污水生物处理原理-氮的去除

一、术语定义表

术语	定义
活性污泥	一种由微生物群体形成的絮体，用于降解污水中的有机物和氮。
水力停留时间 (HRT)	污水在反应器中停留的时间，不是活性污泥系统设计的关键因素。
挥发性悬浮固体 (VSS)	反应器中微生物代谢产生的有机悬浮固体。
总悬浮固体 (TSS)	反应器中的悬浮固体，包括有机和无机部分。
ISS	反应器中悬浮和沉降固体的无机成分。
COD 负荷	反应器中每日进入的化学需氧量，影响VSS质量。
内源 COD	由活性污泥自身产生的可生物降解 COD。
内源残留物	微生物死亡后留下的不可生物降解的有机物，主要由细胞壁物质组成。
污泥龄 (SRT)	反应器中污泥的平均停留时间，影响系统的污泥量、氧气需求和出水水质。
硝化作用	自由氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。
硝化细菌	负责将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的自养细菌。
氨氧化生物 (ANOs)	将自由氨氧化为亚硝酸盐的微生物。
亚硝酸盐氧化生物 (NNOs)	将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的微生物。
产率系数	每单位质量利用的底物产生的净生物量。
内源呼吸速率	细菌在没有外部食物来源的情况下消耗自身生物量的速率。
非曝气区	系统中无氧气供应的区域，硝化细菌在此区内发生内源性损失。
最大比生长速率	在给定条件下，细菌群体的最大生长速率。
半饱和系数	达到最大比生长速率一半时的底物浓度。
最小污泥龄	硝化作用能够进行的最低污泥龄。
反硝化	利用硝酸盐作为电子受体，将其还原为氮气的过程。
混合液回流比	从好氧区到缺氧区的混合液回流流量与进水流量的比率。
污泥回流比	从二沉池到缺氧区的污泥回流流量与进水流量的比率。
溶解氧 (DO)	溶解在水中的氧气浓度，低于某值时会抑制硝化作用。
短程硝化反硝化	一种将氨氮直接氧化为亚硝酸盐，再还原为氮气的脱氮技术。
厌氧氨氧化 (ANAMMOX)	利用厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐直接转化为氮气的工艺。
生物强化	向活性污泥系统中添加特定微生物以提高处理效率的方法。
进水特征化	对污水中的有机物、氮和磷等特性进行详细分析以指导系统设计。

快问快答

问题	回答
活性污泥系统的核心作用是什么？	活性污泥系统的核心作用是利用微生物降解污水中的有机物和氮，将其转化为生物量和气体。
污泥龄如何影响活性污泥系统？	污泥龄影响污泥的产量、氧气需求、污泥活性、出水水质和反应器体积。
为什么水力停留时间不是设计的关键？	因为反应器中VSS和TSS质量主要取决于COD负荷和污泥龄，而不是HRT。
自养硝化生物和异养生物在获取碳源和能量需求方面有何不同？	自养硝化生物从溶解的二氧化碳中获取碳，并从氨氧化过程中获取能量，而异养生物则从相同的有机化合物中获取碳和能量。
初沉池在氨氮去除中的作用是什么？	初沉池通过去除悬浮固体降低进入生物反应器的有机负荷，从而提高硝化效率。
反硝化的电子受体是什么？	反硝化的电子受体是硝酸盐。
硝化过程分为哪两个步骤？	氨氧化为亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化为硝酸盐。
DO浓度对硝化的影响是什么？	DO浓度过低会抑制硝化细菌的生长，导致硝化速率下降。
什么是短程硝化反硝化？	是一种直接将氨氧化为亚硝酸盐，再将亚硝酸盐还原为氮气的脱氮技术。
厌氧氨氧化的优势是什么？	厌氧氨氧化能耗低、污泥产量低，但启动时间长且对运行条件要求高。
影响硝化速率的主要因素有哪些？	影响硝化速率的主要因素包括：污水温度、溶解氧浓度、pH 值、污泥龄、进水污水来源和抑制性物质的存在。
影响缺氧反应器反硝化潜力的因素有哪些？	影响缺氧反应器反硝化潜力的因素包括：污泥龄、缺氧污泥的质量分数、进水污水中可生物降解 COD 的浓度和类型（易于生物降解的 COD 与缓慢生物降解的 COD）以及温度。
如何提高反硝化效率？	通过增加外部有机碳源或优化缺氧条件来提高反硝化效率。
什么是非曝气区的内源性质量损失？	在无氧条件下，硝化细菌会发生内源性呼吸导致质量损失。
“冲刷”污泥龄的概念是什么？它与硝化有什么关系？	“冲刷”污泥龄是指理论上硝化作用无法进行的最低污泥龄，因为负责硝化的生物无法在系统中维持。低于此污泥龄时，硝化细菌的生长速度低于其通过污泥排放损失的速度。
如何选择最佳的TSS浓度？	通过分析进水污水特征、污泥沉降性和施工成本来确定最佳的TSS浓度。
培养活性污泥需要多少氮和磷？	活性污泥中平均含有约 0.10 毫克氮/毫克 VSS 和 0.025 毫克磷/毫克 VSS。因此，污泥生产所需的氮和磷量取决于产生的污泥量，而污泥量又取决于污泥龄和有机负荷。
生物强化的目的是什么？	通过添加特定微生物提高系统处理特定污染物的效率。

活性污泥系统运作机制

活性污泥系统是一种污水生物处理系统，其核心是通过微生物群落来降解污水中的有机物和氮。这些微生物形成絮体，称为活性污泥。污水进入反应器后，与活性污泥充分混合，微生物利用有机物作为营养源进行生长和繁殖，从而将有机物转化为新的生物量和二氧化碳，将氮转化为生物质和氮气。处理后的污水流入二沉池，活性污泥沉淀分离，一部分回流至曝气反应器，剩余部分作为剩余污泥排出系统。

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有机物在活性污泥系统中的转化过程

活性污泥系统中的可生物降解有机物，包括可溶性、不可沉降性和可沉降性有机物，都会被微生物代谢为新的生物量，即反应器中的有机悬浮固体（VSS）。当这些微生物死亡后，它们会留下不可生物降解的颗粒（但不可溶性）有机物，称为内源残留物，主要由不可生物降解的细胞壁物质组成。这种内源残留物也会成为反应器中VSS质量的一部分。最终，来自进水的不可生物降解的悬浮和可沉降有机物、异养微生物和内源残留物质量混合在一起。这三种成分共同构成了生物反应器中积累的可沉降固体中有机组分VSS。此外，无机悬浮物（ISS）和沉降固体的无机成分也是反应器中固体质量的一部分。

污水特征化程度对设计的影响

活性污泥系统的设计需要考虑污水特征的详细程度，这取决于系统内涉及的物理、化学和生物过程的复杂性，以及出水质量的要求。对有机物（C）、氮（N）和磷（P）去除率的严格要求通常意味着更复杂的设计。因此，设计越精细，污水的特征化就需要越详细和深入。

水力停留时间 (HRT) 与设计的关系

水力停留时间 (HRT) 并不是活性污泥系统设计的关键因素。反应器中挥发性悬浮固体（VSS）的质量主要取决于每日化学需氧量（COD）负荷和污泥龄，而不是水力停留时间。无论是低流量高浓度还是高流量低浓度，只要COD和ISS的负荷相同，VSS和总悬浮固体（TSS）的质量就会相似。因此，HRT只是一种附带结果，其对系统设计没有直接影响，基于HRT的设计方法需要谨慎使用。

反应器 TSS 浓度对成本和性能的影响

反应器中的TSS浓度影响系统的建设成本和运行性能。较高的TSS浓度可以减少反应器体积，从而降低建设成本，但可能导致污泥沉降性差的问题，例如污泥沉降性差和污泥上浮。相反，较低的TSS浓度需要更大的反应器体积，虽然增加了成本，但通常可改善二沉池的性能。最佳TSS浓度的选择取决于进水污水特征、污泥沉降性及峰值流量等因素，可以通过施工成本最小化分析来确定最佳反应器TSS浓度。

 

初沉池在氨氮与COD去除中的作用

对于需要同时去除COD和氨氮的系统，初沉池的作用非常重要：

（1）减少生物反应器的有机负荷： 初沉池通过去除悬浮固体来降低进入生物反应器的有机负荷，从而减少反应器体积和氧气需求，并减少污泥产生。

（2）改善污泥沉降性能： 初沉池去除的悬浮固体具有较差的沉降性能，如果这些固体进入反应器会影响活性污泥的沉降性能，导致二沉池效率降低。

（3）提高硝化效率： 通过降低进入反应器的异养菌数量，减少其对氧气和营养物质的竞争，为硝化细菌创造更有利的环境，从而提高硝化效率。

污泥龄

污泥龄（SRT）是活性污泥系统设计和控制中最基本的参数之一。它的选择影响多个方面：

 

· 污泥产量： 污泥龄越长，每天产生的污泥量越少，因为较长的污泥龄有助于内源呼吸，从而减少净污泥累积量。

· 氧气需求： 较长的污泥龄需要更高的平均氧气需求，内源呼吸占比增加。

· 污泥活性： 污泥龄越长，污泥的活性越低，这意味着污泥中剩余的可生物降解有机物越少。

· 出水水质： 较长的污泥龄通常有助于更高效的有机物和氨氮去除。

· 反应器体积： 增加污泥龄通常意味着更大的反应器体积。

选择污泥龄时，需要根据处理目标（如去除COD或氮、磷）、出水水质要求、污泥沉降性能、运行成本等因素进行综合考量。

污水处理中的氮去除

1. 硝化作用简介

硝化作用是指自由氨和盐氨 (FSA) 被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的生物过程。这个过程由特定的化能自养生物主导，这些生物的行为特征与异养生物 (OHO) 有显著差异。OHO 从同一有机化合物中获得碳（合成代谢）和能量（分解代谢）以合成生物质，而自养硝化生物则从溶解的 CO2 中获得碳，并从氨氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐的过程中获得能量。这种差异导致自养硝化细菌的生物质生长系数比 OHO 低得多得多（1/5-1/10）。

硝化作用分两个连续的氧化步骤进行:

(1) 氨氧化生物 (ANOs) 将自由氨和盐氨转化为亚硝酸盐。

(2) 亚硝酸盐氧化生物 (NNOs) 将亚硝酸盐转化为硝酸盐。

硝化细菌主要利用氨和亚硝酸盐来满足合成能量的需求（分解代谢），但也有少量氨被用于合成细胞物质的氮需求（合成代谢）。然而，用于合成的氨需求仅占硝化细菌将氨硝化成硝酸盐的总氨量的一小部分，最多为 1%。因此，在稳态模型中，通常忽略硝化细菌的合成氮需求，而将硝化细菌简单地视为硝化过程中的生物催化剂。这种化学计量方法大大简化了对该过程动力学的描述。

2. 影响硝化作用的因素

以下几个因素对硝化作用有重要影响：

（1）进水来源： 有研究发现，硝化作用的自养菌的最大比生长速率常数对污水的来源具有特异性，甚至在同一来源的不同批次污水之间也会有所不同。这种特异性非常显著，以至于硝化菌的最大比生长速率不应被归类为动力学常数，而应被视为污水的特性。这种影响似乎是由于进水污水中存在某些抑制性物质造成的。它似乎不是毒性问题，因为即使最大比生长速率值很低，如果污泥龄足够长，也可以实现很高的硝化效率。这些抑制性物质更可能存在于具有一定工业成分的城市污水中。一般来说，工业占比越大，最大比生长速率往往越低，但造成最大比生长速率降低的具体化合物尚未明确。

（2）污泥龄 (SRT): 污泥龄低于硝化作用的最小污泥龄 (SRTm) 时，硝化细菌会从系统中被“冲刷”掉，因此被称为“冲刷”污泥龄。这种“冲刷”的概念可以应用于生物反应器中的任何生物群，它定义了低于该污泥龄时生物过程将无法进行，因为主导该过程的生物无法在系统中维持。

（3）温度： 温度对最大比生长速率的影响尤为强烈。温度每下降 6°C，最大比生长速率值减半，这意味着硝化作用的最小污泥龄增加一倍。因此，硝化系统的设计应基于最低平均冬季温度下的最小污泥龄。

（4）非曝气区： 由于硝化细菌是专性需氧菌，因此它们只在系统的曝气区生长。在非曝气区，硝化细菌会发生内源性质量损失。非曝气区的比例越高，硝化作用的效率就越低。系统中非曝气区对硝化的影响可以基于以下假设来制定：

· 硝化细菌作为专性需氧菌，只在系统的曝气区生长。

· 硝化细菌的内源性质量损失发生在曝气和非曝气条件下。

· 非曝气区和曝气区中 VSS 中硝化细菌的比例基本相同，因此系统不同区域的污泥质量也反映了硝化细菌质量的分布。

（5）溶解氧 (DO) 浓度： 当 DO 浓度低于氧气的半饱和常数 (KO) 时，硝化细菌的生长速率会下降到氧气浓度充足时的一半以下。在硝化反应器中，为了确保硝化作用不受阻碍，通常将混合液表面的 DO 下限设定为 2 mgO2/l。

（6）反应器中的 pH 值： 当 pH 值超出 7 到 8 的范围时，硝化菌会受到强烈抑制。低碱度污水中的硝化作用会导致 pH 值下降，从而严重阻碍硝化作用。

（7）主要营养元素：活性污泥的生长需要氮和磷。例如，某生活污水污泥中氮的含量为 0.10 mgN/mgVSS，磷的含量为 0.025 mgP/mgVSS。根据污泥产量和污泥龄，可以计算出污泥对氮和磷的需求量。

（8）昼夜流量变化：在流量和负荷变化的条件下，即使系统污泥龄远高于稳态条件下的最小污泥龄，硝化也会受到影响，并且从同一系统中的最大出水氨氮浓度将远高于恒定流量和负荷的情况（稳态条件）。随着流量和负荷变化的分数振幅的增加，昼夜流量变化的不利影响变得更加明显，并且随着设计时安全系数的增加而减轻。

3. 硝化反应器的设计考虑因素

设计硝化反应器时，需要考虑以下因素：

· 进水水质: 确定进水中氨氮的浓度和变化范围。

· 出水要求: 确定出水中允许的氨氮和硝酸盐浓度。

· 温度范围: 确定反应器运行的最低温度。

· 污泥龄: 根据最低温度和硝化细菌的最大比生长速率计算所需的污泥龄。

· 反应器类型: 选择合适的反应器类型，例如完全混合式反应器或推流式反应器。

· 曝气系统: 选择合适的曝气系统，以保证足够的溶解氧浓度。

4. 反硝化-反硝化反应器设计的考虑因素

硝化作用是反硝化的先决条件。反硝化作用利用硝酸盐作为电子受体，将硝酸盐转化为氮气，从而去除氮。

反硝化作用的电子给体（或 COD 或能量）可以来自两个来源：内部和外部。内部来源是指系统本身存在的，即进入污水中自带的或在生物反应器内由活性污泥自身产生的；外部来源是指输入到活性污泥系统并专门投加到缺氧区以促进反硝化作用的有机物，例如甲醇、醋酸盐、葡萄糖等。反硝化能够回收硝化消耗的一半的碱度，以及硝化消耗的超过60%的需氧量

设计反硝化系统时，需要考虑以下因素：

· 反硝化潜力: 确定缺氧反应器的反硝化潜力。

· 硝酸盐负荷: 确保回流到缺氧反应器的硝酸盐负荷不超过其反硝化潜力。

· 缺氧条件: 确保缺氧反应器中溶解氧浓度足够低，以利于反硝化作用进行。

· 有机物来源: 选择合适的反硝化电子供体，例如进水中的有机物或外部投加的有机物。

· 回流比: 确定合适的回流比，以保证缺氧反应器中有足够的硝酸盐和有机物。

5. 其他生物脱氮技术

传统硝化反硝化工艺将氨氮氧化为硝酸盐，然后将硝酸盐还原为氮气。该工艺的优点是技术成熟，运行稳定，但缺点是需要消耗大量的氧气和碳源，且产生大量的污泥。新型/其他有实际使用案例的脱氮技术主要有：

· 短程硝化反硝化: 该工艺将氨氮氧化为亚硝酸盐，然后将亚硝酸盐还原为氮气。该工艺的优点是节省氧气和碳源，且污泥产量较低。

· 厌氧氨氧化 (ANAMMOX): 该工艺利用厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐转化为氮气。该工艺的优点是无需外加碳源，能耗低，污泥产量极低，但缺点是启动时间长，对运行条件要求较高。

· 生物强化: 该工艺通过向活性污泥系统中添加硝化细菌来提高硝化效率。

选择合适的氮去除工艺需要考虑以下几个方面：

· 进水水质: 包括氨氮浓度、C/N 比、温度、pH 值等。

· 出水水质要求: 不同的排放标准对氮去除效率的要求不同。

· 占地面积: 不同的工艺占地面积不同。

· 投资和运营成本: 不同的工艺投资和运营成本不同。

· 运行管理: 不同的工艺运行管理复杂程度不同。

选择合适的生物脱氮技术需要根据具体情况进行综合考虑。 例如，对于高氨氮浓度的污水，可以考虑采用短程硝化反硝化或厌氧氨氧化工艺；对于低 C/N 比的污水，传统硝化反硝化工艺需要添加外部碳源；对于温度较低的污水，可以考虑采用生物强化工艺。

内容节选自George A. Ekama的《污水生物处理原理、设计与模拟》一书的第四章“有机物去除”，George A. Ekama和Mark C. Wentzel合著“氮去除”的章节，Mark C.M. van Loosdrecht的著作新型脱氮工艺章节。新型脱氮工艺因为没用过所以较为笼统，厌氧处理接触得少今后有机会更新。省略了书中大量的计算篇幅是为了方便阅读，挑选了结合实践比较重要的内容。感兴趣的朋友们可以自行购买中文的第二版，或者加我的微信。感谢阅读。