、硝酸磷肥、钾氯复肥、锌氮合剂以及各种配比的N、P、K三元复合肥。,第1节 水体中的氮、磷,氮肥施入土壤以后当季植物所吸收的量不超过50，剩下来的残留于土壤之中，可被后季作物所利用，其量约为2535；而损失到大气或随水流失的部分可达总量的20以上。而有的统计数字表示氨肥施用后氮素的利用率仅有2035，大气挥发部分占515，土壤吸收1015，有约4065的氮素进人地面水和地下水。含有机氮的农药有：氢基甲酸酯类、酰胺类、脲类等。在土壤里，会随雨水冲淋、农业排水和地表径流排入水体中。此外农村的家畜养殖场、牧场中的家畜废弃物、排泄物也是农业污水中氮的来源。,第1节 水体中的氮、磷,二水体中的磷1.水体中磷的形态 主要以游离磷和磷酸盐形式存在于污水中。2水体中磷的危害 磷对水体的污染主要体现在引起水体富营养化。从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要更为重要，藻类的生长产量受磷的限制更为明显。,第1节 水体中的氮、磷,一、物化法除氮1、氨氮的吹脱法 污水中NH3与NH4+存在着平衡：该平衡受PH值的影响，PH=7时溶液中只存在NH4+，PH=12时溶液中全为溶解性NH3气。氨氮的吹脱过程包括将废水的PH调整到10.511.5，然后再提供足够的空气并使气水接触从溶液中将氨气吹出，通常利用苛性碱或石灰来调整PH。,第2节 氮磷的物化处理法,2、折点加氯法去除氨氮 通过投加足量氯气于废水中使氨氮氧化成氮气。在投加足量氯气将废水中的有机物及其它易氧化的物质氧化后，氯与氨离子产生反应最终形成氮气。每mgNH4+-N被氧化为氮气，至少需要7.5mg的氯，实际上为保证反应的完全进行，加氯应略过量，折点的CL2与NH4+-N的重量比在8:110:1。由于加氯略过量，所以常用SO2或活性炭来脱除余氯：,第2节 氮磷的物化处理法,3、选择性离子交换法去除氨氮 选择性离子交换法是将废水流经一个离子交换柱，柱中填料对铵离子的选择性超过废水中的其它阳离子，从而使铵离子被截留去除。工程中常采用沸石作为除氨的离子交换体，它对氨离子有很强的选择性，交换容量2毫克当量/克。当沸石全部交换位置被饱和并出现NH3转效点时，沸石需再生。选用选择性离子交换法对NH4+的去除率可达9097%，但对硝态氮和有机氮无去除效果。再生常采用NaOH和Ca(OH)2来进行。,第2节 氮磷的物化处理法,离子交换法脱氯工艺流程,第2节 氮磷的物化处理法,二、除磷的物化法1.化学沉淀法除磷 最传统的废水除磷法是投加沉淀剂以产生不溶性的金属磷酸盐或羟基金属磷酸盐，然后通过沉淀使固液分离。常用沉淀剂为铝盐、铁盐、石灰。投加铝盐、铁盐主要是增加溶液中的金属离子浓度，投加石灰主要是提高PH值而非增加钙离子浓度，因污水中钙离子浓度已较高。（1）铝盐除磷 一般用Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2）,第2节 氮磷的物化处理法,（2）铁盐除磷：一般用FeCl2、FeSO4 或 FeCl3 Fe2(SO4)3（3）石灰混凝除磷 向含磷的废水中投加石灰，由于形成OH，污水的pH值上升，磷与Ca2+反应，生成羟磷灰石（方解石）。,第2节 氮磷的物化处理法,2流化床结晶法 该工艺是将二级生化处理后的出水导入一个含有磷酸钙结晶的流化床反应器中。将NaOH加至出水中以使PH提高至9以上，使之足以形成磷酸钙化合物沉淀，最初存在的晶体可充当晶核，处理后磷浓度可降至1mg/L以下。3离子交换 另一种除磷方法是离子交换。载氯化物的阴离子变换树脂对磷酸根具有良好的选择去除效果。通常采用具二或三个氨基的多孔亲水树脂。该工艺的困难常涉及这些树脂在废水介质中的化学和生化抗性。此外，尚须注意尽可能避免悬浮物质进入离子交换柱，以免变换柱因此而堵塞。,第2节 氮磷的物化处理法,4吸附 磷酸盐还可用适当的吸附剂来吸附去除。活性铝和硅酸镁是磷酸盐的吸附剂。用氧化镁来吸附也取得了成功。磷酸盐吸附在活性铝上适宜的pH是4。不仅能吸附正磷酸盐，而且可吸附聚磷酸盐。被磷酸盐饱和的吸附剂可用Na0H处理使之再生，然后磷酸盐能与石灰产生沉淀。在固定床或流化床中可采用颗粒状吸附剂。在搅拌反应池后接沉淀池的吸附工艺中可采用粉末吸附剂。5电化学除磷 将污水和海水泵入一个电解槽中，槽底为石墨阳极，上面是铁阴极。海水作为电解质。在阳极上氯化物被氧化成氯气，在阴极上H+离子还原成氢气。后一反应使电极附近的pH上升，诱导产生Mg(0H)2、MgNH4P04,和Ca3(PO4)2沉淀。这些沉淀物借助气浮与液体分离，电解产生的气泡附于沉淀物絮体上可使之上浮。出水的DO接近饱和还可彻底消毒。动力消耗约1.2kWhm2。,第2节 氮磷的物化处理法,6藻类处理 若除磷主要的目的是防止湖中藻类生长，同样能用藻类生长来除磷。由于藻类的生长要依靠光合作用，利用无机碳作为碳源，因此藻类处理适合于有机物浓度低的污水，如二级生化处理厂的出水。磷除了耗于正常的细胞合成外，由于消耗CO2导致PH上升并由此产生磷酸钙沉淀也可去除磷，若必要和经济上许可时，可加设人工光照以提高去除效率。7深层过滤床 二级生化处理中残剩的磷盐可将其通入一个有很细的颗粒填料组成的固定床滤池来去除。滤床通常有多层组成，例如硅石、砂和不同粒径的沸石。在滤床的进水中可投加絮凝剂或沉淀剂。在滤床填料的作用下诱发了絮凝。沉淀物截留于滤床上，因此滤床须周期性反冲，利用本工艺处理出水磷含量可小于0.1mg/L。,第2节 氮磷的物化处理法,8.利用铁氧化细菌沉积磷盐 在曝气生物滤池的进水中投加亚铁盐，铁氧化细菌将亚铁盐转化为高铁盐，并与磷酸根产生反应生成磷酸铁沉淀。,第2节 氮磷的物化处理法,污水中氮的生物去除特点 废水生化处理脱氮工艺效果好、脱除废水中的氨彻底，并且不会造成二次污染，能耗较物理化学法低。但由于生物所能承受氨氮的浓度较低，一般生物处理氨氮浓度不能超过200 mg/L。若废水中氨氮浓度高于200 mg/L时则通常需要采用物理化学法和生化法相结合的工艺，即采用物理化学法先去除废水中部分氨氮，一方面降低原水中氨氮的负荷，另一方面也回收原废水中的氨以降低运行费用，然后再采用生物法将氨氮彻底去除到排放标准。此外生物脱氮法工程占地面积较大，温度较低时，总脱氮效率也不高，一般在7095。,第3节 生物脱氮工艺原理,1.废水生物脱氮原理 废水采用生物脱氮的基本原理:即先将废水中有机氮转化为氨氮，然后通过硝化反应将氨氮转化为硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到从废水中脱氮的目的。如果废水中的氮只存在硝态氮，仅需反硝化作用就可达到脱氮的目的。,第3节 生物脱氮工艺原理,1.1 氨化反应 废水中的有机氮化合物在微生物(氨化细菌)的作用下，分解产生氨的过程称脱氨基作用，常称氨化反应，主要发生如下反应：,第3节 生物脱氮工艺原理,1.2 硝化反应 硝化反应是将氨氮转化为硝态氮的过程。它包括两个基本反应步骤：一是由亚硝酸菌参与的将氨氮转化为亚硝酸盐(N0-2)的反应；一是由硝酸菌参与的将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐(N0-3)的反应。这两项反应均需在有氧的条件下进行。常以CO32-、HC03-和C02为碳源。,第3节 生物脱氮工艺原理,研究表明，硝化反应速率主要取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率。由上述反应式计算得知，在硝化反应过程中，将1g氨氮氧化为硝酸盐需要4.57g氧(其中亚硝化反应需耗氧3.43g，硝化反应需耗氧l.14g)，同时约需耗7.14g重碳酸盐碱度(以CaCO3计)，以平衡硝化产生的酸度。亚硝酸菌和硝酸菌都是好氧自养菌，只有在溶解氧足够的条件下才能生长。硝酸菌的世代期长生长速度慢；而亚硝酸菌世代期较短，生长速度快，较易适应水质水量的变化和其他不利的环境条件。在硝化反应中，氨氮向硝酸盐氮的转化过程中总氮量未发生变化。氮元素的价态变化见图1。,第3节 生物脱氮工艺原理,图1 硝化反硝化过程中氮元素的价态变化,第3节 生物脱氮工艺原理,1.3 反硝化反应及动力学 反硝化反应是指硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下还原成气态氮的过程。反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反应过程中反硝化菌利用有机物为碳源(如甲醇)，电子供体提供能量并得到氧化降解，利用硝酸盐中的氧作电子受体，其反应为：,第3节 生物脱氮工艺原理,由上述反应可知，反硝化反应中每还原1gN0-3可提供2.6g的氧，同时产生3.47g的CaCO3和0.45g反硝化菌，消耗2.47g甲醇(约为3.7gCOD)。上述反硝化反应也可用下式来表示：研究表明，当废水中碳源不足，N0-3的浓度远远超过可被利用的氢供体时，反硝化过程中所生成的N2量将减少，并致使反硝化反应大量生成N20。,第3节 生物脱氮工艺原理,1.4 反硝化动力学 大多数研究者认为，当反硝化过程中有充足的有机碳源存在时，同时N0-3的浓度高于0.1mg/L时，反硝化速率与N0-3的浓度成零级动力学反应，即此时的反硝化速率与N0-3的浓度高低无关，而只与反硝化菌的数量有关。此时在缺氧池中N0-3的去除率可用下式表示：,第3节 生物脱氮工艺原理,Barmard等人的研究发现，反硝化过程存在三种不同的反应速率阶段，如图2所示。在第一阶段反硝化菌利用挥发性脂肪酸和醇类等易被降解的厌氧发酵产物作为碳源，因而反硝化反应速率较快，约为50mg N0-3/Lh。通常在反硝化反应最初的515min内为反应速率最快的第一阶段。第二阶段的反应速率较第一阶段的慢，约为16mg N0-3/Lh，这是因为在此阶段中易降解的碳源已在第一阶段被消耗殆尽，因而此阶段反应只能利用颗粒状和复杂的可缓慢降解的有机物作为其碳源。在第三阶段由于外碳源的耗尽，反硝化菌只能通过细胞物质的自身氧化即内源代谢产物作碳源进行反硝化反应，此时反应速率更低，仅为5.4mg N0-3/Lh。有研究者提出上述三个不同阶段的反应速率计算公式为：,第3节 生物脱氮工艺原理,图2 反硝化反应的三种不同速率阶段,第3节 生物脱氮工艺原理,根据废水生物脱氮原理可知，作为生物脱氮工艺，逻辑上应是先硝化、后反硝化的工艺流程，传统的生物脱氮工艺就是如此。而目前也有前置反硝化工艺，如A/O工艺。传统的生物脱氮工艺单独进行硝化和反硝化过程，而一些新工艺往往将硝化和反硝化过程在同一个活性污泥系统中实施并只有一个沉淀池。从脱氮工艺中微生物的存在状态来分可分为微生物悬浮生长型(活性污泥法及其变型)和微生物附着生长型(生物膜法)两种。,第4节 生物脱氮工艺技术,一.传统活性污泥法工艺传统的三级生物脱氮流程,第4节 生物脱氮工艺技术,图3 传统的三级生物脱氮流程,如图3，在此工艺中，分别将含碳有机物的去除和氨化、硝化及反硝化脱氮反应在三个池中独立进行，并分别设置污泥回流系统。其中反硝化池借助于机械搅拌作用使污泥处于悬浮状态而使其与废水获得良好的混合效果。反硝化过程中所需的碳源常投加甲醇等外来碳源。此工艺的优点是有良好的BOD去除效果和脱氮效果。但存在流程长、构筑物多，碳源(如甲醇)等的加入会增加出水BOD，运转费用高。因此有人提出了改进工艺将部分原水作为反硝化池的碳源;也有在反硝化池后面增设一曝气池以确保出水有机物浓度满足要求;也有将好氧环境的曝气池和硝化池合二为一构成二级活性污泥脱氮流程的。,第4节 生物脱氮工艺技术,特点：第一级曝气池的功能：碳化去除BOD5、COD；氨化使有机氮转化为氨氮；第二级是硝化曝气池，投碱以维持pH值；第三级为反硝化反应器，可投加甲醇作为外加碳源或引入原废水。该工艺流程的优点是氨化、硝化、反硝化分别在各自的反应器中进行，反应速率较快且较彻底；但其缺点是处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。,第4节 生物脱氮工艺技术,2.两级活性污泥法脱氮工艺,特点：图4与前一工艺相比，该工艺是将其中的前两级曝气池合并成一个曝气池，使废水在其中同时实现碳化、氨化和硝化反应，因此只是在形式上减少了一个曝气池，并无本质上的改变。,图4 两极活性污泥法脱氮工艺,第4节 生物脱氮工艺技术,3.缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（A/O工艺）,第4节 生物脱氮工艺技术,特点：将缺氧的反硝化反应器设置在好氧反应器的前面，常被称为“前置式反硝化生物脱氮系统”。其主要特征有：反硝化反应器设置在流程的前端，而去除BOD、进行硝化反应的综合好氧反应器则设置在流程的后端；因此，可以实现进行反硝化反应时，可以利用原废水中的有机物直接作为有机碳源，将从好氧反应器回流回来的含有硝酸盐的混合液中的硝酸盐反硝化成为氮气；而且，在反硝化反应器中由于反硝化反应而产生的碱度可以随出水进入好氧硝化反应器，补偿硝化反应过程中所需消耗碱度的一半左右；好氧的硝化反应器设置在流程的后端，也可以使反硝化过程中常常残留的有机物得以进一步去除，无需增建后曝气池。目前，A/O工艺是实际工程中较常见的一种生物脱氮工艺。,第4节 生物脱氮工艺技术,二传统工艺的改进型工艺1 A/O(Anoxic/Oxic)工艺及改进型工艺（1）A/O工艺流程 前置反硝化工艺，属单级活性污泥脱氮工艺，即只有一个污泥回流系统。工艺的特点是：原废水先经缺氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合液和沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。A/O工艺与传统的多级生物脱氮工艺相比主要有如下优点：(1)流程简单，省去了中间沉淀池，构筑物少，大大节省了基建费用，且运行费用低，占地面积小；(2)以原污水中的含碳有机物和内源代谢产物为碳源，节省了投加外碳源的费用并可获得较高的C/N比，以确保反硝化作用的充分进行：(3)好氧池在缺氧池之后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物，确保出水水质达标排放；(4)缺氧池置于好氧池之前，由于反硝化消耗了原污水中一部分碳源有机物，既可减轻好氧池的有机负荷，又可改善活性污泥的沉降性能，以利于控制污泥膨胀，而且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的消耗。,第4节 生物脱氮工艺技术,A/O生物脱氮工艺流程见图6。,图6 A/O生物脱氮工艺流程,第4节 生物脱氮工艺技术,A/O脱氮工艺特性曲线见图7。,图7 A/O生物脱氮工艺特性曲线,第4节 生物脱氮工艺技术,由图可见，在O段好氧池中，由于硝化作用NH+4-N的浓度快速下降，而N03-N的浓度不断上升，COD和BOD也不断下降。在A段缺氧池中NH+4-N有所下降，主要由于用于反硝化菌的微生物细胞合成，由于反硝化过程中利用了原污水中的有机物为碳源，故COD和BOD均有所下降，在反硝化菌的作用下N03-N的含量明显下降。在A/O生物脱氮系统中缺氧池和好氧池可以是两个独立的构筑物，也可以合建在同一个构筑物内用隔板将两池隔开。在此工艺中混合液的回流比的控制是较为重要的，若控制过低，则将导致缺氧池中BOD/N03-N过高，从而使反硝化菌无足够的N03-作电子受体而影响反硝化速率；若控制过高，则将导致BOD/N03-N过低，从而使反硝化菌无足够的碳源作电子供体而抑制反硝化菌的作用。,第4节 生物脱氮工艺技术,根据原污水的水质、处理要求和混合液及污泥回流方式的不同，A/O生物脱氮工艺可有不同的布置形式，见图8。,图8 A/O生物脱氮工艺的不同布置形式,第4节 生物脱氮工艺技术,（2）Bardenpho工艺 Bardenpho工艺是由两级A/O工艺所组成，其流程见图9。,图9 Bardenpho工艺,第4节 生物脱氮工艺技术,(3)Phoredox(五段)工艺 Phoredox是Bardenpho工艺的改进型工艺，其典型的工艺流程见图10。从图可知Phoredox工艺主要在Bardenpho工艺前增加一个厌氧池。Bardenpho工艺本身具有脱氮除磷的功能，增设一个厌氧池后保证了磷的释放，从而保证了在好氧条件下有更强的吸收磷的能力，从而提高了除磷的效率。如果无除磷要求的，工艺前端增加的厌氧池也可作为生物选择器(sdector)，来抑止丝状菌的繁殖。,图10 Phoredox工艺,第4节 生物脱氮工艺技术,（4）同步硝化和反硝化工艺 同步硝化(N)和反硝化(DN)工艺见图11所示。在此工艺中硝化和反硝化过程分别在同一个处理构筑物的不同区域中进行，这样就省去了A/O工艺中硝化段出水混合液的回流部分。由于将进水点设在了反硝化区，故不必向系统投加外碳源。该工艺具有流程简单、操作运行管理方便、运行费用低、具有良好的脱氮功效。,图11 同步硝化(N)和反硝化(DN)工艺,第4节 生物脱氮工艺技术,（5）A2/O工艺 A2/O工艺是AnaerobicAnoxicOxic的简称。该工艺在A/O工艺的基础上增设了一个厌氧(Anaerobic)池。该工艺同时具有除磷和脱氮的功能。“厌氧”指污水处理区内基本没有硝态氮(其浓度小于0.3mg/L，最好小于0.2 mg/L)，溶解氧(DO)浓度低于0.5mg/L，最好是低于0.4 mg/L。“缺氧”指污水处理区内BOD的代谢由硝态氮维持，其初始浓度不低于O.4 mg/L，溶解氧浓度低于0.7 mg/L，最好是低于0.4 mg/L。该工艺流程见图12。,第4节 生物脱氮工艺技术,废水经预处理后进入厌氧反应器，使高COD物质在该段得到部分降解，然后进入缺氧池，进行反硝化过程，最后进入好氧段氧化降解有机物和进行硝化反应，好氧段出水一部分回流进入缺氧段，并与厌氧段出水混合，利用厌氧出水中的碳源进行反硝化。另一部分出水进入二沉池，分离活性污泥后作为出水，污泥直接回流到厌氧段。,图12 A2/O工艺流程,第4节 生物脱氮工艺技术,A2/O工艺特点主要为：具有较高的COD和NH3-N去除率，适合于处理高浓度COD和氨氮废水；厌氧段除了能够降解部分难降解有机物外，还能改进废水的可生化性，以便于作为碳源而被反硝化利用，因而该工艺的脱氮效果优于单级A/O工艺；该工艺系统操作稳定，对水质和流量有很好的抗冲击能力。A2/O工艺要求在高速率条件下运行，其水力停留时间较短，泥龄较短。一般缺氧区的水力停留时间HRT为0.5l.0h，污泥龄为35d。A2/O工艺的特性曲线见图13。,第4节 生物脱氮工艺技术,图13 A2/O工艺的特性曲线,第4节 生物脱氮工艺技术,由图可知，在厌氧池中，废水中BOD(或COD)会有所下降，NH+4-N由于微生物细胞的合成也有所下降，但N03-N的含量基本保持不变，而P的含量因聚磷菌在厌氧环境中的释磷而上升；在缺氧池中。反硝化菌利用废水中的碳源进行脱氮，N03-的含量急剧下降，同时BOD(或COD)也有所下降，P的含量稍有下降；在好氧池中，由于硝化的作用和聚磷菌摄磷的作用，NH+4-N和P的含量下降，而N03-N的含量则上升。（6）UCT工艺及改良工艺 UCT(University of Capetown)工艺是南非开普敦大学开发的一种类似A2/O工艺的一种脱氮除磷工艺。工艺流程见图14。,第4节 生物脱氮工艺技术,图14 UCT工艺流程图,UCT工艺与A2/O工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池、破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率，并增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流。由于缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发酵等提供了最优的条件。,第4节 生物脱氮工艺技术,为了使进入厌氧池的硝态氮量尽可能少，保证污泥具有良好的沉淀性能(回流比不能太小)，Capetown大学又开发了改良型的UCT工艺。见图15所示。,图15 改良后的UCT工艺流程图,第4节 生物脱氮工艺技术,在改良的UCT工艺中，缺氧反应池被分为两部分，第一缺氧反应池接纳回流污泥，然后由该反应池将污泥回流至厌氧反应池。硝化混合液回流到第二缺氧反应池，大部分反硝化反应在此区进行。改良型UCT工艺基本解决了UCT工艺所存在的问题，最大限度地消除了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对摄磷产生的不利影响，优化了除磷效果，但该工艺由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，其运行费用较高。（7）VIP工艺 VIP工艺是美国Virginia州Hampton Roads公共卫生区与CHIM HILL公司为该区Lamberts Point污水处理厂的改扩建而设计的该改扩建工程被称为Virginia Initiative Plant(VIP)工艺并获取了专利，其工艺见图16所示，VIP工艺与UCT工艺非常类似，两者的差别在于池型构造和运行参数方面。,第4节 生物脱氮工艺技术,图16 VIP工艺,2 SBR脱氮工艺及改进型工艺（1）SBR工艺 SBR工艺常称为序批式(间歇)活性污泥法或间歇式(曝气)活性污泥法工艺。适用于中、小水量污水的处理。,第4节 生物脱氮工艺技术,SBR工艺脱氮机理与传统活性污泥法基本一致，只是运行方式不同。传统工艺采用连续运行的方法，而SBR工艺采用序批运行的方式，污水间歇地进入处理系统并间歇地排出。典型的SBR工艺的一个运行周期包括：进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期、闲置期五个阶段，见图17。,图17 SBR一个运行周期内的操作过程,第4节 生物脱氮工艺技术,SBR工艺具有以下特点：工艺简单，不设二次沉淀池，无污泥回流；投资省、占地少，运行费用比传统活性污泥法低，处理效率高；耐有机负荷和有毒物负荷冲击能力强，运行方式灵活，由于是静止沉淀出水水质好并能有效防止污泥膨胀；缺氧、好氧过程交替发生，泥龄短且活性高，可同时脱氮除磷。(1)SBR脱氮工艺的运行方式 SBR工艺可根据所处理污水的性质及水量大小的不同而选择不同的运行方式。其生物脱氮运行程序如下。,第4节 生物脱氮工艺技术,进水期：水连续进入处理池内，直至最高运行液位。在此期间，以高浓度的有机碳为电子供体，反硝化细菌将上一周期剩余的N03-N还原为N2。曝气期：该阶段除完成BOD的降解外，还要进行硝化。此段混合液的DO值应控制在2.0mg/L之上，一般在23mg/L之间，曝气时间一般也应大于4h，在该期内不进水也不排水。停曝搅拌期：在该阶段内停止曝气，保持搅拌混合，反硝化细菌进行脱氮。由于经曝气阶段之后有机物已被耗尽，反硝化细菌只能进行内源反硝化，既利用细胞内贮存的有机物作为电子供体进行反硝化。在进水期活性污泥也会吸附污水中有机物以多聚体形式储存起来。氮反应达到部分硝化后，停止向混合液内供氧，则储存的碳源释放，反硝化细菌可以利用这部分碳源进行SBR系统所特有的储存碳源反硝化。,第4节 生物脱氮工艺技术,沉淀期：在该期内不进水、不排水、不曝气，反应池处于静沉状态，进行高质量泥水分离。排水期：在该期内将分离出的上清液排出。排泥期：排除上清液后，分离出的沉淀活性污泥的部分污泥在该期内作为剩余污泥被排放。排水、排泥阶段可同时进行。(2)通过改变运行程序，也可实现脱氮除磷，其程序如下：进水搅拌阶段，在此阶段内，聚磷菌进行厌氧放磷，DO应控制在0.2mg/L以下。曝气阶段，在该段内完成有机物的好氧分解外，还进行着氨氮的硝化和聚磷菌的好氧吸磷，DO应控制在2.02.5 mg/L以上，故该阶段曝气时间一般应大于4h。但不宜过长，否则会导致磷的释放。,第4节 生物脱氮工艺技术,停曝搅拌阶段，停止曝气，只进行混合搅拌。在该阶段内将进行反硝化脱氮，由于该段中N03-N浓度较高，一般不会导致磷的释放。该阶段历时应在2h以上，时间越长，可使脱氮效率越高，并能降低进水搅拌阶段混合液中N03-N的浓度，避免对释放磷的干扰。但该阶段如时间过长，则会造成磷的二次释放。沉淀排泥阶段，该阶段内既进行泥水分离，又排放剩余污泥并将分离的上清液排出。此阶段能使N03-N进一步去除，沉淀和排水宜在2h左右。,第4节 生物脱氮工艺技术,(2)ICEAS工艺 ICEAS工艺全称为间歇循环延时曝气工艺。该工艺是澳大利亚新南威尔士大学与美国ABJ公司合作开发的SBR改进型工艺。此工艺在传统的SBR工艺内增设了一个预反应区，采用连续进水、间歇排水的方式运行。ICEAS反应器的基本构造和一个周期内的运行过程见图18和图19。,第4节 生物脱氮工艺技术,图18 ICEAS反应器的基本构造,第4节 生物脱氮工艺技术,图19 ICEAS工艺一个运行周期内的操作过程,(3)DAT-IAT工艺DAT-IAT(Demand Aeration Tank Intermittent Aeration Tank)工艺克服了ICEAS工艺进水量小的缺点，将预反应区改为与SBR反应池IAT分立的预曝池DAT。DAT连续进水，连续曝气，主体间歇反应器IAT在测定阶段不受进水的影响，且增加了从IAT到DAT的回流。典型的DAT-IAT工艺流程图见图20。,第4节 生物脱氮工艺技术,图20 DATIAT工艺流程图,第4节 生物脱氮工艺技术,(4)CASS(或CAST、CASP)工艺 CASS(Cyclic Activated-Sludge System)，或CAST(Technology)，或CASP(Process)工艺为循环式活性污泥法。此工艺将ICEAS的预反应区革新为容积较小，设计更加合理的生物选择器，并将主反应区的部分剩余污泥回流至选择器沉淀阶段。CASS整个工艺为一间歇反应器，在此反应器中曝气-不曝气过程不断重复交替地进行，将生物反应过程及泥水的分离过程结合在一个池子中完成，反应池中的溶解氧呈周期性变化。CASS工艺的组成和运行 CASS反应器由三个区域组成，即由生物选择区、缺氧区和主反应区组成,见图21。处理城市污水时，这些区域的容积比通常为1:5:30。,第4节 生物脱氮工艺技术,图21 双池CASS工艺的组成,生物选择区设置在CASS前端的进水区，其容积约为反应器总容积的10，水力停留时间为0.51h，通常在厌氧条件下运行。进入反应器的污水和从主反应区内回流的活性污泥(回流量约为日平均流量20)在此相互混合接触。生物选择器是按照活性污泥种群组成的生物反应动力学原理而设置的，可有效地抑制污泥的膨胀，提高系统的稳定性。,第4节 生物脱氮工艺技术,在生物选择器中不仅可充分利用活性污泥的快速吸附作用，而且可加速对溶解性底物的去除和对难降解有机物起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。由于回流污泥液中存在约2mg/L的硝态氮，可发生比较明显的反硝化作用，其反硝化量可达整个系统反硝化量的20左右。选择器可定容运行，亦可变容运行，多池系统中的进水配水池也可用作选择器。兼氧区不仅具有辅助厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区对进水水质水量变化的缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化氮的反硝化作用。主反应区则是最终去除有机底物的主场所。运行过程中，通常将主反应区的曝气强度以及曝气池中溶解氧强度加以控制，以使反应区内主体溶液处于好氧状态，而活性污泥结构内部则基本处于缺氧状态溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制，而较高的,第4节 生物脱氮工艺技术,硝酸盐则能较好地由污泥内向主体溶液传递，有效地进行反硝化。从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。CASS工艺运行过程包括进水曝气、进水沉淀(泥水分离)、上清液滗除和进水闲置四个阶段，并组成其运行的一个周期,见图22。,第4节 生物脱氮工艺技术,图22 CASS工艺的循环操作过程,第4节 生物脱氮工艺技术,CASS工艺在进水阶段，不设单纯的充水过程或缺氧进水混合过程。CASS工艺在沉淀阶段不进水，不曝气，保证了沉淀过程在静止的环境中进行，并使排水的稳定性得到保障；在操作循环的曝气阶段(同时进水)完成生物降解过程；在非曝气阶段完成泥水分离和排水；排水装置是移动式自动滗水器，借此将每一循环操作中所处理的污水经沉淀后排出系统。一个运行周期结束后，重复上一周期的运行并由此循环不止。CASS反应器的主要设计参数有：最大设计水深可达56m，MLSS为3500-4000mg/L，充水比(滗水量与池内最低水位时容积之比VR)为30左右，最大上清液滗除速率为30 mm/min，固液分离时间60min，设计SVI为140mL/g。一个运行周期(标准运行周期：2h曝气、1h沉淀、lh滗水)4h。,第4节 生物脱氮工艺技术,CASS工艺的应用 目前全世界已有300多家各种规模的污水处理厂在采用CASS工艺。澳大利亚的Quakers Hill污水处理厂共有5组CASS池子。每组CASS池子的处理能力为10万人口当量。每组池子的长度为131m，宽为76 m，池表面积达9956m2。在每组池子的进水端设有生物选择器，其平均停留时间HRT为1h(包括回流量)，其运行可分为曝气和不曝气两种方式。处理出水通过5个同步运行的滗水装置排出系统，各滗水器的滗水速率保持相同。每一操作循环为4h，其中曝气时间为2h，滗水速率为13mm/min。CASS工艺的主要优点 CASS的核心构筑物为反应池，没有二沉池及污泥回流设备，一般情况下不设调节池及初沉池。因此，污水处理,第4节 生物脱氮工艺技术,设施布置紧凑、占地省、投资低。比传统活性污泥法节省投资2030、土地30以上。该工艺曝气阶段生化反应推动力大，有利于减少曝气池容积，降低工程投资。CASS工艺在沉淀阶段几乎整个反应池均起沉淀作用。沉淀阶段的表面负荷比沉淀池小得多，虽有进水的干扰，但其影响很小，沉淀效果较好。CASS反应池可有效防止污泥膨胀。CASS是按时间顺序运行的，各阶段的长短均可根据进水、出水水质及污水量的变化进行灵活调整，抗冲击能力强，可以在满足排放标准的条件下达到经济运行的目的。由于CASS集曝气、沉淀等功能于一体，抗水质、水量冲击能力较大。当进行脱氮除磷时，可通过间断曝气控制反应池的溶解氧水平，以提高脱氮除磷的效果。,第4节 生物脱氮工艺技术,CASS工艺可应用于大型、中型及小型污水处理工程，小则几百立方米，大则几十万立方米。该工艺比SBR工艺的适用范围更广泛。连续进水的运行方式，一方面便于与前处理构筑物的匹配，另一方面控制系统比SBR工艺更为简单。CASS工艺基质去除率较高。CASS工艺剩余污泥量小，性质稳定。CASS工艺的曝气是间断的，利于氧的转移，曝气时间还可根据水质、水量变化灵活地调整，为降低运行成本创造条件。此外根据有机物种类的不同可以在单池内实现普通活性污泥法、A/O法、A2/O法等不同工艺以确保废水达标排放。,第4节 生物脱氮工艺技术,图23 IDEA典型工艺流程图,第4节 生物脱氮工艺技术,（6）UNITANK工艺 比利时SEGHERS公司提出的UNITANK系统是SBR法的又一变型和发展，该工艺集合了SBR法和三沟式氧化沟法的优点，能连续进水和出水。目前全世界有160多个污水处理工程采用此工艺，流程见图24。,图24 UNITANK工艺示意图,第4节 生物脱氮工艺技术,UNITANK工艺的外形是一矩形体，里面被分割成三个相等的矩形单元池，相邻的单元池之间以开孔的公共墙相隔，以使单元池之间彼此水力贯通，3个单元池内全部配有曝气扩散装置，其中外侧的两池具有双重功能，既作曝气池，也作沉淀池，两池上还设有固定出水堰及剩余污泥排放口，用作出水和剩余污泥的排放。中间池始终作曝气池使用。进入系统的污水，通过进水闸控制可分时序分别进人三个矩形池中任意一池。UNITANK体系有单级和多级之分。单级运行方式有单级好氧与脱氮除磷运行过程。在UNITANK工艺的单级好氧运行过程中，每个运行周期包括两个主体运行阶段。这两个阶段的运行过程完全相同，相互对称，不需要单独的沉淀池以及污泥回流系统仍可以保持连续运行，见图25。,第4节 生物脱氮工艺技术,图25 好氧UNITANK的运行过程,第4节 生物脱氮工艺技术,第一个主体运行阶段为：污水首先进人左侧池内，在曝气的同时去除BOD，由于该池在上一个主体运行阶段作为沉淀池运行时积