研究生精品课程建设教案第十一章废水的脱氮与除磷（一）教学设计2.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①生物脱氮除磷机制、脱氮动力学②生物脱氮除磷影响因素③生物脱氮工艺及动力学设计④生物脱磷流程及工艺设计2.2本章节重点本章节重点：脱氮除磷机制及影响因素、脱氮除磷工艺与设计本章节难点：不同脱氮工艺比较、不同除磷工艺比较2.3本章节教学内容本章教学内容如下11.废水的脱氮与脱磷11.1生物脱氮和脱磷的基本原理11.2生物脱氮和脱磷的影响因素11.3生物脱氮系统11.4生物脱磷系统4.4本章节教学方法1.情景导入藻类、水华水体富营养化情景入手，引出氮磷在水体污染的危害，脱氮除磷作用机制。2.双案例关联脱氮除磷基础研究方面的应用（案例二十二）脱氮除磷工程设计方面的应用（案例二十三）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：1氮磷对水环境的危害、②脱氮方法比较、③生物脱氮机制、（4生1
1 研究生精品课程建设教案 第十一章 废水的脱氮与除磷 （一）教学设计 2.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①生物脱氮除磷机制、脱氮动力学 ②生物脱氮除磷影响因素 ③生物脱氮工艺及动力学设计 ④生物脱磷流程及工艺设计 2.2本章节重点 本章节重点：脱氮除磷机制及影响因素、脱氮除磷工艺与设计 本章节难点：不同脱氮工艺比较、不同除磷工艺比较 2.3本章节教学内容 本章教学内容如下 11.废水的脱氮与脱磷 11.1 生物脱氮和脱磷的基本原理 11.2 生物脱氮和脱磷的影响因素 11.3 生物脱氮系统 11.4 生物脱磷系统 4.4 本章节教学方法 1. 情景导入 藻类、水华水体富营养化情景入手，引出氮磷在水体污染的危害，脱氮除磷 作用机制。 2.双案例关联 脱氮除磷基础研究方面的应用（案例二十二） 脱氮除磷工程设计方面的应用（案例二十三） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这 类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握 情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分， 主要问题有：①氮磷对水环境的危害、②脱氮方法比较、③生物脱氮机制、④生
物脱氮动力学设计、③生物除磷机制、③同时脱氮除磷工艺及相互影响（二）教学内容1.废水的脱氮与脱磷生物脱氮基本原理、生物脱氮动力学、生物脱磷基本原理2.生物脱氮和脱磷的影响因素温度、pH值与碱度、溶解氧、C/N和C/P值、污泥龄、水质的组成、其它影响因素3.生物脱氮系统工艺流程、污泥脱氮系统、膜法脱氮系统、进展及脱氮工艺的比较4.生物脱磷系统厌氧需氧活性污泥法脱磷系统、其他生物脱磷系统第十一章废水的脱氮与除磷目前造成水体的富营养化的主要两种元素-氮和磷（元凶和帮凶）。湖泊的富营养化过程也就是老化和消失的过程。由于人为因素，水体出现了明显的富营养化的现象。水体富营养化后将恶化水质、降低水资源的使用价值。废水脱氮（denitrification)和脱磷（phosphorousremoval）的方法很多，包括物理化学法、生物处理法和生物-化学联合处理法。本章主要介绍生物脱氮和生物脱磷方法。S11.1生物脱氮和脱磷的基本原理1.生物脱氮基本原理从反应类型分可分为氨的硝化作用和硝酸（或亚硝酸）的反硝化作用两种。硝化作用以氨为电子给体，以分于氧为电子受体，使氨从负三价（NH4+）转变为正三价（NO2)和正五价（N03）。但这只是改变了氮在水中的化台态，并没有降低水中氮的含量，这对于防止水体富营养化，并没有解决根本问题。反硝化作用则是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物（例如甲醇）为电子给体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成氮气从废水中释放出来。其还原代谢途径如图11-1所示。图11-1中的N2、N20均可以作为最终气体产物释放，但在废水处理中，N2是主要气体产物。从图11-1中可以看出，脱氮过程不需要分子氧，但需要供给反应过程所需要的氢。通常的废水处理系统是为了去除电子给体，而反硝化废水处理系统是为了去除电子受体。2
2 物脱氮动力学设计、⑤生物除磷机制、⑥同时脱氮除磷工艺及相互影响 （二）教学内容 1.废水的脱氮与脱磷 生物脱氮基本原理、生物脱氮动力学、生物脱磷基本原理 2.生物脱氮和脱磷的影响因素 温度、pH 值与碱度、溶解氧、C/N 和 C/P 值、污泥龄、水质的组成、其它影 响因素 3.生物脱氮系统 工艺流程、污泥脱氮系统、膜法脱氮系统、进展及脱氮工艺的比较 4.生物脱磷系统 厌氧需氧活性污泥法脱磷系统、其他生物脱磷系统 第十一章 废水的脱氮与除磷 目前造成水体的富营养化的主要两种元素-氮和磷（元凶和帮凶）。湖泊的 富营养化过程也就是老化和消失的过程。由于人为因素，水体出现了明显的富营 养化的现象。水体富营养化后将恶化水质、降低水资源的使用价值。 废水脱氮( denitrification)和脱磷（phosphorous removal）的方法很多，包括 物理化学法、生物处理法和生物-化学联合处理法。本章主要介绍生物脱氮和生 物脱磷方法。 §11.1 生物脱氮和脱磷的基本原理 1.生物脱氮基本原理 从反应类型分可分为氨的硝化作用和硝酸（或亚硝酸）的反硝化作用两种。 硝化作用以氨为电子给体，以分于氧为电子受体，使氨从负三价（NH4 +）转变 为正三价( NO2 - )和正五价( N03 - )。但这只是改变了氮在水中的化台态，并没有降 低水中氮的含量，这对于防止水体富营养化，并没有解决根本问题。反硝化作用 则是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物（例如甲醇）为电子给体，使硝酸盐中 的氮逐渐从正五价降到零价，形成氮气从废水中释放出来。其还原代谢途径如图 11-1 所示。图 11 -1 中的 N2、N20 均可以作为最终气体产物释放，但在废水处理 中，N2 是主要气体产物。从图 11 -1 中可以看出，脱氮过程不需要分子氧，但需 要供给反应过程所需要的氢。通常的废水处理系统是为了去除电子给体，而反硝 化废水处理系统是为了去除电子受体
+ 41H2NHOH-+2NH 2H,U+4H+ 4ET+ 4H2HNO,2HNOHON-NOH-2H02H0H.O++ 2HNO--HO图 11 - 1硝酸还原及脱氮的代谢途径1212.生物脱氮动力学目的在于求出硝酸盐氮电子受体和有机物电子给体两者对微生物比增殖率的关系，和需氧系统中氧为受体、有机物为给体的情况类似。不同的是有机物和硝酸盐两种浓度都可能成为微生物增殖率限制因素的情况。对于受两种底物浓度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：如果有两种低于饱和浓度的底物存在，那么这两种底物必将都影响微生物总的比增殖率。双底物模型有数种形式，常用的是由两个单一底物的Monod模型的乘积得来的，称为双Monod模型"(DoubleMonodModel)：maxpPN(11-1)μ=(K +p)(K +P)式中，K和P表示有机物的饱和常数和浓度；K和P为硝酸盐氮(NO3—N)的饱和常数和浓度。利用式(1l一1)可以在p和p的关系曲线图上确定出比增殖率μ的等值线。K(K +PN)因为将式（11-1）经变换后可得P和p的关系式为p=Hmex-1|-KONu(11-2)3.生物脱磷基本原理生物脱磷主要是利用聚磷菌（属于不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等）在厌氧条件下释放磷和在需氧条件下蓄积磷的作用。在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三磷酸腺苷(ATP)，聚磷菌利用ATP以主动运输方式将细胞外的有机物摄人细胞内，以聚β一羟基丁酸(PHB)及糖原等有机颗粒的形式存储在细胞内。聚磷菌在厌氧条件下释放出的磷，是利用ATP时的水解产物.反应式如下：ATP+H2O→ADP+H2PO4（11-3）3
3 2.生物脱氮动力学 目的在于求出硝酸盐氮电子受体和有机物电子给体两者对微生物比增殖率 的关系，和需氧系统中氧为受体、有机物为给体的情况类似。不同的是有机物和 硝酸盐两种浓度都可能成为微生物增殖率限制因素的情况。 对于受两种底物浓度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：如果有两种 低于饱和浓度的底物存在，那么这两种底物必将都影响微生物总的比增殖率。双 底物模型有数种形式，常用的是由两个单一底物的 Monod 模型的乘积得来的， 称为“双 Monod 模型”(Double Monod Model)： ( )( ) N N N K K + + • = max (11-1) 式中，K 和 表示有机物的饱和常数和浓度；KN 和 N 为硝酸盐氮(N03 -—N) 的饱和常数和浓度。 利用式(1l—1)可以在 和 N 的关系曲线图上确定出比增殖率 的等值线。 因为将式（11-1）经变换后可得 和 N 的关系式为 ( ) N N N N K K K − − + = 1 max (11-2) 3.生物脱磷基本原理 生物脱磷主要是利用聚磷菌（属于不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等） 在厌氧条件下释放磷和在需氧条件下蓄积磷的作用。 在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三磷酸腺苷(ATP)， 聚磷菌利用 ATP 以主动运输方式将细胞外的有机物摄人细胞内，以聚 β 一羟基 丁酸( PHB)及糖原等有机颗粒的形式存储在细胞内。聚磷菌在厌氧条件下释放出 的磷，是利用 ATP 时的水解产物．反应式如下：ATP+H2O→ADP+H2PO4 （11-3）
应当说明，这里所谓的厌氧（anaerobic）条件是指既无分子氧也无氧化态氮(NOx)，以区别于只无分子氧的厌氧或缺氧（anoxic）条件。在需氧条件下，储存有有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，同时产生大量的ATP，产生的ATP大部分当然是供给细菌合成和维持生命活动，一部分则用于合成磷酸盐蓄积在细菌细胞内。上述释放和过量吸收磷的过程，可通过图11一3形象地描述。图中△Ea为主动运输能量，△Em为维持生命活动能量，△Es为合成能量，AEp为合成聚合磷的能量。需氧状态厌氧状态1O,/NO,BODSO6MOm■E,ATPDATP-POPO2AE,AE.○有机物赖粒AE.AE.案磷颗粒图11-3聚磷菌释放和吸收磷的代谢过程S11.2生物脱氮和脱磷的影响因素因为采用的是生物影响因素，故此处影响影响因素也就是影响微生物活性的因素。1.温度生物活性与温度密切相关，温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从Arrhmius方程，但温度对反硝化速率的影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受温度的影响较小。一般地说，生物脱氨脱磷系统在5-一40℃温度范围内都能成功地运行。2.pH值与碱度硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜pH值分别是6-0~7.5、7.0~8.5和7.0~7.5，超出这些范围其活性迅速下降：特别是硝化菌对pH值的变化十分敏感因此生物脱氨系统最好是在6.5~8.0之间运行。在硝化反应中，理论上每氧化1g氨氮需消耗碱度7.14g（以CaCO3计），对于一般的废水，硝化所需碱度往往不够,必须补充以防止pH值降低。在反硝化过程中，理论上每还原Ig的4
4 应当说明，这里所谓的厌氧（anaerobic）条件是指既无分子氧也无氧化态氮 (NOx)，以区别于只无分子氧的厌氧或缺氧（anoxic）条件。 在需氧条件下，储存有有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行 有机物代谢，同时产生大量的 ATP，产生的 ATP 大部分当然是供给细菌合成和 维持生命活动，一部分则用于合成磷酸盐蓄积在细菌细胞内。 上述释放和过量吸收磷的过程，可通过图 11—3 形象地描述。图中△Ea 为主 动运输能量，△Em 为维持生命活动能量，△Es 为合成能量，AEp 为合成聚合磷 的能量。 §11.2 生物脱氮和脱磷的影响因素 因为采用的是生物影响因素，故此处影响影响因素也就是影响微生物活性的 因素。 1.温度 生物活性与温度密切相关．温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性 失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从 Arrhmius 方程，但温度对反硝化速 率的影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受 温度的影响较小。 一般地说，生物脱氨脱磷系统在 5—40℃温度范围内都能成功地运行。 2.pH 值与碱度 硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜 pH 值分别是 6-0~7.5、7.0~8.5 和 7.0~7.5，超出这些范围其活性迅速下降．特别是硝化菌对 pH 值的变化十分敏 感．因此生物脱氨系统最好是在 6.5~8.0 之间运行。在硝化反应中，理论上每氧 化 1 g 氨氮需消耗碱度 7.14g（以 CaCO3 计），对于一般的废水，硝化所需碱度 往往不够,必须补充以防止 pH 值降低。在反硝化过程中，理论上每还原 I g 的
NO3一N产生3.5g（以CaCO3计）的碱度.还可以补充硝化过程消耗的部分碱度。生物脱磷的适宜pH值大致是6.0一8.0。pH值的升高会引起吸磷量的少量增加，pH值的降低则会引起释磷量的大量增加。3.溶解氧硝化反应必须在需氧下进行，一般建议其溶解氧浓度为2.0mg/L。溶解氧浓度既影响消化反应速率，也影响其代谢产物。在低溶解氧条件不，业硝酸化毛杆菌将大量产生N2O等代谢产物。反硝化过程需要较为严格的缺氧条件，溶解氧含量不宜大于0.5mg/L，因为分子态氧不仅与硝酸盐竞争电子供体，而且会抑制硝酸盐还原酶的合成与活性。控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度不仅影响聚磷菌的释磷能力及其利用有机底物合成PHB的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生长受到抑制。所以厌氧段的溶解氧浓度应控制在0.2mg/L以下。在需氧段，为供给足够的溶解氧以维持聚磷菌的需氧呼吸，一般溶解氧浓度应控制在1.5—2.5mg/ L。4.C/N和C/P值为保证脱氮脱磷效果，脱氮系统的BODs/TKN应在4~6以上。脱磷系统中进水的BODs/TP至少应在15以上，一般应在20~305.污泥龄为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在反应器中的停留耐间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。一般建仪以脱磷为主要目的地系统的污泥龄宜控制在3.5—7d。6.废水水质的组成废水中有机底物的组成成分，特别是生物可降解性的成分，对生物脱磷系统的性能影响很大。在脱磷系统的厌氧区，聚磷菌传输短链挥发性脂肪酸进入细胞并储存它们合成乙酸盐。因此要提高脱磷系统的除磷效率，就要提高原水中挥发性脂肪酸在总有机底物中的比例，至少应提高可迅速降解有机底物的含量。7.其它影响因素生物脱氯和脱磷系统都涉及厌氧和缺氧过程，系统中的厌氧区或缺氧区不需要供氧，但使污泥处于悬浮态（悬浮生长系统）的搅拌是必需的。此外，因为是和用微生物脱氮和脱磷，所以废水中不能含超过容许的有毒有害物质。5
5 N03 -—N 产生 3.5g（以 CaC03 计）的碱度．还可以补充硝化过程消耗的部分碱度。 生物脱磷的适宜 pH 值大致是 6.0 一 8.0。pH 值的升高会引起吸磷量的少量 增加，pH 值的降低则会引起释磷量的大量增加。 3.溶解氧 硝化反应必须在需氧下进行，一般建议其溶解氧浓度为 2.0mg/L。溶解氧浓 度既影响消化反应速率，也影响其代谢产物。在低溶解氧条件下，亚硝酸化毛杆 菌将大量产生 N2O 等代谢产物。反硝化过程需要较为严格的缺氧条件，溶解氧 含量不宜大于 0.5 mg／L，因为分子态氧不仅与硝酸盐竞争电子供体，而且会抑 制硝酸盐还原酶的合成与活性。 控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度不仅影响聚磷菌的释磷能力及其 利用有机底物合成 PHB 的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生 长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂肪酸供聚磷菌使 用，造成聚磷菌的生长受到抑制。所以厌氧段的溶解氧浓度应控制在 0.2mg/L 以 下。在需氧段，为供给足够的溶解氧以维持聚磷菌的需氧呼吸，一般溶解氧浓度 应控制在 1.5—2.5 mg／L。 4.C/N 和 C/P 值 为保证脱氮脱磷效果，脱氮系统的 BOD5/TKN 应在 4~6 以上。脱磷系统中 进水的 BOD5/TP 至少应在 l5 以上，一般应在 20~30。 5.污泥龄 为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在 反应器中的停留耐间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。一般建仪以 脱磷为主要目的地系统的污泥龄宜控制在 3.5—7 d。 6.废水水质的组成 废水中有机底物的组成成分，特别是生物可降解性的成分，对生物脱磷系统 的性能影响很大。在脱磷系统的厌氧区，聚磷菌传输短链挥发性脂肪酸进入细胞 并储存它们合成乙酸盐。因此要提高脱磷系统的除磷效率，就要提高原水中挥发 性脂肪酸在总有机底物中的比例，至少应提高可迅速降解有机底物的含量。 7.其它影响因素 生物脱氯和脱磷系统都涉及厌氧和缺氧过程，系统中的厌氧区或缺氧区不需 要供氧，但使污泥处于悬浮态（悬浮生长系统）的搅拌是必需的。 此外，因为是和用微生物脱氮和脱磷，所以废水中不能含超过容许的有毒有 害物质