污水生物脱氮除磷原理研究进展

污水生物脱氮除磷原理研究进展

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1.重庆市渝北区环境监测站重庆市401120；2.重庆市丰都县环境监测站重庆市408200

摘要：水体富营养化现象使人类面临更加严峻的水环境问题,而氮、磷是引起水体富营养化的主要因素。因此,世界各国为保护有限的水资源,对氮、磷排放标准越来越严格,研究和开发高效、经济的污水生物脱氮除磷工艺成为当前研究的热点。本文系统的概述了污水生物脱氮除磷的机理,分析了生物脱氮除磷技术的现状,探讨了污水生物脱氮除磷技术的发展趋势。

关键词：污水；生物脱氮除磷；原理；研究进展

1水体富营养化

磷作为生物生长所需的主要矿物元素,在生物化学过程中起着重要的主导作用,是重要的调控中心.磷作为微生物细胞的重要成分,主要存在于核酸、核苷酸、磷脂及其它磷化合物之中,磷也是许多重要辅酶的组成成分.城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐,根据物理特性可将污水中的磷酸盐类物质分成溶解性和颗粒性两类;根据化学特性则可分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐.城市污水所含的磷主要来源于人类活动的排泄物及废弃物、工商企业、合成洗涤剂和家用清洁剂.

一般来说,造成水体富营养化现象发生的主要营养成分有有机碳、磷、氮、钾、铁等十几种元素.其中有机碳物质经处理后含量已大幅度降低,而除氮与磷以外的其它物质在富营养化发生过程中的需求量极低,因此,氮和磷成为藻类生长的限制性因素,其含量通常决定着藻类的收获量,所以水体中氮、磷营养盐类的增加,也就成为藻类过度生长的主要原因.藻类在氮、磷利用上存在一定的相关性,从藻类对氮、磷需要的关系看,根据Liebig最小值定律,磷的需要更为重要,藻类的生长产量受磷的限制更为明显.这是因为水中氮的缺乏,可以由许多能固氮的微生物(如某些固氮细菌和蓝藻)来补充,尤其是浅水型封闭水体,光照充足,生物固氮作用活跃.水体富营养化发生的机理虽然复杂,但其根本原因是水体中氮、磷等营养性物质含量过高造成的,因此,控制氮、磷等营养性物质进入水体是解决富营养化问题的根本途径.

2生物脱氮原理

生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和NH3-N转化为N2和NxO气体的过程。废水中存在着有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成NH3-N，而后经硝化过程转化变为NOx-N，最后通过反硝化作用使NOx-N转化成N2，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。

1）氨化作用

氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。

2）硝化作用

硝化作用是指将NH3-N氧化为NOx-N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：亚硝化反应-硝化反应-总反应。亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和NO2--N的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO32、HCO、CO2等。

3）反硝化作用

反硝化作用是指在厌氧或缺氧条件下，NOx--N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成。

4）同化作用

在生物脱氮过程中，废水中的一部分氮被同化为异养生物细胞的组成部分。微生物细胞采用C60H87O23N12P来表示，按细胞的干重量计算，微生物细胞中氮含量约为12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶胞作用会使一部分细胞的氮又以有机氮和NH3-N形式回到废水中，但仍存在于微生物的细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中得以从废水中去除。

5）脱氮新机理

近年一些研究者在研究中陆续观察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象[21]。比如将好氧硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，然后在缺氧条件下直接反硝化的亚硝酸型生物脱氮；在一定的条件下，硝化和反硝化可以在同一个反应器内同时完成；异养硝化以及厌氧氨氧化等。这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论主要从物理学角度研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质传递的变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致的微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。在宏观环境中微好氧状态时，由于氧扩散的限制，微生物絮体内产生了溶解氧梯度，也就形成了不同的微环境。

3生物除磷原理

城市污水中存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐（简称磷或总磷，用P或TP表示）。按化学特性（酸性水解和消化）则可进一步分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称正磷、聚磷和有机磷。

污水生物除磷就是利用聚磷菌的超量吸磷现象，即聚磷菌吸收的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量，在传统生物处理系统中采用排除过量吸磷的剩余污泥来实现污水处理系统磷的去除。据报道，在生物除磷系统中污泥含磷量的典型值在6%左右，有些能达到8%-12%，而普通活性污泥含磷量只有2%。

通常在厌氧/好氧交替变化的活性污泥系统中产生聚磷菌。在厌氧/缺氧条件下聚磷菌的生长会受到抑制，为了生存它释放出其细胞中的聚磷酸盐，并利用此过程中产生的能量摄取污水中的挥发性脂肪酸（VFA）以合成聚-β-羟基丁酸盐（PHB）颗粒贮存在其体内。此阶段水中溶解性磷酸盐的浓度有所增加[22]。

当聚磷菌进入好氧环境后，它们的活力将得到充分的恢复。而此时水中有机物由于经过了厌氧环境下的降解其浓度非常低，为了生存它们将氧化分解PHB获得能量（以ATP形式）。它们从污水中大量摄取溶解态正磷酸盐用于合成ATP，并在其细胞内以多聚磷酸盐的形式贮存能量。这种对磷的积累作用大大超过微生物正常生产所需的磷量。在此阶段水中溶解性磷酸盐的浓度大大减少。

4结语

污水生物脱氮除磷的目的是将氮、磷从废水中去除,防止引起受纳水体的富营养化,以工程手段从源头控制水体富营养化。从我国目前的实际情况出发,无论是单独的生物脱氮技术、生物除磷技术,还是同时生物脱氮除磷技术,探索简便、节能、高效、技术成熟的生物脱氮除磷技术是目前当务之急,为今后从源头解决水体富营养化问题,提供必要而有效的技术保障。

参考文献：

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[2]丁强,王振兴.污水生物处理工艺强化脱氮除磷的研究进展[J].环境科技,2010,S1:89-92.

[3]季俊杰,王美东,葛丽英,何成达,王剑.污水生物脱氮除磷技术研究进展[J].四川环境,2003,04:38-40+59.

[4]毕学军,赵桂芹,毕海峰.污水生物除磷原理及其生化反应机制研究进展[J].青岛理工大学学报,2006,02:9-13.