2025年大学《生物技术》专业题库- 脱氮除磷的生物技术处理策略

2025年大学《生物技术》专业题库——脱氮除磷的生物技术处理策略考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题选项中，只有一项符合题意要求）1.下列哪一项不是生物脱氮过程中微生物必需的元素？A.氮(N)B.碳(C)C.磷(P)D.氧(O)2.在生物脱氮过程中，将氨氮(NH₄⁺-N)氧化为一氧化氮(NO)的过程称为：A.反硝化B.短程硝化C.硝化D.厌氧氨氧化3.生物脱氮过程中，反硝化作用通常发生在：A.充氧的好氧区B.缺氧的厌氧区C.缺氧的厌氧-缺氧过渡区D.溶解氧充足的表面区域4.下列哪种微生物过程能够在低氧（厌氧）条件下将氨氮直接转化为氮气(N₂)？A.短程硝化反硝化B.同步硝化反硝化C.厌氧氨氧化D.溶解性铁还原5.对于生物除磷（BPR），聚磷菌(PB)在厌氧条件下会：A.释放磷B.吸收大量磷C.仅进行硝化作用D.仅进行反硝化作用6.在生物除磷工艺中，提高污水污泥的F/M比例通常旨在：A.促进硝化作用B.抑制聚磷菌生长C.促进聚磷菌摄磷D.减少污泥产量7.下列哪种工艺通常被认为是一种“能量自给”或“能量负消耗”的脱氮工艺？A.传统的好氧硝化反硝化B.厌氧氨氧化C.化学沉淀除磷D.生物膜法除磷8.在设计生物处理工艺时，控制C/N比的主要目的是：A.促进污泥沉降B.确保充足的碱度C.满足反硝化所需的碳源D.提高系统的缓冲能力9.生物膜法处理污水相比活性污泥法，在除磷方面通常具有的优势是：A.对pH变化更敏感B.聚磷菌不易富集C.污泥膨胀风险更高D.更易于实现高效生物除磷10.以下哪项措施不利于提高生物脱氮效率？A.优化碳源投加B.精确控制溶解氧浓度C.保持较高的污泥龄D.在厌氧区进行硝化反应二、填空题（每空2分，共20分）1.生物脱氮通常包括______、______和______三个主要阶段。2.生物除磷的关键是培养和富集能够大量摄磷的______菌群。3.影响生物脱氮效果的关键环境因素包括______、______、pH和碳源。4.在厌氧氨氧化过程中，亚硝酸盐氮(NO₂⁻-N)并不是必需的中间产物。5.为了实现高效的生物除磷，生物处理系统通常需要设置______区和______区。6.某污水的BOD₅浓度为200mg/L，总氮浓度为50mg/L，其碳氮比(C/N)为______。7.在短程硝化反硝化工艺中，硝化作用被控制在亚硝酸盐氮积累阶段，通常通过控制______条件来实现。8.污泥龄是生物处理工艺的重要参数，它主要影响______的积累和______的去除效率。9.膜生物反应器(MBR)结合了生物处理和______技术，可以实现高效的固液分离。10.高盐度或高氯离子浓度对生物脱氮除磷过程的主要抑制作用之一是______。三、名词解释（每小题3分，共15分）1.短程硝化2.同步硝化反硝化(SND)3.聚磷菌(PB)4.F/M比例5.厌氧氨氧化(Anammox)四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述硝化作用的过程及其对水体的影响。2.简述生物除磷的原理。3.简述溶解氧(DO)浓度在生物脱氮过程中的作用及其变化规律。4.简述C/N比对生物脱氮过程的重要性。五、论述题（每小题10分，共30分）1.论述同步硝化反硝化(SND)工艺的原理、优势以及实现条件。2.论述厌氧氨氧化(Anammox)工艺相比于传统硝化反硝化工艺的主要优点。3.某城市污水厂处理能力为10万m³/d，进水水质为：BOD₅=200mg/L，TN=70mg/L，TP=8mg/L。试简述你会如何设计或调整该厂的生物处理工艺，以满足出水要求（例如：BOD₅<20mg/L，TN<15mg/L，TP<1mg/L），并说明设计或调整的关键点。六、方案设计题（15分）针对某工业废水，其水质特点为：COD浓度高（3000mg/L），氨氮浓度高（250mg/L），总磷浓度较高（15mg/L），且碳源不足（BOD₅/COD比较低，约为0.1）。试设计一个生物处理方案，使其能够有效去除COD、氨氮和总磷。请简述方案组成、关键工艺参数的考虑以及运行控制要点。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.C5.A6.C7.B8.C9.D10.D二、填空题1.硝化，反硝化，厌氧氨氧化2.聚磷3.溶解氧，温度，碳源4.化学计量5.厌氧，好氧6.4:17.进水碳源浓度，温度8.微生物，内源碳9.膜分离10.毒性抑制三、名词解释1.短程硝化：指通过控制运行条件（如较低温度、限制氧气供应），使硝化过程在亚硝酸盐氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮后即停止，从而积累高浓度的亚硝酸盐氮的过程。2.同步硝化反硝化(SND)：指在同一个反应器内、同一时间或空间连续区域，硝化作用和反硝化作用几乎同时发生，利用进水中的部分有机碳或内源碳将氨氮同步转化为氮气的工艺。3.聚磷菌(PB)：一类能在特定环境条件下（如厌氧/好氧交替环境）大量吸收并积累磷（P含量远高于普通细菌）的微生物。4.F/M比例：指单位重量污泥在单位时间内所摄入的有机物量（Food），通常用BOD或COD表示，与污泥重量（M）的比值，是反映污泥负荷的指标。5.厌氧氨氧化(Anammox)：指在厌氧条件下，亚硝酸盐氮(NO₂⁻-N)与氨氮(NH₄⁺-N)通过特异性微生物（如亚硝化单胞菌属）的作用，直接反应生成氮气(N₂)的过程。四、简答题1.简述硝化作用的过程及其对水体的影响。解析思路：首先回答硝化作用是两个连续的生化反应，由不同微生物完成。第一个反应是氨氮在氨氧化细菌（AOB）作用下，被氧化为亚硝酸盐氮，需氧气和碱度；第二个反应是亚硝酸盐氮在亚硝酸盐氧化细菌（NOB）作用下，被氧化为硝酸盐氮，需更高氧气浓度。硝化作用消耗水中的碱度（产生H⁺），增加COD。其影响包括：消耗氧气，可能加剧好氧区缺氧；产生碱度，影响pH；是生物脱氮的前提；NOB消耗大量溶解氧，影响生物除磷效果。2.简述生物除磷的原理。解析思路：核心是聚磷菌（PB）的特性。在厌氧条件下，聚磷菌利用易降解有机物进行异化代谢，释放胞外聚合物（EPS），并释放出体内储存的大量磷（远超其生长需求）。随后在好氧条件下，聚磷菌进入合成代谢期，摄取远超其自身生长所需（常为正常生长需求的5-10倍）的磷，并将其储存在细胞内，导致出水中磷浓度大幅降低。3.简述溶解氧(DO)浓度在生物脱氮过程中的作用及其变化规律。解析思路：DO是关键控制参数。好氧区（>2mg/L）进行硝化作用（消耗DO），将氨氮转化为硝酸盐氮。缺氧区（<0.5mg/L）进行反硝化作用（不消耗DO，甚至产生少量DO），利用硝酸盐氮和有机碳（或内源碳）转化为氮气。厌氧区（0mg/L）进行磷的释放和厌氧氨氧化（不消耗DO）。因此，DO浓度沿水流方向或垂直分布呈现好氧>缺氧>厌氧的变化规律，精确控制DO是实现不同生物过程的保障。4.简述C/N比对生物脱氮过程的重要性。解析思路：反硝化作用需要消耗碳作为电子供体来还原硝酸盐。如果进水碳源不足（C/N比低），反硝化作用将受限，导致氨氮转化率低，出水氨氮和硝酸盐氮浓度升高，脱氮效率下降。因此，必须保证足够的碳源（通常要求C/N比大于4:1，甚至更高），以满足反硝化需求，实现高效脱氮。五、论述题1.论述同步硝化反硝化(SND)工艺的原理、优势以及实现条件。解析思路：原理：SND是在好氧条件下，硝化细菌将部分氨氮氧化为亚硝酸盐氮，同时，反硝化细菌（通常与硝化细菌共存或快速迁移）利用好氧区产生的亚硝酸盐氮和进水中的易降解有机碳（或内源碳），同步将氨氮转化为氮气。关键在于亚硝酸盐氮在未完全氧化为硝酸盐氮前就被反硝化消耗。优势：可实现更高的氨氮去除率（理论上可达100%）；节省能耗（相比传统硝化反硝化，无需单独的反硝化缺氧区）；减少污泥产量（部分碳用于反硝化）；占地面积可能更小。实现条件：精确控制溶解氧浓度（维持在较低水平，如0.5-1.0mg/L，仅够硝化，不足以完全氧化亚硝酸盐）；维持较高的污泥龄（提供足够的硝化细菌）；保证充足的碳源（即使较低C/N比也可实现）；合适的pH和温度；避免剧烈的扰动。2.论述厌氧氨氧化(Anammox)工艺相比于传统硝化反硝化工艺的主要优点。解析思路：优点主要体现在环境友好性和经济性方面。首先，能耗极低，因为过程在厌氧条件下进行，无需曝气供氧，与传统需要大量能源进行曝气的硝化反硝化相比，大大降低了运行成本。其次，污泥产量极低，根据化学计量关系，每去除1kg氨氮仅产生约0.5kg污泥（相比传统硝化反硝化产生约2kg），这减少了后续污泥处理处置的负担和成本。再次，对碳源要求低，可以在低C/N比的条件下运行（理论上C/N比可达1:1，实际工程中约1.6:1-4:1），适用于处理缺碳废水。最后，过程相对简单，通常在一个反应器内完成，无需复杂的曝气/厌氧分区。主要挑战在于对运行条件（pH、温度、碱度）较敏感，对抑制剂（如硫酸盐）敏感，且启动相对较慢。3.某城市污水厂处理能力为10万m³/d，进水水质为：BOD₅=200mg/L，TN=70mg/L，TP=8mg/L。试简述你会如何设计或调整该厂的生物处理工艺，以满足出水要求（例如：BOD₅<20mg/L，TN<15mg/L，TP<1mg/L），并说明设计或调整的关键点。解析思路：分析进水与出水目标差距：BOD₅需降低90%，TN需降低78%，TP需降低87.5%。显然，仅靠常规的好氧处理难以满足要求，特别是脱氮和除磷。设计/调整方案：1.强化脱氮：必须确保足够的碳源和污泥龄，并设置独立的脱氮单元。考虑采用：*增加内回流（从二沉池回至厌氧区或前段好氧区）提高碳源利用率。*延长污泥龄（降低污泥排放率）。*若碳源仍不足，考虑投加外部碳源（如乙酸钠、甲醇）。*若现有工艺为传统A²/O，需确保各区功能完善，DO梯度合理。若条件允许，可考虑升级为短程硝化反硝化（降低能耗）或增加Anammox工艺段。2.强化除磷：必须设置有效的生物除磷（BPR）单元。考虑采用：*在好氧段前端设置厌氧区，为聚磷菌提供磷释放条件。*优化好氧区溶解氧浓度，维持在较低水平（1-2mg/L）促进磷的再次吸收。*确保聚磷菌在活性污泥中的比例足够高（通常>10-15%）。*若TP仍偏高，考虑结合化学除磷（投加铁盐或铝盐）。关键点：*碳源保障：评估现有进水BOD₅/COD₄或BOD₅/TN比值，若偏低，必须强化或补充碳源。*工艺流程优化/改造：可能需要增加厌氧区、优化各功能区尺寸和DO控制、延长污泥龄、考虑引入新型脱氮技术（如SND,Anammox）或强化BPR。*运行参数精细调控：精确控制各段DO、水温、pH、F/M比、内回流比等。*污泥管理：确保足够的污泥龄以培养和富集功能菌种。六、方案设计题针对某工业废水，其水质特点为：COD浓度高（3000mg/L），氨氮浓度高（250mg/L），总磷浓度较高（15mg/L），且碳源不足（BOD₅/COD比较低，约为0.1）。试设计一个生物处理方案，使其能够有效去除COD、氨氮和总磷。请简述方案组成、关键工艺参数的考虑以及运行控制要点。解析思路：面对高COD、高氨氮、高磷且碳源不足的工业废水，需重点解决碳源不足和高效除磷的问题。方案设计如下：方案组成：采用“厌氧-好氧-厌氧”（A²-O²-A或类似序批式策略）的生物处理工艺，具体可构建设计为：1.厌氧区（或缺氧/厌氧前置区）：首先设置一个厌氧区或与好氧区分隔的前置厌氧段。主要目的：*为聚磷菌（PB）提供厌氧环境，诱导其释放体内储存的大量磷，降低进是好氧段的磷负荷。*通过厌氧氨氧化（Anammox）过程，利用高浓度的氨氮和相对有限的硝酸盐（可来自好氧区或少量内源释放），直接去除部分氨氮，节省碳源。2.好氧区（生物脱氮除磷核心区）：设置好氧生物反应区。主要目的：*进行硝化作用，将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。*在适宜的DO和C/N条件下，聚磷菌吸收远超生长需求的磷。*利用好氧微生物降解部分有机物。3.后置厌氧区（可选但推荐）：在好氧区之后再次设置一个厌氧区。主要目的：*进一步为聚磷菌提供厌氧释磷条件，确保除磷效果。*为剩余的亚硝酸盐氮和少量有机碳提供厌氧氨氧化环境，实现更彻底的脱氮，进一步节省碳源。关键工艺参数的考虑：1.碳源强化：由于BOD₅/COD比低，必须投加外部碳源。可在厌氧区或好氧区前端投加，如投加乙酸钠，确保满足反硝化和聚磷菌摄磷所需的碳需求。计算所需碳源量需基于剩余氨氮、总氮、总磷的去除目标。2.C/N比：即使投加碳源，也需确保整个好氧区（包括内回流带入的碳）有足够的C/N比（通常要求>4:1，甚至更高）来支持反硝化。后置厌