废水生物处理基本原理生物脱氮原理

废水生物处理基本原理——废水生物脱氮原理1.1.1废水中氮的存在形式氮在废水中有以下几种形式无机氮Nanorgan.:氨氮NH4-N亚硝氮NO2-N硝氮NO3-N有机氮Norgan.总氮Ntotal=Nanorgan.+Norgan.总凯氏氮TKN=Norgan.+NH4-N以氮的形式氮化合物的换算关系如下:NHNHNNHNONONNONONONNO412854128542328523285234428344283/,*,/,*,/,*,1.1.2废水生物脱氮的基本过程①氨化（Ammonificaton）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；②硝化（Nitrification）：废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO2和NO3的过程；③反硝化（Denitrification）：废水中的NO2和/或NO3在缺氧条件下在反硝化菌（异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。1.1.3氨化作用基本原理在废水中部分氮以无机物的形式存在。蛋白质被生化降解为氨氮的作用成为氨化作用。尿素在酶的催化下降解也属于该作用。举例:COOHOR-C-H+H2O+1/2O2----R-C+NH4++OH-NH2COOHNH2C=0+3H2O尿素酶2NH4++2OH-+CO2NH2该反应是在不需要氧的情况下进行的，因此填埋场中的垃圾中该反应居多。有该反应可以看出，该反应释放氢氧根离子，因此通过氨化作用可提高系统的硷度（耐酸缓冲能力）。1.1.4硝化反应（Nitrification）1.1.4.1硝化反应的基本原理硝化反应分为两步进行：①24NONH；②32NONO。是由两组自养型硝化菌分两步完成的：①亚硝酸盐细菌（或称为氨氧化细菌）（Nitrosomonas）；②硝酸盐细菌（或称为亚硝酸盐氧化细菌）（Nitrobacter）；到目前为止，还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮通过一步氧化到硝酸盐。这两种硝化细菌的特点：①都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；②强烈好氧，不能在酸性条件下生长；③无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C（CO2或HCO3）为碳源；④化能自养型；⑤生长缓慢，世代时间长。1.1.4.2硝化反应过程及反应方程式①亚硝化反应：HOHNOONH25.12224如果加上细胞合成，则：322227532410457541097655COHOHNONOHCHCOONH亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/gNH4+-N（113/55/14）；氧化1mgNH4+-N为NO2-N，需氧3.16mg（7632/55/14）；氧化1mgNH4+-N为NO2-N，需消耗7.08mg碱度（以CaCO3计）（10950/55/14）②硝化反应：3225.0NOONO如果加上细胞合成，则：3227523324240031954400NOOHNOHCOHCOCOHNHNO硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO2--N(113/400/14)氧化1mgNO2-N为NO3—N，需氧1.11mg(195*32/400/14)几乎不消耗碱度③总的硝化反应：HOHNOONH222324如加上细胞合成，则：323227532488.198.004.1)0025.00181.0(98.186.1COHNOOHNOHCHCOONH总的细菌产率是：0.02g/gNO2-N(113/400/14)；氧化1mgNNH4为NNO3，需氧4.27mg(1.86*32/14)；氧化1mgNNH4为NNO3，需消耗碱度7.07mg(以CaCO3计)；污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致pH值下降，使反应速率减缓或停滞；如果不考虑合成，则：氧化1mgNH4+-N为NO3-N，需氧4.57mg，其中亚硝化反应3.43mg，硝化反应1.14mg，需消耗碱度7.14mg(以CaCO3计)1.1.4.3硝化反应所需要的环境条件(1)温度和微生物与碳的氧化相比，碳在硝化反应中的生化降解能量释放（增长）较慢，这也解释了为什么硝化菌繁殖速度较慢，因此废水处理系统中活性污泥的停留时间一般比较长。其中一个比较重要的参数就是好氧泥龄，在废水处理设计中，当计算最小污泥泥龄时最需要考虑得时温度上升得影响。硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为3~10天)。微生物生活的环境温度即活性污泥的温度对污泥增长和硝化影响较大，对于硝化菌来说最佳的反应温度范围为25至35摄氏度。低于5摄氏度或高于45摄氏度将会抑制硝化菌的增长从而抑制硝化反应。因此，温度在废水生物处理中对于反硝化和硝化水平影响较大（见下图）。而影响温度的因素有以下几个方面：废水的温度、生化反应放热、设备如水泵风机等温升、射线、散热等。在好氧系统中微生物的浓度是计算反应器体积所需的一个重要参数（见下图）。由图可以看出，污泥浓度增越高所需要的反应器容积越小。传统的市政污水厂的污泥浓度一般为3-6kgMLSS/m3.而膜生化反应器作为一种高效的废水处理工艺，其污泥浓度可以达到35kgMLSS/m3，生化反应器所需的容积大大的缩小。(2)供氧氨氮转化为亚硝氮到硝氮需要氧气。1克NH4-N氧化为硝氮需要大约4.6克氧，其中三分之二的氧是在氨氮转化为亚硝氮的过程中消耗掉。在好氧池中碳化合物的氧化也需要氧。渗滤液处理中碳化合物氧化的所需氧量的计算和传统的污水处理有所不同。在渗滤液处理中分解代谢占的比重比内源呼吸要多。从经验得知，好氧池中的溶解氧浓度宜保持在2-5mg/L，好氧池中曝气应做到气泡尽可能的细以保证给微生物最佳的氧的供应，提高氧的利用率。由物理学可知，氧在液体中的溶解度取决于温度和压力，即温度越高水或活性污泥中氧的溶解度越低（见下表），而压力越高水或活性污泥中氧的溶解度越高。表：氧的溶解度与温度和压力的关系（溶氧浓度2mg/L，水深为4米）ExcesspressureTemperaturebar10°C20°C30°C011,49,27,7122,918,615,7345,937,431,7568,956,347,7供氧不足将导致硝化反应不完全，因为当供氧不足时硝化菌将会转化为降解有机碳的微生物。因此在曝气供氧设计时应考虑一定的余量。(3)pH值得缓冲能力（酸碱缓冲体系）废水中酸碱的比例通常以pH值和耐酸度来表示，硝化反应对于pH值很敏感，在章节1.2.3.3中可以看出硝化反应将引起酸度增加，产生的氢根离子将减弱废水中的耐酸缓冲能力。在分析化验中耐酸（碱）缓冲能力以mmol/l表示。硝化产生的氢根离子减弱废水的耐酸（碱）缓冲能力如下：氢根离子的中和反应:H++OH-H2O碳酸根转化为碳酸氢根：H++CO32-HCO3-碳酸氢根转化为二氧化碳H++HCO3-H2O+CO2除碳酸氢根外,磷酸二氢根和磷酸氢根也具有pH缓冲能力，其缓冲能力范围为6.0-7.6，但在渗滤液中由于磷的含量较少，大部分的耐酸缓冲能力由碳酸氢根提供。如下所示，在硝化反应中1mmol的氨氮氧化反应将消耗2mmol的耐酸度即HCO3：2121444mmolHmmolNHNmmolmgNHN因此硝化反应中1000mg/L的氨氮的转化将消耗掉143mmol/l的耐酸度。在硝氮还原为氮气的反硝化中，由于消耗氢根离子，耐酸度在一定程度上得到恢复。计算如下：2211433mmolHmmolNONmmolmgNON由此可见在硝化反应中消耗掉的耐酸度在完全反硝化中将被恢复一半，即如果氨氮进水浓度为1000mg/L，并且硝化反应中产生的硝氮在反硝化中被完全还原为氮气，则理论上来讲，整个系统所消耗的耐酸度约为70mmol/l。为保证生化系统的耐酸缓冲能力，一般要求生化出水中的硷度应为5mmol/l（经验）。系统（进水）所需的硷度计算如下:SKmmollNHNNONmgmmolmmollerfzuab4343145,.[/]//举例:NH4-Nfeed=1000mg/lavailableSK4,3=70mmol/l反硝化率=90%NO3-Ndrain=(1-0,9)*1000mg/l=100mg/lSKmmollmglNHNmglNONmgmmolmmolmmollerf43431000100145836,.[/]///,/由上式可以计算出，所需的硷度比完全反硝化下要高出13.6mmol/l。但系统硷度不足时，可通过投加以下几种碱液使系统pH值平衡：碳酸钠Na2CO3+H2O2Na++HCO3+OH-碳酸氢钠NaHCO3Na++HCO3-碳酸钙CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3-氢氧化钠NaOHNa++OH-通常情况下，氢氧化钠由于其强碱性及其快速性被用来平衡生化系统的pH值，其所需量计算如下：NaOH的摩尔量=40g/mol废水所需额外硷度=13,6mol/m3wastewater40g/mol*13,6mol/m3=550gNaOH/m3wastewater投加的NaOH(25%):2200gNaOH/m3废水;密度NaOH(25%)1,274kg/l:所需量:1,73lNaOH(25%)每m3废水。(4)pH值和硝化抑制游离氨（NH3）和亚硝酸(HNO2)为“细胞毒药”，对硝化菌具有毒性抑制作用。这两种物质在污水中（NH3）或在微生物反应(HNO2)中存在。这两种物质的分解反应平衡受温度和pH值影响（见下图）：图NH4/NH3andHNO2/NO2平衡由图中可以看出，从pH值为7开始NH3/NH4平衡迅速向游离氨方向倾斜。高pH将导致游离氨的释放，游离氨浓度从1mg/l开始就对硝化反应起抑制作用（见下图1.2.3-4），在这种情况下需采取措施来降低pH值。从图1.2.3-3反应平衡可以看出如果存在亚硝酸根，则在pH值低于5.5的情况下，亚硝酸根将大部分以亚硝酸的形式存在。当亚硝酸（氮）浓度高于3mg/L时，硝化菌将会被抑制，从而使硝化反应只停留在反应生成亚硝氮的第一反应阶段，这样将引起系统中亚硝氮的富集（见下图），其原因在大多数情况下是由于废水中的酸缓冲能力过低或者反硝化不完全引起的，在这种情况下提高系统pH值（提高反硝化率或投加碱液）是较为有效的措施。因此，在生物脱氮的废水处理系统运行时一定需要注意系统中的氨氮浓度、亚硝氮浓度以及系统的pH环境。图表:亚硝酸根浓度、氨氮浓度以及pH环境的促进和抑制关系图