废水的硝化工艺及其设计徐亚同

第17卷Vol。17第6期沁6环境污染与防治EnvironfnentaloPUittion&Control1995年12月Deeember1995废水的硝化工艺及其设计徐亚同(华东师范大学环境科学系,上海20。。62摘要:废水中的NH,在自养性硝化细菌作用下经硝化作用被氧化成N。:一。介绍了硝化细菌的类群、废水硝化的主要工艺类型和硝化工艺设计的步骤。习在城市污水中,氮主要以有机氮和NH3-N形式存在。在传统的好氧生化处理中,废水中的有机氮可很容易地被活性污泥中大多数细菌经氨化作用转化为NH3一N。在供氧充足、负荷低、温度和pH适宜等条件下,NH3一N可进一步氧化成NO3一。在以NH犷N去除作为氮排放标准的地区可以用这一废水硝化工艺来达标。由于水体中氮、磷过量造成富营养化不断加剧,目前不少国家和地区氮排放标准以总氮(TN)的去除来考核,这需要使废水中的NH3-N蓝通过硝化、反硝化工艺来脱氮,硝化工艺是其中必不可少和关键的一步。1硝化作用1.1生化反应硝化作用是指NH。被氧化成NO犷,然后再进一步氧化成NO百的过程`l’:、,,,二._1八亚硝化单胞菌、,八_._二,、NH支+1今O。~巳登与NO;+ZH+-一2`一`’-+H:O+(58、54)千卡No;+粤。。一艺20.6)千卡堕坦至鱼于No牙+(’5·4、NH左+202一NO互+ZH++H:O+(73.4、104.9)千卡上述第一步反应N的化合价从(一3)*(十3)价,N原子放出6个电子。第二步反应N的化合价从(+3)“(+5)价,N原子放出2个电子,故得到的能量也比反应(1)少。上述反应中释放的能量可供细菌同化合成所用。但是从这两个反应中获得的能量都很少,为了要合成细胞物质硝化细菌不得不氧化大量的NH认或NO妥)。假定细胞含N量为10肠,则合成30克细胞物质细菌同化的N为3克(30克X10肠)。据试验需消耗35摩尔NH3-N(14克x35二490克NH-3N)异:化氧化甲所产生的能量,亦即异化N:同化N的比值约为160,1(490,3)。在第二步反应中,同化合成30克细胞(3克N)需消耗100摩尔NO妥一N异化氧化时释放的能量,即异化N:同化N约为467,1(1400克,3克)。相反,异养细菌在消耗的碳中,约有25肠、50肠被合成为细胞物质。1.2硝化细菌进行硝化作用的两类菌都是革兰氏阴性无芽抱杆菌,为严格好氧的专性化能自养菌。两者的不同之处在于亚硝化菌能利用氨作为能源,而硝化菌只能利用亚硝酸盐作为能源。另外,从细胞GC百分比数值来看,硝化菌比亚硝化菌高,可见这两类菌有着明显的差异。两类细菌部分种的形态特征见表1。在废水处理中只有存在硝化细菌才会出现硝化作用。硝化细菌细胞物质以NVSS表示。据报道亚硝化单胞菌细胞产率为0.05、0.29克NVSS/克NH3一N,硝化杆菌细胞产率为。.02~0.08克NVSS/克NO妥一N。设计中硝化菌产率aN常取0.15克NVSS/克NHa一N。硝化过程中NH犷N耗于异化氧化和同化合成的经典公式为’2’:NH左+1.530:+1.98HCO三一0.98NO百+0.o21CoH:NO:+i.s8H:CO:+1.04H:ODOI:10.15985/j.cnki.1001-3865.1995.06.006表1硝化细菌各属特征比较(Bergey氏细菌鉴定手册,第八版)硝化细菌属名菌体大小G、C百分比合适温度产物亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)亚硝化螺菌属(NitrososPira)亚硝化球菌属(Nitrosoeoeeus)亚硝化叶状菌属(Nitrosolobus-硝化杆菌属(Nitrobaeter)硝化螺菌属(Nitrospira)硝化球菌属(Nitroeoeeus)0.8~0.9xl.0~2.00.3~0.4x3。0~201.5~2.01.0~1.50.6~0.8xl.0~2.00.3~0.4x2.1~6.5l。5~1.847.4~51.054。150.5~51.053.6~55.160`7~61.757.761.25~30℃15~30,C2~30℃15~30℃5~40℃20~30℃15~30℃N02-NOZ-NO:-NOZ“N03-Noa-NO,-因此通过化学计算表明,在硝化作用中每去除1克NH3一N约需耗去4.33克02,生成0.15克新细胞,减少7.14克碱度(按CaCO3计)和耗去0.08克无机碳。图1示pH对硝化的影响,pH7、8时硝化作用最合适。对碱度低和廷NH3一N浓度高的废水必须外加碱以维持硝化作用所适宜的pH水平。所处的状态又可细分为活性污泥法单级硝化系统和生物膜单级硝化系统,其流程见图2、图3。曝曝气池池一一碳+硝化化剩余污泥图2活性污泥法单级硝化系统进水滚滚滚厂//,.月.,..,1,仁.,一,一一一一一…份栩习屏)_图1pH对氨氧化的影响2废水硝化工艺在硝化工艺中,废水中氮化合物以最终达到硝化为目的。同普通的废水生化处理一样,我们可根据细菌在处理系统中存在的状态将它分类为悬浮污泥系统和膜法系统两大类。每一大类又可再划分成去碳、硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化相分隔、污泥各自单独回流的分级污泥系统。2.1;{单级污泥硝化系统本工艺将去碳与硝化结合起来,并在一个处理构筑物内实施,工艺流程似一般的好氧生化处理法,不同之处只是采用的负荷较低、水力停留时间较长。根据采用的处理装置及微生物去碳+硝化图3生物膜单级硝化系统2.1.1活性污泥法单级硝化系统由于硝化细菌是一类自养性细菌,生长繁殖的世代时间长。为了使硝化细菌菌群能在连续流的活性污泥系统中生存下来,必须使系统的泥龄大于自养性硝化细菌最小的泥龄,否则硝化细菌的流失率大于其繁殖率,会使它从该系统中淘汰。因此硝化系统的泥龄往往较长,负荷也较低。2.1.2生物膜单级硝化系统生物膜法处理工艺的特点是微生物有分层现象。在负荷较低的好氧膜法处理系统中,进水端的滤池填料或生物转盘盘片上的生物膜以异养细菌为主,可氧化分解有机物。若整个系统负荷较低,出水端的填料上自养性硝化细菌可优势性生长并进行硝化作用。膜法硝化系统可有效地防止硝化细菌的流失,因此不少处理厂采用硝化滤池或硝化转盘来达到硝化的目的。2.2分级污泥硝化系统为了提高反应器的单位体积处理效率,也可将废水的去碳(去除BOD)和硝化分别置于两个独立的反应器中进行。在这种情况下,去碳的异养细菌和进行硝化的自养性硝化细菌可在各自适宜的环境下生长,使反应速率有所提高。其优缺点如下:(1)由于去碳与硝化分别在两个反应器中进行,可分别将它们控制在最合适的条件下运行,处理速率高,反应器总体积可减少。(2)对硝化细菌有抑制作用的可生物降解的硝化作用抑制物可在前一级去碳反应器中被去除,运行可靠性有所增加。(3)在第二级活性污泥法硝化反应池中进水端无需提供过高的供氧速率,总需氧量可望降低。(4)由于反应池分隔,并各自设置沉淀池单独回流,使整个设施的基建和运行费用上升。(5)在第二级硝化反应池中,由于硝化细菌数量上占优势,又因此低温对硝化的影响将更大。2.2.1活性污泥法分级硝化系统如图4所示,在第一级曝气池中去碳,而第二级曝气池专供作硝化,两:级污泥互不相混,各自单独回流。进水剩余污泥剩余污泥.........狱狱万万万万万万万图5生物膜法分级硝化系统硝硝化化尸.les.L,.!J图4活性污泥法分级硝化系统3硝化工艺的设计3.1悬浮活性污泥硝化工艺的设计设计硝化工艺时所需的数据为:进水和出水的BOD;进水和出水的TKN,硝化作用氮和氧的半速率常数KN和K。(据报道氧的半速率常数K。范围为。.2、1.。,K。值范围广的原因是不同的活性污泥硝化系统中絮体大小不一,絮体内外DO浓度不一,结果使不同的学者测得的K。值差异较大。典型的K。值常取。。3,氮的半速率常数KN值取0.5),运行的溶解氧;硝化细菌的衰减速率KNd(在20℃时KNd为0.05天吐);污泥的BOD产率系数a〔在以城市污水初沉池出水值计算时常取0.6、0.8千克TSS/千克BOD,在以城市污水原水计算时常取0.8、1.0千克TSS/千克BOD);硝化细菌的产率系数aN(通常取0.巧克NVSS/克NH。一N)。设计步骤如下:(1)计算硝化系统在最低运行温度时的最大生长速率林N,am二:件N,m一(T)二(o·45)〔eo·o”8(T一`,)〕(1)硝化细菌生长速率还同DO及NH3一N浓度有关,因此硝化细菌的实际生长速率为:2.2.2生物膜分级硝化系统流程与前述活性污泥法分级硝化系统相同,仅将处理装置用生物膜处理装置替代。第一级滤床供去碳,主要控制BOD负荷率。第二级滤床供硝化,主要控制停留时间(水力负荷),以保证硝化进行完全和防止水力负荷过高而将生物膜过多冲失而影响硝化。该工艺流程见图5。卜N二(林N,。1。xNH3一NKN十NH3一NDOKo+DO(2)计算临界泥龄SRTSRT二一一三一_卜N一KNd(3)将临界SRT乘以安全系数SF即可得出设计的SRT:SRT设一(SRT理)(SF)(4)安全系数等于N负荷最大峰值/N负荷平均值,常取1.5~2.5。(2)计算活性污泥浓度X,、水力停留时间t。首先可从下式算得Xv·t的乘积:(4)O:=硝化需氧量为:(4.33)(N被权化)(11)SRT~X,·t(a)(Sr)一(Kb)(Xd)(X,)(t)(5)式中:S:一去除的BOD(约等于进水BOD),毫克/升Xd一活性污泥的可降解分数K、与温度的关系为:K、(T)一「K、(:0Oe)〕〔1.04`T一,O)〕Xd可由下式算得:Xd=0.8i+〔(0.2)(K、)(SRT)〕(6)(7)在设计新厂时,X,常选取2000、3。。。毫克/升。从上述X,·t乘积值及设定的污泥浓度X,值算得水力停留时间t。对改建厂,t是固定的,以t值来计算X,。(3)根据物料衡算计算被氧化的氮:N被权化二TKN去除一N合成合成时NH:一N的净消耗是BOD去除和负荷F/M的函数:dNHs一NdBOD二(0.125)(a)一(0.125)(Xd)(Kb)F/M(8)式中:0.125—氮在活性污泥中所占的分数a—活性污泥产率系数,克VSS/克BOD硝化速率(即NH3一N去除速率)为:RN二(qN)(FN)(Xv)式中:qN—比硝化速率,克NH。一N/克NVSS·d硝化菌分数FNFN=为:(aN)(Ar)(a)(Sr)+(aN)(Ar)式中:Ar—去除的NH3一N,(9)毫克/升aN—硝化菌产率系数,克NVSS/克NH3一NXv’t值可从下述关系中算得:Xv’t=!N被暇化qN·FN步骤(2)和(3)中算得较大的于设计。,革多气(10)Xv’t值被用4.33为硝化作用的耗氧系数。(5)三碱度需量为:碱度=(7.14)(N被氧仆)3.2生物膜法反应器的硝化着生在固体介质表面的生物由异养细菌(去除含碳有机物)和自养细菌(将氨硝化)所组成。因此,在生物膜上硝化细菌所占的比例也反映了去除含碳有机物与氨氧化的比例关系。在生物滤池中,沿滤池深度含碳有机物从上到下逐渐减少,硝化细菌所占比例逐渐上升。3.2.1生物滤池生物膜反应器上生物的比生长速率是流经膜的废水中基质浓度的函数。因此,从滤池顶端至底部,随着基质浓度的下降,生物的生长速率递减,在生长和流失速率相等的滤池部位膜厚度达到最大值。若废水中既含可生物降解的有机物,又含有NH3,那么在滤池顶部异养菌和自养菌的生长速率均最大。但是由于异养菌生长速率较快,膜中异养菌占优势,硝化作用很小或儿乎没有。随着废水经滤料向下流动,BOD浓度逐渐减小,硝化细菌的生长速率不断增加。异养菌因营养不足生长逐渐减小,最后达到硝化菌和异养菌生长速率相等的平衡点。从平衡点再向下,有机物浓度进一步降低,自养菌所占比例更大,滤料介质单位面积的硝化速率也增加。因此在废水中含有机物和NH3时,可采用床高分数来表示硝化作用出现的部位及其强度。床高分数的大小与这两类基质的绝对浓度和相对比例有关。例如若对二沉池出水进行硝化,由于废水中有机物含量甚低,因此硝化作用将出现在整个滤床上。增大滤池的循环回流水量可以提高