3.第3节 废水生物除磷脱氮技术

一、水体中的氮及其危害性 二、废水生物脱氮技术 三、废水生物除磷与同步脱氮除磷技术,第3节 废水生物脱氮除磷技术,氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。 有机氮包括蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业废物和某些工业废水（如羊毛加工、制革、印染、食品加工等）。这些有机氮经微生物分解后，将转化为无机氮。 水中的无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮（这三种无机氮统称为氮化合物）。它们一部分是由有机氮经微生物分解转化后形成的，还有一部分是来自施用氮肥的农田排水和地表径流，以及某些工业废水（如化肥厂）等。,一、 水体中的氮及其危害性,式中 Ka 离解常数 NH3 氨的浓度（mol/L） NH+4 氨离子浓度（mol/L） H+ 氢离子浓度（mol/L）,动态平衡时,氨氮在水中是以NH3或NH+4两种形式存在，即：,NH+4 NH3+H+,Ka=,NH3+H+,NH+4,式1,式2,水中总的氨氮物料平衡式可写为：总的氨氮浓度=NH3+ NH+4,NH+4在总的氨氮中所占的比例可用下式表示：,NH+4,=,NH+4+NH3,×100,式3,1+ NH3/ NH+4,wNH+4,100,将式3代入式2可得：,=,100,1+（ Ka / H+ ）,式4,wNH+4（%）,由式4可以看到，水中的氨氮主要以 哪种形式存在是与污水的pH值有关。,例：氨在25oC时的离解常数Ka=5.6×10-10，当水的pH值=8时，用式4计算可以知道，此时NH+4所占的比例为94.6%。若水的pH值=7， NH+4所占的比例为99.4%。这表明在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以NH+4的形式存在。 对于城市污水，经过二级处理后，除部分被微生物合成细胞的氮源以外，大部分转化为氨氮。 过多的氮化合物进入天然水体将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康。,氮污染的主要危害为： 1.氨氮要消耗水体的溶解氧。氨氮在硝化细菌作用下被氧化为硝酸盐，氧化每毫克的NH+4-N为NO-3-N，要消化水体的溶解氧4.57mg。 2.氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮。当对含氨氮量较高的污水厂出水进行消毒时，要增加氯消耗量。 3.氮化合物对人和生物有毒害作用。氨氮会影响鱼鳃的氧传递，甚至导致鱼的死亡。硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致变和致畸物质，对人体有潜在的威胁。 4.加速水体的“富营养化”过程。,二、 废水生物脱氮技术,（一）生物脱氮原理 1.氨化反应 2.生物硝化反应 3.生物反硝化反应 （二）生物脱氮工艺 1.活性污泥法脱氮传统工艺 2.缺氧-好氧活性污泥法脱氮系统 3.氧化沟硝化脱氮工艺 4.生物转盘硝化脱氮工艺,生物脱氮是污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型消化细菌将其转化为NO-3，最后再由反硝化细菌将NO-3还原转化为N2，从而达到脱氮的目的。,（一）生物脱氮原理,有机物,NH+4-N,NO-2-N,异养型细菌,氨化作用,亚硝酸细菌+O2,硝化作用,NO-3-N,硝化细菌,N2，NO-2,反硝化细菌 +有机氮,反硝化作用,生物脱氮过程示意图,在未经处理的废水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在，少数的以氨态氮形式存在。 在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例，其反应式为： RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3 氨化反应速度很快，在一般的生物处理设备中均能完成。,1.氨化反应,2.生物硝化反应,生物硝化过程 生物硝化是由两组自养型硝化细菌(亚硝酸盐细菌和硝酸细菌)，将氨氮转化为硝态氮的生化反应过程。 硝化细菌有强烈的好氧性，不能在酸性条件下生长。由于这两组细菌生活时，都不需要有机物作为养料，而是通过氧化无机氮化合物得到生长所需的能量，所以它们是化能自养型的细菌。 在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化。首先，是在亚硝酸细菌的作用下，将氨氮转化为亚硝酸氮，随后，亚硝酸氮在硝酸细菌的作用下，进一步转化为硝酸氮。,硝化反应的环境条件 硝化菌为化能自养菌，从CO2获取C源，从无机物的氧化中获取能量。 硝化菌对环境的变化很敏感，它所需要的环境条件是： 好氧条件，并保持一定的碱度。 氧是硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧含量的高低，必将影响硝化反应的进程，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L。,在硝化反应过程中，释放H+离子，使pH值下降。硝化菌对pH值的变化十分敏感，为了保持适宜的pH值，应当在废水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化。 对硝化菌适宜的pH值为8.08.4。 混合液中有机物含量不应过高，BOD5值应在1520mg/L以下。硝化菌是自养型菌，若BOD值过高，将使异养型细菌迅速增殖，从而削弱了硝化细菌的作用。,硝化反应的适宜温度是2030oC, 15oC以下时，硝化反应速度下降，5oC时完全停止。 硝化细菌在反应器内的停留时间（污泥龄），必须大于其最小的世代时间。如硝化菌的最小世代时间在适宜温度条件下为3天，则污泥龄的取值至少是6天。安全系数大于2，才能保证硝化反应的正常进行。 对硝化反应产生抑制作用的物质，除重金属外，还有高浓度的NH+4-N、高浓度的NO-x-N、高浓度的有机基质及络合阳离子等。,生物反硝化过程 生物反硝化是指污水中的硝态氮（NO-3-N）和亚硝态氮（NO-2-N），在无氧或低氧条件下，被微生物还原转化为氮气N2的过程。参与这一生化反应的微生物是反硝化细菌。 反硝化过程中NO-2和NO-3的转化，是通过反硝化细菌的同化作用（合成代谢）和异化作用（分解代谢）来完成。 同化作用是NO-3-N和NO-2-N被还原转化为NH+4-N，用以微生物细胞合成，氮成为细菌细胞的组成部分。 异化作用是NO-3-N和NO-2-N被还原转化为N2，异化作用去除的氮一般占总去除量的70%75%。,3.生物反硝化反应,反硝化反应的影响因素 碳源 从废水生物脱氮考虑，可有下列两类：一是原废水中所含碳源。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、H2O，不留任何难降解的中间产物。 pH 反硝化反应最适宜的pH值是6.57.5。pH值高于8或低于6，反硝化速率大为下降。 溶解氧 反硝化细菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧并同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组分，只有在有氧条件下，才能够合成。这样，反硝化反应宜于在厌氧、好氧条件交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/L以下。 温度 反硝化反应的最适宜温度是2040oC，低于15 oC时反硝化反应速率降低。,活性污泥法脱氮传统工艺也称3级活性污泥法流 程，它是以氨化、硝化、反硝化3项反应过程为基础建 立的，其工艺流程如图所示。,（二）生物脱氮工艺,1.活性污泥法脱氮传统工艺,曝气池 去除BOD,沉淀池,第2级硝 化曝气池,沉淀池,反硝化 反应器,原废水,沉淀池,处理水,污泥回流,剩余污泥,污泥回流,剩余污泥,污泥回流,剩余污泥,N2,CH3OH,碱,活性污泥法传统脱氮工艺图,由图可以看出，有机污水进入系统后，首先在第一级曝气池中进行好氧分解，其主要功能是氨化，去除BOD、COD的值可降至1520mg/L。 经过沉淀后，进入第二级硝化曝气池，使NH+4-N，氧化为NO-3-N，此级的硝化过程要消耗碱度，会使pH值下降，影响硝化反应速度，因此要投碱以防止pH值下降。 第三级为反硝化反应器，采取厌氧-缺氧交替运行方式。由于第三级中的反硝化菌是异养型兼性菌，需有机物作为碳源，而经过第1、第2级处理后，污水中有机物已很少，因此，第三级反应器要投加有机物，一般投加甲醇，也可以引入原废水。,3级活性污泥法流程优点是氨化、硝化、反硝化反应分别在各自的反应器内进行，反应进行速度快且较彻底；不同性质的污泥分别在不同的沉淀池沉淀分离和回流，故运行管理较为方便，宜于掌握，运行效果较好。其缺点是处理设备多，造价高，管理工作量也较大；为了去除由于投加甲醇而带来的BOD值，需在系统后设后曝气池和沉淀池。,单级系统只有一个终沉淀池，工艺简单，处理设备少。单级系统可达到脱氮处理的要求，经济实用，管理方便，目前采用的较多。,2级系统在第一级中就完成去除BOD、氨化和硝化等过程，经沉淀后在第二级中进行反硝化脱氮。2级系统优点类似于3级，但减少了一个中间沉淀池。,本系统的特征有： 反硝化反应器在前，BOD去除，硝化两项反应的综合反应器在后。 反硝化反应以原废水中的有机物为碳源。 硝化反应器内含有大量硝酸盐的硝化液回流反硝化反应器，进行反硝化脱氮反应。,2.缺氧-好氧活性污泥法脱氮系统(A/O法脱氮工艺),工艺流程,在反硝化反应过程中，产生的碱度可补偿硝化反应消耗的碱度一半左右。对含氮浓度不高的废水可不必另行投加碱。 硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机污染物得以进一步去除，不需增加后曝气池；不需外加碳源，建设费用与运行费用均较低。 本系统主要缺点是： 处理水来自硝化反应器，在处理水中含有一定浓度的硝酸氮，如沉淀池运行不当，不及时排泥，在池内能够产生反硝化反应，污泥上浮，处理水水质恶化。 如要提高脱氮率，必须加大内循环回流比，这样做可能导致一是运行费用增高，二是内循环液带入大量的溶解氧，使反硝化反应器内难以保持理想的缺氧状态，影响反硝化进程。 本系统的脱氮率一般在85%以下。,水力停留时间（t）： t是影响处理效果和反应器规模、尺寸的重要参数。实验证明，在硝化与反硝化两项反应中，硝化反应需要时间长。对城市废水脱氮系统，硝化与反硝化之比大体为2：1，具体时间则为4.8h：2.4h。 在本系统中，硝化与反硝化时间之比介于2：15：1之间。 回流比：内循环回流比的取值与要求的脱氮效果以及反应器的类型有关。对活性污泥法，可取值1：8左右。,影响因素与主要参数,生物固体平均停留时间(c)应取值较大，以保证在反应器内保持一定浓度的硝化菌。实验证实，此值应在3天以上，当降到1天以下时，硝化效果急剧下降。 混合液悬浮固体浓度（MLSS）： MLSS一般应高于3000mg/L，当低于3000mg/L时，反应速度将迅速下降。 负荷率：氮负荷率高，会使其转化率不完全，影响脱氮效果。实验结果证明，在硝化反应中，当NH3-N负荷率在350g/(m3·d)以下时，NH3-N去除率可在90%以上；达到350g/(m3·d)时，去除率开始下降；而当达到430 g/(m3·d)以上时，去除率（即硝化率）将急剧下降。,氧化沟的生物细胞平均停留时间长达15-30天，为传统活性污泥系统的3-6倍，并在其中能够存活增殖世代时间长的硝化菌。 在氧化沟内划分成好氧区、缺氧区。原废水中的有机污染物可作为反硝化反应的碳源，而在好氧区内，有机污染物为好氧细菌分解， NH3-N经硝化反应形成硝酸氮（NO-3-N），后者则在缺氧区在反硝化反应的作用下，还原为气态氮，放逐于大气。,3.氧化沟硝化脱氮工艺,在生物膜处理中生物转盘系统在经过适当增建后是能够具有硝化和脱氮功能的。,4.生物转盘硝化脱氮工艺,该系统由6级转盘组成，前4级进行的是BOD去除与硝化反应。第5级为反硝化反应器，转盘全部淹没于水中，进行缓慢转动，形成缺氧状态，一般投加甲醇作为有机碳源。,三、 废水生物除磷与同步脱氮除磷技术,（一）生物除磷原理 （二）生物除磷工艺 （三）同步脱氮除磷工艺 （四）生物脱氮除磷技术的应用,（一）生物除磷原理,1.生物除磷过程的实质,磷常以磷酸盐（H2PO-4）、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中。活性污泥的化学组成为：C