反硝化滤池

11.反硝化深床滤池工艺1.1反硝化工艺原理反硝化反应（denitrification）反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。在缺氧(不存在分子态溶解氧)的条件下，将亚硝酸根和硝酸根还原成氮气、一氧化氮或氧化二氮。参与反硝化过程的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼性菌，在自然环境中几乎无处不在，在废水处理系统中许多常见的微生物都是反硝化细菌，如变形杆菌属(Proteus)、微球菌属(Micrococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽抱杆菌属(Bacillus)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、黄杆菌属(Flavobacter)等，它们多数是兼性细菌。当有溶解氧存在时，反硝化菌分解有机物利用分子态氧作为最终电子受体。在无溶解氧的情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化稳定。生物反硝化过程可用以下二式表示：2NO2-十6H(电子供体有机物)一→N2十2H2O十20H-(2-1)2NO3-十9H(电子供体有机物)一→N2十3H2O十30H-(2-2)反硝化过程中亚硝酸根和硝酸根的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。同化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原成氨氮，用来合成新微生物的细胞、氮成为细胞质的成分的过程。异化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原为氮气、一氧化氮或一氧化二氮等气态物质的过程，其中主要成分是氮气。异化作用去除的氮约占总去除量的70-75%。反硝化过程的产物因参与反硝化反应的做生物种类和环境因素的不同而有所不同。例如，pH值低于7.3时，一氧化二氮的产量会增加。当游离态氧和化合态氧同时存在时，微生物优先选择游离态氧作为含碳有机物氧化的电子受体。因此，为了保证反硝化的顺利进行，必须确保废水处理系统反硝化部分的缺氧状态。废水中的含碳有机物可以作为反硝化过程的电子供体。由式(2-1)计算，转化1g亚硝酸盐氮为氮气时，需要有机物(以BOD5表示)1.71g，转化1g硝酸盐氮为氮气时，需要有机物(以BOD5表示)2.87g，与此同时产生3.57g碱度(以CaCO3计)。如果废2水中不含溶解氧，为使反硝化进行完全，所需碳源、有机物(以BOD5表示)总量可用下式计算:C=1.71[NO2-N]十2.86[NO3-N](2-3)式中:C反硝化过程有机物需要量(以BOD5表示)，mg/L;[NO2–N]一一亚硝酸盐浓度，mg/L；[NO3-N]一一硝酸盐浓度，mg/L。当废水中碳源有机物不足时，可补充投加易于生物降解的碳源有机物，如碳源（以甲醇为例）等。同时考虑同化及异化两个代谢过程的反硝化反应可用下式表示：NO2-十0.67CH3OH十0.53H2CO3一→0.04C5H7NO3十0.48N2十1.23H2O十HCO3-(2-4)NO3-+1.08CH3OH十0.24H2CO3一→0.056C3H7NO3十0.47N2十1.68H2O十HCO3-（2-5）由式(2-4)和式(2-5)可以计算，每还原1g亚硝酸盐氮和1g硝酸盐氮为氮气时，分别需要碳源（以甲醇为例）1.53g和2.47g。为了降低运行成本，可以用城市废水或工业废水作为碳源。废水中一部分易生物降解的有机碳可以作为反硝化的碳源被微生物利用。另一部分有机物则是可慢速生物降解的颗粒性或溶解性有机物，虽可作为反硝化的碳源，但会使反硝化的速率降低。其余的不可生物降解有机物，不能作为反硝化的碳源。根据有机碳源的不同，Barnard提出反硝化速率可以分为三个不同的速率阶段。第一阶段在5~15min内，反硝化速率为50mg/(L·h)，该阶段利用易生物降解的可溶性有机物作为碳源。第二阶段速率为16mg/(L·h)，用不溶或复杂的可溶性有机物作碳源，这一阶段一直延续到外部碳源用尽为止。第三阶段反硝化速率为5.4mg/(L·h)，用微生物内源代谢产物作碳源。1.2反硝化影晌因素1)温度温度对反硝化速率的影响与反硝化设备的类型(做生物的悬浮生长型与附着生长型)及硝酸盐氮负荷有关。例如，温度对生物流化床反硝化的影响比生物转盘和悬浮活性污泥法明显要小得多。当温度从20℃降到5℃时，达到同样的反硝化效果，3生物流化床的水力停留时间为20℃运行条件下的2.1倍，而对生物转盘和活性污泥法则分别为4.6和4.3倍。反硝化反应的最适宜温度范围是20~40℃，低于5℃时反应速率会下降。为在低温条件下提高反硝化速率，可以采取延长污泥龄、降低负荷率和提高废水的水力停留时间等方法。2)pH值反硝化过程的最适宜pH值为7.0~7.5，不适宜的pH值影响反硝化菌的增殖和酶的活性。当pH值低于6.0或高于8.0时，反硝化会受到明显的抑制。反硝化过程中会产生碱度，这有助于把pH值保持在所需范围内，并补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。理论计算表明，每还原1g硝酸盐氮产生3.5g碱度(以CaCO3计)，但实测值低于理论计算值。对于悬浮生长型反硝化系统，此值为2.89g，而对于附着生长型反硝化系统，此值为2.95g。3)溶解氧微生物反硝化需要保持严格的缺氧条件。溶解氧对反硝化过程有抑制作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。溶解氧对反硝化抑制作用的对比试验结果表明，当溶解氧为0mg/L时，硝酸盐的去除率为100%，而溶解氧为0.2mg/L时，则无明显的反硝化作用。一般认为，活性污泥系统中，溶解氧应保持在0.5mg/L以下，才能使反硝化反应正常进行。但在附着生长系统中，由于生物膜对氧传递的阻力较大，可以允许有较高的溶解氧浓度。4)碳源有机物反硝化反应是由异养微生物完成的生化反应，它们在溶解氧浓度极低的条件下利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体。碳源物质不同，反硝化速率也不同。5)碳氮比如上所述，理论上将1g硝酸盐氮还原为氮气需要碳源有机物(以BOD5表示)2.86g。一般认为，当反硝化反应器中废水的BOD5/TKN值大于4~6时，可以认为碳源充足。在单级活性污泥系统单一缺氧池前置反硝化（A/O)工艺中，碳氮比需求可高达48，这是因为城市废水成分复杂，常常只有一部分快速生物降解的BOD5可用作反硝化的碳源物质。如果以碳源（以甲醇为例）作为碳源物质，碳源（以甲醇为例）作为碳源与硝酸盐氮的比例为3就可满足充分反硝化的需要。6)有毒物质反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低得多，与一般好氧异养菌相同。在应用一般好氧异养菌的抑制或毒性的文献数据时，应该考虑微生物被驯化的作用。通过试验得出反硝化菌对抑制和有毒物质的允许浓度。反硝化滤池属于缺氧生物膜法工艺，生物膜法污泥浓度极高，缺氧生物膜法约为20000mg/L左右，远远高于常规活性污泥法的3000-5000mg/L，水流方向为降流式，从上而下经过生物填料层，具有推流生物反应器的特点，且生物附着于填料表面不断更新，不存在污泥流失等问题，也不存在泥龄等限制，这决定了该工艺的特点：反应效率高，具有高度的硝化与脱氮功能；对水质水量的变化有较强的适应性；对低浓度的污水也能进行有效的处理；生物膜法工艺中脱落的生物膜，易于固液分离，沉淀池的处理效果良好，即使丝状菌异常增殖，也不像活性污泥法那样产生污泥膨胀现象；污泥产率低，节省污泥处理费用；负荷高，占地非常节省。2.3化学除磷通过混凝剂与污水中的磷酸盐反应，生成难溶的含磷化合物与絮凝体，可以使污水中的磷分离出来，达到除磷的目的，化学除磷常用的混凝剂有石灰（钙盐）、铝盐和铁盐等。1）石灰除磷：石灰中的钙离子与正磷酸盐作用而生成羟基磷灰石为：羟基磷灰石的溶解度随pH值增加而迅速降低，pH值的增高将促进磷酸盐的去除。要保持较好的除磷率，需要将pH值提高到9.5以上。要达到一个给定的磷酸盐去除率，所需的石灰投加量主要取决于污水的碱度，而与水中的含磷浓度关系不大。5对于需要设置化学除磷流程的工程项目而言，除磷的要求一般较高，故应保证pH≥11。为满足这一条件，一般在工程中Ca的投加量常控制在400mg/L左右。此外，值得注意的是：磷酸钙沉淀的速度和程度除了与碱度密切相关外，还取决于反应器的结构形式。由于回流中形成的沉淀物提供了更大的表面积，故以回流为特色的反应器远比无回流的反应器更为有效。因此在有条件的项目中，应优先考虑选用澄清池作为其后续固液分离单元。2）铝盐除磷①铝离子与正磷酸盐反应，会形成固体的磷酸铝：Al3-+PO43-一→ALPO4↓②一般采用硫酸铝作为混凝剂，其反应为：Al2（SO4）3+2PO43-一→2ALPO4↓+3SO43-③同时硫酸铝还与污水中的碱度产生反应：Al2（SO4）3+6HCO3-一→2AL(OH)3↓+6CO2+3SO42-由于硫酸铝对碱度的中和，pH值下降，形成氢氧化铝聚凝体，同时与正磷酸根化合形成固体磷酸铝。若不是两种反应同时进行，则除磷与投铝的比例为1：0.87.根据一般经验，铝盐的实际用量约为磷酸盐沉淀所需量的一倍，最佳的pH约为6。除磷酸铝外，聚合氯化铝（PAC）和铝酸钠也常用于化学除磷，反应后其pH值不会降低。3）铁盐除磷铁离子与磷酸盐的反应同铝离子与磷酸盐的反应十分相似，生成物为FeSO4与Fe(OH)3。国内常用的铁盐混凝剂有三氯化铁FeCL3、硫酸亚铁等。铁盐的投加条件与铝盐十分相似。混凝剂的投加量不仅取决于药剂的种类，而且还与生化系统的设计条件、污水水质以及后续固液分离方式有关。在有条件时，应根据试验来确定合理的投加量。当没有试验条件时，可参考以下指标估算：1）用于澄清和进一步去除悬浮固体及有机物质，且二级生化处理系统的泥龄大于20d时，可按给水处理投药量的2-4倍考虑。一般来讲，泥龄越长，投药量越小。2）用于后置除磷流程时可根据上节所述不同药剂的参考量考虑。3）投加铝盐或铁盐与生化系统合并处理时，可按一摩尔磷投加1-3摩尔的铝盐6（铁盐）来考虑。应根据三级处理流程的竖向水力衔接条件考虑选择混合单元的工艺形式。当三级处理前设置中间提升泵站时，可采用水泵混合、静态混合等方式。当流程水力衔接的水头较小时，宜先采用机械混合装置，而尽量避免采用隔板混合池，以防止因隔板上大量蘖生生物膜而影响出水水质的情况发生。在采用滤池过滤时，也可采用微絮凝直接过滤的方式，利用滤池独特的扰流效果完成絮凝和SS截留过程。