污水脫氮理論與技術(shù)

1、華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院邱兆富College of Resources andEnvironmental Engineering, ECUSTQiu Zhaofu1. 水體中氮素的來(lái)源與危害水體中氮素的來(lái)源與危害2. 氮素污染控制氮素污染控制 3. 生物脫氮原理生物脫氮原理 4. 生物脫氮技術(shù)生物脫氮技術(shù) 內(nèi)容提要5. 生物脫氮新工藝生物脫氮新工藝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污染源污染源水體中氮素的來(lái)源與危害點(diǎn)源點(diǎn)源(Point sources)非點(diǎn)源，面源非點(diǎn)源，面源(Non

2、-point sources)通過(guò)排放口集中排放污染物主要通過(guò)徑流過(guò)程點(diǎn)源污染點(diǎn)源污染(Point source pollution)非點(diǎn)源污染，面源污染非點(diǎn)源污染，面源污染(Non-point source pollution)城市污水工業(yè)廢水等地表徑流，養(yǎng)魚(yú)投餌降塵，降雨等2. 2. 氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源水體中氮素的來(lái)源與危害有機(jī)氮廢水的工業(yè)來(lái)源及其濃度2. 2. 氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源水體中氮素的來(lái)源與危害氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源及其濃度2. 2. 氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源水體中氮素的來(lái)源與危害氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源及其濃度2. 2. 氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源氨

3、氮廢水的工業(yè)來(lái)源水體中氮素的來(lái)源與危害氨氮廢水的工業(yè)來(lái)源及其濃度3. 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4. 氮素污染的危害氮素污染的危害 造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化(eutrophication)現(xiàn)象；水生植物水生植

4、物和和藻類(lèi)藻類(lèi)異常增殖異常增殖1998年渤海灣赤潮年渤海灣赤潮2004年6月浙江近海2009年中國(guó)近海赤潮情況年中國(guó)近海赤潮情況海洋赤潮發(fā)生的原因海洋赤潮發(fā)生的原因20世紀(jì)末中國(guó)海洋水質(zhì)世紀(jì)末中國(guó)海洋水質(zhì)水體中氮素的來(lái)源與危害4. 氮素污染的危害氮素污染的危害 增加了給水處理的成本； 例如：加氯消毒810gCl2/gNH3-N 引起水體缺氧；NH4+ + 2O2 NO- 3 +2H+ + H2O + 能量 14gN64gO2每氧化1gNH4-N為NO3-N，共需要氧4.57g水體中氮素的來(lái)源與危害 氨氮對(duì)水生生物有毒游離氨游離氨1mg/L游離氨游離氨Free AmmoniumOHNHOHNH4

5、2334NHOHNHkb25時(shí)，氨的離解常數(shù)為時(shí)，氨的離解常數(shù)為1.810-5水體中氮素的來(lái)源與危害01020304050607080901006789101112pHFA(%)101520253035pH和溫度的升高將和溫度的升高將增強(qiáng)氨氮的毒性？增強(qiáng)氨氮的毒性？)92.272909018. 0(3101100%pHTHUnionizedN水體中氮素的來(lái)源與危害 硝酸鹽影響人類(lèi)健康硝酸鹽硝酸鹽(NO3-N)亞硝酸鹽亞硝酸鹽(NO2-N)血紅蛋白(Fe2+) + O2 氧和血紅蛋白(Fe2+) (紅色，具有輸氧能力)血紅蛋白(Fe2+) + NO2- 高鐵血紅蛋白(Fe3+) (褐色，喪失輸氧

6、能力)高鐵血紅蛋白癥高鐵血紅蛋白癥胃癌等胃癌等亞硝酸鹽能與胺或酰胺反應(yīng)生成亞硝胺或亞硝酰氨，后兩者都有致癌作用。氨氮的濃度及其相應(yīng)的毒理作用自然來(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1. 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吹脫(氣提)法基本原理：基本原理：將水中的游離氨轉(zhuǎn)移到氣體將水中的游離氨轉(zhuǎn)移到氣體(空氣或蒸汽空氣或蒸汽)中去。中去。氨吹脫工藝的三個(gè)條件：

7、提高pH，一般用NaOH; 在吹脫塔中反復(fù)形成水滴，減小表面張力，增大接觸面積。(1) 氣體循環(huán)，增大濃度差；影響氨氣從水中向氣體中轉(zhuǎn)移的因素：影響氨氣從水中向氣體中轉(zhuǎn)移的因素： 水氣界面處的表面張力；(1) 水和氣體中氨的濃度差。沉淀池空氣吹脫法工藝流程圖：空氣吹脫法(ammonia stripping)pH調(diào)節(jié)池進(jìn)水氨和尾氣出水空氣排泥CaO或NaOH吹脫塔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重要的工藝

8、參數(shù)：(1)pH=10.5-11.5;(2)水力負(fù)荷：2.4-7.2m3/(m2.h);(3)氣液比：填料高度6m時(shí)，G/L=2200-2300;(4)蒸汽用量：0.1253 t蒸汽/ 1m3水 泡罩塔：0.08 t蒸汽/1m3水， 浮閥塔：0.13 t蒸汽/1m3水?？諝獯得?氣提)法低濃度氨氮廢水：室溫下空氣吹脫；高濃度氨氮廢水：蒸汽吹脫。1.0MPa蒸汽價(jià)格在180-200元/噸折點(diǎn)加氯法法(breakpoint chlorination)基本原理：基本原理：ClHOHNHOClNH5 . 15 . 25 . 15 . 05 . 1224 NH3-N 濃度 總加氯量 折點(diǎn) 余氯 氯濃度

9、Cl2：NH3-N 重量比 理論折點(diǎn)氯化曲線 HOHClNHHOClNH224ClHOHNHOClClNH5 . 15 . 15 . 05 . 05 . 0222ClHHOClOHCl22折點(diǎn)加氯法法(breakpoint chlorination)重要工藝參數(shù)：重要工藝參數(shù)：(1)準(zhǔn)確控制氯投加量：準(zhǔn)確控制氯投加量： 理論投氯量理論投氯量(以氯氣計(jì)以氯氣計(jì))：NH3-N=7.6:1 實(shí)際投加量實(shí)際投加量(以氯氣計(jì)以氯氣計(jì))通常為通常為: (8:1)-(10:1)(2)控制控制pH，控制反應(yīng)副產(chǎn)物控制反應(yīng)副產(chǎn)物NO3-和和NCl3; 控制控制pH在在中性條件中性條件下進(jìn)行。下進(jìn)行。OHClHH

10、NOHOClNH234454OHNClHOClClNH232(3)反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間：1min;離子交換法(Ion exchange)基本原理：基本原理：nABRBAnRnnn廢水中的NH4+與陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中的陽(yáng)離子進(jìn)行交換。對(duì)NOx-和有機(jī)氮沒(méi)有效果。常用的離子交換劑：常用的離子交換劑：沸石沸石(Zeolite)沸石是含水的鈣、鈉以及鋇、鉀的硅鋁酸鹽礦物，一般用化學(xué)式(M, N2)OAlO3 nSiO2 mH2O表示。廢水中的NH4+與沸石中的M+, N2+進(jìn)行交換。國(guó)產(chǎn)沸石有：國(guó)產(chǎn)沸石有：斜發(fā)沸石斜發(fā)沸石(Clinoptilolite) 絲光沸石絲光沸石(Mordenite)離子交換法(I

11、on exchange)斜發(fā)沸石對(duì)不同陽(yáng)離子的選擇交換順序如下：斜發(fā)沸石對(duì)不同陽(yáng)離子的選擇交換順序如下：LiMgAlFeCaNaBaNHK233224沸石的再生：沸石的再生：化學(xué)再生法化學(xué)再生法氣提再生法氣提再生法NaOH, Ca(OH)2, NaCl焚燒法焚燒法生物再生法生物再生法空氣或蒸汽500600 高溫, NH4+NH3生物硝化，研究中離子交換法(Ion exchange)工藝流程：工藝流程：再生液貯槽進(jìn)水(二級(jí)處理+過(guò)濾)出水沸石離子交換柱吹脫塔補(bǔ)充再生液空氣空氣和NH3Na+或Ca2+NH4+NH4+Na+或Ca2+離子交換法(Ion exchange)重要工藝參數(shù)：重要工藝參數(shù)：

12、(1)pH=48;(2)空床速度空床速度(SV), SV=Q/V Q，流量，流量，m3/h; V，吸附柱體積，吸附柱體積，m3; SV=510h-1 ，與沸石粒徑有關(guān)。與沸石粒徑有關(guān)。(3)沸石粒徑：沸石粒徑：0.81.7mm;(4)床深：床深：0.91.8m;(5)進(jìn)入吸附柱的進(jìn)入吸附柱的SS9.5，MAP會(huì)釋放出刺鼻的氣味。 物化法脫氮的比較常用物化法脫氮技術(shù)比較 生物法脫氮的基本原理有機(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)N2 生物法脫氮的基本原理1。氨化作用(Ammonification

13、)氨化作用無(wú)論在好氧還是厭氧，中性、酸性還是堿性環(huán)境中都能進(jìn)行，只是作用的微生物種類(lèi)不同、作用的強(qiáng)弱不一2。硝化作用(Nitrification)如果不考慮硝化過(guò)程中硝化細(xì)菌的增殖，硝化過(guò)程的氧化反應(yīng)式為： 245 . 1 ONH HOHNO222 (1-4) 225 . 0 ONO 3NO (1-5) 總反應(yīng)式為： 242ONH OHHNO232 (1-6) 亞硝酸菌 硝酸菌 硝化細(xì)菌 硝化作用(Nitrification)1.每氧化1gNH4+-N為NO3-N需要消耗堿度7.14g(以CaCO3計(jì))(100/14=7.14) 注：每氧化14gNH4+-N為NO3-N，產(chǎn)生2molH+，需要

14、1mol的CaCO3(分子量為100)來(lái)中和。2.不計(jì)細(xì)菌增值，每氧化1gNH4-N為NO3-N，共需要氧。245 . 1 ONH HOHNO222 (1-4) 225 . 0 ONO 3NO (1-5) 總反應(yīng)式為： 242ONH OHHNO232 (1-6) 亞硝酸菌 硝酸菌 硝化細(xì)菌 1gNH4+-N1gNO3-N堿度(以CaCO3計(jì))需要氧硝化作用(Nitrification)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: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=0.5max時(shí)的底物濃度，mg/L； S底物(NH4

15、+-N 或 NO2?-N)濃度，mg/L； 硝化作用(Nitrification)SKSsmax20條件下硝化菌的Monod參數(shù)硝化作用(Nitrification)亞硝酸菌和硝酸菌 硝化作用(Nitrification)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.硝化作用(Nitrification)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年影響硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 硝化作用(Nitrification)影響硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 硝化作用(Nitrification)1gNH4+-N1gNO

16、3-N堿度(以CaCO3計(jì))需要氧硝化作用(Nitrification)SRT 生物法脫氮的基本原理2。硝化作用(Nitrification)1。氨化作用(Ammonification)3。反硝化作用(Denitrification ) 2HNO3 +4H -2H2O 2HNO2 +4H -2H2O HON=NOH +4H 2NH2OH +4H -2H2O 2NH3 (同化反硝化) -H2O N2O +2H -H2O N2 (異化反硝化) +2H -2H2O NO3-NNO2-NNON2ON2反硝化作用(Denitrification)NO2- + 3H (電子供體有機(jī)物) 0.5N2 + H

17、2O + OH- (1-7) NO3- + 5H (電子供體有機(jī)物) 0.5N2 + H2O + OH- (1-8) 生物反硝化的總反應(yīng)式如下： q由式(1-7)計(jì)算，轉(zhuǎn)化1g NO2-N為N2時(shí)，需要有機(jī)物(以BOD表示) 316/(214)=1.71。q由式(1-8)計(jì)算，轉(zhuǎn)化1g NO3-N為N2時(shí)，需要有機(jī)物(以BOD表示) 516/(214)=2.86。q還原1gNO2-N或NO3-N均可產(chǎn)生堿度(以CaCO3計(jì)) (50/14)，硝化過(guò)程中消耗的堿度有近50%得到回收。 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

18、.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)榧状挤纸獾漠a(chǎn)物是CO2與H2O，不殘留任何難降解的中間產(chǎn)物。反硝化作用(Denitrification)q反硝化細(xì)菌大量存在于污水處理系統(tǒng)中。q反硝化細(xì)菌是兼性細(xì)菌 在無(wú)分子氧的條件下，它們能利用NO2和NO3中的N+5和N+3作為能量代謝中的電子受體，O-2作為受氫體生成H2O和OH堿度，有機(jī)物作為碳源及電子供體提供能量

19、并得到氧化穩(wěn)定。 在有分子態(tài)DO存在時(shí)，它們氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體；反硝化作用(Denitrification)影響反硝化反應(yīng)的環(huán)境因素 1gNO3-N1gN2產(chǎn)生堿度(以CaCO3計(jì)) 需要碳源反硝化作用(Denitrification) 常用生物脫氮技術(shù)生物脫氮工藝多級(jí)污泥系統(tǒng)單級(jí)污泥系統(tǒng)生物脫氮工藝懸浮污泥系統(tǒng)(Suspended System)膜法系統(tǒng)(Attached System)三級(jí)二級(jí)A/O,氧化溝，SBR多級(jí)污泥系統(tǒng)生物脫氮工藝曝氣池 （去除 BOD） 沉淀池 硝化池 （硝化） 反硝化反應(yīng)器 原污水 處理水 堿 回流污泥 回流污泥 回流污泥 剩余污泥 剩余

20、污泥 剩余污泥 CH3OH 注：虛線表示可引入部分原污水作為碳源 沉淀池 沉淀池 q優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)物降解菌、硝化菌和反硝化菌分別在各自反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，環(huán)境條件適宜，反應(yīng)速度快而且比較徹底，可以獲得相當(dāng)好的BOD5去除效果和脫氮效果。q缺點(diǎn)：該流程構(gòu)筑物和設(shè)備多，造價(jià)高，運(yùn)行管理復(fù)雜，且需要外加碳源，運(yùn)行費(fèi)較高，一般應(yīng)用不多。 兩級(jí)生物脫氮系統(tǒng)去除 BOD、 氨化、硝化 （硝化） 反硝化反應(yīng)器 原污水 處理水 回流污泥 回流污泥 剩余污泥 剩余污泥 CH3OH 注：虛線表示可引入部分原污水作為碳源 沉淀池 沉淀池 q主要缺點(diǎn)：該流程仍然較復(fù)雜，出水有機(jī)物濃度也不能保證十分理想。 單級(jí)污泥系統(tǒng)生物脫

21、氮工藝q主要缺點(diǎn)：要取得滿(mǎn)意的脫氮效果，必須保證足夠大的混合液回流比，通常在14倍的進(jìn)水流量，這勢(shì)必增加運(yùn)行費(fèi)用 沉淀池 回流污泥 剩余污泥 出水 進(jìn)水 缺氧池 好氧池 混合液回流 缺氧(Anoxic)/好氧(Aerobic)脫氮工藝簡(jiǎn)稱(chēng)A/O脫氮工藝：好氧區(qū) 缺氧區(qū) 沉淀池 剩余污泥 出水 回流污泥 進(jìn)水 曝氣裝置 單級(jí)污泥系統(tǒng)生物脫氮工藝q主要缺點(diǎn)：污泥負(fù)荷比較低，污泥齡較長(zhǎng)，占地面積較大。氧化溝(Oxidation Ditch)生物脫氮工藝單級(jí)污泥系統(tǒng)生物脫氮工藝q主要缺點(diǎn)：占地面積大，設(shè)備利用率較低。序批式活性污泥法(Sequencing Batch Activated Sludge

22、Process) 充水期 反應(yīng)期 沉淀期 排水期 進(jìn)水 出水 剩余污泥 閑置期 A/O脫氮工藝q主要設(shè)計(jì)參數(shù)：1. 有機(jī)負(fù)荷：Ns=0.10.7kgBOD/(kgMLSS.d);2. 總氮負(fù)荷：NTN30d。 沉淀池 回流污泥 剩余污泥 出水 進(jìn)水 缺氧池 好氧池 混合液回流 污水脫氮工藝選擇q考慮的因素： 1. 廢水的性質(zhì)； 2. 出水要求； 3. 經(jīng)濟(jì)性。q目前常用的廢水脫氮工藝： 1. 生物脫氮法； 2. 氨氮吹脫； 3. 折點(diǎn)氯化法； 4. 離子交換法。污水脫氮工藝選擇各種生物脫氮組合工藝及其應(yīng)用范圍原廢水O A處理出水CH3OHN2原廢水O2 A處理出水CH3OHN2O1BarHz工藝原廢水O A處理出水A原廢水O處理出水A（Spector工藝）CH3OHN2原廢水A2 O處理出水A1原廢水A O處理出水厭水解池CH4UASBEGSBCH4N2N2生物脫氮新工藝短程硝化反硝化工藝短程硝化反硝化工藝厭氧氨氧化厭氧氨氧化同步硝化同步硝化/反硝化工藝反硝化工藝好氧反硝化好氧反硝化其它方法其它方法生物脫氮新工藝短程硝化反硝化工藝短程硝化反硝化工藝(Shortcut Nitrification-Denitrification)有機(jī)氮(氨化)氨化菌NH4+-N(亞硝化)NO2-N亞硝酸菌+O2硝酸菌+O2(反硝化)NO3-NNO2-NN