简述城市污水中氮与磷的去除

摘要：这些生物群体包括细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物。在活性污泥系统中，构成生物群体生存压力和最终选择的因素主要包括最终电子受体的类型及利用能力、可获得的基质以及对基质的利用能力、是否具有絮凝沉淀特性、在环境温度下能否生存及生长、生长速率高低、是否具有生长悬浮能力。
　　关键词：城市污水氮磷
　　1.城市污水处理系统中的关键微生物
　　在城市污水处理厂中，生物处理过程是由多种生物群体通过各式各样的生物反应过程来完成的。所有生物群体都来源于外部环境，即来源于污水、空气、土壤或处理厂内外的动物。这些生物群体包括细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物。在活性污泥系统中，构成生物群体生存压力和最终选择的因素主要包括最终电子受体的类型及利用能力、可获得的基质以及对基质的利用能力、是否具有絮凝沉淀特性、在环境温度下能否生存及生长、生长速率高低、是否具有生长悬浮能力。
　　根据城市污水处理系统中异养菌对硝态氮的利用能力，可以将其划分为反硝化菌和非反硝化菌：
　　（1）反硝化菌：通常是兼性厌氧菌，好氧和缺氧状态下均可以利用快速生物降解有机物进行增殖，厌氧状态下可以进行有机物的水解，但不能增殖。
　　（2）非反硝化菌：通常是好氧菌，好氧状态下可以利用快速生物降解有机物进行增殖，缺氧和厌氧状态下可以进行有机物的水解，但不能增殖。
　　根据城市污水处理系统中微生物对磷酸盐的去除能力，可以将其划分为聚磷菌和非聚磷菌：
　　（1）聚磷菌：在厌氧/好氧交替循环工艺过程的厌氧阶段，可以利用细胞内聚合磷酸盐分解所产生的能量，吸收外部的快速生物降解有机物并以高分子有机聚合物（PHA）的形式存储起来，释放出正磷酸盐，但不出现细胞增殖；如果具有反硝化能力，就能够在随后的缺氧和好氧阶段，利用存储的有机物进行产能代谢和细胞增殖，同时大量吸收外部的磷酸盐，在细胞内以聚合磷酸盐的形式存储起来。如果不具备反硝化能力，则只有在好氧状态下才能利用存储的有机物进行产能代谢、细胞增殖和磷的吸收。
　　（2）非聚磷菌：厌氧过程中进行有机物的水解和发酵，细胞不增殖；缺氧状态下是否利用快速生物降解有机物进行增殖取决于能否利用硝态氮；在好氧状态下能够利用快速生物降解有机物进行增殖。
　　2.城市污水中氮的来源与去除途径
　　城市污水中氮的主要来源为：生活污水；工业污水，特别是化肥、焦化、洗毛、制革、印染、食品与肉类加工、石油精炼行业排放的污水；地表径流，氮氧化合物、固体物、渗滤液等。氮的存在形式包括有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及杂环化合物、氰化物等。
　　在城市污水生物脱氮系统中，氮的转化过程如下图所示。颗粒性不可生物降解有机氮通过生物絮凝作用成为活性污泥组分，通过排除剩余活性污泥从系统中去除；颗粒性可生物降解有机氮通过水解转化为溶解性可生物降解有机氮。溶解性不可生物降解有机氮，随处理出水排出，决定出水的有机氮浓度；溶解性可生物降解有机氮通过异养细菌的氨化作用转化为氨氮，其中尿素可迅速水解成碳酸铵。好氧条件下硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，缺氧条件下反硝化菌将硝酸盐异化还原成气态氮，从水中除去。
　　
　　污水生物脱氮系统中氮的生物转化过程
　　硝化菌包括亚硝酸菌和硝化杆菌，是专性好氧菌，只有存在溶解氧的好氧条件下才能增殖，厌氧和缺氧条件下不能增殖，而其衰减死亡过程在厌氧、缺氧、好氧状态下均会发生。
　　反硝化菌（兼性厌氧菌）能够在缺氧和好氧条件下利用快速生物降解有机物进行增殖；厌氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解性有机物的酸化（发酵），但通常不能增殖；部分反硝化菌同时也是聚磷菌，在缺氧和好氧条件下会出现磷的吸收，厌氧条件下会出现磷的释放。
　　非反硝化菌（好氧菌）能够在好氧条件下利用快速生物降解有机物进行增殖；厌氧和缺氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解性有机物的酸化（发酵），但不能增殖。
　　由于硝化作用主要受硝化菌比增长速率、泥龄和温度控制，活性污泥中的硝化反应控制可以分成不硝化、部分硝化和完全硝化三种情况，其中部分硝化属于不可控制的高度不稳定过程，因此，活性污泥系统中硝化功能只能按完全硝化与不硝化这两种方式来设计，不能按部分硝化的方式设计。
　　在低水温的环境中，需要增加设计泥龄来保障冬季的硝化能力；在已经投产的污水处理厂中，可以在夏末秋初逐步提高反应池的活性污泥浓度，使冬季能够维持较高的活性污泥及硝化菌浓度，抵御低温条件对硝化的不利影响，春季后再逐步降低反应池的活性污泥浓度，以保障反应池的溶解氧控制水平。
　　当污水处理系统按硝化设计时，从生物除磷角度及降低能耗角度考虑，处理系统都必须具备反硝化能力，但反硝化程度应根据具体情况确定。出水总氮和总磷有要求时，根据总氮及除磷要求综合考虑处理系统的反硝化程度。出水总氮无要求但出水总磷控制较严时，可根据除磷要求考虑反硝化程度，主要目的是消除回流污泥硝酸盐对生物除磷的不利影响。
　　3.城市污水中磷的来源与去除途径
　　城市污水中磷酸盐按物理特性可以划分为溶解磷和颗粒态磷，按化学特性可以划分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。城市污水中磷酸盐的主要来源为人类活动的排泄物、废弃物和工业污水，特别是含磷洗涤剂的大量使用。城市污水处理过程中，磷酸盐的主要去除途径为：
　　（1）形成无机磷酸盐沉淀物：利用污水中存在的和外部投加的金属盐（铁盐、铝盐和石灰）形成金属磷酸盐沉淀物，反应过程主要受pH值和金属盐/TP摩尔比的影响；
　　（2）结合到生物体及有机物中：通过生物氧化与合成作用，使磷酸盐的存在方式发生变化；
　　（3）转化为聚磷菌的胞内聚合磷酸盐：通过聚磷菌的优势生长，明显提高活性污泥的含磷量；
　　（4）其他去除方式：例如，特定条件下丝状菌对磷的吸收和积累，藻类生长对磷的吸收。
　　在污水生物除磷工艺中，厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运行，使聚磷菌群体能在快速生物降解基质的竞争中取得优势，通过排除高含磷量的剩余污泥，获得低含磷量的净化处理出水。
　　在厌氧反应池中，兼性厌氧细菌通过发酵作用将溶解性有机物转化成挥发性脂肪酸（VFAs），聚磷菌吸收来自原污水中的或厌氧反应池中产生的VFAs，同化成胞内的碳能源存储物（PHB/PHV），所需的能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解。胞内磷酸盐含量升高后，一定会扩散到外部环境，液相中的磷酸盐浓度相应升高。厌氧段实际上起到聚磷菌“生物选择器”的作用，使聚磷菌群体在处理系统中得到选择性的优势增殖，同时抑制了丝状菌的增殖，使曝气池混合液的SVI值保持在较低水平。
　　在好氧反应池中，聚磷菌通过PHB/PHV的氧化代谢产生能量，一方面进行磷的吸收和聚磷的合成，以聚磷的形式在细胞内存储磷酸盐，以聚磷酸高能键的形式捕积存储能量，将磷酸盐从液相中去除，另一方面合成新的聚磷菌细胞和存储细胞内糖，产生富磷污泥。
　　因此，磷酸盐的厌氧释放分为两部分，即有效释放和无效释放。磷酸盐的有效释放是聚磷菌吸收和储存VFAs等低分子有机物这一耗能过程的偶联过程。而无效释放则不伴随低分子有机物的吸收和储存，是内源损耗、pH变化和毒物作用等方面因素引起的磷酸盐的释放。在厌氧反应池中，随着可吸收和存储的VFAs的消耗，有效释放量不断减少，停留时间越长，无效释放比例越高，造成后续好氧反应池中磷酸盐的吸收能力降低，吸收不完全。因此，厌氧池的水力停留时间不是越长越好，一般情况下宜控制在1.0~1.5h。此外，还要尽量避免低pH冲击负荷，以免造成聚磷的酸性水解和生物除磷能力丧失。
　　在污水生物除磷脱氮系统中，影响处理出水溶解磷浓度的主要因素为进入厌氧池的进水快速生物降解COD/TP比值和硝酸盐含量。单位快速生物降解COD的生物除磷能力大致为0.10mgP/mgCOD，而厌氧池进流中的单位硝酸盐可导致的快速生物降解COD损失量大致为6mgCOD/mgNO3-N。因此，进水水质特性的全面分析是工艺设计计算的重要环节之一，硝酸盐浓度的控制是工艺设计和运行管理的关键。
　　污水除磷包括生物除磷和化学除磷，生物除磷的出水浓度可以达到1.0mg/L，化学除磷出水浓度可以达到0.5mg/L。对于二级排放标准，采用生物除磷即可；对于一级B排放标准，可以采用生物除磷与化学除磷相结合的方式，以降低化学药剂的消耗量。对于一级A排放标准，还需要增加过滤处理设施。