(水體污染處理課件)第7章-氮-磷去除

1、第7章 脫氮除磷工藝 水污染控制工程南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院環(huán)境系 20世紀(jì)80年代以前，污水處理主要以去除有機(jī)物為主，隨著排放水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇和排放要求的不斷提高，在近30年中，很多具有高效脫氮除磷的污水處理工藝被研究開(kāi)發(fā)出來(lái)。 氮、磷為植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能助長(zhǎng)藻類和水生生物，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，影響飲用水水源。太湖的富營(yíng)養(yǎng)化城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放要求（GB18918-2002）一、脫氮工藝 廢水中的氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。1. 化學(xué)法除氮(1) 吹脫法: 廢水中，NH3與NH4+以如下的平衡狀態(tài)共存： 這一平衡受pH的影響，pH為10.511.5時(shí)，因廢水中的氮呈飽

2、和狀態(tài)而逸出，所以吹脫法常需加石灰。 吹脫過(guò)程包括將廢水的pH提高至10.511.5，然后曝氣，這一過(guò)程在吹脫塔中進(jìn)行。 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。(2) 折點(diǎn)加氯法: 含氨氮的水加氯時(shí)，有下列反應(yīng)：(3) 離子交換法: 常用天然的離子交換劑，如沸石等。 與合成樹(shù)脂相比，天然離子交換劑價(jià)格便宜且可用石灰再生。(4) 磷酸銨鎂法:2. 生物法脫氮(1) 生物脫氮機(jī)理 生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程。其中包括硝化和反硝化兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。 同化作用去除的氮依運(yùn)行條件和水質(zhì)而定，如果微生

3、物細(xì)胞中氮含量以12.5%計(jì)算，氮去除率在20%40%。氨化反應(yīng)： 新鮮污水中，含氮化合物主要是以有機(jī)氮，如蛋白質(zhì)、尿素、胺類化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少數(shù)的氨態(tài)氮如NH3及NH4+等。 微生物分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨的過(guò)程稱為氨化作用，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為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機(jī)氮化合物分解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例： 硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過(guò)程。 總反應(yīng)式為： 硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有

4、機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。硝化反應(yīng)：羥胺硝酰基硝化過(guò)程的影響因素： （a）好氧環(huán)境條件，并保持一定的堿度：硝化菌為了獲得足夠的能量用于生長(zhǎng)，必須氧化大量的NH3和NO2-，氧是硝化反應(yīng)的電子受體，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量的高低，必將影響硝化反應(yīng)的進(jìn)程，在硝化反應(yīng)的曝氣池內(nèi)，溶解氧含量不得低于1mg/L，多數(shù)學(xué)者建議溶解氧應(yīng)保持在1.22.0mg/L。 在硝化反應(yīng)過(guò)程中，釋放H+，使pH下降，硝化菌對(duì)pH的變化十分敏感，為保持適宜的pH，應(yīng)當(dāng)在污水中保持足夠的堿度，以調(diào)節(jié)pH的變化，lg氨態(tài)氮（以N計(jì)）完全硝化，需堿度（以CaCO3計(jì)）7.14g。對(duì)硝化菌的適宜的pH為8.08.4。 硝化過(guò)程的影響因

5、素： （b）混合液中有機(jī)物含量不應(yīng)過(guò)高：硝化菌是自養(yǎng)菌，有機(jī)基質(zhì)濃度并不是它的增殖限制因素，若BOD值過(guò)高，將使增殖速度較快的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速增殖，從而使硝化菌不能成為優(yōu)勢(shì)種屬。 （c）硝化反應(yīng)的適宜溫度是2030，15以下時(shí)，硝化反應(yīng)速度下降，5時(shí)完全停止。硝化過(guò)程的影響因素： （d）硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，即生物固體平均停留時(shí)間（污泥齡）SRTn，必須大于其最小的世代時(shí)間，否則將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡，一般認(rèn)為硝化菌最小世代時(shí)間在適宜的溫度條件下為3d。SRTn值與溫度密切相關(guān)，溫度低，SRTn取值應(yīng)相應(yīng)明顯提高。 （e）除有毒有害物質(zhì)及重金屬外，對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有高濃度

6、的NH4-N、高濃度的NOx-N、高濃度的有機(jī)基質(zhì)、部分有機(jī)物以及絡(luò)合陽(yáng)離子等。 反硝化反應(yīng)是指在無(wú)氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。 反硝化菌屬異養(yǎng)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)。 總反應(yīng)式為：反硝化反應(yīng)： 在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程，反應(yīng)如下：式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學(xué)組成。 反硝化還原和微生物合成的總反應(yīng)式為： 從以上的過(guò)程可知，約94的NO3-N經(jīng)異化過(guò)

7、程還原，6經(jīng)同化過(guò)程合成微生物。反硝化過(guò)程的影響因素： （a）碳源：能為反硝化菌所利用的碳源較多，從污水生物脫氮考慮，可有下列三類：一是原污水中所含碳源，對(duì)于城市污水，當(dāng)原污水BOD5/TKN35時(shí),即可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因?yàn)榧状急环纸夂蟮漠a(chǎn)物為CO2和H2O，不留任何難降解的中間產(chǎn)物；三是利用微生物組織進(jìn)行內(nèi)源反硝化。 （b）pH：對(duì)反硝化反應(yīng)，最適宜的pH是6.57.5。pH高于8或低于6，反硝化速率將大為下降。反硝化過(guò)程的影響因素： （c）溶解氧濃度：反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在無(wú)分子氧同時(shí)存在硝酸根離子和亞硝酸根離子的條件下，它們能夠利用這些離子中的

8、氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。另一方面，反硝化菌體內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分，只有在有氧條件下，才能夠合成。這樣，反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧條件交替的條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在0.5 mg/L以下。 （d）溫度：反硝化反應(yīng)的最適宜溫度是2040，低于15反硝化反應(yīng)速率最低。為了保持一定的反硝化速率，在冬季低溫季節(jié)，可采用如下措施：提高生物固體平均停留時(shí)間；降低負(fù)荷率；提高污水的水力停留時(shí)間。 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(2) 生物脫氮工藝（a）三段生物脫氮工藝： 將有機(jī)

9、物氧化、硝化以及反硝化段獨(dú)立開(kāi)來(lái)，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。（b）Bardenpho生物脫氮工藝： 設(shè)立兩個(gè)缺氧段，第一段利用原水中的有機(jī)物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態(tài)氮的混合液進(jìn)行反硝化反應(yīng)。 為進(jìn)一步提高脫氮效率，廢水進(jìn)入第二段反硝化反應(yīng)器，利用內(nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化。 曝氣池用于吹脫廢水中的氮?dú)?，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象。（c）缺氧好氧生物脫氮工藝： 該工藝將反硝化段設(shè)置在系統(tǒng)的前面，又稱前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)。 反硝化反應(yīng)以水中的有機(jī)物為碳源，曝氣池中含有大量的硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進(jìn)行反硝化脫氮。缺氧-好氧生物脫氮工藝

10、二、除磷工藝 磷也是有機(jī)物中的一種主要元素，是僅次于氮的微生物生長(zhǎng)的重要元素。 磷主要來(lái)自：人體排泄物以及合成洗滌劑、牲畜飼養(yǎng)場(chǎng)及含磷工業(yè)廢水。 危害：促進(jìn)藻類等浮游生物的繁殖，破壞水體耗氧和復(fù)氧平衡；使水質(zhì)迅速惡化，危害水產(chǎn)資源。 含磷化合物的分類如下圖所示。含磷化合物有機(jī)磷有機(jī)磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等無(wú)機(jī)磷磷酸鹽： 正磷酸鹽(PO43-)、 磷酸氫鹽(HPO42-) 、 磷酸二氫鹽H2PO4-、 偏磷酸鹽(PO3-)聚合磷酸鹽：焦磷酸鹽(P2O74) 、 三磷酸鹽(P3O105-)、 三磷酸氫鹽(HP3O92-) 化學(xué)法是最早采用的一種除磷方法。它是以磷酸鹽能和某些化學(xué)物質(zhì)如鋁鹽、鐵鹽、

11、石灰等反應(yīng)生成不溶的沉淀物為基礎(chǔ)進(jìn)行的。 5Ca2+ + 3PO43- + OH- Ca5(PO4)3(OH) 這些反應(yīng)常有伴生反應(yīng)，產(chǎn)物具有絮凝作用，有助于磷酸鹽的分離。1. 化學(xué)法除磷2. 生物法除磷(1) 生物除磷機(jī)理 生物法除磷是新工藝，近三十年來(lái)受到了廣泛重視和研究。它是利用微生物在好氧條件下對(duì)污水中溶解性磷酸鹽的過(guò)量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。 普通活性污泥法剩余污泥中磷含量約占微生物干重的1.5%2.0%，通過(guò)同化作用可去除磷12%20%。 生物除磷過(guò)程中，厭氧和好氧環(huán)境所進(jìn)行的過(guò)程不同。通常是厭氧釋放磷，好氧吸收磷。 污水中的有機(jī)物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性

12、污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動(dòng)吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB(聚-羥基丁酸)的形態(tài)儲(chǔ)藏于體內(nèi)。 聚磷分解形成的無(wú)機(jī)磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。厭氧環(huán)境中： 進(jìn)入好氧狀態(tài)后，聚磷菌將儲(chǔ)存于體內(nèi)的PHB進(jìn)行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動(dòng)，部分供其主動(dòng)吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含過(guò)量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質(zhì)。 普通活性污泥法通過(guò)同化作用除磷率可以達(dá)到12%20%。而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基

13、本可滿足排放要求。好氧環(huán)境中：生物除磷機(jī)理 （1）厭氧環(huán)境條件： （a）氧化還原電位：Barnard、Shapiro等人研究發(fā)現(xiàn)，在批式試驗(yàn)中，反硝化完成后，開(kāi)始放磷； （b）溶解氧濃度：厭氧區(qū)如存在溶解氧，兼性厭氧菌就不會(huì)啟動(dòng)其發(fā)酵代謝，不會(huì)產(chǎn)生脂肪酸，也不會(huì)誘導(dǎo)放磷，好氧呼吸會(huì)消耗易降解有機(jī)質(zhì)； （c）NOx-濃度：產(chǎn)酸菌利用NOx- 作為電子受體，抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程，反硝化時(shí)消耗易生物降解有機(jī)質(zhì)。生物除磷影響因素： （2）有機(jī)物濃度及可利用性：碳源的性質(zhì)對(duì)吸放磷及其速率影響極大，傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)很難反映有機(jī)物組成和性質(zhì)，ASM模型對(duì)其進(jìn)一步劃分為： （a）1987年發(fā)展的ASM1: CODto

14、t=SS+SI+XS+XI （b）1995年發(fā)展的ASM2: 溶解性與顆粒性：SA+SF+SI+XSXI S表示溶解性組分，X表示顆粒性組分；下標(biāo)S溶解性，I惰性，A發(fā)酵產(chǎn)物，F(xiàn)可發(fā)酵的易生物降解的。生物除磷影響因素： （3）污泥齡：污泥齡影響著污泥排放量及污泥含磷量，污泥齡越長(zhǎng)，污泥含磷量越低，去除單位質(zhì)量的磷須同時(shí)耗用更多的BOD。 Rensink和Ermel研究了污泥齡對(duì)除磷的影響，結(jié)果表明：SRT=30d時(shí)，除磷效果40%；SRT=17d時(shí)，除磷效果50%；SRT=5d天時(shí)，除磷效果87%。 同時(shí)脫氮除磷系統(tǒng)應(yīng)處理好泥齡的矛盾。生物除磷影響因素： （4）pH：與常規(guī)生物處理相同，生物除

15、磷系統(tǒng)合適的pH為中性和微堿性，不合適時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)。生物除磷影響因素： （5）溫度：在適宜溫度范圍內(nèi)，溫度越高釋磷速度越快；溫度低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)厭氧區(qū)的停留時(shí)間或投加外源VFA。 （6）其他：影響系統(tǒng)除磷效果的還有污泥沉降性能和剩余污泥處置方法等。 如果還不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，就必須借助化學(xué)法除磷。 生物除磷工藝可以使得系統(tǒng)排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%6%。 A/O法是由厭氧池和好氧池組成的同時(shí)去除污水中有機(jī)污染物及磷的處理系統(tǒng)。厭氧-好氧除磷工藝流程(2) 生物除磷工藝（a） A/O生物除磷工藝：（b） Phostrip生物除磷工藝：三、同步脫氮除磷工藝1. A2/O工藝A2/O工藝基本流程進(jìn)水沉淀池厭氧池缺氧池好氧池剩余