第十五章 城市污水深度处理(2010)

第十五章城市污水深度处理---生物脱氮除磷工艺概述生物脱氮工艺与技术生物除磷工艺与技术同步脱氮除磷工艺AdvancedTreatmentofMunicipalSewage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，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。第一节脱氮、除磷化学方法一、营养元素的危害城市污水传统的二级处理法，其功能是去除污水中呈溶解性的有机物。至于氮、磷只能去除细菌细胞由于生理上的需要而摄取的数量，一般氮的去除率为20%~40%，而磷的去除率仅为5%~20%。一、营养元素的危害①氨氮会消耗水体中的溶解氧；②氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气，增加氯的用量；③含氮化合物对人和其它生物有毒害作用：1)氨氮对鱼类有毒害作用；2)NO3和NO2可被转化为亚硝胺——一种“三致”物质；3)水中NO3高，可导致婴儿患变性血色蛋白症—“Bluebaby”；④加速水体的“富营养化”过程。氮、磷的危害水体富营养化：是由于氮、磷等植物营养物的排入引起水体中藻类大量繁殖的现象。在湖泊、水库等淡水区域水体富营养化主要表现为绿藻和蓝藻的大量生长，也称水华现象；在河口、海湾等区域的水体富营养化会导致红藻等藻类的大量繁殖，也称为赤潮现象。氮在水中的存在形态与分类N无机NNOx--N(硝态氮)TKN(凯氏氮)总N(TN)NH3-NNO3-NNO2-N有机N（尿素、氨基酸、蛋白质）生活污水中氮的分布新鲜生活污水中NNO3-N40%有机氮60%可降解转化二、脱氮的化学方法1）氨氮的吹脱法：调节pH值沉淀池吹脱塔出水排泥进水石灰或石灰乳吹脱法脱氨工艺流程废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：OHNHOHNH423技术关键点这一平衡受pH的影响，pH为10.5～11.5时，因废水中的氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH提高至10.5～11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行。2）折点加氯法去除氨氮：含氨氮的水加氯时，有下列反应：ClHHOClOHCl22OHHClNHHOClNH224O2HHNHCl2HOClNH224O3H3Cl5HN3HOCl2NH224O3HHNCl3HOClNH234每mgNH4+-N被氧化为氮气，至少需要7.5mg的氯。加氯反应池活性炭吸附塔NaOCl进水出水3）选择性离子交换法去除氨氮：采用斜发沸石作为除氨的离子交换体。与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。澄清或过滤沸石离子交换床出水再生液脱氮NH3或N2进水磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。含磷化合物有机磷有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等无机磷磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-)、磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－)、三磷酸盐(P3O105-)、三磷酸氢盐(HP3O92-)三、污水中磷的化学方法去除一般城市污水水质与排放要求常规活性污泥法的微生物同化和吸附；项目进水水质/（mg·L-1）国家排放标准/（mg·L-1）一级A一级BCODcr250~3005060BOD5100~1501020SS150~2001020TKN(NH3-N)35（25）5（8）8（15）TP5~611.5如何去除以达到排放标准？生物强化除磷；投加化学药剂除磷。城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002基本控制项目一级标准二级标准三级标准A标准B标准化学需氧量（COD）5060100120①生化需氧量（BOD5）10203060①悬浮物（SS）10203050总氮（以N计）1520——氨氮（以N计）②5（8）8（15）25（30）—总磷（以P计）2005年12月31日前建设的11.5352006年1月1日起建设的0.5135注：①下列情况下按去除率指标执行：当进水COD大于350mg/L时，去除率应大于60%；BOD大于160mg/L时，去除率应大于50%。②括号外数值为水温120C时的控制指标，括号内数值为水温≤120C时的控制指标单位:mg/L地表水环境质量标准GB3838-2002标准值分类项目ⅠⅡⅢⅣⅤ化学需氧量（COD）1515203040五日生化需氧量(BOD5)334610氨氮(NH3-N)0.150.51.01.52.0总磷(以P计)0.02(湖、库0.01)0.1(湖、库0.025)0.2(湖、库0.05)0.3(湖、库0.1)0.4(湖、库0.2)总氮(湖、库，以N计)0.20.51.01.52.0单位:mg/L除磷的化学方法（混凝沉淀法）1）铝盐除磷:Al3++PO43+羟磷灰石一般用Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2）2）铁盐除磷：FePO4、Fe(OH)3一般用FeCl2、FeSO4或FeCl3、Fe2(SO4)33）石灰混凝除磷:OHPOOHCaHPOOHCa23452423))((345AlPO4第二节废水生物脱氮的基本原理一、生物脱氮的基本过程：①氨化(Ammonification)—含氮有机物，在生物处理过程中被（好氧或厌氧）异养微生物氧化分解为氨氮；②硝化(Nitrification)—由好氧自养硝化菌将氨氮转化为NO2和或NO3；③反硝化(Denitrification)—缺氧条件下，在异养反硝化菌的作用下将NO2和NO3还原转化为N2。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）有机碳二、硝化反应（Nitrification）●分为两步：●由两组自养型硝化菌分步完成：①氨氧化细菌，或亚硝化细菌（Nitrosomonas）；②亚硝酸盐氧化细菌，或硝化细菌（Nitrobacter）24NONH32NONO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硝化细菌硝化细菌是化能自养菌，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L，多数学者建议溶解氧应保持在1.2~2.0mg/L。。32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNH反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌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。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌总反应式为：三、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：（1）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：①原污水中所含碳源，对于城市污水，当原污水BOD5/TKN3~5时,即可认为碳源充足；②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；③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。（c）溶解氧浓度：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。这样，反硝化反应宜于在缺氧、好氧条件交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/L以下。（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。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。四、生物脱氮工艺1、三段生物脱氮工艺将有机物氧化、硝化以及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。传统活性污泥法脱氮工艺优点：氨化、硝化、反硝化是在各自的反应器中进行，反应速率快且较彻底；缺点：处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。两级生物脱氮工艺2、Bardenpho生物脱氮工艺设立两个缺氧段，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。为进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。巴颠甫脱氮除磷工艺流程第一厌氧反应器首要功能是脱氮第二功能是污泥释放磷第二厌氧反应器脱氮,释放磷第一好氧反应器硝化，吸收磷第二好氧反应器吸收磷，硝化，去除BOD沉淀池，主要功能是泥水分离综上，各反应单元都有其首要功能,脱氮90%,除磷率90%工艺功能3、缺氧—好氧（A/O）生物脱氮工艺：80年代初开发的工艺，又称为：前置式反硝化生物脱氮系统，使目前较为广泛采用的一种脱氮工艺，脱氮效率一般在70%左右，但是出水有一定浓度的硝酸盐，在二沉池中，可能进行反硝化反应，造成污泥上浮。(Anoxic)-(Oxic)3、缺氧——好氧生物脱氮工艺：该工艺将反硝化段设置在系统的前面，又称前置式反硝化生物脱氮系统。反硝化反应以水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量的硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。合建式缺氧－好氧活性污泥法脱氮工艺4、同步硝化反硝化工艺（SND）分类：1）硝化、反硝化在不同区域内进行，如：氧化沟（Orbal），人工湿地（CW）2）硝化、反硝化在不同时间内进行，如：SBR（脱氮除磷）原理：1）反应器DO分布不均匀理论；2）缺氧微环境理论；3）微生物学解释。5、氧化沟生物脱氮工艺五、生物强化除磷工艺利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存；另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚β-羟基丁酸)的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。厌氧环境中：生物除磷原理霍米尔（Holmers）利用聚磷菌一类的微生物，能够过量的，在数量上超过其生理需要，从外部摄取磷，并将磷以聚合形式贮藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中