污水脫氮原理與技術(shù)

1、水體中氮素的來(lái)源水體中氮素的來(lái)源水體中氮素的來(lái)源與危害自然來(lái)源人類(lèi)活動(dòng)大氣降水降塵非市區(qū)徑流生物固氮城市污水浸濾液大氣沉降地表徑流水體氮在水體中的存在形態(tài)氮在水體中的存在形態(tài)水體中氮素的來(lái)源與危害蛋白質(zhì) (C, O, N, H, N=1518%)多肽氨基酸尿素CO(NH2)2其他(硝基、胺及銨類(lèi)化合物)COOHHRCNH2氨氮(NH3-N, NH4+-N)亞硝態(tài)氮(NO2- -N)硝態(tài)氮(NO3-N)水體中氮素的來(lái)源與危害氨氮(NH3-N, NH4+-N)亞硝態(tài)氮(NO2- -N)硝態(tài)氮(NO3-N)水污染控制中經(jīng)常提到的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)水體中氮素的來(lái)源與危害氮素污染的危害氮素污染的危害 造成水體的富

2、營(yíng)養(yǎng)化(eutrophication)現(xiàn)象；水生植物水生植物和和藻類(lèi)藻類(lèi)異常增殖異常增殖富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生所需的最必要的外力條件富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生所需的最必要的外力條件 ：發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化暴發(fā)“水華”富營(yíng)養(yǎng)化(1)(1)總磷、總氮總磷、總氮等營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)等營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)充足；充足；(2)(2)緩慢的水流；緩慢的水流；(3)(3)適宜的氣候適宜的氣候條件條件( (包括水溫、包括水溫、光照條件光照條件) )。 水體中氮素的來(lái)源與危害自然來(lái)源人類(lèi)活動(dòng)大氣降水降塵非市區(qū)徑流生物固氮城市污水浸濾液大氣沉降地表徑流水體氮素污染控制面源污染控制技術(shù)面源污染控制技術(shù)修建污水廠修建污水廠廢水脫氮技術(shù)廢水脫氮技術(shù)氮素污染控制物化法物化

3、法生物法生物法吹脫吹脫(氣提氣提)法法折點(diǎn)加氯法折點(diǎn)加氯法離子交換法離子交換法磷酸氨鎂沉淀法磷酸氨鎂沉淀法其它方法其它方法通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，可完全去除水中的氨氮。為減少氯的投加量，常與生物硝化聯(lián)用，先硝化再除微量的殘留氨氮。1 折點(diǎn)加氯法含氨氮的水加氯時(shí)，有下列反應(yīng)：ClHHOClOHCl22OHHClNHHOClNH224OHHNHClHOClNH22422OHClHNHOClNH22433532OHHNClHOClNH234337.1物化法除氮Ca(ClO)2 2H2O 2HClO Ca(OH)2 NH3 HClO NH2Cl H2O NH2Cl HClO NHCl2 H2O NHCl2 H

4、2O NOH 2 Cl 2 HNHCl2 NOH N2 HClO H Cl 總反應(yīng)式為：總反應(yīng)式為：NH3 0.75 Ca(ClO)2 0.5N2 1.5 H2O +0.75 CaCl2 投加足夠的液氯，使NH3-N氧化成氮?dú)?。用在低濃度NH3-N（12mg/L）的給水預(yù)處理中，同時(shí)還可以起到預(yù)消毒的作用。對(duì)于氨氮濃度較高的廢水，由于氯耗較高，另廢水中其它還原性無(wú)機(jī)物、有機(jī)物也消耗額外的氯。此外往成分比較復(fù)雜的廢水中投加大量的氯，可能形成三致的氯代有機(jī)物。含NH3-N廢水澄清、過(guò)濾等預(yù)處理沸石交換達(dá)標(biāo)排放含NH4+沸石NaOH-NaCl解吸再生沸石返回交換解吸液氨吹脫脫氮解吸液NH3硫酸吸收硫

5、酸氨返回解吸2 選擇性離子交換法（沸石或活化沸石除氮）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：脫氮效率高，如低濃度時(shí)（脫氮效率高，如低濃度時(shí)（30mg/L30mg/L）除氨率可達(dá)）除氨率可達(dá)99%99%以上。以上。另外對(duì)水中共存的油類(lèi)、濁度、重金屬離子（如另外對(duì)水中共存的油類(lèi)、濁度、重金屬離子（如PbPb2+2+、A AS SO O4 43-3-、HgHg2+2+） 等也有顯著的去除作用。等也有顯著的去除作用。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：因沸石交換容量小易飽和（純度較高的沸石交換容量也不大于因沸石交換容量小易飽和（純度較高的沸石交換容量也不大于3.6gNH3-N/100g沸石），不能用于高濃度大流量的含氮廢水處理。沸石），不能用于高濃度

6、大流量的含氮廢水處理。需要再生洗脫氨，當(dāng)洗脫液中氨氮濃度較高時(shí)，又需要處理。需要再生洗脫氨，當(dāng)洗脫液中氨氮濃度較高時(shí)，又需要處理。沸石比重較大，大量使用時(shí)體積大、重量也大，必然增加設(shè)備沸石比重較大，大量使用時(shí)體積大、重量也大，必然增加設(shè)備投資和占地。投資和占地。沸石交換工藝特點(diǎn):OHPOMgNHNHPOMg24443426常用藥劑： (1)Mg(OH)2+H3PO4; (2)MgHPO4 3H2O; (3)MgO+磷酸鹽(MAP) 為了降低藥劑費(fèi)用，所得MAP 可通過(guò)堿性熱解，除回收氨外，形成的磷酸鈉鎂可以再次作為沉淀劑，用來(lái)去除廢水中的氨氮。MgNH4PO46H2O +NaOH MgNaPO

7、4+ NH3 +7 H2O鳥(niǎo)糞石（struvite）magnesium ammonium phosphate3 化學(xué)沉淀法磷酸氨鎂(MAP)沉淀法重要工藝參數(shù)：(1)pH=8.59.5;(2)理想的投加比例(摩爾比): MgHPO4 3H2O : NH4+-N = 1.52.0 Mg(OH)2+H3PO4 Mg(OH)2 ： NH4+-N = 4：1 H3PO4 ： Mg(OH)2 = 1.5：1 生成的MgNH4PO46H2O可作為堆肥、花園土壤或干污泥的添加劑，或用作結(jié)構(gòu)制品的阻火劑。但該方法投藥量隨原水氨氮濃度增加而增加，從而導(dǎo)致成本增加，同時(shí)往水中增加廢水的含鹽量。原理及概述NH4+

8、+ H2O NH3 +H3O+）(101143NHKNHpH4 空氣吹脫法01020304050607080901006789101112pHFA(%)101520253035氨吹脫工藝流程N(yùn)aOH溶液槽pH后續(xù)處理pH調(diào)整槽原 水沉淀池氨回收槽吹脫段回調(diào)pH槽空氣硫酸氨H2SO4罐H2SO4罐污 泥空氣吸收段石灰乳制備槽石灰渣絮凝劑影響吹脫效率的主要因素（1）氣液比同吹脫效率的關(guān)系 隨著氣液比的升高，氨吹脫效率逐漸升高。當(dāng)氣液比達(dá)到一定值時(shí)，氨吹脫效率升高變緩。除考慮經(jīng)濟(jì)因素外，繼續(xù)增大氣液比到一定程度，可能會(huì)在 填料塔內(nèi)造成氣流脈動(dòng)、液體被氣流大量帶出塔頂、吹脫塔 的操作極不穩(wěn)定、甚至完全

9、破壞的情況，即填料塔的液泛現(xiàn)象。（2）pH值同吹脫效率的關(guān)系 當(dāng)氣液比固定，隨著pH值的升高，氨吹脫效率逐漸升高。 當(dāng)pH值升高到某一值時(shí)，氨吹脫效率升高不明顯。（3）水溫、氣溫對(duì)吹脫效率的影響水溫降低，會(huì)使氨吹脫效率明顯降低。當(dāng)水溫降低時(shí)，水中氨的溶解度增加，游離氨的百分比也降低，從而 減少了氨吹脫的推動(dòng)力，從而降低氨吹脫的效率。 （4）水力負(fù)荷與吹脫效率的關(guān)系水在吹脫塔中反復(fù)生成水滴有助于氨的吹脫。當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)大時(shí)，高效吹脫所需的點(diǎn)滴狀況被破壞，而形成水幕。而當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)?。ㄌ盍纤淖钚娏苊芏萓min）時(shí)，則填料濕潤(rùn)不 夠，降低填料塔的使用效率，填料易結(jié)垢。（5）原水氨氮濃度和出水氨氮濃

10、度與其去除率之間的關(guān)系在其它條件一定時(shí)，吹脫效率與原水氨氮濃度無(wú)關(guān)。 吹脫設(shè)備缺點(diǎn)：結(jié)垢泡沫問(wèn)題低溫時(shí)吹脫效率降低不進(jìn)行氨吸收時(shí)二次污染工藝流程復(fù)雜和操作強(qiáng)度大 氨吹脫工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：吹脫效率高，且在進(jìn)水氨氮濃度高時(shí)能獲得高的脫氮效率。主要用在高濃度氨氮情況下別的工藝不適合的條件下，因?yàn)樵谄渌鼌?shù)一定時(shí)，吹脫效率與原水氨氮濃度無(wú)關(guān)。氨水蒸餾工藝流程圖以焦化廢水為例：蒸氨供料槽調(diào)節(jié)池NaOH30%pH113蒸汽蒸汽103氨氣氨氣NH3-N4000mg/LNH3-N250mg/L生化生化換熱換熱冷卻冷卻蒸氨塔蒸氨塔pH=8.5-9氣提法冷卻冷卻3035106 物化法脫氮的比較常用物化法脫氮技術(shù)比較處

11、理方法處理范圍及效果缺點(diǎn)費(fèi)用估算(元/kgNH3-N)進(jìn)水(mg/L)出水(mg/L)空氣吹脫500500200左右蒸汽費(fèi)用高，1520 /m3污水折點(diǎn)氯化3040離子交換105013沸石再生費(fèi)用高。1015MAP法2530有機(jī)氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(亞硝化作用)NO2-N亞硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N反硝化菌+ 有機(jī)碳(反硝化作用)N27.2生物脫氮1 生物脫氮機(jī)理2 氨化反應(yīng) 微生物分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨的過(guò)程稱(chēng)為氨化作用。 很多細(xì)菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質(zhì)及其含氮衍生物，其中分解能力強(qiáng)，并釋放出氨的微生物稱(chēng)為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機(jī)氮化合物分

12、解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。 以氨基酸為例：322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNHOH2H4NO2322224AOBONH亞硝酸菌322NO2O2NO2NOB硝酸菌總反應(yīng)式為：OHH2NOO2NH2324硝化細(xì)菌3 硝化反應(yīng)：1.每氧化1gNH4+-N為NO3-N需要消耗堿度7.14g(以CaCO3計(jì))。2.不計(jì)細(xì)菌增值，每氧化1gNH4-N為NO3-N，共需要氧。硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 生物硝化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型可用Monod公式表示:SKSsmaxmm 硝化細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率，d-1； max硝化細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率，d-1； Ks飽和常數(shù)，其值為=0

13、.5max時(shí)的底物濃度，mg/L； S底物(NH4+-N 或 NO2-N)濃度，mg/L； SKSsmaxmm20條件下硝化菌的Monod參數(shù)底物umax (d-1 )Ks(mg/L)文獻(xiàn)NH4+-N0.533.6Stratton,McCartyNH4+-N0.341.0Downing etc.NH4+-N0.650.6Knoles etc.NO2-N0.411.1Stratton,McCartyNO2-N0.142.1Downing etc.NO2-N0.841.9Knoles etc.硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 亞硝酸菌和硝酸菌 項(xiàng)目亞硝酸菌硝酸菌異養(yǎng)菌細(xì)胞形狀橢球或棒狀橢球或棒狀細(xì)胞尺寸1.01.5

14、m0.51.0m革蘭氏染色陰性陰性世代周期(h)83612592.318.69自養(yǎng)性專(zhuān)性專(zhuān)性異養(yǎng)需氧性嚴(yán)格好氧嚴(yán)格好氧最大比生長(zhǎng)速率m(h-1)0.040.080.020.060.080.3產(chǎn)率系數(shù)Y(mg細(xì)胞/mg基質(zhì))0.040.130.020.070.40.8飽和常數(shù)KS(mg/L)0.63.60.31.725100硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 硝化段中含碳有機(jī)基質(zhì)濃度與總氮(TKN)的比例將直接影響活性污泥中硝化菌所占的比例.BOD5/TKN與活性污泥中硝化細(xì)菌含量的關(guān)系摘自馬文漪、楊柳燕,環(huán)境微生物工程.南京大學(xué)出版社,1998年基質(zhì)對(duì)硝化的影響 多級(jí)硝化與單級(jí)硝化多級(jí)硝化：先降解BOD，再硝化，

15、硝化菌與異養(yǎng)菌分離單級(jí)硝化：同時(shí)降解BOD和硝化，硝化菌與異養(yǎng)菌共存。一般亞硝酸菌：硝酸菌=3：1，但硝酸菌的總氧化速率亞硝酸菌的總氧化速率，故步驟（a）為（a）+（b）的控制步驟。即亞硝化為整個(gè)硝化過(guò)程的控制步驟?；|(zhì)對(duì)硝化的影響 影響硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 環(huán)境因素 微生物對(duì)生化環(huán)境的要 求工程參數(shù)溫度445亞硝酸菌: 3035 硝酸菌: 3542 1535 溶解氧1.52.0mg/L以上 2.0mg/LpH亞硝酸菌: 7.07.8硝酸菌: 7.78.17.28.0環(huán)境因素微生物對(duì)生化環(huán)境的要求工程參數(shù)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)物 BOD520 mg/LBOD負(fù)荷3d工程實(shí)際SRT15d有毒物質(zhì) 重金屬高濃度

16、的NH4+-N高濃度的NO2-N一般NH4+-N 200mg/L,最高 400 mg/L；NO2-N 100mg/L;影響硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 1gNH4+-N1gNO3-N堿度(以CaCO3計(jì))需要氧硝化作用(Nitrification)SRT生物反硝化的總反應(yīng)式如下： q轉(zhuǎn)化1g NO2-N為N2時(shí)，需要有機(jī)物(以BOD表示)q轉(zhuǎn)化1g NO3-N為N2時(shí)，需要有機(jī)物(以BOD表示)q還原1gNO2-N或NO3-N均可產(chǎn)生堿度(以CaCO3計(jì)) 。4 反硝化反應(yīng) 反硝化菌屬異氧兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子進(jìn)行呼吸； 在無(wú)氧而有NO3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電

17、子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。在反硝化反應(yīng)中，最大的問(wèn)題就是污水中可用于反硝化的有機(jī)碳的多少及其可生化程度碳源原水中含有的有機(jī)碳外加碳源，多用甲醇內(nèi)源呼吸碳源細(xì)菌體內(nèi)的原生物質(zhì)及其貯存的有機(jī)物反硝化作用(Denitrification)反硝化過(guò)程中需要的有機(jī)物總量可按下式估算：C=2.86NO3-N+1.71NO2-N+DO式中： C 反硝化需要的有機(jī)物總量， 按BOD5計(jì)(mg/L)； NO3-N污水中硝態(tài)氮的濃度（mg/L)； NO2-N污水中亞硝態(tài)氮的濃度（mg/L)； DO污水中溶解氧的濃度（mg/L)。如果廢水中缺少有機(jī)碳源，則應(yīng)補(bǔ)加有機(jī)物，一般投加甲醇，這是因?yàn)?/p>

18、甲醇分解的產(chǎn)物是CO2與H2O，不殘留任何難降解的中間產(chǎn)物。影響反硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 環(huán)境因素微生物對(duì)生化環(huán)境的要求工程參數(shù)溫度20351535 溶解氧0.2mg/L0.5mg/LpH7.08.57.38.535BOD/TKN46COD/TKN79BOD/TKN4有毒物質(zhì)Ni1.7 污泥產(chǎn)量(kgVSS/ kg NH4+-N) 0.08 1 中溫亞硝化（SHARON: Single reactor for High activity Ammonium Removal Over Nitrite）是利用了溫度高有利于亞硝化細(xì)菌增殖這一特點(diǎn)，使硝化菌失去競(jìng)爭(zhēng)。SHARON反應(yīng)器1組；19.5 m，H=5.75 m