第二十章-生物除氮

2020/5/21河北科技大学环境科学与工程学院第二十章污水的厌氧生物处理第一节厌氧生物处理的基本原理第二节污水的厌氧生物处理方法第三节厌氧生物处理法的设计第四节厌氧和好氧技术的联合运用2020/5/22河北科技大学环境科学与工程学院第一节概述2020/5/23河北科技大学环境科学与工程学院第一节概述城市污水经传统的二级处理以后，绝大部分悬浮固体和溶解性、胶溶性的有机物被去除，应达到相关的标准要求。随着不断发展的环境保护和水资源利用的需要，国家相关的新标准不断出台。目前，常用的标准有：（1）《污水综合排放标准》GB8978－1996（2）《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002（3）《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T18920-20022020/5/24河北科技大学环境科学与工程学院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时的控制指标城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-20022020/5/25河北科技大学环境科学与工程学院第一节概述《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求出水氨氮为5（8）mg/L（一级A）和8（12）mg/L（一级B）；总磷0.5mg/L（一级A）,1.0mg/L（一级B）(括号内数值为水温≤12℃)《城市污水再生利用城市杂用水水质》要求景观环境用水的再生水水质氨氮5mg/L，总磷0.5mg/L。6补充：标准分级：1.一级标准的A标准是城镇污水处理厂出水作为回用水的基本要求。当污水处理厂出水引入稀释能力较小的河湖作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的A标准。2.城镇污水处理厂出水排入GB3838地表水Ⅲ类功能水域(划定的饮用水水源保护区和游泳区除外）、GB3097海水二类功能水域和湖、库等封闭或半封闭水域时，执行一级B标准。3.城镇污水处理厂出水排入GB3838地表水Ⅳ、Ⅴ类功能水域或GB3097海水三、四类功能海域，执行二级标准。2020/5/27河北科技大学环境科学与工程学院第一节概述当污水处理的出流标准是某些特定的污染物时，则处理工艺常称为深度处理。例如为了防止水体水质富营养化，出流污水需进行脱氮除磷。若是全面提高出水水质，则可称为三级处理2020/5/28河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮2020/5/29河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮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。在生活污水中，主要含有有机氮和氨态氮，它们均来源于人们食物中的蛋白质。除氮方式①化学法除氮②生物法脱氮2020/5/210河北科技大学环境科学与工程学院1.化学法除氮主要用于工厂内部治理：吹脱法折点加氯法离子交换法第二节除氮2020/5/211河北科技大学环境科学与工程学院（1）吹脱法废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：NH3+H2ONH4++OH这一平衡受pH值的影响，pH为10.5-11.5时，因废水中的氨呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH值提高至10.5-11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行，塔的构造如小图所示。第二节除氮2020/5/212河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮2020/5/213河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮该过程受温度的影响较大，随温度的降低，为达到同样处理效果所需的空气量迅速增加，见图18-22020/5/214河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮（2）折点加氯法含氨氮的水加氯时，有下列反应：Cl2+H2OHOCl+H+ClNH4+HOClNH2Cl+H+H2ONH4+2HOClNHCl2+H+2H2O2NH4+3HOClN2+5H+3Cl+3H2O在净水工程中，称氯胺为化合余氯，次氯酸为余氯，均有杀菌作用。图18—3示含氨氮水的加氯曲线。图中余氯曲线出现A、B二个转折点。A点称峰点，A点前余氯基本上是氯胺，B点称折点，折点后余氯基本上是自由氯(游离氯)。加氯脱氮时采用的加氯量应以折点相应的加氯量为准。2020/5/215河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮2020/5/216河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮（3）离子交换法用离子交换法去除氨氮时，常用天然的离子交换剂，如沸石等。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。采用合成树脂，预处理工序和再生系统均较复杂，且树脂寿命短，应用上受到一定的限制。RNa+NH4+RNH4+Na+常用的离子交换剂有：沸石、合成树酯等。2020/5/217河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮在微生物的作用下，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。第二节除氮2020/5/218河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮（1）氨化反应第二节除氮2020/5/219河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮（2）硝化反应第二节除氮NH4++2O2NO3-+H2O+2H+-△F（△F=351kj）NH4++3/2O2NO2-+H2O+2H+-△（△F=278.42kj）NO2-+1/2O2NO3-△F（△F=72.27kj)硝化菌亚硝化菌2020/5/220河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮（1）氨化反应第二节除氮COOHRCHNH2322NHCORCOOHO32NHRCOOHOH32NHRCOOHH氧化脱氨基水解脱氨基还原脱氨基氨态氮NH3及NH4+等硝酸盐氮NO3-N1g氨氮氧化需氧4.57gNO2-N亚硝酸盐氮亚硝化菌硝化菌需氧3.43g需氧1.14g硝化反应是产酸过程kJOHHNOONH27625.12224kJNOONO27.7221322kJHOHNOONH315222324第二节除氮（2)硝化反应氮的氧化还原态-Ⅲ铵离子NH4+-Ⅱ-Ⅰ羟胺NH2OH0+Ⅰ硝酰基NOH+Ⅱ+Ⅲ亚硝酸盐NO2-+Ⅳ+Ⅴ硝酸盐NO3-Nutrisimonas亚硝化菌Nitrobacter硝化菌硝化反应过程中氮的转化及价态的变化2020/5/223河北科技大学环境科学与工程学院亚硝化菌和硝化菌的基本特征第二节除氮项目亚硝化菌硝化菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸（μm）1×1.50.5×1.0革兰氏染色阴性阴性世代期（h）8~3612~59自养性专性兼性需氧性严格好氧严格好氧最大比增长速率μm·h-10.04~0.080.02~0.06产率系数Y(mg细胞/基质mg)0.04~0.130.02~0.07饱和常数K（mg/L）0.6~3.60.3~1.72020/5/224河北科技大学环境科学与工程学院影响硝化的因素:硝化菌——亚硝酸菌和硝酸菌的统称;硝化菌属于化能自养菌，革兰氏染色阴性，可生芽孢的短杆状细菌①溶解氧——氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/l硝化需氧量（NOD）——4.57g(氧)/g（N）②碱度——7.1g碱度（以CaCO3计）/1g氨态氮（以N计）,一般碱度不低于50mg/l③PH——对PH变化敏感（硝化菌),最佳值8.0-8.4,效率最高第二节除氮2020/5/225河北科技大学环境科学与工程学院影响硝化的因素:④温度——适应20-30℃，15℃时硝化速度下降，低于5℃完全停止⑤有机物——BOD应低于15-20mg/l⑥污泥龄（SRT）——微生物在反应器内的停留时间（θc）N(θc)Nmin，硝化菌最小的世代时间θc)Nmin⑦抑制物质重金属高浓度NH4+—N，高浓度NOx-—N有机物、络合物阳离子第二节除氮2020/5/226河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮（3）反硝化反应第二节除氮反硝化反应——指NO3—N和NO2—N在反硝化菌的作用下，还原成气态N2的过程。2020/5/227河北科技大学环境科学与工程学院2.生物法脱氮（3）反硝化反应第二节除氮反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌；以NO3—N为电子受体，以有机碳为电子供体，不能释放更多的ATP，合成的细胞物质较少。污水中的碳源，BOD5/T—N3-5时，勿需外加外加碳源，CH3OH（反硝化速率高生成CO2+H2O），当BOD5/T—N3-5时适当的PH值（6.5-7.5）——主要的影响因素PH8，或PH6，反硝化速率下降2020/5/228河北科技大学环境科学与工程学院生物脱氮反应过程各项生化反应特征生化反应类型去除有机物（好氧分解）硝化反硝化亚硝化硝化微生物好氧菌和兼性菌（异养型细菌）Nitrosomonas自养型细菌Nitrobacter自养型细菌兼性菌异养型细菌能源有机物化学能化学能有机物氧源(H受体)O2O2O2NO3-NO2-溶解氧1—2mg/l以上2mg/l以上2mg/l以上0—0.5mg/l碱度没有变化氧化1mgNH4+-N需要7.14mg的碱度没有变化还原1mgNO3--N,N02--N生成3.57g碱度氧的消耗分解1mg有机物(BOD5)需氧2mg氧化1mgNH4+-N需氧3.43mg氧化1mgNO2--N需氧1.14mg分解1mg有机物(COD)需要NO3-N0.35mg,N02-N0.58mg，以提供化合态的氧最适pH值6—87—8.56—7.56—8最适温度15—25℃θ=1.0—1.0430℃θ=1.130℃θ=1.134—37℃θ=1.06—1.15增殖速度(d-1)1.2—3.50.21—1.080.28—1.44好氧分解的1/2—1/2.5分解速度70—870mgBOD/(gMLSS·h)7mgNH4+-N/(gMLSSh)0.022—8mgNO3-—N/(gMLSS·h)产率16%CH3OH/gC5H702N0.04—0.13mgSS/mgNH4+-N能量转换率为5%—35%0.02—0.07mgVSS/mgN02--N能量转换率10%—30%16%CH3OH/gC5H7O2N82020/5/229河北科技大学环境科学与工程学院3.生物法脱氮工艺（1）三段生物脱氮第二节除氮Three-Stagebiologicalnitrogenremival(Barth)configuration第二节除氮2020/5/231河北科技大学环境科学与工程学院3.生物法脱氮工艺（1）三段生物脱氮第二节除氮“一级”曝气池：去除COD、BOD，BOD15-20mg/l有机氮转化为NH3NH4+；“二级”硝化曝气池，NH3、NH4+生成NO3—N，碱度下降；“三级”反硝化池——厌氧、好氧交替运行。投甲醇时，CM=2.47N0（初始NO3—N浓度）+1.53N(初始NO2—N浓度)+0.87D（初始DO浓度）2020/5/232河北科技大学环境科学与工程学院（2）改进的二级生物脱氮系统BOD去除和硝化两个反应合并第二节除氮2020/5/233河北科技大学环境科学与工程学院4脱氮新理论（1）短程硝化-反硝化—把两个反应过程分开第二节除氮OHHNOONH222425.1OHNHHNO22225.0][3关键点：对于反硝化菌，NO3—N，NO2—N都可做电子受体，控制硝化反应停止在亚硝化阶段研究结果：控制较高的温度（25~35℃），较低的溶解氧和较高的pH值和极短的污泥龄条件2020/5/234河北科技大学环境科学与工程学院4脱氮新理论（1）短程硝化-反硝化—把两个反应过程分开第二节除氮2020/5/235河北科技大学环境科学与工程学院第二节除氮SHARON®Sep