污水处理脱氮工艺概述

山西新科联环境技术有限公司2014.7脱氮工艺简介——工程技术咨询部Contents污水处理分类与方法1氮的生物去除原理2传统生物脱氮工艺3新型生物脱氮工艺4污水处理分类与方法按处理的程度一级处理(primary)：也叫初级处理，该过程只能除去废水中的大颗粒的悬浮物及漂浮物，很难达到排放标准。二级处理(secondary)：一般可以除去细小的或呈胶体态的悬浮物及有机物，一般能达到排放标准。三级处理(tertiary)，也称高级(advanced)处理：是在一级、二级处理的基础上，对难降解的有机物、氮、磷等营养性物质进行进一步处理。污水处理分类城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养化，影响饮用水水源。太湖的富营养化方法名称主要设备主要处理对象物理处理法格栅格栅除渣机去除浮渣调节调节池调峰、均质沉淀沉淀池悬浮物隔油隔油池油类过滤滤池、滤筛、滤布悬浮物、胶体物、油脂类气浮浮选池（罐）、溶气罐油、悬浮物等物理处理方法综合表方法名称主要设备主要处理对象化学处理法化学中和中和池、沉淀池溶解物化学沉淀加药装置、沉淀池溶解无机物氧化还原反应罐、沉淀池等溶解物ClO2氧化ClO2发生器反应池消毒、大分子有机物臭氧消毒臭氧发生器消毒、难降解有机物紫外消毒紫外灯组、光池消毒电解法电解槽溶解物化学处理方法综合表方法名称主要工艺主要设备主要处理对象活性污泥完全混合式、氧化沟、SBR、A/O、A2/O、氧化塘、人工湿地微生物、曝气池、沉淀池、污泥处理、消毒有机物、硫、氮、磷等生物膜生物滤池、接触氧化、生物转盘、反应池、沉淀器、过滤器有机物、硫、氮磷等厌氧处理普通厌氧、UASB高效厌氧消化池、有机物、氮、磷、硫等生物处理方法综合表氮的生物去除原理氮的生物去除废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。(1)生物脱氮机理生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。有机氮（蛋白质、尿素）细菌分解和水解氨氮同化有机氮有机氮（NH3-N）（细菌细胞）（净增长）O2硝化自溶和自身氧化亚硝态氮反硝化（NO2-）O2有机碳硝化硝态氮反硝化氮气（NO3-）（N2）有机碳缺氧缺氧322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNHa氨化反应：新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH水解细菌分解硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。O2H4H2NO3O2NH22亚硝酸菌24322NO2O2NO2硝酸菌总反应式为：OHH2NOO2NH2324硝化细菌32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNHb硝化反应：硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。硝化过程的影响因素：（a）好氧环境条件，并保持一定的碱度：硝化菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的NH3和NO2-在硝化反应过程中，释放H+，使pH下降，硝化菌对pH的变化十分敏感，为保持适宜的pH，应当在污水中保持足够的碱度，以调节pH的变化，lg氨态氮（以N计）完全硝化，需碱度（以CaCO3计）7.14g。对硝化菌的适宜的pH为8.0~8.4。硝化过程的影响因素：（b）混合液中有机物含量不应过高：硝化菌是自养菌，有机基质浓度并不是它的增殖限制因素，若BOD值过高，将使增殖速度较快的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势种属。（c）硝化反应的适宜温度是20~30℃，15℃以下时，硝化反应速度下降，5℃时完全停止。硝化过程的影响因素：（d）硝化菌在反应器内的停留时间，即生物固体平均停留时间（污泥龄）SRTn，必须大于其最小的世代时间（e）除有毒有害物质及重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有高浓度的NH4-N、高浓度的NOx-N、高浓度的有机基质、部分有机物以及络合阳离子等。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌总反应式为：c反硝化反应：反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47.0NOH.065C0HOHCH08.1NO22227533式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化还原和微生物合成的总反应式为：从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过程还原，4％经同化过程合成微生物。反硝化过程的影响因素：（a）碳源：能为反硝化菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可有下列三类：一是原污水中所含碳源；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因为甲醇被分解后的产物为CO2和H2O，不留任何难降解的中间产物；三是利用微生物组织进行内源反硝化。（b）pH：对反硝化反应，最适宜的pH是6.5~7.5。pH高于8或低于6，反硝化速率将大为下降。反硝化过程的影响因素：（c）DO浓度：反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧同时存在硝酸根离子和亚硝酸根离子的条件下，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组分，只有在有氧条件下，才能够合成。（d）温度：反硝化反应的最适宜温度是20~40℃，低于15℃反硝化反应速率最低。为了保持一定的反硝化速率，在冬季低温季节，可采用如下措施：提高生物固体平均停留时间；降低负荷率；提高污水的水力停留时间。微生物脱氮过程氨化硝化反硝化定义有机氮通过酶和微生物作用下释放氨的过程微生物将氨氧化成亚硝酸盐，进一步氧化成硝酸盐硝态氮在反硝化细菌作用下还原成氮气微生物细菌霉菌亚硝化菌硝化菌反硝化菌条件异养微生物：芽孢杆菌、节杆菌、木霉、曲霉、青霉等以HCO3-为碳源，自养；硝化反应消耗碱度，pH下降；耗氧4.2g/g（NH4+-NO3-）。O2作为电子供体。异养兼性厌氧细菌，缺氧条件下反应；有机物作为电子供体，硝酸盐（亚硝酸盐）作为电子受体。传统脱氮工艺传统脱氮工艺将含碳有机物的去除和氨化、硝化及反硝化在三个池中独立进行。传统脱氮工艺有机物去除和硝化过程两个生化反应在一个系统中进行,就三段式生物脱氮工艺简化为两段式生物脱氮工艺传统脱氮工艺传统脱氮工艺存在的问题•反硝化过程产生的碱度不能够被利用,使得硝化过程容易出现碱度不足而需要投加碱度;•同时后置反硝化时需要投加外碳源,造成运行费用增加。前置反硝化脱氮工艺80年代后期出现了前置反硝化工艺,即将反硝化区域设置在系统前端,通过设置消化液回流为反硝化提供硝态氮。前置反硝化生物脱氮工艺(简称A/O工艺),又称MLE(ModifiedLudzak-Ettinger)工艺,如图1-5所示。前置反硝化脱氮工艺优点•有机碳源可以充分用于反硝化作用,减少外碳源的投加量;•反硝化产生的碱度可以在后续硝化阶段被利用,从而减少硝化区域的碱投加量;•原水中的有机物在缺氧区通过反硝化作用去除,减少了好氧区有机物氧化所需的氧气量。前置反硝化脱氮工艺缺点•增加了硝化液回流,增加了运行费用;因硝化液回流比不可能太高,使得系统出水中含有硝态氮,使系统TN去除率难以提高A2O脱氮工艺反硝化池厌氧硝化池/去除BOD\氨氮好氧污水内回流(硝化液)外回流(污泥回流)排泥排水反硝化池缺氧原水分段进去各段缺氧区,从而使得原水中的碳源可以充分用作反硝化碳源;由于原水分段进入各段,使得系统前后污泥浓度形成一定的梯度,前端高污泥浓度可以提高系统的抗冲击能力;同时分段进水工艺无需硝化液回流,使得该工艺的运行费用降低。传统脱氮工艺存在的问题•1、工艺流程长，占地面积大（传统工艺认为硝化、反硝化不能同时进行）。•2、硝化菌群繁殖速度慢，且难以维持较高浓度，需要较大曝气池，费用高。•3、需进行污泥和硝化液回流，动力成本高。•4、系统抗冲击能力弱，高浓度NH3-N和NO2-会抑制硝化菌生长。•5、硝化过程产酸，需投加碱中和。新型脱氮工艺新型生物脱氮技术•近年来，许多研究表明：•硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；•反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件下进行；•许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌（Thiosphaerapantotropha），能把NH4+氧化成NO2-后直接进行反硝化。新型脱氮工艺生物脱氮技术的发展，突破了传统理论的认识，产生了一些新型生物脱氮技术。下面几种主要的新型脱氮工艺1、半硝化工艺（SHARON）2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（SHARON–ANAMMOX）4、生物膜内自养脱氮工艺（CANON）SHARON工艺将亚硝酸盐氧化菌NOB从反应器中淘洗掉，使反应器内AOB增长速率大于NOB的增速率,通过确定合适的污泥停留时间,通过排除剩余污泥的方式将反应器内的NOB逐渐淘洗出去SHARON工艺•荷兰Hellinga等在1998年提出了一种高温高氨氮废水短程硝化处理技术——SHARON(SinglereactorHighactivityAmmoniumRemovalOverNitrite)工艺。该技术是将高氨氮废水在一个完全混合式反应器中处理,运行温度为35℃左右,污泥停留时间SRT等于水力停留时间HRT。厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）是有荷兰Delft大学在20世纪90年代开发的一种新型脱氮工艺。指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。发生的反应为：厌氧氨氧化的化学计量方程式：厌氧氨氧化的发现早在1977年，Broda就做出了自然界应该存在反硝化氨氧化菌（denitrifyingammoniaoxidizers）的预言。1994年Kuenen发现某些细菌在硝化、反硝化中利用NO2-或NO3-作电子受体，将NH4+氧化成N2和气态氮化物。1995年Mulder等发现了氨氮的厌氧生物氧化现象。StraousM.等用生物固定床和流化床反应器研究了厌氧氨氧化污泥，表明氨氮和硝态氮去除率分别高达82%和99%。厌氧氨氧化研究历史厌氧氨氧化菌(anaerobicammoniumoxidation,Anammox)是一类细菌，属于浮霉菌门，“红菌”是业内对厌氧氨氧化菌的俗称，通过生物化学反应，它们可以将污水中所含有的氨氮转化为氮气去除。它们对全球氮循环具有重要意义，也是污水处理中重要的细菌。自然界anammox菌的发现2001年12月，生化学家MarcelKuypers在黑海85-100m深处发现了厌氧氨氧化菌。•发生厌氧氨氧化的前提条件是氨和亚硝酸盐同时存在,且不存在氧。•在自然生态系统中,由于氧供应不足或电子供体有限,常常发生氨氧化成亚硝酸盐或硝酸盐还原成亚硝酸盐的情况。在湖泊底泥和海洋沉积物的好氧/缺氧界面上,氨和亚硝酸常常共存,它们是