废水生物脱氮除磷工艺

废水生物脱氮除磷工艺概述生物脱氮原理生物除磷原理生物脱氮工艺与技术生物除磷工艺与技术同步脱氮除磷工艺第一节概述一、营养元素的危害二、脱氮的物化法三、除磷的物化法一、营养元素的危害氨氮会消耗水体中的溶解氧；氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气，增加氯的用量；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；②NO3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”；加速水体的“富营养化”过程；二、脱氮的物化法1）氨氮的吹脱法：OHNHOHNH423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2）折点加氯法去除氨氮：OHHClNHHOClNH224HOHClNHOClClNH332222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。澄清或过滤沸石离子交换床出水再生液脱氮NH3或N2进水三、除磷的物化法（混凝沉淀法）1）铝盐除磷: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:4343AlPOPOAlOHPOOHCaHPOOHCa23452423))((345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。生物脱氮的基本原理有机氮NH4+-NNO2-NNO3-NNO2-NN2①氨化作用亚硝化作用硝化作用②硝化作用③反硝化作用O2O2O2或无氧异养细菌氨氧化细菌（自养型）硝化细菌（自养型）有机物有机物反硝化细菌（异养型）反硝化细菌（异养型）好氧或厌氧条件碱度增大，pH值升高绝对好氧条件碱度下降，pH值降低绝对好氧条件碱度和pH值无变化碱度增大，pH值升高确氧条件二、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32NONO1、硝化细菌的特性●都是革兰氏阴性、无芽孢的短杆菌和球菌；●强烈好氧，不能在酸性条件下生长；●无需有机物，以无机含氮化合物为能源，以无机C（CO2或HCO3-）为碳源；●化能自养型；●生长缓慢，世代时间长。2、硝化反应过程及反应方程式：①亚硝化反应：HOHNOONH2512224.322227532410457541097655COHOHNONOHCHCOONH●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）加上合成，则：2、硝化反应过程及反应方程式：②硝化反应：3225.0NOONO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)●几乎不消耗碱度加上合成，则：2、硝化反应过程及反应方程式：③总反应：HOHNOONH22232432322753248819800410025001810981861COHNOOHNOHCHCOONH...)..(..●总的细菌产率是：0.02g/gNO2-N(113/400/14)；●氧化1mgNH3-N为NO3-N，需氧4.27mg；需碱度7.07mg(以CaCO3计)；●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)加上合成，则：3、硝化反应的环境条件：①好氧条件(DO不小于1mg/l)，并能保持一定的碱度以维持稳定的pH值(适宜的pH为8.0~8.4)；②一般要求进水BOD5在15~20mg/l以下；③适宜温度：20~30C；15C，速率下降；5C，完全停止；④污泥龄，须大于其最小世代时间(一般为3~10天)；⑤抑制物质：高浓度的氨氮、（亚）硝酸盐、有机物、重金属离子等二、反硝化反应1、反硝化反应过程及反硝化菌●定义：硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程；●反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，并不是一类专门的细菌，分属近十个不同的属，存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等，土壤微生物中有50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌；●反硝化菌能在缺氧条件下，以NO2-N或NO3-N为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原；●①同化反硝化，最终产物是有机氮化合物，是菌体的组成部分；②异化反硝化，最终产物为分子态的氮气。二、反硝化反应2HNO3-2H2O+4[H]2HNO22[HNO]-2H2O+4[H]-2H2O+4[H]-H2O+2[H]2NH2OH2NH3N2ON2异化反硝化同化反硝化N2O：俗称“笑气”，一种温室气体，应尽量避免其生成。反硝化反应的方程式以[H]为电子供体：OHNOHNO223][2OHNHNOH2224][622OHNHNOH2236][1022反硝化反应方程式以甲醇为电子供体：22233233COOHNOOHCHNO22232322COOHNOHCHNOH222325133566COOHNOHCHNOH（2）反硝化反应的影响因素●碳源：①废水中有机物，若BOD5/TKN3~5时，即可；②外加碳源，多为甲醇；●适宜pH：6.5~7.5；●溶解氧应控制在0.5mg/l以下；●适宜温度：20~40C生物脱氮反应过程中各项生化反应特征生化反应类型去除有机物硝化反硝化亚硝化硝化微生物好氧菌及兼性菌自养型菌自养型菌兼性菌异养型菌能源有机物化能化能有机物电子受体O2O2O2NO2-、NO3-溶解氧1~2mg/l以上2mg/l以上2mg/l以上0~0.5mg/l碱度无变化7.14mg/1mgNH4+-N无变化还原1mgNO3--N或NO2--N生成3.57mg碱度耗氧分解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有机物需NO2---N0.58mg，NO3---N0.35mg最适pH值6~87~8.56~7.56~8最适水温15~25C30C30C34~37C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综合：（1）硝化反应每氧化1.0gNH+4-N耗氧4.57g，消耗碱度7.14g，表现为PH值下降；（2）反硝化过程，去除1.0gNO3－-N，可以消耗2.6gBOD，补偿碱度3.57g.（3）硝化需要BOD/TKN不能高，污泥负荷需在0.15kg/BOD/1gSS.d以下，反硝化需要充足的碳源，BOD/TKN4-6。（4）PH值范围不同。硝化7.5-8.5，反硝化6.5-7.5。（5）硝化反硝化与去除有机物有矛盾的地方。第三节废水生物除磷原理（1）有关废水中的磷的基本概念：废水中的存在形式：无机磷酸盐（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、聚磷酸盐有机磷，等；所有细菌都从环境中摄取磷；磷细菌（也称为聚磷菌、除磷菌），可过量、超出生理需要的摄取磷，以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，从系统中排出这种高磷污泥，就可达到除磷的目的。生物除磷的原理与过程I——PHB（聚羟基丁酸）S——聚合磷酸盐厌氧条件下，除磷菌将磷释放好氧条件下，除磷菌过量摄取磷高含磷污泥的排出磷的转化过程（1）在厌氧区:在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为VFA（低分子发酵产物——挥发性有机酸）。聚磷菌吸收这些或来自原污水的VFA，并将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源储存物（PHB/PHV），所需的能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。（2）在好氧区:聚磷菌的活力得到恢复，并以聚磷的形式存储超出生长需要的磷量，通过PHB/PHV的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式捕积存储，磷酸盐从液相去除。产生的富磷污泥（新的聚磷菌细胞），将在后面的操作单元中通过剩余污泥的形式得到排放，从而将磷从系统中除去。从能量角度来看，聚磷菌在厌氧状态下释放磷获取能量以吸收废水中溶解性有机物，在好氧状态下降解吸收的溶解性有机物获取能量以吸收磷，在整个生物除磷过程中表现为PHB的合成和分解。（3）除磷系统的关键所在就是厌氧区的设置，可以说厌氧区是聚磷菌的“生物选择器”。由于聚磷菌能在这种短暂性的厌氧条件下优先于非聚磷菌吸收低分子基质（发酵终产物）并快速同化和储存这些发酵产物，厌氧区为聚磷菌提供了竞争优势。同化和储存发酵产物的能源来自聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，储存的聚磷为基质的主动运输、乙酰乙酸盐（PHB合成前体）的形成提供能量。这样一来，能吸收大量磷的聚磷菌群体就能在处理系统中得到选择性增殖，并可通过排除高含磷量的剩余污泥达到除磷的目的。（4）聚磷菌在生物除磷过程中的作用机理PHB的合成和降解，作为一种能量的储存和释放过程，在聚磷菌的摄磷和放磷过程中起着十分重要的作用，即聚磷菌对PHB的合成能力的大小将直接影响其摄磷能力的高低。应当指出，正是因为聚磷菌在厌氧—好氧交替运行的系统中有释磷和摄磷的作用，才使得它在与其他微生物的竞争中取得优势，从而使除磷作用向正反馈的方向发展。其原因就在于聚磷菌在厌氧条件下能够将其体内储存PHB，这样使得其在与其他微生物竞争中，其他微生物可利用的基质减少，从而不能很好地生长。在好氧阶段，由于聚磷菌的高能过量摄磷作用，使得活性污泥中其他非聚磷微生物得不到足够的有机基质及磷酸盐，也会使聚磷菌在与其他微生物的竞争中获得优势。生物除磷的外部条件总的来讲，聚磷菌对环境因素的响应与反硝化菌、好氧异养菌相似，为了能够积累聚磷，以下两项要求实际上非常重要。·（1）厌氧／好氧条件的交替；·（2）厌氧阶段不存的硝酸盐。（1）厌氧／好氧条件厌氧条件对于污水处理厂选择机理非常重要。引入这一条件，我们就加强了聚磷菌的优势选择，结果是大部分生物量由这类菌组成。2．硝酸盐厌氧阶段硝酸盐有两个负作用：1）反硝化去除了某些本应贮存在聚磷菌细胞内的易降解有机物。结果是由于易降解有机物数量的减少，使磷的去除也减少了。存在乙酸的反硝化过程可依据例3.10的表达式，据此可知4.96molHAc/3.94molNO-3=1.26molHAc/molNO-3被消耗。由于反硝化消耗了有机物质，使除磷过程受到损害。2）显然，硝酸盐影响聚磷菌的代谢，因此不再贮存聚磷酸盐。二、生物除磷过程的影响因素①溶解氧：厌氧池内：绝对的厌氧，即使是NO3-等也不允许存在；好氧池内：充足的溶解氧。②污泥龄：剩余污泥对脱磷效果有很大影响，泥龄短的系统产生的剩余污泥多，可以取得较好的除磷效果；有报道称：污泥龄为30d，