第六节--脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计

第六节脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计城市污水经传统的二级处理以后，氮和磷仍存。氮、磷引起水体的富营养化，影响饮用水水源。太湖的富营养化一、氮的去除废水中氮的存在形式：有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种。1.化学法除氮(1)吹脱法:废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：OHNHOHNH423这一平衡受pH的影响，pH为10.5~11.5时，因废水中的氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH提高至10.5~11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行。(2)折点加氯法原理:把足量的Cl2或NaClO加入废水中，当加入量达到某点时，氨氮含量趋于零，氯含量较低；当氯含量超过此点时，氯含量上升，此点称为折点。O3H3Cl5HN3HClO2NH224此法可使水中氨氮含量低于0.1mg/L，远低于城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18018-2002)一级A标准为5mg/L。(2)折点加氯法:含氨氮的水加氯时，有下列反应：ClHHClOOHCl22OHHClNHHClONH224O2HHNHCl2HClONH224O3H3Cl5HN3HClO2NH224O3HHNCl3HClONH234一氯胺二氯胺三氯化氮OH5.0Cl5.15H.1N5.0HClO5.0ClNH222(3)离子交换法: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。2.生物法脱氮1)生物脱氮机理生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2气体的过程。其中包括氨化、硝化和反硝化等过程。见p86(1)氨化反应：新鲜污水中氮的存在形态①主要是有机氮：如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式；②少量氨态氮：NH3及NH4+等。氨化作用：微生物分解有机氮化合物产生氨的过程。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物。氨化的条件：好氧或厌氧以氨基酸为例：322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH硝化反应是在好氧条件下，在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。O2H4H2NO3O2NH22菌亚硝24化322NO2O2NO2硝酸菌总反应式为：OHH2NOO2NH2324硝化细菌32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNH(2)硝化反应：以剩余活性污泥的形式除去，氮被同化成微生物的组成成分。去除的氮依运行条件和水质而定，如果微生物细胞中氮含量以12.5%计算，氮去除率在8%~20%。同化作用脱氮硝化过程的影响因素：（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-，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，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，lg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。一般BOD5低于20mg/L.（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。（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）SRT，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。SRT值与温度密切相关，温度低，SRT取值应相应明显提高。每繁殖一代所需的时间,称为世代时间（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。反硝化反应是指在缺氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌大多数反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子受体进行呼吸；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。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌总反应式为：(2)反硝化反应：在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47.0NOH.065C0HOHCH08.1NO22227533式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化还原和微生物合成的总反应式为：从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过程还原为N2，4％经同化过程合成微生物。O2.44H0.76CON47.0NOH.065C0HOHCH08.1NO22227533式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化还原和微生物合成的总反应式为：从以上的过程可知，每还原1g硝酸根，需3.0mgBOD,可产生3.47g碳酸钙（碱度），0.45g反硝化菌。硝化耗碱；反硝化产碱，需碳源。反硝化过程的影响因素：（a）碳源：能为反硝化菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可有下列三类：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：反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧同时存在硝酸根离子和亚硝酸根离子的条件下，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。在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。碳源原水中含有的有机碳外加碳源，多用甲醇内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其贮存的有机物有机氮（蛋白质、尿素）细菌分解和水解氨氮同化有机氮有机氮（NH3-N）（细菌细胞）（净增长）O2硝化自溶和自身氧化亚硝态氮反硝化（NO2-）O2有机碳硝化硝态氮反硝化氮气（NO3-）（N2）有机碳生物脱氮机理2)生物脱氮工艺生物脱氮过程：将有机氮和氨氮经氨化、硝化以及反硝化作用转化为氮气的过程。好氧硝化+缺氧反硝化硝化——好氧，释放H+，故需要碱，加碳酸钙，BOD不能太高。反硝化——缺氧，会产生OH-，需外加碳源。2)生物脱氮工艺①三段生物脱氮工艺：将有机物氨化、硝化以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。缺点：反硝化需加碳源否则脱氮效率低见p147②缺氧——好氧生物脱氮工艺：该工艺将反硝化段设置在系统的前面，又称前置式反硝化生物脱氮系统。反硝化反应以废水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量的硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。该工艺用的最多。缺氧-好氧生物脱氮工艺A、分建式缺氧—好氧活性污泥生物脱氮（A1/O)回流污泥回流污泥处理水内循环（硝化液回流）回流污泥反硝化反应器BOD去除、硝化反应反应器(缺氧)沉淀池碱N2(好氧)图21-3分建式缺氧-好氧活性污泥脱氮系统B、合建式A1/O工艺硝化BOD去除回流污泥反硝化沉淀池处理水内循环N2内循环原污水空气图21-4合建式缺氧-好氧活性污泥法脱氮系统优点：同时去除有机物和氮，流程简单，构筑物少，只有一个污泥回流系统和混合液回流系统，节省基建费用。反硝化缺氧池不需外加有机碳源，降低了运行费用。因为好氧池在缺氧池后，可使反硝化残留的有机物得到进一步去除，提高了出水水质（残留有机物进一步去除）。缺氧池中污水的有机物被反硝化菌所利用，减轻了其它好氧池的有机物负荷，同时缺氧池中反硝化产生的碱度可弥补好氧池中硝化需要碱度的一半。（减轻了好氧池的有机物负荷，碱度可弥补需要的一半）。缺点：脱氮效率不高，一般ηN=（70～80）%好氧池出水含有一定浓度的硝酸盐，如二沉池运行不当，则会发生反硝化反应，造成污泥上浮，使处理水水质恶化。③Bardenpho生物脱氮工艺设立两个缺氧段，第一段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。为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，净化残留有机物，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。含磷化合物有机磷有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等无机磷磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-)、磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－)、三磷酸盐(P3O105-)、三磷酸氢盐(HP3O92-)二、污水中磷的去除三聚磷酸钠的作用三聚磷酸钠（STPP）：洗涤剂中的含量为10～50%。用它所生产的洗涤剂能达到良好的洗涤效果，是一种较理想的洗涤助剂。作用;（1）有软化水的作用，对洗涤液中碱金属或其它重金属离子有螯合作用或离子交换作用，将上述离子封锁，从而降低水的硬度；（2）有碱性缓冲作用，即使有少量酸性物质存在，通过助剂的作用，也可使洗涤液的碱性不发生显著变化，保持很强的去污能力；（3）有润湿、乳化、悬浮、分散等作用，使污垢在溶液中悬浮与分散，防止污垢的再次沉淀附着作用但由于STPP是一种含磷产品，作为生产洗衣粉及其它洗涤剂的主要助剂，它溶于水后会造成水质富营养化，使水藻类植物增长过速，藻类浮游植物泛滥，海洋出现“赤潮”，水体混浊恶化。是江河湖泊水质恶化的罪魁祸首之一。一般城市污水水质与排放要求常规活性污泥法的微生物同化和吸附；项目进水水质/（mg·L-1）国家排放标准/（mg·L-1）一级A一级BCODcr250~3005060BOD5100~1501020SS150~2001020TKN(NH3-N)35（25）5（8）8（15）TP5~611.5如何去除以达到排放标准？生物强化除磷；投加化学药剂除磷。铝盐、铁盐、石灰等，同水中的PO43-反应生成沉淀常规活性污泥法的微生物同化和吸附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%。生物强化除磷工艺如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。1、生物强化除磷工艺利