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1 第6講廢水生物處理技術(shù) 2 57 概述 生物處理是廢水處理中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)活性污泥法于1913年在英國成功應(yīng)用 生物處理革新技術(shù)舉例 3 57 1生物脫氮 廢水中氮的主要形式為蛋白質(zhì) 氨基酸和氨氮 有機氮可以通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮生物脫氮由硝化和反硝化組成硝化反應(yīng) 自養(yǎng)好氧微生物將氨氮氧化為硝酸鹽亞硝化細菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽NH4 1 382O2 1 982HCO3 0 982NO2 1 036H2O 1 891H2CO3 0 018C5H7O2N硝化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽NO2 0 488O2 0 01HCO3 0 003NH4 NO3 0 008H2O 0 003C5H7O2N總反應(yīng)式 NH4 1 86O2 1 982HCO3 0 982NO3 1 004H2O 0 021C5H7O2N 4 57 亞硝化菌和硝化菌的特征 亞硝化菌包括亞硝酸鹽單胞菌屬和亞硝酸鹽球菌屬硝化菌包括硝酸鹽桿菌屬 螺旋菌屬和球菌屬 5 57 反硝化反應(yīng) 異養(yǎng)微生物在無分子氧條件下將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣NO3 1 08CH3OH 0 24H2CO3 0 47N2 1 68H2O HCO3 0 056C5H7O2NNO2 0 67CH3OH 0 53H2CO3 0 48N2 1 23H2O HCO3 0 04C5H7O2N反硝化細菌包括假單胞菌屬 反硝化桿菌屬 螺旋菌屬和無色桿菌屬等反硝化過程產(chǎn)生的堿度 3 47gCaCO3 gNO3 N 6 57 生物脫氮工藝 a 有機物的氧化和硝化反應(yīng)在兩個構(gòu)筑物中完成 為單獨硝化工藝或分級硝化工藝b c 含碳有機物去除與硝化反應(yīng)在同一反應(yīng)器中完成 為碳氧化 硝化聯(lián)合處理工藝 生物脫氮工藝的三種基本類型 7 57 單獨硝化系統(tǒng)和聯(lián)合氧化 硝化處理工藝都可以采用微生物懸浮型生長構(gòu)筑物 附著生長型構(gòu)筑物或復合生長構(gòu)筑物 兩種硝化工藝特性的比較 8 57 多級生物脫氮工藝流程 反硝化單元進水含碳有機物濃度較低 需補充甲醇硝化過程中pH下降 需補充堿度 9 57 廢水中磷的存在形態(tài)常為磷酸鹽 聚磷酸鹽和有機磷有機物的生物降解伴隨著微生物菌體的合成 活性污泥含磷量一般為干重的1 5 2 3 通過剩余污泥排放可以獲得10 30 的除磷效果污水生物除磷就是利用微生物吸收的磷量超過微生物正常生長所需要的磷量的現(xiàn)象 使細胞含磷量高的菌體取得優(yōu)勢污水生物除磷工藝中 剩余污泥的含磷量可達干重的3 7 出水含磷量明顯下降 2生物除磷 10 57 除磷技術(shù)的發(fā)展 20世紀50 60年代 發(fā)現(xiàn)生物超量吸磷現(xiàn)象證明了除磷作用的生物學本質(zhì)和生物誘導化學沉淀的輔助作用好氧區(qū)之前設(shè)置厭氧接觸區(qū) 污泥進行厭氧 好氧交替循環(huán) 開發(fā)生物除磷工藝流程 應(yīng)用于工程阻止缺氧或好氧性電子受體 硝態(tài)氮或溶解氧 進入?yún)捬鯀^(qū) 優(yōu)化工藝技術(shù)和運行技術(shù)加入低分子量基質(zhì) 定量化模擬和優(yōu)化生物除磷技術(shù)建立污水生物除磷的數(shù)學模式 11 57 生物強化除磷工藝 生物強化除磷工藝 Enhancedbiologicalphosphateremovalprocess EBPR 指微生物以聚磷酸鹽的形式超量儲存磷微生物在好氧區(qū)和厭氧區(qū)之間循環(huán) 廢水自厭氧區(qū)進入系統(tǒng) 聚磷菌在此系統(tǒng)中具有選擇優(yōu)勢聚磷菌 PAOs 在厭氧區(qū)從廢水中攝取碳源并將其以聚羥基烷酸鹽的形式儲存 同時降解體內(nèi)的聚磷釋放正磷酸鹽 在好氧區(qū)利用儲存的聚羥基烷酸鹽作為碳源和能源 攝取正磷酸鹽將其轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽 12 57 EBPR系統(tǒng)中磷的循環(huán)與累積模式 13 57 生物除磷過程中的生物代謝 14 57 EBPR脫磷的生物學及生物化學性質(zhì) 不動菌屬不是起脫磷作用的優(yōu)勢菌種 系統(tǒng)中的生物群體是多樣的形成聚羥基烷酸鹽的還原能主要來自內(nèi)部儲存的糖原的降解 可能部分來自于三羧酸循環(huán)內(nèi)部儲存糖原是保持微生物體內(nèi)的氧化還原電位平衡以利于厭氧攝取多種有機物的關(guān)鍵部分聚磷菌可利用硝酸鹽氮作為電子受體非聚磷糖原微生物代謝途徑與聚磷菌類似 唯一區(qū)別是前者厭氧代謝基質(zhì)時 利用體內(nèi)儲存糖原為唯一能源現(xiàn)有的形態(tài)學及生理學資料表明聚磷菌與非聚磷糖原微生物是不同的微生物 15 57 生物處理過程除磷小結(jié) 超量除磷是生物作用的結(jié)果 但生物超量除磷不能完全解釋某些條件下出現(xiàn)的除磷性能生物誘導的化學除磷可能是生物除磷的補充生物除磷系統(tǒng)中可能的磷的去除途徑生物超量除磷 污泥含磷量3 7 正常磷的同化作用 微生物合成消耗磷正常液相沉淀 pH 離子濃度 沉淀劑等作用加速液相沉淀 厭氧條件下高磷濃度 加速化學沉淀生物膜沉淀 細菌反硝化作用 膜內(nèi)pH升高 磷從液相進入無機相 16 57 生物除磷工藝要點 設(shè)置厭氧區(qū) 供聚磷菌吸收基質(zhì) 產(chǎn)生選擇性增殖多數(shù)污水除磷工藝構(gòu)造基于硝化和反硝化的考慮 使系統(tǒng)在硝化的情況下保證良好除磷主流除磷工藝 Bardenpho A O SBR等 同時具有除磷脫氮功能測流除磷工藝 Phostrip工藝為代表 厭氧池不在污水的主流方向上 大部分磷通過化學沉淀去除 17 57 3幾種典型的脫氮除磷工藝 改良Ludzack Ettinger MLE 工藝厭氧 好氧 A O 工藝Phostrip工藝A2 O脫氮除磷工藝UTC脫氮除磷工藝VIP脫氮除磷工藝Bardenpho脫氮除磷工藝 18 57 3 1MLE工藝 有回流的前置反硝化生物脫氮系統(tǒng) 前置反硝化在缺氧條件下進行 含碳有機物的去除 含氮有機物的氨化和氨氮的硝化在好氧條件下進行也稱為缺氧 好氧 A O 生物脫氮流程 19 57 MLE工藝特點 流程簡單 基建費低 運轉(zhuǎn)費低 電耗低以原污水中的含碳有機物和內(nèi)源代謝產(chǎn)物作為反硝化碳源 不需補充碳源好氧池在缺氧池之后可以進一步去除有機物硝化反應(yīng)主要在好氧池完成 出水硝氮濃度較高前置缺氧池具有生物選擇器的作用 有利于改善污泥的沉淀性能缺氧池中的反硝化過程可以補充部分堿度 調(diào)節(jié)pH系統(tǒng)總氮去除率可達88 20 57 3 2A O工藝 又稱沒有硝化的A O工藝 是最簡單的生物除磷工藝系統(tǒng)厭氧區(qū)的存在有利于聚磷菌的選擇性增殖 且能抑制絲狀菌的生長污泥含磷量可達干重的6 21 57 3 3Phostrip工藝 出水總磷濃度低于1mg L 受進水有機物濃度干擾小大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除分流到厭氧釋磷池的測流流量為進水流量的10 30 污泥停留時間為8 12h 22 57 3 4A2 O脫氮除磷工藝 在A O工藝的厭氧池后增加一個缺氧池 并將沉淀池污泥回流到厭氧池總停留時間相當?shù)那闆r下 具有同時脫氮除磷功能 23 57 3 5UTC脫氮除磷工藝 沉淀池污泥不回流到厭氧池 而是缺氧池防止硝酸鹽氮進入?yún)捬醭?影響除磷效率增加缺氧池到厭氧池的混合液回流 提高系統(tǒng)抗沖擊負荷的能力 24 57 改良UTC脫氮除磷工藝 在厭氧池和好氧池之間再增加一個缺氧池減少了進入?yún)捬醭氐南醯康谝蝗毖醭乩梦鬯械暮加袡C物對回流入的硝氮進行反硝化第二缺氧池對好氧池回流的硝氮進行反硝化提高好氧池至第二缺氧池的回流比提高系統(tǒng)的脫氮能力第一缺氧池的回流減少硝氮對厭氧池除磷功能的干擾 25 57 3 6VIP脫氮除磷工藝 與UCT工藝相同 也是單級活性污泥系統(tǒng) 同時去除水中的氮和磷 區(qū)別是 VIP中厭氧 缺氧 好氧反應(yīng)器分別由兩個或多個完全混合的單池構(gòu)成 可以提高磷的吸收和釋放速率泥齡短 負荷高 運行速率高 污泥中活性生物的比例增加 除磷速率較高 設(shè)計泥齡為5 10d UCT的泥齡通常為13 25d 26 57 3 7Bardenpho脫氮除磷工藝 在MLE工藝的好氧池后增加一個缺氧池 稱為四階段的Bardenpho工藝 27 57 在四階段Bardenpho工藝的前端再增加一個缺氧池 即成為五階段Bardenpho工藝所增加的厭氧池使之具有脫氮除磷功能 無除磷要求時工藝前端的厭氧池可以作為生物選擇器 抑制絲狀菌的繁殖運行負荷較低 以提高脫氮率 28 57 4生物脫氮原理的新認識及相應(yīng)工藝 已有廢水脫氮除磷工藝的問題硝化菌群增殖速度慢 生物濃度低 水力停留時間長 有機負荷低 基建投資和運行費用高同時進行污泥回流和硝化液回流 動力消耗及運行費用高抗沖擊能力弱 高濃度氨氮和亞硝酸鹽進水會抑制硝化菌生長為中和消化過程產(chǎn)生的酸度 需要加堿中和 增加了費用發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象某些異養(yǎng)菌也可以參加硝化作用某些微生物好氧條件下也可進行反硝化作用厭氧反應(yīng)器中出現(xiàn)氨氮減少 29 57 4 1SHARON工藝 Singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite基本原理為簡捷硝化 反硝化將氨氮氧化控制在亞硝化階段 然后進行反硝化 簡捷硝化 反硝化節(jié)省消耗的碳源和能源 30 57 SHARON工藝的基本特點硝化與反硝化兩個階段在同一個反應(yīng)器中完成 簡化流程硝化產(chǎn)生的酸度可部分地有反硝化產(chǎn)生的堿度中和可以縮短水力停留時間 減小反應(yīng)器體積和占地面積將硝化過程控制在亞硝化階段的優(yōu)點可節(jié)省反硝化過程需要的外加碳源 以甲醇為例 亞硝氮反硝化比硝氮反硝化可節(jié)省碳源40 可減少供氣量25 左右 節(jié)省了動力消耗在全混反應(yīng)器中通過控制溫度 高溫下硝化菌生長速率低于亞硝化菌 和停留時間 可以將硝化菌從反應(yīng)器中沖洗出去 使反應(yīng)器中亞硝化菌占絕對優(yōu)勢 從而將氨氧化控制在亞硝化階段通過間歇曝氣 可以達到反硝化的目的 31 57 4 2ANAMMOX工藝 在厭氧條件下 以硝氮為電子受體 將氨轉(zhuǎn)化為氮氣該菌是自養(yǎng)菌 不需要添加有機物來維持反硝化 ANAMMOX工藝的可能途徑 32 57 4 3全自養(yǎng)脫氮工藝 Autotrophicammoniaremoval 目前仍處于實驗室階段 參與脫氮過程的微生物均為自養(yǎng)微生物De ammonification工藝 限制溶氧 低有機碳條件下 氨氮由自養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化為氮氣 氨轉(zhuǎn)化為亞硝氮和氮氣的可能途徑 33 57 SHARON工藝與ANAMMOX工藝結(jié)合實現(xiàn)全自養(yǎng)脫氮 SHARON工藝可以通過控制溫度 HRT pH等條件 在亞硝化自養(yǎng)菌作用下氨部分轉(zhuǎn)化為亞硝氮 使出水氨氮和亞硝氮比例為1 1ANNAMOX工藝是在自養(yǎng)菌作用下 以亞硝氮為電子受體 將氨氧化為氮氣以SHARON工藝作為硝化反應(yīng)器 而ANNAMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器可實現(xiàn)全自養(yǎng)生物脫氮優(yōu)點是污泥停留時間短無需控制pH值運行費用可減少90 不產(chǎn)生N2O等有害氣體 不需添加有機物幾乎不產(chǎn)生污泥 節(jié)省占地50 COD和氮的去除各自分開 34 57 限氧自養(yǎng)硝化 反硝化工藝 Oxygen limitedautotrophicnitrificationanddenitrification OLAND部分硝化與厭氧氨氧化相耦聯(lián)脫氮可在較低溫度下進行兩種反應(yīng)器 一體化生物膜反應(yīng)系統(tǒng)和兩階段懸浮式膜生物反應(yīng)系統(tǒng)關(guān)鍵是控制溶解氧在0 1 0 3mg L 使部分氨被氧化成亞硝氮 未氧化的氨則以生成的亞硝氮為電子受體 被還原為氮氣反應(yīng)機理為由亞硝化菌催化的亞硝氮的歧化反應(yīng) 35 57 OLAND工藝與傳統(tǒng)的硝化 反硝化工藝化學反應(yīng)式及比較 36 57 CANON工藝 Completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite CANON一體化完全自養(yǎng)脫氮系統(tǒng) 與OLAND工藝可認為是同一種脫氮工藝實質(zhì)上屬于生物膜法 通過控制溶氧濃度 使不同厚度生物膜分別處于好氧或厭氧狀態(tài)環(huán)境中的氨氮與溶氧是決定CANON工藝的關(guān)鍵因素 37 57 同步硝化反硝化 利用硝化菌和反硝化菌在同一反應(yīng)器中同時實現(xiàn)硝化和反硝化得以脫氮硝化反應(yīng)的產(chǎn)物直接作為反硝化的底物 避免了硝化過程中亞硝氮的積累對硝化反應(yīng)的抑制 加速了硝化反應(yīng)的速度反硝化反應(yīng)中所釋放出的堿度可部分補償硝化反應(yīng)所消耗的堿 使系統(tǒng)pH相對溫度硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進行 簡化了操作難度簡化生物脫氮工藝并提高效率 節(jié)省投資 38 57 5高效生物膜處理系統(tǒng) 生物反應(yīng)器內(nèi)添加具有高比表面積的載體供微生物附著生長形成生物膜生物膜具有較高的容積負荷 較短的水力停留和較小的體積流化生物膜反應(yīng)器可以避免脫落生物膜的堵塞 并加速基質(zhì)在液相及生物膜內(nèi)部的傳質(zhì)速率 39 57 流化生物膜反應(yīng)器的主要型式 40 57 生物膜反應(yīng)器特征 微生物相多樣化 環(huán)境較為穩(wěn)定單位容積負荷高 凈化能力強 生物量密度高污泥量少且沉淀性能好 懸浮生物量少 脫落生物膜比重大耐沖擊負荷且能處理低濃度廢水 微生物不易流失易于管理 不易堵塞 避免了污泥膨脹 出水水質(zhì)易控制 一般不需污泥回流 41 57 5 1曝氣生物濾池 Biologicalaeratedfilter BAF可同時完成生物處理和固液分離 下向流曝氣生物濾池 BAF處理系統(tǒng)流程 42 57 5 2兩相流化床 以污水為動力使載體流化 膨脹率為20 70 43 57 流化床常用載體 44 57 兩相流化床 好氧 工藝流程 45 57 5 3三相流化床 以氣體為動力使載體流化 一般需出水回流 46 57 5 4厭氧流化床 不設(shè)充氧設(shè)備的兩相流化床流化床密閉 并設(shè)沼氣收集裝置 47 57 6膜 生物反應(yīng)器 膜 生物反應(yīng)器于20世紀60年代末用于污水處理把膜分離技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合 采用膜組件取代常規(guī)二級生化處理工藝中二沉池 砂濾 消毒等單元 用超 微 濾膜對曝氣池出水直接進行過濾 活性污泥混合液中的懸浮固體可以被完全截流并回流到反應(yīng)器中泥齡長 出水水質(zhì)穩(wěn)定 一般無須消毒沒有污泥流失 不受污泥膨脹影響 操作管理簡便 48 57 膜 生物反應(yīng)器的型式 49 57 膜 生物反應(yīng)器工藝的特點 污染物去除率高 抗污泥膨脹能力強 出水水質(zhì)穩(wěn)定 無須再次消毒反應(yīng)器污泥齡和水力停留時間分離 設(shè)計 操作簡化避免了微生物損失 污泥濃度高 體積負荷高 占地面積小反應(yīng)器有 污泥硝化池 作用 污泥量少 處理費用低環(huán)境有利于硝化菌等增殖慢的微生物 硝化能力強 難降解大分子有機物的處理效率高污泥絮體平均尺寸較小 污泥濃度高 傳質(zhì)效率好易于實現(xiàn)一體化 自動化控制經(jīng)濟性問題是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素 50 57 7序批式反應(yīng)器 Sequencingbatchreactor SBR構(gòu)造簡單 操作靈活 SBR反應(yīng)工序 51 57 SBR反應(yīng)工序特點 進水工序限制性 曝氣進行好氧反應(yīng)半限制性 攪拌或間歇曝氣創(chuàng)造缺氧條件限制性 靜置無攪拌和曝氣反應(yīng)工序 去除BOD及除磷脫氮沉淀工序 相當于二沉池排水工序 排出上清和過剩的污泥閑置工序 可攪拌或曝氣以保持污泥活性 52 57 SBR特點 工藝流程簡單 構(gòu)筑物少 造價低 占地省 設(shè)備及管理費用低空間上完全混合 時間上完全推流 不需調(diào)節(jié)流量 靜置沉淀 分離效果好 出水水質(zhì)好運行方式靈活 可生成多種工藝路線 達到多種處理目的同一反應(yīng)器改變工藝參數(shù)可處理不同廢水可在一個反