污水生物脱氮除磷新工艺

基本原理及影响因素一、生物脱氮原理及影响因素•自然界中氮一般有四种形态：•有机氮、•氨氮、•亚硝酸盐氮•硝酸盐氮•生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨氮。有机氮占生活污水含氮量的40-60%，氨氮占50-60%，亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占0~5%。污水生物脱氮的可能途径1.传统生物脱氮原理及影响因素传统生物脱氮一般由硝化和反硝化两个过程完成。硝化过程可以分为两个过程，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。硝化反应式如下：氨化反应：RCOOHCONHOCOOHRCHNH2322HOHNOONHNOONOHOHNOONH225.025.123243222224硝化过程总反应式硝化反应：反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，在有氧气存在时，它会以氧气为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有硝酸盐氮或亚硝酸盐氮存在时，则以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为电子受体，以有机碳为电子供体进行反硝化反应。项目亚硝酸菌硝酸菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸/μm1~1.50.5~1革兰氏染色阴性阴性世代期/h8~3612~59需养性兼性厌氧严格好氧最大比增长速率/(μm/h)0.96~1.920.48~1.44产率系数Y/(mg细胞/mg基质)0.04~0.130.02~0.07饱和常数Ks/(mg/L)0.3~3.60.3~1.7反硝化过程反应式：OHOHNHNOOHNOHNO22222325.0-5-2有机物）（电子供体有机物）（电子供体硝化-反硝化过程的影响因素影响因素硝化过程反硝化过程温度硝化反应的适宜温度为20~30℃低于15℃时，反应速率迅速下降，5℃时反应几乎完全停止。温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性反硝化反应的温度范围较宽，在5~40℃范围内都可以进行。但温度低于15℃时，反硝化速率明显下降。最适宜的温度为20~40℃pH值硝化菌受pH值的影响很敏感，比较适宜的pH值范围为7.0~8.0。硝化过程消耗碱度，使得pH值下降，因此需补充碱度反硝化反应的适宜pH值为6.5~7.5。pH值高于8或低于6时，反硝化速率将迅速下降。反硝化过程会产生碱度溶解氧溶解氧是硝化过程中的电子受体，硝化反应必须在好氧条件下进行。溶解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活性C/N由于硝化菌是自养菌，水中的C/N不宜过高，否则将有助于异养菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。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。污泥龄θc硝酸菌的停留时间必须大于其最小世代时间2.新的硝化-反硝化脱氮原理同步硝化反硝化：在供氧受限或缺少有机碳源的厌氧条件下发生同步硝化反硝化，这时氨和亚硝酸盐分别充当电子供体和电子受体，致使曝气能耗和有机碳源需求量大大减少。与其他活性污泥法工艺相比，同步硝化反硝化在氧化沟工艺中最为显著。究其原因是在氧化沟中独特的表面曝气，打散了活性污泥絮体，形成了新的活性污泥絮体，使活性污泥能够很好地进行新陈代谢。另外，氧化沟工艺较长的HRT缓解了同步硝化反硝化速率较低的问题。短程硝化反硝化的理论核心为使硝化反应停留在亚硝化阶段。生物脱氮的硝化过程由两类微生物组成，AOB（氨氧化菌）和NOB（亚硝氮氧化菌）。实现短程硝化主要办法就是使AOB在活性污泥中成为硝化菌的优势菌，尽可能抑制NOB，防止硝化过程第二步的进行，避免全程硝化反应，然后将中间产物NO2-还原。二.生物除磷基本原理及影响因素1.基本原理生物除磷的机理目前还没有彻底研究清楚。一般认为，在厌氧条件下，兼性细菌将溶解性BOD5转化为低分子挥发性有机酸（VFA）。聚磷菌吸收这些VFA或来自原污水的VFA，并将其运送到细胞内，同化成胞内碳源存储物（PHB/PHV），所需能量来源于聚磷水解以及糖的酵解，维持其在厌氧环境生存，并导致磷酸盐的释放。在好氧条件下，聚磷菌进行有氧呼吸，从污水中大量地吸收磷，其数量大大超出其生理需求，通过PHB的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚合磷酸盐的形式存储在细胞内，磷酸盐从污水中得到去除；同时合成新的聚磷菌细胞，产生富磷污泥，将产生的富磷污泥通过剩余污泥的形式排放，从而将磷从系统中除去。聚磷菌的作用机理反应方程式：（1）聚磷菌摄取磷（2）聚磷菌释放磷HPOOHCOHHPOOHC3))((-32242232424（贮存的有机物））（聚磷OHOHHPOCONOHCPOONHOHC232275342424244.144.0))((2.02.116.02.02.116.0聚磷2.生物除磷的影响因素（1）厌氧/好氧条件的交替（2）硝酸盐和易降解有机物（3）污泥龄（4）温度和pH值（5）BOD5/TP传统脱氮除磷工艺概述一.传统生物脱氮除磷工艺在大多数情况下，生物除磷和生物脱氮同时发生在一个处理流程中。应用最广泛的生物脱氮、除磷工艺有A/O、A2/O、Bardenpho、UCT、Phoredox工艺、氧化沟工艺和VIP工艺等，近年来用SBR及其各种改进型的工艺，如CASS(CAST)、MSBR、UNITANK等。1.A2/O除磷脱氮工艺特点：厌氧、缺氧、好氧在不同环境条件和不同种类微生物菌群的有机结合，能同时去除有机物和除磷脱氮。A2/O工艺流程简单，总水力停留时间少于其他同类工艺，并且不需外加碳源，厌氧、缺氧段只进行缓速搅拌，基建和运行费用都较低。2.UCT工艺与A2/O工艺不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是厌氧池，同时增加了缺氧池到厌氧池的缺氧混合液回流。该运行方式可减少厌氧池的厌氧状态受回流污泥所携带的DO和NOx-N的影响，提高除磷效果。3.VIP除磷脱氮工艺特点：（1）厌氧、缺氧、好氧段的每一部分都是由两个以上较小的完全混合式反应格串联组成，在各反应段具有良好的基质浓度梯度分布。（2）污泥龄短、负荷高，运行速率高，除磷效果好。4.MSBR工艺MSBR是SBR和A2/O工艺的组合，污水和脱氮后的活性污泥一并进入厌氧区，聚磷污泥在此充分放磷，然后泥水混合液交替进入缺氧区和好氧区，分别完成反硝化、有机物的好氧降解和吸磷作用，最后在SBR池中沉淀出水。二.传统生物脱氮除磷工艺存在问题对于连续流工艺中的A2/O工艺，很难避免污泥回流所携带的硝酸盐对厌氧释磷的不利影响、混合液回流过程中所携带的溶解氧对反硝化作用的不利影响，以及聚磷菌与反硝化菌在碳源上的竞争和异养菌与自养菌在泥龄上的矛盾。生物脱氮除磷新工艺与新技术一.污水生物脱氮新技术传统的生物处理脱氮方法对氮的去除主要是靠微生物细胞的同化作用将氮转化为细胞原生质成分，所以传统的生物处理方法只能去除生活污水中约40%的氮。生物法脱氮新技术主要是针对传统生物脱氮理论而言，就是在好氧、低基质浓度条件下通过硝化菌的作用将氨氮氧化为硝酸盐，在缺氧、可利用碳源及碱度充足的条件下，反硝化菌将硝酸盐还原成气态氮从水中去除。1.短程硝化-反硝化工艺原理：将硝化过程控制在NO2-阶段而终止，随后进行反硝化。亚硝酸型生物脱氮具有以下优点：亚硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，泥龄也短，控制在亚硝酸型阶段易提高微生物浓度和硝化反应速率，缩短硝化反应时间，从而可以减少反应器容积，节省基建投资。（1）Sharon工艺是一种用于处理高浓度、低碳氮质量比的含氨废水的新工艺，它利用亚硝酸细菌和硝酸细菌在不同条件下的生长速率的差异，通过调控温度、pH、溶解氧、水力停留时间等参数，实现短程硝化反硝化。Sharon工艺特点：①脱氮速率快，投资和运行费用低②反应期内微生物增殖速度快③进出水浓度无相关性，进水浓度越高，去除率越高④只需简单地限制SRT就能实现氨氧化而亚硝酸盐不氧化⑤进水浓度高，有大量热量产生⑥排出的水中悬浮固体不影响工艺运行⑦只需单个反应器（2）厌氧氨氧化（Anammox）工艺在厌氧条件下，微生物直接以NH4+做电子供体，以NO2-为电子受体，将NH4+或NO2-转变成N2的生物氧化过程，其反应式为：OHNNHNO22422（3）Sharon-Anammox组合工艺以Sharon工艺为硝化反应，Anammox工艺为反硝化反应的组合工艺可以克服Sharon工艺反硝化需要消耗有机碳源、出水浓度相对较高等缺点。就是控制Sharon工艺为部分硝化，使出水中的NH4+与NO2-的比例为1:1，从而可以作为Anammox工艺的进水，组成一个新型的生物脱氮工艺。反应式为：OHHNONHOHNNONHOHHNOONH2224222422245.15.075.05.05.05.05.05.075.05.0Sharon-Anammox组合工艺，与传统硝化/反硝化相比，更具明显的优势：①减少需氧量50%~60%②无需另加碳源③污泥产量很低④高氮转化率（4）OLAND工艺又称限氧自养硝化-反硝化工艺。是限氧亚硝化阶段和厌氧氨氧化相偶联的一种新型生物脱氮工艺。其原理是严格控制溶解氧浓度，使硝化过程仅进行到NH4+氧化为NO2-阶段，由于缺乏电子受体，有NH4+氧化生成的NO2-氧化未反应NH4+的形成N2。反应式OHHNONHOHNNONHOHHNOONH2224222422245.15.075.05.05.05.05.05.075.05.0(5)生物膜内自养脱氮工艺（CANON）指在生物膜系统内部可以发生亚硝化，若系统供氧不足则膜内部厌氧氨氧化也能同时发生，那么生物膜内一体化的完全自养脱氮工艺便可能实现。生物膜内自养脱氮工艺原理2.同步硝化反硝化（1）同步硝化反硝化机理同步硝化（SND）是指在低氧条件下，在一个反应器同时存在硝化作用和反硝化作用，从而可以一步达到污水脱氮的效果。从物理角度解释由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生溶氧（DO）梯度。微生物絮体的外表面DO较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，反硝化菌占优势；正是由于微生物絮体内缺氧环境的存在，导致SND的发生。从生物学角度解释微生物学家已报道发现了好氧反硝化菌和异养硝化菌。由于大多数异养硝化菌同时是好氧反硝化菌，能够直接把氨转化成最终气态产物，从生物学的角度看，好氧同步硝化反硝化是可能的。SND与传统生物理论相比具有很大的优势，它可以在同一反应器内同时进行硝化和反硝化反应，具有以下优点：①曝气量减少，降低能耗②反硝化产生OH-可就地中和硝化产生的H+③不需缺氧反应池，可以节省基建费用④能够缩短反应时间，节约碳源⑤简化了系统的设计和操作等（2）影响因素①溶解氧（DO）的影响②碳源③其他因素：ORP、温度、pH值等（3）应用状况高浓度氨氮废水在序批式反应器中进行同步硝化反硝化3级生物膜反应器（RBC）二.污水生物脱氮新技术与新工艺1.BCFS脱氮除磷工艺此工艺是一种变型的UCT工艺，UCT工艺设计原理是基于对聚磷菌所需环境条件的工程强化，而BCFS的开发是为了从工艺角度创造DPB的富集条件。根据反硝化除磷机理，在单一活性污泥系统中，宜设置前置反硝化段（前缺氧段），从好氧段末端流出的富含硝酸盐的活性污泥回流到前置反硝化段。进水剩余污泥磷沉淀厌氧接触池缺氧好氧/缺氧好氧出水污泥回流沉淀池循环A循环B循环C从工艺流程上看，BCFS工艺较UCT工艺创新之处如下：（1）BCFS工艺增加了两个反应池，即在UCT工艺的厌氧和缺氧池之间增加一个接触池，在缺氧池和好氧池之间增加一个缺氧/好氧混合池。（2）BCFS工艺增设在线分离、离线沉淀化学除磷单元（3）与UCT工艺相比，BCFS增设了两个内循环，能辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮，并使好氧池与混合池之间建立循环，以增加硝化或同步硝化反硝化的机会2.A2N-SER双污泥脱氮除磷系统基于缺氧吸磷的理论而开发的A2N-SBR连续流反硝化除磷脱氮工艺，是采用生物膜法和活性污泥法相结合的双污泥系统。在该工艺中，反硝化除磷菌悬浮生长在一个反应器中，而硝化菌呈生物膜固着生长在另一个反应器中。厌氧中淀池好氧（生物膜）缺氧进水二沉