生物养分去除

生物养分去除（方向)进程S是活性污泥工艺的改进，包括缺氧和/或厌氧区提供氮和/或磷去除。许多BNR变体已经被开发出来，代表了广泛的营养去除能力。本章介绍了其中几种的基本设计和工作原理。它建立在第2、3、6和7章中提出的理论概念的基础上。

11.1进程说明11.1.1历史简介

系统组成部分(有氧和缺氧区)的基础生物脱氮是在20世纪60年代发展起来的，产生了许多方法。*4“”*一个使用了一系列单独的悬浮生长系统，以逐步的方式完成有机物和氮的去除。第一步去除有机物，第二步完成硝化，第三步实现反硝化。这些三级文献中广泛讨论了脱氮系统，但由于高资本和运营成本，很少得到全面使用。7另一种方法，称为单污泥脱氮，结合了这两种方法有氧区用于硝化区和缺氧区，用于单一系统的反硝化，两个区都发生碳氧化。在纳入单一污泥方法的概念中，硝酸盐- n再循环到初始缺氧区，以允许使用易于生物降解的基质进行反硝化，如7.5节所述，以及使用缓慢生物降解的基质和生物质衰变，如7.6节所述，使用第二个缺氧区进行额外的反硝化。这些概念目前已广泛应用于生物脱氮。

随着氮去除系统的发展，在某些全容量活性污泥系统中观察到增强的磷去除。*4'* *这些系统通常使用沿其长度均匀曝气的plug-flow生物反应器，导致初始段的溶解氧(DO)浓度非常低。我们现在知道，这些不充分通气的部分提供了厌氧区，以选择所需的磷积累生物(PAOs)生物除磷，如第2.4.6和3.7节所述。然而，关于这些植物中磷去除机制的争议存在了十多年。41*有些人化学除磷将发生在厌氧和缺氧区系统中，“现在已经认识到生物机制是大多数磷去除的原因。尽管关于去除机制存在争议，20世纪60年代的研究产生了第一个商业化的生物除磷(BPR)工艺，Phostrip®工艺

在此背景下，将基本概念整合和改进为我们今天所知道的单一污泥生物脱氮除磷工艺的阶段已经准备就绪。最初的重大进展是由巴纳德提供的，他在概念上实现了两次重大飞跃。第一个是好氧区和缺氧区的整合，以及硝酸盐再循环，以创建有效和具有成本竞争力的单污泥脱氮系统，现在被称为四级Bardenpho过程．第二个是观察到，如果硝酸盐在初始缺氧区被充分耗尽，生物除磷将在这些系统中发生。将这一观察结果与实现增强除磷的全规模工厂的操作条件进行比较，巴纳德在他的脱氮系统中添加了一个初始厌氧区，以获得同时去除氮和磷的五阶段Bardenpho工艺。从那时起，人们对BNR系统的机理、微生物学、化学计量学和动力学有了大量的发现，并开发了许多工艺变体。因此，我们的理解足以使设施的设计和运行达到可靠和可预测的结果。

11.1.2概述

BNR系统是对第10章所述的基本活性污泥工艺的改进，并包含了它们的四个共同特征:(1)微生物的絮凝浆体，(2)静态沉降，(3)沉降固体循环，以及(4)固体滞留时间(SRT)控制。此外，BNR系统的生物反应器分为厌氧区(ANA)、缺氧区(ANX)和好氧区(AER)，并设有混合液再循环区(MLR)，如图11.1所示。这些区域由所使用的末端电子受体来区分。在好氧区，氧是电子受体;在缺氧区，硝酸盐- n是电子受体;在厌氧区，既没有氧也没有硝态氮。生物反应器的划分提供了这些替代性的生化环境

ANA -厌氧AER -有氧

ANX -缺氧MLR -混合液再循环

图11.1单污泥生物去除养分过程

ANA -厌氧AER -有氧

ANX -缺氧MLR -混合液再循环

图11.1单污泥生物去除养分过程

BNR系统的特征。好氧区是所有BNR系统的必要组成部分，厌氧区是完成除磷的必要条件，缺氧区是脱氮的必要条件。

如第2章、第3章、第6章和第7章所述，氮去除是通过硝化和反硝化过程进行的。硝化是一种需氧过程因此，只会发生在好氧区。反硝化作用是在没有溶解氧的情况下，异养细菌利用硝酸盐- n作为它们氧化有机物的末端电子受体，将硝酸盐- n转化为氮气，因此它发生在缺氧区。的脱氮率在第一个缺氧区是比较快的，因为细菌利用易于生物降解的底物添加的影响废水作为电子供体。第二缺氧区的反硝化要慢得多，因为外源底物浓度通常很低，因为它们在上游缺氧和好氧区氧化。因此，内源性底物必须用作电子供体，尽管一些缓慢可生物降解的底物可能是可用的。最后好氧区主要功能是将前缺氧区产生的氮气剥离，并在通过前加入氧气混合悬浮物(MLSS)到澄清器。

缺氧区的掺入影响了生物质的微生物生态。在脱氮系统中，初始缺氧区作为缺氧选择器，以最大限度地减少生长丝状细菌如第10.2.1节所述，通过代谢选择。大多数丝状细菌不能利用硝酸盐n作为电子受体，而许多絮凝形成细菌可以将废水添加到缺氧区允许反硝化细菌代谢一部分易于生物降解的底物，并减少进入好氧区，在那里它可以被丝状细菌利用。这限制了灯丝种群的大小。事实上，一些硝化活性污泥系统中已经加入了缺氧区，只是为了控制灯丝的生长。反硝化也会产生碱性，这可以部分抵消硝化作用所消耗的碱性

生物除磷是通过创造有利于PAOs生长的条件来完成的，使活性污泥群落在PAOs中变得丰富。如第2.4.6节和3.7节详细讨论的，并在图11.2中说明，厌氧区提供选择优势让它们以其他异养细菌为代价生长。由于氧气和硝酸盐- n的缺失，有机物的氧化无法在规定的时间内发生，使得大多数种类的异养细菌无法运输、储存或代谢有机物。相反，它们只进行发酵反应，导致挥发性脂肪酸(VFAs)的形成。聚磷生物能够将VFAs运输到细胞内，并将其作为聚羟基烷酸(PHAs)和其他碳存储聚合物储存，利用细胞内聚磷酸盐裂解的能量，释放无机磷酸盐。当混合液流入好氧区时，其他异养细菌就无法获得VFAs了。相反，所存储的底物仅被PAOs用于生长并为废水中的无机磷酸盐转化聚磷酸盐提供能量。只有缓慢可生物降解的基质对其他异养生物有效。因此，PAOs成为社区的重要组成部分。由于其在微生物选择中的作用，厌氧区被提及

图11.2 BPR过程厌氧区和好氧区磷与有机质代谢的关系

作为厌氧选择器。”由于PAOs通常以絮凝而不是丝状形式生长，厌氧选择器也被用于控制丝状污泥膨胀，提供了另一种代谢选择方法。

在好氧区末端含有高浓度聚磷酸盐的PAOs对生物量的富集，提供了磷从废水中去除的机制。磷含量典型活性污泥在1.5 ~ 2%的量级上(以磷为基础表示)挥发性悬浮物在混合液中，或P/VSS)，而当PAOs存在时，P/VSS比值通常会增加到5 - 7%的范围，有时观察到高达12 - 15%的值。参考图11.1，磷输入和输出的过程包括进水，处理出水和废弃活性污泥．通过增加废活性污泥(WAS)中磷的质量，必须降低处理后出水的质量，以维持磷的质量平衡。

废水的组成影响厌氧区的反应，从而影响其设计。生活废水中易于生物降解的底物是VFAs和其他小型生物有机化合物的混合物，其比例取决于下水道中发生的发酵量。一般来说，PAOs只能在厌氧区运输和储存短链VFAs、乙酸和丙酸。然而,兼性细菌会发酵其他易于生物降解的有机物，以产生vfa，随后可被PAOs利用。PAOs对VFAs的吸收相对较快，而发酵较慢。因此，如果进水废水中只有一小部分易于生物降解的有机物以VFAs的形式存在，发酵将是厌氧区的限速反应。因此，除磷系统中厌氧区的大小将受到废水成分的影响。

如第7.7节的模拟所示，如果硝酸盐- n循环到厌氧区，硝化对生物除磷产生不利影响。这有两个原因:(l)反硝化细菌直接与PAOs竞争易于生物降解的底物，(2)通过发酵减少VFAs的形成。两者都降低了PAOs的选择优势。结果，PAOs的生长减少，混合液的磷含量降低，除磷能力降低。

表11.1总结了发生在BNR过程各个区域的生化转化。它还介绍了这些区域提供的功能，以及需要哪些区域来去除每种营养物质。关键是在所有的BNR系统中都需要一个好氧区。脱氮需要它，因为硝化细菌是专需氧菌．除磷是必需的，因为储存的外源有机物必须在好氧环境中被PAOs氧化，以产生生长所需的能量。该表可用于了解BNR过程中各区域之间的相对作用和相互作用。

因为BNR工艺是活性污泥工艺的变体，它们使用相同的材料和设备组件。主要区别是:生物反应器分为厌氧、缺氧和好氧区;提供混合酒再循环泵设施;在厌氧区和缺氧区提供混合设备，以保持固体悬浮，同时尽量减少氧气转移。图11.3展示了常用的两种类型的混合器。关于实际设施的进一步讨论载于其他地方

11.1.3进程选项

生物养分去除系统可根据其养分去除能力分为脱氮过程、脱磷过程和同时去除氮和磷的系统。

表11.1生物养分去除过程区摘要

区	生物化学转换	功能	需要的区域
厌氧	•PAOs对VFAs的吸收和储存 •由异养细菌发酵易生物降解的有机物 •磷释放	■pao的选择	•除磷
缺氧	•Denilriticalion	•no - n转化	•脱氮

继续阅读:两阶段氧化还原

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