Ch9 污水脱氮除磷新工艺

一、脱氮除磷的传统工艺二、脱氮除磷的新工艺第九章第九章第九章污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺一、脱氮除磷的传统工艺1、脱氮的传统工艺2、除磷的传统工艺1、脱氮的传统工艺自然界中氮一般有四种形态：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等。生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨氮。有机氮占生活污水含氮量的40-60%，氨氮占50-60%，亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占0-5%。图图图111污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径传统上，通过两步生物反应，即硝化(NH+4→NO-3)与反硝化(NO-3→N2)，实现污水的生物脱氮。硝化反应可表示为:亚硝化反应NH4++O2+HCO3-→NO2-+H2O+H2CO3+亚硝酸菌硝化反应NO2-+NH4++H2CO3+HCO3-+O2→NO3-+H2O+硝酸菌总反应NH4++O2+HCO3-→NO3-+H2O+H2CO3+微生物细胞反硝化反应如下：NO3-+CH3OH+H2CO3→N2↑+H2O+HCO3-+微生物细胞生物脱氮工艺生物脱氮工艺生物脱氮工艺传统生物脱氮存在问题?首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，要消耗大量能源(因为曝气)；其次，还需要有足够碳源(COD)来还原硝酸氮到氮气。•1.2除磷传统工艺磷昀常见的形式有：无机磷:磷酸盐（H2PO4-、HPO42-、PO43-）；聚磷酸盐；有机磷。生活污水中的含磷量一般在10-15mg/L左右，其中70%是可溶性的。活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时，活性污泥中可产生所谓的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧条件下从废水中过量摄取磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。排放的剩余污泥中的含磷量在6%左右（污泥干重）。除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程A/OA/OA/O除磷工艺系统除磷工艺系统除磷工艺系统厌氧池好氧池二沉池进水剩余污泥出水污泥回流（0.5Q）•为防止水体富营养化，一般污水处理既需要脱氮,也需要除磷，是否可以把两者结合起来实现氮磷同时去除？AAA222/O/O/O工艺工艺工艺生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型二、脱氮除磷的新工艺2.1脱氮新工艺2.2除磷新工艺2.1脱氮新工艺2.1.1中温亚硝化2.1.2厌氧氨(氮)氧化2.1.3SHARON与ANAMMOX结合工艺2.1.1中温亚硝化(SinglereactorforHighAmmoniumRemovalOverNitrite，简称为SHARON)亚硝化/反硝化脱氮即(NH+4→NO-2)，(NO-2→N2)硝化作用NH+4+1.5O2→→→→NO-2+H2O+2H+NH+4+2O2→→→→NO-3+H2O+2H+节约O225%脱氮作用6NO-2+3CH3OH+3CO2→→→→3N2+6HCO3-+3H2O6NO-3+5CH3OH+CO2→→→→3N2+6HCO3-+7H2O节约CH3OH40%图图图333亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的昀小污泥龄与温度关系昀小污泥龄与温度关系昀小污泥龄与温度关系0.8d0.4dSHARON工艺的基本工作原理便是利用温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特点，使硝化细菌失去竞争。2.1.2厌氧氨(氮)氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation，简称为ANAMMOX)。氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直接氧化至成氮气，即：NH+4+NO-2→N2+2H2ONH+4+1.5O2→→NO-2+H2O+2H+（∆G◦=-275kjmol-1）NH+4+2O2→→NO-3+H2O+2H+（∆G◦=-349kjmol-1）NH+4+NO-2→→N2+2H2O（∆G◦=-357kjmol-1）从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚至比产生于好氧氨(氮)氧化(硝化)的能量还高，所以，能够支持自养细菌生长。¾早在20世纪70年代中期，Broda便从自由能理论计算中预测到自然界应该存在着ANAMMOX现象，但它的现实发现是在理论预测10年之后。¾荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中发现了这一现象。¾起ANAMMOX作用的微生物已被成功地分别在实验室流化床与SBR反应器中培养、富集到一定浓度，合成培养基为氨氮与亚硝酸氮的混合物。¾ANAMMOX微生物的增长率与产率是非常低的。¾但是氮的转换率却为0.25mgN/(mgSS·d)，这与传统好氧硝化的转换率相当。¾ANAMMOX反应在10～43℃的温度范围内具有活性，适宜的pH为6.7～8.3。¾ANAMMOX无需有机碳源存在，碳酸盐/二氧化碳是ANAMMOX微生物生长所需的无机碳源。2.1.3SHARON与ANAMMOX结合工艺¾SHARON与ANAMMOX结合主要针对高浓度氨氮污水。¾进水首先进入一悬浮、无污泥停留的SHARON单元，运行昀佳温度为35℃。SHARONSHARONSHARON与与与ANAMMOXANAMMOXANAMMOX相结合的相结合的相结合的自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程目前，世界上SHARON工艺的首例工程应用已在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理处理厂内实现；它被用于污泥消化液(含有1000～1500mgN/L)反硝化的前处理(亚硝化)。这个SHARON亚硝化单元以实验室2L小试反应器为基础，通过数学模拟直接放大到现场1500m3处理构筑物。几年实际运行情况表明，这个亚硝化处理单元性能良好，亚硝化率几乎可达100%(需控制pH)。SHARONSHARONSHARON与与与ANAMMOXANAMMOXANAMMOX结合自养脱氮结合自养脱氮结合自养脱氮小试氮平衡小试氮平衡小试氮平衡¾根据ANAMMOX的计量式，在SHARON反应器中57%的氨氮亚硝化，在ANAMMOX反应器中全部去除氨氮与亚硝酸氮。¾NH+4+1.32NO-2+0.066HCO3-+0.13H+→→→→¾0.066CH2O0.5N0.15+1.02N2+0.26NO-3+2.03H2O•试验表明，在SHARON反应器中氨氮的亚硝化率完全受pH(在65～75间)控制。所以，要想得到一个理想的亚硝化率可以靠控制pH来实现。•*生物膜内自养脱氮工艺(CANON)•如果在生物膜系统内ANAMMOX微生物也能同时生长，那么生物膜内一体化的完全自养脱氮工艺便可以实现。•这种生物膜内自养脱氮工艺被称为CANON(CompletelyAutotrophicN-removalOverNitrite)。CANONCANONCANON工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型•在支持同时硝化与ANAMMOX的生物膜系统中，通常存在三种不同的自养微生物：•亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌。•这三种细菌相互间竞争氧、氨氮与亚硝酸氮。¾由于亚硝化细菌与硝化细菌间对氧的亲和性不同，以及传质限制等因素，亚硝酸氮在生物膜表层的聚集是可能的。¾当氧向内扩散到被全部消耗后，厌氧层出现，厌氧氨氧化细菌便有可能在此生长。¾随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸氮扩散至厌氧层，ANAMMOX反应便能进行。•虽然目前CANON工艺在世界范围内仍处于研发阶段，还没有真正的工程应用，但是它必将会给污水脱氮技术带来革命性的变革。2.2除磷新工艺2.2.1反硝化除磷细菌2.2.2反硝化除磷工艺2.2.12.2.12.2.1反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌¾脱氮要经历好氧(硝化)/厌氧(反硝化),¾除磷要经历厌氧(释放磷)/好氧(积聚磷).¾如果能使反硝化细菌同时具有生物摄/放磷作用则可以将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。•在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，反硝化除磷细菌DPB(DenitrifyingPhosphorusremovingBacteria)能够象在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气。•事实上，在早先应用的UCT(UniversityofCapeTown)等生物脱氮除磷工艺中存在着一定数量的反硝化除磷细菌DPB(图5)，只不过当时没有被人们认识而已。图图图5UCT5UCT5UCT工艺流程图工艺流程图工艺流程图•在实际工程中，为最大程度地从工艺角度创造DPB的富集条件，一种变型的UCT工艺———BCFS在荷兰应运而生(图6)。图图图6BCFS6BCFS6BCFS工艺流程工艺流程工艺流程¾BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其生长环境。¾BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器及3路循环系统构成。¾各循环的作用如下表所示。BCFSBCFSBCFS中各循环的主要作用中各循环的主要作用中各循环的主要作用ƒ厌氧池ƒ厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO3-N0.1mg/)来维持。ƒ污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于生物除磷。¾接触池(选择器)¾控制污泥膨胀。¾接触池中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的微量硝酸盐能很快地被去除。¾在这种环境下，丝状菌生长非常缓慢，可保持较低的污泥指数(SVI)。¾反硝化除磷菌在接触池中也同样发挥作用，这一过程是缺氧池反应过程的延续。•¾缺氧池有两个功能：¾首先是反硝化以获得不含硝酸盐的污泥进而提高厌氧池的释磷效率，¾其次是利用好氧池中的硝酸盐来除磷ƒ（缺氧/好氧）混合池ƒ主要功能是脱氮，正常情况下该池可不充氧，缺氧条件可通过好氧池回流的混合液来维持。¾好氧池¾同常规的处理工艺一样，其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。ƒ将厌氧池末端富磷上清液抽出，以离线方式在沉淀单元内投以铁盐和镁盐予以回收。如：通过投加镁化合物(如氯化镁等)形成磷酸铵镁化合物鸟粪石而分离出磷。ƒ生物污泥可免受化学药剂的污染，使BCFS系统中微生物的活性不受化学污泥的影响。•BCFS工艺在荷兰已成功运用于工程实践中，除了具有节能低耗的优点外，还能保持稳定的处理水质，使出水总磷≤0.2ｍｇ/Ｌ，总氮≤0.5ｍｇ/Ｌ。