污水的深度处理与回用脱氮除磷

第七章脱氮除磷原理与工艺概述氮素的污染控制磷素的污染控制同步脱氮除磷工艺二级处理水深度处理的目的、去除对象和所采用的处理技术与工艺流程臭氧氧化、消毒(氯气、次氯酸钠、紫外线)细菌、病毒微生物反渗透、电渗析、离子交换电导度Na、Ca、Cl离子溶解性无机物无机盐类金属盐混凝沉淀石灰混凝沉淀晶析法生物除磷PO4—PT—P磷生物脱氮吹脱、折点氯化脱氨、生物脱氮T—NK—NNH3—NNO2-—NNO3-—N氮混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化BOD5CODTOCTOD溶解状态快滤机、微滤机、混凝沉淀SSVSS悬浮状态采用的主要处理技术有关指标去除对象处理目的防止富营养化再用微量成分植物类营养盐排放水体再用有机物近20年来，污水脱氮除磷技术的研究、开发和工程应用一直是国内外污水处理界关注的热点和难点。随着工业化和城市化程度的不断提高，污水总量及氮磷排放总量不断增加。（一）概述工业高含氮废水、养殖废水、生活污水及农田径流是氮素污染的主要来源。氨氮进入水环境会刺激地表水植物和藻类的过渡繁殖，引发水体的富营养化；进入水体后发生硝化反应，使水体缺氧；氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气，增加氯消毒的用量;一定氨浓度对水生生物会产生毒害作用；硝态氮会影响人体健康。大量污水排放水体，经污水生物处理后减轻了水环境的污染，但传统污水处理厂以强化有机物去除为主，致使过多的氮磷营养物进入水体环境，使水体环境富营养化问题日益严重，为此很多国家都制定了严格的氮磷排放标准。太湖的富营养化（二）氮素的污染控制对氮素污染的治理，根据水中氮素浓度和选择物化或生化处理方法；国内外常见的工程技术有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、磷酸氨镁沉淀法、生物脱氮法等。近年来，生物脱氮理论得到快速的发展，出现以短程硝化反硝化和厌氧氨氧化工艺为代表的新型氨氮处理技术1）物化法处理氨氮当污水中氨氮浓度过高时，如200mg/L以上，游离氨浓度过高，对微生物有一定毒性，需要根据情况采取物化处理方法。空气吹脱法选择性离子交换法折点氯化法磷酸氨镁沉淀法(1.1)空气吹脱法在废水中，NH3和NH4+之间存在着化学平衡。受PH和温度影响，提高温度NH3占的比例提高；25温度下，PH11时，氨氮比例达到98%；pH7时仅0.6％。OHNHOHNH423原理：先将废水调节到pH10.5－11.5，然后把废水引入吹脱塔，通气吹脱废水中的氨；氨可以用硫酸回收成硫酸铵。方法：一般用NaOH或CaO调节pH。适合高氨氮废水的处理，冬季吹脱效率不高，石灰调节pH易在吹脱塔形成水垢，逸出的氨会污染空气，需要回收。调节pH值沉淀池吹脱塔出水排泥进水石灰或石灰乳吹脱法脱氨工艺流程(1.1)空气吹脱法原理：斜发沸石是一种天然的氨离子交换材料，它对氨离子的选择性吸收高于沸石晶格中的钙、镁和钠离子。废水流入沸石交换柱后，利用沸石对氨离子的选择性吸附作用，去除废水中的氨氮。吸附饱和的氨氮需要用药剂再生。再生方法：在高浓度盐NaCl和NaOH情况下，吸附的氨氮会解吸出来。适合低浓度氨氮废水的处理，需要前处理过滤以避免堵塞交换柱。但对硝态氮没有去除作用。(1.2)选择性离子交换法采用斜发沸石(沸石晶体内Na+和Ca2+与溶液中NH4+）流程：澄清或过滤沸石离子交换床出水再生液脱氮NH3或N2进水原理：折点氯化法是向废水中投加足量氯气，使氨氮氧化成氮气的废水脱氮技术。(1.3)折点氯化法OHHClNHHOClNH224HOHClNHOClClNH332222方法：折点氯化法余氯浓度和残留氨氮浓度与氯气和氨氮质量比有关；当氯气和氨氮质量比为(0-5):1，主要产物是氯氨，余氯上升在比例5:1时余氯达到峰值；当氯气和氨氮质量比为(5-7.6):1，氨氮和余氯降低，主要产物是二氯氨。当氯气和氨氮质量比为7.6:1，余氯回升，基本可去除氨氮，产物氮气为主，称为折点加氯。2）折点加氯量原理图：加氯反应池活性炭吸附塔氯气或次氯酸钠进水出水原理：向废水中投加磷酸盐和氧化镁，使氨形成MgMH4PO4沉淀而被去除的废水脱氮技术。(1.4)磷酸氨镁沉淀法OHPOMgNHNHPOMg24443426.方法：磷酸氨镁（MAP）为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀最好在高pH如9左右进行，理想投加比例为Mg:P:N=1.3：1：1传统好氧活性污泥法的传统功能——去除水中溶解性有机物N、P只满足生理要求即可，因此对二者去除率低，仅为20-40%；5-20%需要强化工艺过程，提高氮去除率(2)生物脱氮原理原理：水体中存在有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮；水体中也存在氨化菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌；含氮化合物在相应微生物的作用下相应发生氨化反应、硝化反应和反硝化反应后转化为氮气排入大气，达到生物脱氮的目的。(2.1）氨化反应有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，这一过程称氨化反应。氨化反应主要在好氧条件下发生，在活性污泥生物反应去除有机污染物时同时可完成。RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3氨化菌NH4++2O2NO3-+H2O+2H+-△F（△F=351kj）NH4++3/2O2NO2-+H2O+2H+-△（△F=278.42kj）NO2-+1/2O2NO-△F（△F=72.27kj)硝化菌亚硝化菌(2.2）硝化反应在硝化菌的作用下，氨态氮进一步氧化，首先发生亚硝化细菌作用下，氨氮变成亚硝酸盐；然后在硝化细菌的作用下，亚硝酸盐氧化为硝酸盐。硝化菌的特点：①硝化菌——亚硝酸菌和硝酸菌的统称;②硝化菌属于——化能自养菌，革兰氏染色阴性，可生芽孢的短杆状细菌.世代周期长。④温度——适应20-30℃，15℃硝化速度下降，低于5℃完全停止⑤有机物——BOD应低于15-20mg/l，防止异养菌占优势。⑥污泥龄（SRT）——微生物在反应器内的平均停留时间要大于硝化菌最小的世代时间，至少为其2倍。⑦有害物质浓度：高氨氮浓度、高浓度硝态氮、重金属及部分有毒有机物环境要求：①溶解氧——氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/l硝化需氧量（NOD）——4.57g(氧)/g（N）②碱度——硝化过程产生氢离子，为保持pH适宜，需投加碱度。投加方法量7.14g碱度（以CaCO3计）/1g氨态氮（以N计）,一般碱度不低于50mg/l.③PH——对PH变化敏感（硝化菌),最佳值8.0-8.4,效率最高①反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌；②以NO3—N为电子受体，以有机碳为电子供体，不能释放更多的ATP，合成的细胞物质较少。反应过程:缺氧的环境、提供碳源、需要混合反硝化反应的控制指标：污水中的碳源，BOD5/T—N3-5时，勿需外加外加碳源，CH3OH（反硝化速率高生成CO2+H2O），当BOD5/T—N3-5时适当的PH值（6.5-7.5）——主要的影响因素PH8，或PH6，反硝化速率下降①碳源②PH值反硝化菌的特点:(2.3)反硝化反应反硝化反应——指NO3—N和NO2—N在反硝化菌的作用下，还原成气态N2的过程。0.5mg/l以下，厌氧、好氧交替的环境，如存在氧，会抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，或氧成为电子受体阻碍硝酸氮的还原，但另一方面，某些酶系统还需有氧才能合成；④温度最适宜的温度是20-40℃，低于15℃时代谢速率下降；⑤冬季低温季节提高SRT，降低负荷率，从而提高污水的HRT。③溶解氧生化反应类型去除有机物（好氧分解）硝化反硝化亚硝化硝化微生物好氧菌和兼性菌（异养型细菌）Nitrosomonas自养型细菌Nitrobacter自养型细菌兼性菌异养型细菌能源有机物化学能化学能有机物氧源(H受体)O2O2O2NO3-NO2-溶解氧1—2mg/l以上2mg/l以上2mg/l以上0—0.5mg/l碱度没有变化氧化1mgNH4+-N需要7.14mg的碱度没有变化还原1mgNO3--N,N02--N生成3.57g碱度氧的消耗分解1mg有机物(BOD5)需氧2mg氧化1mgNH4+-N需氧3.43mg氧化1mgNO2--N需氧1.14mg分解1mg有机物(COD)需要NO3-N0.35mg,N02-N0.58mg，以提供化合态的氧最适pH值6—87—8.56—7.56—8最适温度15—25℃θ=1.0—1.0430℃θ=1.130℃θ=1.134—37℃θ=1.06—1.15增殖速度(d-1)1.2—3.50.21—1.080.28—1.44好氧分解的1/2—1/2.5分解速度70—870mgBOD/(gMLSS·h)7mgNH4+-N/(gMLSSh)0.022—8mgNO3-—N/(gMLSS·h)产率16%CH3OH/gC5H702N0.04—0.13mgSS/mgNH4+-N能量转换率为5%—35%0.02—0.07mgVSS/mgN02--N能量转换率10%—30%16%CH3OH/gC5H7O2N8表生物脱氮反应过程各项生化反应特征传统生物脱氮的基本理念就是设置合适的反应器，完成氨化、亚硝化、硝化与反硝化过程。(3)传统生物脱氮工艺（3.1)三级生物脱氮技术“一级”曝气池：去除COD、BOD，BOD15-20mg/l有机氮转化为NH3NH4+；“二级”硝化曝气池，NH3、NH4+生成NO3—N，碱度下降；“三级”反硝化池——厌氧、好氧交替运行。投甲醇时，CM=2.47N0（初始NO3—N浓度）+1.53N(初始NO2—N浓度)+0.87D（初始DO浓度）（2）优缺点去除效果好各类菌类分别在各自反应器增殖，生长环境条件好设备多，造价高，能耗大，需要投加碳源和大量碱液（1）流程说明（3.2)二级生物脱氮技术：改进的二级生物脱氮系统BOD去除和硝化两个反应合并，仍然是先氨化、硝化再反硝化(3.3)前置反硝化生物脱氮工艺（缺氧—好氧活性污泥法），又称A/O脱氮工艺（1）工艺特征80年代开创,前置反硝化——不加碳源,外加碱度,降低负荷设内循环回流硝化液，利用原水底物为碳源，硝态氮还原成氮气利用反硝化产生碱度,3.75mg碱度/mgNO3—N，原水中含有一部分碱度，处理生活污水甚至可以不加碱度调节。反硝化消耗部分碳，再设曝气池，提高除碳源效率，利于硝化，回流水含有NO3—N（沉淀池污泥反硝化生成）缺陷是氮去除率难于大幅度提高，要提高脱氮率，要增加回流比内循环（硝化液循环）原污水反硝化反应器（缺氧）BOD去除,硝化反应反应器（好氧）碱沉淀池处理水剩余污泥回流污泥N2分建式缺氧-好氧活性污泥脱氮系统（三）磷素污染控制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-)1.化学法除磷通过投加铝盐、铁盐、石灰等化学药剂反应生成不溶的沉淀物。2.生物法（强化）除磷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％。生物法（强化）除磷利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。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％。一、生物除磷原理聚磷菌—既能积累聚磷酸盐又能积累聚-β-羟基丁酸盐(PHB)的细菌。包括活性污泥中的不动杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属、棒杆菌属等。物除磷原理:（一）聚磷菌的磷过量摄取（二）聚磷菌的放磷聚磷菌的磷过量摄取:在好氧环境下，将进入对数生长期的聚磷菌可从外界大量吸收可溶性磷酸盐，合成聚磷酸盐，存积于细胞中。（二）聚磷菌的放磷当细菌处于厌氧条件时，会分解细胞内的聚磷酸盐，同时产生ATP，利