废水脱氮理论与技术

Nitrogenremovalfromwastewater:principlesandtechniques废水脱氮理论与技术xxxxxxxxx一.水体中氮素的来源与危害二.氮素污染控制三.生物脱氮原理四.废水生物脱氮工艺与技术内容提要五.废水生物脱氮新型处理技术水体中氮素的来源与危害11.水体中氮素的来源水体中氮素的来源与危害自然来源人类活动大气降水降尘非市区径流生物固氮城市污水浸滤液大气沉降地表径流水体污染源水体中氮素的来源与危害点源(Pointsources)非点源，面源(Non-pointsources)通过排放口集中排放污染物主要通过径流过程点源污染(Pointsourcepollution)非点源污染，面源污染(Non-pointsourcepollution)城市污水工业废水等地表径流，养鱼投饵降尘，降雨等2.氨氮废水的工业来源水体中氮素的来源与危害有机氮废水的工业来源及其浓度来源有机氮浓度（mg/L）粪肥400~1000糖厂180来源有机氮浓度（mg/L）纺织废水8制药废水500锅炉渣洗水10~2602.氨氮废水的工业来源水体中氮素的来源与危害来源氨氮浓度（mg/L)焦炉废水:稀氨水氨蒸馏出水4000~500050~200煤的气化废水:焦碳无烟煤褐煤100010002500氨氮废水的工业来源及其浓度2.氨氮废水的工业来源水体中氮素的来源与危害氨氮废水的工业来源及其浓度来源氨氮浓度(mg/L)化肥废水:氨和尿素生产氨-硝酸废水混合化肥200~940130600铁-锰高炉废水110发电厂清洗水2800炼油废水600~1400酒厂废水110~380制革废水80~1603.氮在水体中的存在形态水体中氮素的来源与危害有机氮无机氮蛋白质(C,O,N,H,N=15~18%)多肽氨基酸尿素[CO(NH2)2]其他(硝基、胺及铵类化合物)COOHHRCNH2氨氮(NH3-N,NH4+-N)亚硝态氮(NO2--N)硝态氮(NO3--N)水体中氮素的来源与危害氨氮(NH3-N,NH4+-N)亚硝态氮(NO2--N)硝态氮(NO3--N)总氮(TN)有机氮无机氮凯氏氮(TKN)=有机氮+氨氮水污染控制中经常提到的几个术语TN=TKN+NOx-N水体中氮素的来源与危害4.氮素污染的危害造成水体的富营养化(eutrophication)现象；水生植物和藻类异常增殖水华赤潮2004年6月浙江近海水体中氮素的来源与危害4.氮素污染的危害增加了给水处理的成本；例如：加氯消毒8～10gCl2/gNH3-N引起水体缺氧；NH4++2O2→NO-3+2H++H2O+能量14gN64gO2每氧化1gNH4-N为NO3-N，共需要氧4.57g水体中氮素的来源与危害氨氮对水生生物有毒游离氨1mg/L游离氨FreeAmmoniumOHNHOHNH42334NHOHNHkb25℃时，氨的解离常数为1.8×10-5水体中氮素的来源与危害硝酸盐影响人类健康硝酸盐(NO3-N)亚硝酸盐(NO2-N)血红蛋白(Fe2+)+O2氧和血红蛋白(Fe2+)(红色，具有输氧能力)血红蛋白(Fe2+)+NO2-高铁血红蛋白(Fe3+)(褐色，丧失输氧能力)高铁血红蛋白症胃癌等亚硝酸盐能与胺或酰胺反应生成亚硝胺或亚硝酰氨，后两者都有致癌作用。氮素污染控制2自然来源人类活动大气降水降尘非市区径流生物固氮城市污水浸滤液大气沉降地表径流水体氮素污染控制面源污染控制技术修建污水厂废水脱氮技术氮素污染控制物化法生物法吹脱(气提)法折点加氯法离子交换法其它方法吹脱(气提)法基本原理：将水中的游离氨转移到气体(空气或蒸汽)中去。氨吹脱工艺的三个条件：⑴提高pH，一般用NaOH;⑵在吹脱塔中反复形成水滴，减小表面张力，增大接触面积。⑶气体循环，增大浓度差；影响氨气从水中向气体中转移的因素：⑴水气界面处的表面张力；⑵水和气体中氨的浓度差。沉淀池空气吹脱法工艺流程图：吹脱(气提)法pH调节池进水氨和尾气出水空气排泥CaO或NaOH吹脱塔重要的工艺参数：(1)pH=10.5-11.5;(2)水力负荷：2.4-7.2m3/(m2.h);(3)气液比：填料高度6m时，G/L=2200-2300;(4)蒸汽用量：0.125~3t蒸汽/1m3水泡罩塔：0.08t蒸汽/1m3水，浮阀塔：0.13t蒸汽/1m3水。吹脱(气提)法低浓度氨氮废水：室温下空气吹脱；高浓度氨氮废水：蒸汽吹脱。1.0MPa蒸汽价格在180-200元/吨折点加氯法基本原理：ClHOHNHOClNH5.15.25.15.05.1224NH3-N浓度总加氯量折点余氯氯浓度Cl2：NH3-N重量比理论折点氯化曲线HOHClNHHOClNH224ClHOHNHOClClNH5.15.15.05.05.0222ClHHOClOHCl22折点加氯法法重要工艺参数：(1)准确控制氯投加量：理论投氯量(以氯气计)：NH3-N=7.6:1实际投加量(以氯气计)通常为:(8:1)-(10:1)(2)控制pH，控制反应副产物NO3-和NCl3;控制pH在中性条件下进行。OHClHHNOHOClNH234454OHNClHOClClNH232(3)反应时间：1min;离子交换法基本原理：nABRBAnRnnn废水中的NH4+与阳离子交换树脂中的阳离子进行交换。对NOx-和有机氮没有效果。常用的离子交换剂：沸石(Zeolite)沸石是含水的钙、钠以及钡、钾的硅铝酸盐矿物，一般用化学式(M,N2)·O·AlO3·nSiO2·mH2O表示。废水中的NH4+与沸石中的M+,N2+进行交换。离子交换法工艺流程：再生液贮槽进水(二级处理+过滤)出水沸石离子交换柱吹脱塔补充再生液空气空气和NH3Na+或Ca2+NH4+NH4+Na+或Ca2+离子交换法重要工艺参数：(1)pH=4~8;(2)空床速度(SV),SV=Q/VQ，流量，m3/h;V，吸附柱体积，m3;SV=5~10h-1，与沸石粒径有关。(3)沸石粒径：0.8~1.7mm;(4)床深：0.9~1.8m;(5)进入吸附柱的SS35mg/L;物化法脱氮的比较常用物化法脱氮技术比较处理方法处理范围及效果缺点费用估算(元/kgNH3-N)进水(mg/L)出水(mg/L)空气吹脱500100低温时，效率差；用石灰易结垢。5~10/m3污水蒸汽吹脱500200左右蒸汽费用高，15~20/m3污水折点氯化300.1费用高，副产物。40离子交换10~501~3沸石再生费用高。10~15生物脱氮的基本原理3生物法脱氮的基本原理有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(亚硝化作用)NO2--N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3--N反硝化菌+有机碳(反硝化作用)N2污水中氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，通常只含有少量亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮。生物法脱氮的基本原理1.氨化作用(Ammonification)氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不同。有机氮氨态氮蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等NH3及NH4+等氨化菌(水解、氧化)2.硝化作用(Nitrification)如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为：245.1ONHHOHNO222(1-4)225.0ONO3NO(1-5)总反应式为：242ONHOHHNO232(1-6)亚硝酸菌硝酸菌硝化细菌生物法脱氮的基本原理硝化作用(Nitrification)1.每氧化1gNH4+-N为NO3−-N需要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)(100/14=7.14)注：每氧化14gNH4+-N为NO3−-N，产生2molH+，需要1mol的CaCO3(分子量为100)来中和。2.不计细菌增值，每氧化1gNH4-N为NO3-N，共需要氧4.57g。1gNH4+-N1gNO3−-N需要氧4.57g碱度7.14g(以CaCO3计)亚硝酸菌和硝酸菌项目亚硝酸菌硝酸菌异养菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸1.0~1.5μm0.5~1.0μm革兰氏染色阴性阴性世代周期(h)8~3612~592.31~8.69自养性专性专性异养需氧性严格好氧严格好氧最大比生长速率μm(h-1)0.04~0.080.02~0.060.08~0.3产率系数Y(mg细胞/mg基质)0.04~0.130.02~0.070.4~0.8饱和常数KS(mg/L)0.6~3.60.3~1.725~100硝化作用(Nitrification)影响硝化反应的环境因素环境因素微生物对生化环境的要求工程参数温度4~45℃亚硝酸菌:30~35℃硝酸菌:35~42℃15~35℃溶解氧1.5~2.0mg/L以上2.0mg/LpH亚硝酸菌:7.0~7.8硝酸菌:7.7~8.17.2~8.0硝化作用(Nitrification)影响硝化反应的环境因素环境因素微生物对生化环境的要求工程参数有机碳营养物BOD5≦20mg/LBOD负荷0.15kgBOD/(kgMLSS.d)泥龄SRT理论上3d工程实际SRT≧15d有毒物质重金属高浓度的NH4+-N高浓度的NO2--N一般NH4+-N≦200mg/L,最高≦400mg/L；NO2--N≦100mg/L;硝化作用(Nitrification)生物法脱氮的基本原理3.反硝化作用(Denitrification)硝酸盐和亚硝酸盐态的氮在反硝化菌的作用下被还原的过程。硝态氮NO3-NNO2-N亚硝态氮氮气(主要过程)有机氮化合物反硝化菌异化反硝化(细菌组成部分)同化反硝化异养型兼性菌NO3--NNO2--NNON2ON22HNO3+4H-2H2O2HNO2+4H-2H2OHON=NOH+4H2NH2OH+4H-2H2O2NH3(同化反硝化)-H2ON2O+2H-H2ON2(异化反硝化)+2H-2H2O反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，广泛存在于土壤和污水处理系统中。⑴在有分子态DO存在时，它们氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体；⑵在无分子氧的条件下，它们以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，最终产物主要是分子态的氮气。反硝化作用(Denitrification)反硝化作用(Denitrification)反硝化过程中需要的有机物总量可按下式估算：C=2.86[NO3--N]+1.71[NO2--N]+DO式中：C——反硝化需要的有机物总量，按BOD5计(mg/L)；[NO3--N]——污水中硝态氮的浓度（mg/L)；[NO2--N]——污水中亚硝态氮的浓度（mg/L)；DO——污水中溶解氧的浓度（mg/L)。如果废水中缺少有机碳源，则应补加有机物，一般投加甲醇，这是因为甲醇分解的产物是CO2与H2O，不残留任何难降解的中间产物。反硝化作用(Denitrification)影响反硝化反应的环境因素环境因素微生物对生化环境的要求工程参数温度20~35℃15~35℃溶解氧0.2mg/L0.5mg/LpH7.0~8.57.3~8.57.3产生N2OC/NBOD/TN3~5BOD/TKN4~6COD/TKN7~9BOD/TKN4有毒物质Ni0.5mg/LNO2--N≦30mg/L废水生物脱氮工艺与技术一、活性污泥法脱氮传统工艺二、缺氧-好氧活性污泥法生物脱氮系统（A-O工艺）三、氧化沟生物脱氮工艺四、生物转盘生物脱氮工艺4一、活性污泥法脱氮传统工艺•1.三级活性污泥法流程曝气池（去除BOD）沉淀池硝化池（硝化）反硝化反应器原污水处理水碱回流污泥回流污泥回流污泥剩余污泥剩余污泥剩余污泥CH3OH注：虚线表示可引入部分原污水作为碳源Ⅰ沉淀池Ⅱ沉淀池Ⅲ特点：将含碳的有机物的去除和氨化、硝化