第四章污水生物处理脱氮除磷6课时

水污染控制工程第四章污水生物处理（脱氮除磷）第五节生物脱氮除磷技术p147•随着城市人口的集中和工农业的发展，水体的富营养化问题日益突出。目前中国的某些湖泊，如昆明滇池，江苏太湖，安徽巢湖等都已出现不同程度的富营养化现象。•引起富营养化的营养元素有碳、磷、氮、钾、铁等，其中，氮和磷是引起藻类大量繁殖的主要因素。欲控制富营养化，必须限制氮、磷的排放。国外一些污水处理厂把氮、磷的排放标准分别设定为15mg／L和0.5mg／L。•传统活性污泥法总氮去除10~20%，总磷去除5~20%•废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。•在生活污水中，主要含有有机氮和氨态氮，它们均来源于人们食物中的蛋白质。新鲜生活污水含氮中有机氮约占总氮的60％，氨氮约占40％。•脱氮的方法有化学法和生物法两大类氮的去除化学法除氮吹脱法折点加氯法离子交换法氮的去除•废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：NH3+H2O=NH4++OH-•这一平衡受pH值的影响，pH为10.5～11.5时，因废水中的氨呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。•吹脱过程包括将废水的pH值提高至10.5～11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行•由于用石灰调pH值，在吹脱塔中会发生碳酸钙结垢现象，影响运行。另外，NH3气的释放会造成空气污染。因此，对该工艺已有多种改进，例如使吹脱塔的气体通过H2SO4溶液以吸收NH3化学法除氮吹脱法•折点加氯法：–如果有氨存在：•NH3+HOClNH2Cl(一氯胺)+H2O•NH2Cl+HOClNHCl2(二氯胺)+H2O•NHCl2+HOClNCl3(三氯胺)+H2O•离子交换法：–用离子交换法去除氨氮时，常用天然的离子交换剂，如沸石等。与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。采用合成树脂，预处理工序和再生系统均较复杂，且树脂寿命短，应用上受到一定的限制化学法除氮折点加氯法•生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程。•硝化：–废水中的氨态氮在好氧条件下，通过好氧细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)的作用，被氧化成亚硝酸盐(N02-)和硝酸盐(N03-)的反应过程：kj351OHH2NOO2NHkj27.72NOO21NOkj42.278OHH2NOO23NH23243222224总反应式为：硝化菌亚硝化菌制约因素：DO＞0.5mg/L，一般1.5～2.0mg/LH＋会导致pH下降，由HCO3-（碱度）中和，即氧化1g氨氮需要消耗7.14g碱度（以CaCO3计），一般维持pH在7.5～9.0最适宜温度35℃氧化1g氨氮需要4.57g氧BOD5/TKN（有机氮和氨氮）对硝化影响大一般＜3，BOD负荷≤0.1kgBOD5/kgMLSS·d生物法除氮氮的去除•硝化过程影响因素：–（a）好氧环境条件，并保持一定的碱度：•硝化菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的NH3和NO2-，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L，多数学者建议溶解氧应保持在1.2~2.0mg/L。•在硝化反应过程中，释放H+，使pH下降，硝化菌对pH的变化十分敏感，为保持适宜的pH，应当在污水中保持足够的碱度，以调节pH的变化，1g氨态氮（以N计）完全硝化，需碱度（以CaCO3计）7.14g。对硝化菌的适宜的pH为8.0~8.4。–（b）混合液中有机物含量不应过高：•硝化菌是自养菌，有机基质浓度并不是它的增殖限制因素，若BOD值过高，将使增殖速度较快的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势种属。–（c）硝化反应的适宜温度是20~30℃，15℃以下时，硝化反应速度下降，5℃时完全停止。生物法除氮氮的去除•硝化过程影响因素：–（d）硝化菌在反应器内的停留时间•即生物固体平均停留时间（污泥龄）SRTn，必须大于其最小的世代时间，否则将使硝化菌从系统中流失殆尽，一般认为硝化菌最小世代时间在适宜的温度条件下为3d。SRTn值与温度密切相关，温度低，SRTn取值应相应明显提高。–（e）除有毒有害物质及重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有高浓度的NH4-N、高浓度的NOx-N、高浓度的有机基质、部分有机物以及络合阳离子等。生物法除氮氮的去除•反硝化：–即脱氮，是在缺氧条件下，通过脱氮菌的作用，将亚硝酸盐和硝酸盐还原成氮气，该反应过程中，反硝化菌需要有机碳源（如甲醇）作电子供体，利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸OH6OH7N3CO5OHCH56NOOH6OH3CO3N3OHCH3NO6OH4CO2NO6OHCH26NO222332223222233厌氧菌厌氧菌厌氧菌总反应式：还原1mg需要2.47mg甲醇（合3.7mgCOD）还原1mg硝酸盐氮产生3.57mg碱度和0.45mgVSS(新细胞)厌氧缺氧条件下DO＜0.5mg/L电子供体（碳源）适宜温度15～30℃；pH7.0～7.5；BOD5/TKN＞3不需要外加碳源生物法除氮氮的去除反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。•反硝化过程影响因素：–（a）碳源：•三类：一是原污水中所含碳源，对于城市污水，当原污水BOD5/TKN3~5时,即可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因为甲醇被分解后的产物为CO2和H2O，不留任何难降解的中间产物；三是利用微生物组织进行内源反硝化。–（b）pH：•对反硝化反应，最适宜的pH是6.5~7.5。pH高于8或低于6，反硝化速率将大为下降。–（c）溶解氧浓度：•反硝化反应宜于在缺氧、好氧条件交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/L以下。–（d）温度：•反硝化反应的最适宜温度是20~40℃，低于15℃反硝化反应速率最低。为了保持一定的反硝化速率，在冬季低温季节，可采用如下措施：提高生物固体平均停留时间；降低负荷率；提高污水的水力停留时间。生物法除氮氮的去除氮的去除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Nitrosomonas自养型菌Nitrobacter自养型菌兼性菌异养型菌能源有机物化能化能有机物氧源(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碱度无变化氧化1mgNH4+--N需要7.14mg/l碱度无变化还原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(COD)需NO2---N0.58mg，NO3---N0.35mg所提供的化合态氧最适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分解速度70~870mgBOD/gMLSS.h7mgNH4+--N/gMLSS.h2~8mgNO3---N/gMLSS.h处理工艺有机物氧化，硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。使除碳，硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行，处理效率高。主要靠内源呼吸碳源进行反硝化，效率很低，必须投加外加碳源。生物法除氮①碳化——去除BOD5、COD；②氨化——使有机氮转化为氨氮；硝化曝气池，投碱以维持pH值利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。脱氮已基本完成进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。最后的曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。处理工艺生物法除氮该工艺于80年代初开发。该工艺将反硝化段设置在系统的前面，因此又称为前置式反硝化生物脱氮系统，是目前较为广泛采用的一种脱氮工艺。以污水中的有机物为碳源曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。在反硝化反应中产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度的50％左右该工艺流程简单，无需外加碳源，因而基建费用及运行费用较低，脱氮效率一般在70％左右；但由于出水中含有一定浓度的硝酸盐，在二沉池中，有可能进行反硝化反应，造成污泥上浮，影响出水水质。处理工艺生物法除氮•城市污水中的磷主要有三个来源：粪便、洗涤剂和某些工业废水。•污水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式溶解于水中。•一般污水处理，约有10％的磷（固态磷）在一级沉淀中被去除；好氧处理中，微生物作为营养物吸收约占总磷的1/5左右；•除磷的方法主要分为物理法，化学法及生物法三大类。物理法因成本过高、技术复杂而很少应用。磷的去除化学反应化学污泥成分石灰1、5Ca2++3PO43－+OH－→Ca5(PO4)3(OH)2、Ca2++CO32－→CaCO3Ca5(PO4)3(OH)CaCO3铝盐1、Al3++PO43－→AlPO42、Al3++3OH－→Al(OH)3AlPO4Al(OH)3铁盐1、Fe3++3PO43－→FePO42、Fel3++3OH－→Fe(OH)3FePO4Fe(OH)3化学法的特点是磷的去除率较高，处理结果稳定，污泥在处理和处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染，但污泥的产量比较大化学法除磷厌氧放磷好氧过量吸磷聚磷菌生长、吸磷含有过量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系统保持绝对厌氧，氮氧化物含量接近于0适宜pH6～8，温度5～30℃，BOD5/TP＞20，硝酸盐和亚硝酸盐会抑制厌氧放磷生物法除磷机理普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干重的1.5%~2.0%，通过同化作用可去除磷12%~20%。生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%~6%。•（1）厌氧环境条件：–（a）氧化还原电位：Barnard、Shapiro等人研究发现，放磷时ORP一般小于100mV；–（b）溶解氧浓度：厌氧区如存在溶解氧，兼性厌氧菌就不会启动其发酵代谢，不会产生脂肪酸，也不会诱导放磷，好氧呼吸会消耗易降解有机质；•（2）污泥龄：–污泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷须同时耗用更多的BOD。Rensink和Ermel研究结果表明：SRT=30d时，除磷效果40%；SRT=17d时，除磷效果50%；SRT=5d天时，除磷效果87%。生物法除磷影响因素•（3）pH：–与常规生物处理相同，生物除磷系统合适的pH为中性和微碱性，不合适时应调节•（4）温度：–在适宜温度范围内，温度越高释磷速度越快；温度低时应适当延长厌氧区的停留时间。•（5）BOD5负荷：–一般认为，较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果，进行生物除磷的低限是BOD/TP=20；小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强；磷的释放越充分，磷的摄取量也越大。•（6）硝酸盐氮和亚硝酸盐氮–产酸菌利用NOx-作为电子受体，抑制厌氧发酵过程，硝酸盐的浓度应小于2mg/l；当COD/TKN10，硝酸盐对生物除磷的影响就减弱了•（7）其他：–影响系统除磷效果的还有污泥沉降性能和剩余污泥处置方法等。生物法除磷影响因素生物法除磷处理工艺•A/O生物除磷工艺–为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，–溶解氧应维持在2mg／L以上–pH值应控制在7—8之间–水力停留时间为3~6h–曝气池内的污泥浓度一般在2700~3000mg/l–磷的去除效果好（76%），出水中磷的含量低于1mg/l；–污泥中的磷含量约为4%，肥效好；污泥的SVI小于100，易沉淀，不易膨胀。主流是常规的活性污泥工艺，在回流污泥过程中增设厌氧放磷池和上清液的化学沉淀池是一种生物法和化学法协同的除磷方法。操作稳定性好，出流中磷含量可小于1.5mg／L，污泥的含磷量高，一般为2.1~7.1%；石灰用量较低，介于21~3