生物脱氮除磷原理：城市污水处理厂尾水湿地处理实践

1.生物脱氮的原理

传统生物脱氮是将污水中的含氮物质逐步转化成N2。传统生物脱氮过程如图3-1所示。其中，含氮有机物的脱氨反应速度很快，而硝化反应（亚硝酸氧化和硝酸氧化）和反硝化反应的耦合是生物脱氮的关键问题。

硝化反应的反应方程式如下：

首先由亚硝酸菌将-N氧化为-N，然后再由硝酸菌将亚硝酸氧化为-N。由于上述细菌可以利用反应释放的能量进行细胞合成，故属于化能自养型细菌。温度对硝化细菌的增殖和活性影响较大，其最适生长温度均为30℃左右，当温度低于15℃时，硝化速度会明显下降。在混合体系中，亚硝酸菌的最适生长pH为7～8.5，而硝酸菌的最适生长pH为6.5～7.5。实际污水处理中，一般控制pH为7左右，此时亚硝酸氧化反应更易进行。硝化反应是一种好氧反应，由反应方程式可知，若不考虑硝化细菌本身的增殖，那么将1 mg-N转化为-N需消耗4.5mg O2。多数研究表明，溶氧浓度控制在2 mg/L以上为宜。

图3-1　传统生物脱氮反应过程

反硝化反应（也称脱氮反应）是在厌氧或者缺氧条件下，部分细菌以污水中的或作为氧源，和有机物进行反应，将污水中所含的氮素转化为N2或N2O并除去。反硝化细菌（也称脱氮细菌）一般属于异养兼性细菌，在有氧环境中利用氧呼吸，在厌氧条件下，且有或离子存在的环境中，则利用这些离子中的氧呼吸。

(www.xing528.com)

进行反硝化反应通常需要有机物，若有机物不足量，则需额外投加，一般投加甲醇作为碳源。反硝化细菌的最适反应温度偏高，为34～37℃。温度对反硝化速率的影响与反应器的类型、的水力负荷等因素相关，当的水力负荷较低时，温度的影响也相应较小。反硝化细菌的最适生长pH为6.5～7.5，与一般异养型细菌相似，当pH大于8或小于6时，反应速率将大大降低。另外，由于反硝化细菌为兼性细菌，所以在有溶解氧存在的环境中，它们首先利用溶解氧，然后再利用或离子中的氧，溶解氧的存在一定程度上成为反硝化反应的阻碍。当然，在液相溶解氧浓度较低的环境中，污泥絮体内部仍然呈现厌氧状态，所以反硝化反应不一定要求溶解氧保持在零，只需将溶解氧维持在较低水平即可。

2.生物除磷的原理

生物除磷的关键是依靠多种微生物的除磷活性。聚磷菌（phosphorus accumulating bacteria，PAB）在好氧和缺氧条件下摄取磷，并以聚磷酸盐的形式储存。在厌氧条件下它能分解其细胞内的聚磷酸盐而产生ATP（三磷酸腺甘）并产生能量，用以将废水中的脂肪酸等小分子量的有机物摄取入细胞中，以PHB（聚-β-羟基丁酸）和糖原等有机颗粒的形式储存于细胞内，同时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞外。这时，细胞内还会诱导聚磷酸盐激酶，一旦进入好氧环境，这类除磷菌又可以利用PHB氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，并将其聚合成聚磷酸盐而储存于细胞中。一般来说，聚磷菌在好氧环境中摄取的磷量比在厌氧环境中释放的磷量要多。据有关资料显示，聚磷菌在好氧条件下吸收的磷是在厌氧条件下放出的磷的11倍，这个变化一般称为luxury uptake（对磷的过多摄取）现象。污水的生物除磷正是利用这一特点，把聚磷菌作为磷的载体，通过剩余活性污泥的排放，来排出处理系统中的磷。废水生物除磷机理如图3-2和图3-3所示。

图3-2　除磷菌厌氧生化代谢模式

图3-3　除磷菌好氧代谢生化模式