第十八章城市污水的深度处理

第十八章城市污水的深度处理河北工业大学郭振华概述二级处理技术(如活性污泥法)净化功能对城市污水所能达到的处理程度，在它的处理水中，在一般情况下，还会含有相当数量的污染物质，如：BOD520～30mg/L；COD60～100mg/L；SS20～30mg/L；NH3-N15～25mg/L；P6～10mg/L。此外，还可能含有细菌和重金属等有毒有害物质。如排放湖泊、水库等缓流水体会导致水体的富营养化；排放具有较高经济价值的水体，如养鱼水体，会使其遭到破坏。这种处理水更不适于回用。如欲达到以上的目的，就必须对其进一步进行深度处理。深度处理的对象与目标是：(1)去除处理水中残存的悬浮物(包括活性污泥颗粒)；脱色、除臭，使水进一步得到i清。(2)进一步降低BOD5、COD、TOC等指标，使水进一步稳定。(3)脱氮、除磷，消除能够导致水体富营养化的因素。(4)消毒杀菌，去除水中的有毒有害物质。经过深度处理后的水能够：(1)排放包括具有较高经济价值水体及缓流水体在内的任何水体，补充地面水源。(2)回用于农田灌溉、市政杂用，如浇灌城市绿地、冲洗街道、车辆、景观用水等。(3)居民小区中水回用于冲洗厕所。(4)作为冷却水和工艺用水的补充用水，回用于工业企业。(5)用于防止地面下沉或海水人浸，回灌地下。第一节氮、磷的去除一、氮的去除1.存在：废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。2.来源：在生活污水中，主要含有有机氮和氨态氮，均来源于人们食物中的蛋白质。2.后果：经活性污泥法处理的污水有相当数量的氨氮排入水体，可导致水体富营养化。3.分类：脱氮的方法有化学法和生物法两大类。（一）化学法除氮常用于去除氨氮的方法有吹脱法、折点加氯法和离于交换法。它们主要用于工厂内部的治理，对于城市污水处理厂很少采用。(1)吹脱法废水的氨氮可以气态吹脱。废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：平衡受pH值的影响，pH＝10.5－11.5时，因废水中的氨呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱在脱塔中进行，塔的构造如图18-1所示。①原理：在塔内按设木制或塑料制的格子填料，用以促进空气与水的充分接触。一般以石灰作为碱剂对污水进行预处理，使pH值上升到11左右。污水从塔的上部淋洒到填料上而形成水滴，在填料间隙次第下滴，用风机或空气压缩机从塔底向上吹送空气，使水气对流，在填料的作用下，水、气能够充分接触，水滴不断地形成、破碎，使游离氨呈气态而从水中逸出。②优点：1)除氨效果稳定；2)操作简便，容易控制。③存在问题：1)逸出的游离氨造成二次污染；2)使用石灰易生成水垢；3)水温降低，脱氨效果也行降低。④问题采取的措施有：1)改用氢氧化钠作为预处理碱剂，以防形成水垢；2)采取稀硫酸回收逸出的游离氨。⑤影响因素：受温度的影响较大，随温度的降低，为达到同样处理效果所需的空气量迅速增加，见图18-2。(2)折点加氯法含氨氮的水加氧时，有下列反应：在净水工程中，称氯胺为化合余氮，次氯酸为余氧，均有杀菌作用。图18-3示含氨氨水的加氯曲线。图中余氮曲线出现A、B二个转折点。A点前余氯基本上是氧胺，B点称折点，折点后余氧基本上是自由氯(游离氧)。加氧脱氮时采用的加氯量应以折点相应的加氯量为准。优点:适当的控制，可完全去除水中的氨氮。(3)离子交换法用离子交换法去除氨氮时，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。采用合成树脂，预处理工序和再生系统均较复杂，且树脂寿命短，应用上受到一定的限制，在此不作详述。(二）生物法脱氮（1）生物脱氮原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和NXO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。①硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为N02-和N03-的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成的。这两种菌属于化能自养型微生物。其反应如下：影响因素：硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。②反硝化反应是指在无氧条件下，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。反应如下：反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有NH3-或NO2-存在时，则以NH3-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。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，其反应如下：式中C5H702N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：影响因素：有机碳及其可生化程度、pH值、温度。表18-1硝化菌和反硝化菌比较处理菌温度℃pH溶解氧mg/L硝化菌20-307-8＞2反硝化菌5-406.5-7.5――（三）生物脱氮工艺①巴茨（Barth)三段生物脱氮工艺。将有机物氧化(氨化)，硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有个自的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。使除碳，硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行，处理效率高。其流程图18-4所示。②Bardenpho生物脱氮工艺。该工艺取消了三段脱氮工艺的中间沉淀池，如图18-5所示。该工艺设立了两个缺氧段，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。经第一段处理，脱氮已基本完成。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，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。这一工艺比三段脱氮工艺减少了投资和运行费用。③缺氧-好氧生物脱氮工艺。流程图18-6所示。消化段在前，也称前置式反硝化生物脱氮系统，是目前较为广泛采用的一种脱氮工艺。反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。二、磷的去除污水中磷的来源：粪便、洗涤剂和某些工业废水。污水中的磷存在：以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机瞬等形式溶解于水中。分离：一般仅能通过物理、化学或生物方法使溶解的磷化合物转化为固体形态后予以分离。除磷的方法主要分为物理法，化学法及生物法三大类。物理法因成本过高、技术复杂而很少应用。1．化学法除磷化学法是以磷酸盐能和某些化学物质如铝盐、铁盐、石灰等反应生成不溶的沉淀物。反应如表18—2所示。这些反应常有伴生反应，产物常具絮凝作用，有助于磷酸盐的分离。特点：是磷的去除率较高，处理结果稳定，污泥在处理和处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染，但污泥的产量比较大。2．生物法除磷①原理：生物法除磷是利用微生物在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐的过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。含有过量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系统，大部分和污水一起进入厌氧状态，此时污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量部分供聚磷菌生存。另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚羟基丁酸)的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧放磷。进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。这就是厌氧和好氧交替的生物处理系统除磷的本质。影响因素：在厌氧状态下放磷愈多，合成的PHB愈多，则在好氧状态下合成的聚磷量愈多，除磷的效果也就愈好。硝酸盐对厌氧放磷不利，它有助于反硝化菌的增长，从而和聚磷菌争夺碳源，抑制其生长和放磷。温度对放磷也有重要的影响。当温度从10℃上升到30℃时，放磷速率可提高5倍。②生物除磷的类型有二种：A/O法和Phostrip工艺。(1)A／O法是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有机污染物及磷的处理系统，其流程如图18-7所示。为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2mg/L以上，pH值应控制在7-8之间。磷的去除率还取决于进水中的BOD5，与磷浓度之比。由于微生物吸收磷是可逆的过程，过长的曝气时间及污泥在沉淀池中停留时间过长都有可能造成磷的释放。(2)Phostrip去除磷工艺，流程见图18-8。四、生物脱氮除磷A2/O工艺、改进的Bardenpho工艺、UCT工艺和SBR工艺。流程图18-9所示，典型的设计参数见表18-4。1．A2/O工艺在原来A／O工艺的基础上，嵌入一个缺氧池，并将好氧池中的混合液回流到缺氧池中，达到反硝化脱氮的目的，这样厌氧一缺氧—好氧相串联的系统能同时除磷脱氟。简称A2/O工艺。2．改进的Bardenpho工艺改进的Bardenpho工艺由四池串联，即缺氧一好氧—缺氧池一好氧池。类似二级A／O工艺串联。第二级A／O的缺氧池基本上利用内源碳源进行脱氮，最后的曝气池可以吹脱氨氮，提高污泥的沉降性能。为了提高除磷的稳定性，在Bardenpho工艺流程之前增设一个厌氧池，以提高污泥的磷释放效率。只要脱氮效果好，那么通过污泥进入厌氧池的硝酸盐是很少的，不会影响污泥的放磷效果，从而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果。3．UCT工艺在改进的Bardenpho工艺中，由于二沉池回流污泥中很难避免有一些硝酸盐回流到流程前端的厌氧池，从而影响除瞬效果；为此，UCT工艺将二沉池的回流污泥回流到缺氧池，污泥中携带的硝酸盐在缺氧池中反硝化脱氮。同时为弥补厌氧池中污泥的流失，增设缺氧池至厌氧池的污泥回流。这样厌氧池可免受硝酸盐的于扰。4.SBR工艺SBR工艺是将除磷脱氮的各种反应，通过时间顺序上的控制，在同一反应器中完成。五、脱氮除磷活性污泥法功能及影响因素1.脱氮除磷工艺和功能2．脱氮除磷活性污泥法的影响因素影响因素主要有三类：①环境因素，如温度、pH、溶解氧；②工艺因素，如泥龄、各反应区的水力停留时间；③污水成分，如BOD5与N、P的比值。第二节城市污水的三级处理当城市污水厂的出水水质要求进一步提高或要求满足回用时，可在生物处理法之后增加混凝过滤工序；若处理要求着眼于去除难降解的有机物时，可在生物处理法之后增加活性炭吸附工序，或在活性污泥法中投加粉末活性炭；也可采用化学氧化法。一、活性炭吸附三级处理中的活性炭吸附主要是去除传统活性污泥法出流中的难降解化合物，残余的无机化合物，如氮，硫化物和重金属。二、投加粉末活性炭的活性污泥工艺该工艺是将活性炭直接加入曝气池中，使生物氧化与物理吸附同时进行。其工艺流程如图18—10所示。三、化学氧化法在废水的深度处理中，应用化学氧化法可去除氨氮，降低残留有机物的浓度及减少水中细菌和病毒的数量。作业：P2692和3题