【经典】废水生物脱氮除磷工艺(上课用)

第六章废水生物脱氮除磷2012-2013学年1学期吉林农业大学资源与环境学院生活污水农业废弃物（秸秆、畜禽粪便）工业废水（制革、毛皮、印染）食品加工废水地表径流和某些工业废水（炼焦、化肥厂等）施用氮肥的农田排水有机氮的降解废水中氮的来源有机氮无机氮NH4-N50-60%NOX-N0-5%污（废）水脱氮、除磷的目的和意义一级处理：去除COD约30％左右二级生物处理：去除CODCr70％～90％，BOD5去除90％以上。产生NH3-N、NO3--N和PO43-、SO42-。25％氮和19％的磷被吸收合成微生物细胞，通过排泥得到去除。如味精废水和赖氨酸废水：含氨氮（NH3-N）6000mg/L左右。CODCr更高，60000～80000mg/L,BOD5约为CODCr的一半。氮污染的危害1.2.3.4.氨氮消耗水体中的溶解氧氮化合物对人和生物有毒害作用加速水体的“富营养化”过程与氯作用生成氯胺并被氧化为氮水体富营养化1.2.废水生物脱氮的微生物学原理……废水生物除磷的微生物学原理……第一节废水生物脱氮的微生物学原理N素循环一、生物脱氮的基本原理生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成：好氧硝化厌氧反硝化（一）硝化反应1、硝化作用是指由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐氮的过程。2、硝化反应由两组自养好氧微生物完成：亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）硝酸盐细菌（Nitrobacter）（1）亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）化能无机营养有些自养型硝化细菌能混合营养生长,少数可异养生长。专性好氧；最适温度25-30℃（5-30℃）；最适pH7.5-8.0（5.8-8.5）；亚硝酸细菌（5个属）亚硝化单胞菌Nitrosomonas自养、混养；亚硝化球菌Nitrosococcus自养、混养；亚硝化螺菌Nitrosospira严格自养；亚硝化弧菌属Nitrosovibrio自养、混养；亚硝化叶菌属Nitrosolobus自养、混养；（2）硝酸盐细菌（Nitrobacter）化能无机营养：有些自养型硝化细菌能混合营养生长,少数可异养生长。NO2-浓度在2-30mmol/L时化能无机营养最好。最适温度25-30℃最适pH7.5-8.0。硝酸细菌（4个属）硝化杆菌属Nitrobacter自养、可异养，自养快于异养硝化球菌属Nitrococcus严格自养硝化刺菌属Nitrospina严格自养硝化螺菌属Nitrospira自养、混养3、硝化过程分为两个阶段：NH3→NH2OH→NO→NO2-NO2-→NO3-氨单加氧酶羟胺氧还酶羟胺氧还酶亚硝酸盐氧还酶总反应式：NH4++1.86O2+1.982HCO3-0.982NO3-+1.044H2O+1.881H2CO3+.021C5H7O2N（1）由（1）可知：硝化反应消耗碱度和氧气每氧化1mgNH4+-N为NO3--N需消耗7.14mgCaCO3,需氧4.57mg4、硝化反应的环境条件：好氧条件，并保持一定的碱度。有机物含量不应过高，15～20mg/L以下。温度20～30℃，15℃时速度下降，5℃时完全停止。污泥龄必须大于其最小的世代时间。重金属、高浓度的NH4+-N和NOx--N对硝化反应有抑制作用。5、硝化段的操作泥龄：悬浮固体停留时间SRT。可通过排泥控制泥龄一般在5d以上，要大于硝化细菌的比生长速率。溶解氧：一般维持在1.2-2.0mg/L。溶解氧小于0.5mg/L，硝化作用停止。需氧量的计算：O2=4.33（N被氧化）mg/L。每氧化1gNH3需消耗4.33g氧。5、硝化段的操作水力停留时间：普通活性污泥法曝气时间4~6hpH：硝化反应导致pH下降，亚硝酸、硝酸细菌分别在7.0-7.8、7.7-8.1活性最强。需要量：碱度=7.14（N被氧化）mg/L温度：两类硝化细菌的最宜温度为30℃左右，在不同工艺和不同硝酸盐负荷率下，温度的影响大小不同，硝酸盐负荷越低，影响越小。（二）反硝化作用1、反硝化作用的原理：生物反硝化是指污水中的硝态氮NO3-和亚硝态氮NO2-，在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的过程。新细胞OHOHCONBODNO2223有机物为供氢体2、反硝化代谢途径异化反硝化：将NO2-和NO3-还原成N2。同化反硝化：是NO2-和NO3-被还原成NH3－N，用于新细胞的合成。(也叫亚硝酸氨化作用)3、参与反硝化代谢的酶硝酸盐还原酶：NO3-→NO2-亚硝酸盐还原酶：NO2-→NONO还原酶：NO→N2ON2O还原酶：N2O→N24、反硝化菌（denitrifyingbacteria）反硝化菌是异养兼性厌氧菌反硝化菌的能源（1）化能型：（2）光能型（光合细菌）：反硝化菌的能源化能型：多为化能异养：以有机物作为能源和碳源少数化能自养：以氢、氨、硫、硫化氢等无机物为能源；S+NO3-+H2O→SO42-+N2+H+光能型（光合细菌）：有光时，光能异养生长。黑暗条件，化能异养生长。5、反硝化段运行操作反硝化生物过程如图：最适pH6.5-7.5；最适温度10-35℃；溶解氧0.2mg/L；反应的能量来源于有机物的氧化5、反硝化段运行操作（1）碳源a、废水中有机基质一般认为BOD5:N3:1时，无须外加碳源b、外加碳源BOD5:N3:1时，需外加碳源，常用甲醇。外加碳源外源反硝化细胞合成的经典反应式：NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.06C5H7NO2+0.47N2↑+1.68H2O+CO2+OH-每利用1gNO3-反硝化，消耗2.47g甲醇，产生0.45g新细胞和3.57g碱度。c、内源碳指微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。要利用内源碳要求反应器的泥龄长，污泥负荷低，使微生物处于内源呼吸阶段。C5H7NO2+4.6NO3-→2.8N2↑+1.2H2O+5CO2+4.6OH-速率低，仅为外加碳源的1/10，优点是在C:N低时无须外加外来碳源也能达到脱氮目的而且污泥产量低。5、反硝化段运行操作（2）温度：最适宜的温度是15-35℃。（3）pH影响反硝化速率和反硝化最终产物。最适pH范围6.5-7.5之间。对终产物的影响：pH6.0-6.5时，N2O占优势；pH8，NO2-积累。pH越高，NO2-积累越多。高pH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性。5、反硝化段运行操作（4）溶解氧只有在溶解氧为零的时候，反硝化速率才达到最高；当溶解氧达到1mg/L时，反硝化速率接近零。主要机制氧抑制了硝酸盐还原酶的形成；氧可作为电子受体，竞争性阻碍硝酸盐的还原。5、反硝化段运行操作（5）毒物NH3、NO2、O2、pH。NH3分子（非离子）浓度过高抑制反硝化反应。二、生物脱氮工艺、原理及微生物（一）活性污泥法典型工艺A/O工艺（缺氧/好氧工艺）A/O脱氮工艺废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流（1）基本原理A/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越性是除了使有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能，是将厌氧水解技术用为活性污泥的前处理，所以A/O法是改进的活性污泥法。A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率；在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（NH4+）氧化为NO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。A/O工艺——缺氧反硝化细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌）反应：NO3-—N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气碳源：原水中BOD硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物A/O工艺——好氧脱碳硝化脱碳——氧化去除COD脱碳菌——好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源硝化菌——好氧氨盐呼吸的细菌，以碳酸盐为碳源（NH4+→NO2-→NO3-)A/O工艺的影响因素①MLSS一般应在3000mg/L以上，低于此值A/O系统脱氮效果明显降低。②TKN/MLSS负荷率（TKN─凯式氮，指水中氨氮与有机氮之和）：在硝化反应中该负荷率应在0.05gTKN/(gMLSS·d)之下。A/O工艺的影响因素③BOD5/MLSS负荷率：自氧型硝化菌最小比增长速度为0.21/d；异养型好氧菌为1.2/d。要使硝化菌存活并占优势，要求污泥龄大于4.76d；但对于异养型好氧菌，则污泥龄只需0.8d。A/O工艺的影响因素③BOD5/MLSS负荷率：传统活性污泥法中，污泥龄只有2～4d，所以硝化菌不能存活并占有优势，不能完成硝化任务。要使硝化菌良好繁殖就要增大MLSS浓度或增大曝气池容积，以降低有机负荷，从而增大污泥龄。其污泥负荷率（BOD5/MLSS）应小于0.18KgBOD5/KgMLSS·dA/O工艺的影响因素④污泥龄ts：为了使硝化池内保持足够数量的硝化菌以保证硝化的顺利进行，确定的污泥龄应为硝化菌世代时间的3倍，硝化菌的平均世代时间约3.5d（20℃）硝化菌世代时间与污水温度的关系A/O工艺的影响因素⑤污水进水总氮浓度：TN应小于30mg/L，NH3-N浓度过高会抑制硝化菌的生长，使脱氮率下降至50%以下。⑥混合液回流比：R的大小直接影响反硝化脱氮效果，R增大，脱氮率提高，但R增大增加电能消耗增加运行费。A/O工艺脱氮率与混合液回流比关系A/O工艺的影响因素⑦缺氧池BOD5/NOx--N比值：H4以保证足够的碳/氮比，否则反硝化速率迅速下降；但当进入硝化池BOD5值又应控制在80mg/L以下，当BOD5浓度过高，异养菌迅速繁殖，抑制自养菌生长使硝化反应停滞。A/O工艺的影响因素⑧硝化池溶解氧：DO2mg/L，一般充足供氧DO应保持2～4mg/L，满足硝化需氧量要求。⑨水力停留时间：硝化反应水力停留时间6h；而反硝化水力停留时间2h，两者之比为3:1，否则脱氮效率迅速下降。A/O工艺的影响因素⑩pH：硝化反应过程生成HNO3使混合液pH下降，而硝化菌对pH很敏感，硝化最佳pH=8.0～8.4，为了保持适宜的PH就应采取相应措施，反硝化过程产生的碱度可补偿硝化反应消耗碱度的一半左右。反硝化反应的最适宜pH值为6.5～7.5，大于8、小于7均不利。A/O工艺的影响因素⑾温度：硝化反应20～30℃，低于5℃硝化反应几乎停止；反硝化反应20～40℃，低于15℃反硝化速率迅速下降。因此，在冬季应提高反硝化的污泥龄ts，降低负荷率，提高水力停留时间等措施保持反硝化速率。提问：为什么先脱碳、后脱氮？脱碳菌的代谢产物是硝化菌的碳源；有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速，硝化菌氧利用不足，生长缓慢；提问：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)?硝化作用消耗碱（NH4+、CO32-），水pH下降；补充碳源、升高pH提问：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？挂生物膜或投加悬浮填料定期投菌（二）两级滤池法工艺流程两级滤池法工艺流程好氧脱碳硝化滤池进水厌氧反硝化滤池出水甲醇利用进水中的BOD（三）亚硝化-厌氧氨氧化工艺（SHARON）是一种新型的氨去除工艺原理是利用硝化菌和亚硝化菌在不同温度条件下最小停留时间的差异即在较高温度下，通过控制水力停留时间，使氨氧化菌保留在反应器中，淘汰硝化细菌，从而将硝化过