第九章污水的深度处理与回用

北京林业大学环境科学与工程学院《水污染控制工程》WaterPollutionControlEngineering主讲人：张立秋（环境科学与工程学院）[e-mail]2010年04月第九章污水的深度处理与回用主要内容：概述悬浮物去除溶解性有机物去除氮磷营养物去除污水的消毒本章重点掌握氮磷去除原理与工艺，无难点。1概述经过二级生物处理后，污水中仍然含有相当数量的污染物质：BOD：20-30mg/LCOD：60-100mg/LSS:20-30mg/LNH3-N:15-25mg/LTP:1mg/L细菌和重金属等有毒有害物质1概述污水深度处理的对象与目标：去除水中残存的悬浮物；脱色、除臭，使出水澄清进一步降低BOD、COD等，水质进一步稳定脱氮、除磷，消除能够导致水体富营养化的因素消毒杀菌，去除水中的有毒物质1概述污水深度处理后回用去向：排放具有较高经济价值水体及缓流水体，补充地面水源回用于农田灌溉、市政杂用，如灌溉城市绿地，冲洗街道、车辆、景观用水等居民小区回用于冲洗厕所回用于工业企业，作为冷却水和工艺用水的补充用水回灌地下，用于防止地面下沉或海水入侵2悬浮物的去除污水中含有的悬浮物，其粒径从数10mm到1um以下。经二级处理后，处理水中残留的悬浮物是以粒径从数mm到10um的生物絮凝体和未被凝聚的胶体颗粒。这些颗粒几乎都是有机性的，为了提高二级处理水的稳定度，去除这些颗粒是非常必要的。2悬浮物的去除悬浮物去除主要技术混凝沉淀过滤技术膜分离技术3溶解性有机物去除二级生物处理后的出水中，残留的有机物多是难降解的有机物（如丹宁、木质素等）。对出水中残留的这些有机物直接采用生物处理方法很难取得好的效果，通常采用的技术工艺包括：活性炭吸附化学氧化化学氧化+生物处理4氮磷营养物去除太湖的富营养化4氮磷营养物去除（1）脱氮技术氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水中。前者有蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）和某些工业废水（羊毛加工、制革、印染、食品加工等）。有机氮经微生物分解后将转化为无机氮。水中的无机氮是指氨氮、亚硝态氮和硝态氮，它们部分来源于有机氮的生物降解，还有部分来自于农田排水和地表径流，以及某些工业废水（如炼焦车间、化肥厂等）。4氮磷营养物去除污水脱氮技术可以分为物理化学脱氮和生物脱氮。生物脱氮主要通过同化过程、氨化过程、硝化过程、反硝化过程将氮最终去除。物理化学方法通常只能去除氨氮，主要工艺有：折点氯化法、选择性离子交换、空气吹脱、反渗透。目前物化法脱氮运行操作复杂、费用昂贵，难以推广应用。4氮磷营养物去除1）物理化学脱氮方法折点氯化法选择性离子交换法空气吹脱法反渗透与电渗析法4氮磷营养物去除折点氯化法余氯（mg/L）加氯量（mg/L）0M①②加氯量与余氯关系4氮磷营养物去除根据上图，分析不同情况下加氯量与剩余氯量之间的关系：1）如水中无微生物、有机物和还原物质等，则需氯量为零，加氯量等于剩余氯量，如图①所示。2）事实上水中特别是污水中含有较多的有机物、氨氮和细菌等污染物，氧化这些污染物需要消耗一定的氯量，即需氯量。加氯量必须超过需氯量，才能保证一定的剩余氯，如图②所示。4氮磷营养物去除当水中含有氨时，情况比较复杂，如下图所示。余氯（mg/L）加氯量（mg/L）0AHBC4321折点加氯自由余氯化合余氯需氯量余氯量根据上图，当起始的需氯量0A满足以后，加氯量增加，剩余氯也增加。超过H点加氯量后，余氯量反而下降，如HB段，H点称为峰点。此后随着加氯量的增加，余氯量又上升，B点称为折点。图中曲线可分4区，分述如下：（1）第1区即0A段，表示水中杂质把氯消耗光，余氯量为零，此时消毒效果不可靠。（2）第2区即AH段，加氯后与氨发生反应，有化合性余氯存在，主要成分是一氯胺NH2Cl。（3）第3区即HB段，氯胺被氧化成一些不起消毒作用的化合物，NH2Cl+HOCl→N2+HCl+H2O，氨得到去除。（4）第4区即BC段，水中无杂质，出现自由余氯，消毒效果好。4氮磷营养物去除选择性离子交换法离子交换的实质就是不溶性的电解质与溶液中另一种电解质所进行的化学反应，即交换剂上的可交换离子与溶液中其他同性离子的交换反应。对于离子交换法去除氨氮主要是利用可优先选择铵离子的交换剂与铵离子发生交换反应，从而使受污染水中的氨氮去除的方法。离子交换法去除氨氮必须采用对氨氮有优先选择的交换剂。实验证明离子交换法处理水中少量氨不失为一种有效的方法。目前去处氨氮的交换剂主要有斜发沸石，活性炭，蒙托石，累脱石等，而沸石，在除氟、去除有机物质、去除放射性物质、除铵、除砷等方面都有明显的效果。特别是在除氨方面，在自来水厂试验时，可以省略沉淀工序，减少药剂用量。试验证明沸石是一种有广泛应用前景的水处理介质。沸石样品图4氮磷营养物去除4氮磷营养物去除离子交换性是沸石岩重要性质之一。构成沸石骨架的最基本结构是硅氧四面体和铝氧四面体。在这种四面体中,中心是硅(或铝)原子,每个硅(或铝)原子的周围有4个氧原子,各个硅氧四面体通过处于四面体顶点的氧原子互相连接起来,形成所谓的巨大分子。其中在铝氧四面体中由于一个氧原子的价电子没有得到中和,使得整个铝氧四面体带有一负电荷,为保持电中性,附近必须有一个带正电荷的金属阳离子（通常是碱金属或碱土金属离子）来抵消这一负电荷，这些阳离子和铝硅酸盐结合相当弱,具有很大的流动性,极易和周围水溶液中的阳离子发生交换作用,交换后的沸石结构不被破坏。沸石的这种结构决定了它具有离子交换性和交换的选择性。4氮磷营养物去除y=4.3556x-2.5075R2=0.8161-0.100.10.20.30.40.50.60.70.560.580.60.620.640.660.680.71/Ce1/Xy=0.0923x+0.125R2=0.993100.050.10.150.20.250.300.511.5lgCelgX沸石吸附氨氮的朗谬尔等温曲线沸石吸附氨氮的费兰德利希等温曲线4氮磷营养物去除空气吹脱法对于废水中较高浓度的氨氮可以采用此方法。通过投碱来调节pH值至碱性，然后向废水中大量鼓入空气，将氨氮以氨气形式从废水中吹出。该方法适用于高浓度氨氮废水，能耗很大。4氮磷营养物去除反渗透与电渗析法采用反渗透膜分离工艺，可以将废水中的氨和其他的污染物较为彻底的去除，但该工艺存在运行费用较高、运行维护管理复杂等问题，在废水处理中还难以应用。电渗析是利用离子交换膜的选择透过性，在外加电场下完成对氨氮的富集去除。4氮磷营养物去除2）生物脱氮方法废水生物脱氮技术是20世纪70年代中期美国和南非等国提出的一种经济有效的处理技术。废水生物脱氮有同化脱氮和异化脱氮，同化脱氮是指微生物的合成代谢，利用水体中的氮素合成自身物质，从而将水体中的氮转化为细胞成分而使之从废水中分离。异化脱氮是将氮最终以氮气或其他气体形式从水中去除过程。废水生物脱氮通常是指异化脱氮。4氮磷营养物去除（1）氨化反应有机含氮化合物氨化细菌氨态氮（2）硝化反应氨态氮亚硝化细菌氧气亚硝酸盐氮硝化细菌氧气硝酸盐氮（3）反硝化反应亚硝酸盐氮、硝酸盐氮反硝化细菌缺氧氮气—基本原理4氮磷营养物去除废水中的有机氮主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、氰化物和硝基化合物。脱氨基作用既可以在有氧条件下进行，也能在缺氧条件下进行。有氧条件下：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3（氧化脱氨基）缺氧条件下：RCHNH2COOH+H2O→RCH2OCOOH+NH3（水解脱氨基）RCHNH2COOH+2H→RCH2COOH+NH3（还原脱氨基）4氮磷营养物去除人和动物所排泄的尿中含有尿素，尿素中含氮约47%，尿素的分解过程是在尿素酶的作用下迅速水解成碳酸胺，后者很不稳定，易分解成氨、二氧化碳和水，其反应式为：CO(NH2)2+2H2O→(NH4)2CO3(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O参与氨化反应过程的氨化细菌很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。引起尿素水解的细菌称为尿素细菌。尿素细菌可分成球菌和杆菌两大类，它们一般是好氧的，但对氧的需求量不大，有些菌种在无氧条件下也能生长。4氮磷营养物去除生物硝化反应是亚硝化细菌、硝化细菌将氨氮氧化成亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。亚硝酸菌将氨氮氧化成亚硝酸盐的反应如下：NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O+(240-350kJ/mol)硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的反应如下：NO2-+0.5O2→NO3-+(65-90kJ/mol)4氮磷营养物去除大部分硝化细菌都是自养菌，利用二氧化碳作为细胞碳源，硝化菌细胞的化学组成用C5H7NO2表示，对于氨氮氧化的反应式为：15CO2+13NH4+→10NO2-+3C5H7NO2+23H++4H2O5CO2+NH4++10NO2-+2H2O→10NO3-+C5H7NO2+H+对于亚硝酸盐氧化的反应式为：4氮磷营养物去除硝化反应的总方程式为：NH4++1.86O2+1.985HCO3-→0.021C5H7NO2+1.04H2O+1.88H2CO3+0.982NO3-通过物料衡算，可以计算出氧化1gNH4+-N为NO2--N耗氧3.43g，氧化1gNO2--N为NO3--N耗氧1.14g，所以氧化1g氨态氮为硝态氮共耗氧4.57g。亚硝化反应和硝化反应还会消耗水中的重碳酸盐碱度，约合7.14gCaCO3/gNH4+-N。4氮磷营养物去除硝化细菌所需要的环境条件（1）好氧条件1g氮完全硝化反应所需要的氧量为4.57g。硝化反应过程中要释放出H+，为了保持适宜的pH值，废水应当维持足够的碱度。一般来说，1g氨态氮（以N计）完全硝化所需碱度（以CaCO3计）7.1g。（2）混合液中有机底物浓度不应过高硝化菌是自养型细菌，有机底物浓度不是它的生长限制性因素。（3）污泥龄必须大于硝化菌的最小世代时间。4氮磷营养物去除（4）溶解氧DO氧是硝化反应过程中的电子受体，溶解氧含量不能低于1mg/L。（5）温度硝化反应的适宜温度是20-30℃，温度过高或过低都会对硝化反应过程造成影响。（6）pH值硝化菌对pH值非常敏感，最佳pH值是8.0-8.4。（7）重金属及有害物质重金属（如汞、镉、铜等）和其他有害物质会对消化反应造成影响。4氮磷营养物去除生物反硝化反应是在缺氧（不存在分子态溶解氧）条件下，将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮(N2)或N2O、NO的过程。反硝化反应中氮元素的转化及其生物化学过程如下：NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-NO3-+5H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-硝酸盐的反硝化还原过程如下：NO3-NO2-硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶NO氧化还原酶N2O氧化亚氮还原酶N24氮磷营养物去除生物反硝化过程中，污水中含碳有机物作为反硝化过程的电子供体。每转化1gNO2--N为N2时，需有机物（以BOD表示）1.71g；每转化1gNO3--N为N2时，需有机物（以BOD表示）2.86g。同时产生3.57g碱度（以CaCO3计）。如果污水中碳源有机物不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（例如甲醇）。4氮磷营养物去除（1）碳源反硝化细菌是异养菌，需要有机碳源。一般认为当BOD：TN的值大于3时，即可认为碳源充足，否则需要补充。（2）pH值pH值是反硝化反应的重要影响因素，最适宜的pH值是6.5-7.5。反硝化细菌所需要的环境条件4氮磷营养物去除（3）溶解氧反硝化细菌是兼性厌氧菌，只有在无分子氧且同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，才能利用这些离子中的化合态氧进行呼吸，使硝酸盐还原。DO较高时，会抑制反硝化细菌体内硝酸盐还原酶的合成，或者氧成为电子受体，阻碍硝酸氮的还原。另外，反硝化细菌体内某些酶系统组分只有在有氧条件下才能合成，因此反硝化细菌在缺氧、好氧交替的环境中生活为宜，DO应控制在0.5mg/L以下。（4）温度反硝化反应