污水生物脫氮除磷技術發(fā)展.ppt

1、城市污水生物脫氮除磷技術,城市污水經(jīng)傳統(tǒng)的二級處理以后，雖然絕大部分懸浮固體和有機物被去除了，但還殘留微量的懸浮固體和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷為植物營養(yǎng)物質，能助長藻類和水生生物，引起水體的富營養(yǎng)化，影響飲用水水源。,1前言,生物脫氮除磷技術（Biological Nutrient Removal）的研究和應用已逾40年，在工藝形式和工藝流程上都發(fā)生了一系列革新，新工藝層出不窮。尤其是近年來，自控技術在城市污水處理領域的廣泛應用，更促進了生物脫氮除磷技術向高效低能耗方向的發(fā)展。,生物脫氮原理,除同化作用可以部分除氮, 生物脫氮主要由反硝化過程實現(xiàn). 1.1 基本過程: 城市污水

2、中，主要含有有機氮和氨氮（稱為？） 氨化:在氨化菌（也稱亞硝酸菌，為好氧化能自養(yǎng)型）作用下, 有機物中的氮被轉化為氨氮, 有機物同時得到降解：有機N NH3 氨氮轉化的第一步是硝化，硝化是在硝化菌作用下，氨氮轉化為硝酸鹽（ NO2-和NO3- ）的過程。,Water Pollution Control Engineering,硝化反應是在好氧條件下進行的。,總反應式為：,硝化細菌是化能自養(yǎng)菌，生長率低，對環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機負荷等都會對它產生影響。,硝化反應：,反硝化反應是指在無氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮氣的過程

3、。,反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O2為電子進行呼吸；在無氧而有NO3-或NO2-存在時，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機碳為電子供體和營養(yǎng)源進行反硝化反應。(有機碳多少影響反硝化菌與反硝化菌聚磷菌的競爭,A2/O需要80%有機碳，反硝化菌聚磷僅需要COD小于50mg/l),總反應式為：,反硝化反應：,在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程，反應如下：,式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學組成。 反硝化還原和微生物合成的總反應式為：,從以上的過程可知，約96的NO3-N經(jīng)異化過程還原，4經(jīng)同化過程合成微生物。,在反硝化反應中，最大的問題就

4、是污水中可用于反硝化的有機碳的多少及其可生化程度。,BOD5/TKN對硝化作用影響很大，一般 BOD5/TKN3，則不需要外加碳源。,生物脫氮原理,生物脫氮的過程比較,Water Pollution Control Engineering,(2) 生物脫氮工藝,（a）三段生物脫氮工藝：,第一段-氨化. 去除BOD和COD, 進行曝氣, 有機N轉化為氨氮；第二段-亞硝化和硝化, 氨N轉化為NO3,需要加堿；第三段-反硝化, NO3轉化為N2氣, 必須外加碳源(加甲醇或引污水), 否則效率低, 需攪拌.,Barth三級(段)生物脫N工藝特點: 1.各段在各自的反應器下完成, 可控制各個反應器最適宜

5、的條件； 2. 脫氮率較高； 3. 反應器多構筑物多, 需外加碳源和堿, 造價高, 管理也不便.,生物脫氮工藝,Water Pollution Control Engineering,曝氣池:降解BOD,有機物分解(氨化), (亞)硝化反應, NH3轉化為硝態(tài)N； 反硝化池:缺氧,完成反硝化脫N； 沉淀池:固液分離.,（b）二段生物脫氮工藝：,曝氣,反硝化,空氣,碳源,沉,出水,進水,沉,曝氣,N2,空氣,（c）缺氧好氧（A/O）生物脫氮工藝,該工藝將反硝化段設置在系統(tǒng)的前面，又稱前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)。,反硝化反應以水中的有機物為碳源，曝氣池中含有大量的硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進行反

6、硝化脫氮。,缺氧-好氧生物脫氮工藝,生物脫氮工藝,A/O工藝特點: 反硝化反應器前置, 氨化和硝化在后, 不需要外加碳源, 反硝化的碳源從污水中得到; 亞硝化階段需要的堿度可以得到部分補償, 所以通常不需要加堿, 反硝化液殘留的有機物可以進一步處理; 構筑物少,流程簡單; 但是出水含硝酸鹽NO3, 脫N效率受限制, 高的脫N率需要循環(huán)比大, 動力消耗大, 沉淀池存在反硝化過程, 容易污泥上浮.,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,同步硝化反硝化 ： 微環(huán)境理論認為,由于氧擴散的限制,在微生物絮體或者生物膜內產生溶解氧梯度,即微生物絮體或生物

7、膜的外表面溶解氧濃度高,深入絮體內部,氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗, 產生缺氧區(qū),從而形成有利于實現(xiàn)同步硝化反硝化的微環(huán)境. 宏觀環(huán)境論認為，由于氧氣擴散速率的限制，曝氣池內形成局部缺氧/厭氧環(huán)境. 微生物學研究發(fā)現(xiàn), 存在好氧反硝化細菌和異養(yǎng)硝化細菌, 打破了傳統(tǒng)理論的硝化反應只能由自養(yǎng)細菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進行的觀點.,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,同步硝化反硝化具有以下特點： (1) NO2無須氧化為NO3便可直接進行反硝化反應，因此, 整個反應過程加快, 水力停留時間縮短, 反應器容積減??； (2) 亞硝化反應僅需7

8、5的氧, 需氧量降低, 節(jié)約能耗； (3) 硝化菌和反硝化菌在同一反應器中同時工作, 脫氮工藝簡化而效能提高； (4) 將有機物氧化, 硝化和反硝化在反應器內同時實現(xiàn), 既提高脫氮效果, 又節(jié)約曝氣和混合液回流所需的能源； (5) 反硝化產生的OH可以中和硝化產生的部分H+, 減少了pH值波動, 使兩個生物反應過程同時受益, 提高了反應效率； (6) 為反硝化提供了碳源, 促進同步硝化反硝化的進行,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,3.2 短程硝化反硝化： 傳統(tǒng)理論認為, 生物脫氮需經(jīng)過如下過程： NH4+ NO2 NO3 NO2 N2

9、氨化 亞硝化 硝化 反 硝 化 而短程反硝化就是在硝化過程中, 造成一定的特殊環(huán)境使NH4+正常硝化到NO2, 而NO2氧化到NO3的過程受阻, 形成所謂的“NO2積累”后直接進行反硝化, 也可稱為不完全硝化反硝化: NH4+ NO2 N2,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,實現(xiàn)短程反硝化的關鍵在于將NH4+氧化控制在NO2階段，阻止NO2的進一步氧化，因此，如何持久穩(wěn)定地維持較高濃度的NO2的積累，必須清楚認識影響NO2積累的因素 . 因為影響N 積累的控制因素比較復雜，并且硝化菌能夠迅速地將NO2轉化為NO3 ，所以要將NH4+的氧化

10、成功地控制在亞硝酸鹽階段并非易事.,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,工藝特點： (1)硝化階段可減少25左右的需氧量， 反硝化階段可減少40左右的有機碳源，降低了能耗和運行費用； (2)反應時間縮短，反應器容積可減小3040左右； (3)具有較高的反硝化速率(NO2 的反硝化速率通常比NO3的高63左右； (4)污泥產量降低(硝化過程可少產污泥33-35左右，反硝化過程中可少產污泥55左右).,Water Pollution Control Engineering,生物脫氮理論進展,3.3 厭氧氨氧化(ANAMMOX)： 是指在厭氧條件

11、下, 微生物直接以NH4+為電子供體, 以NO3或NO2為電子受體, 將NO3, NO2, NH4+直接轉變成N2的生物轉化過程. 反應可以如下方式存在： 5NH4+ + 3NO3 4N2 + 9H2O + 2H + (1) NH4+ + NO2 N2 + 2H2O (2),Water Pollution Control Engineering,工藝特點：(1)無需外加有機物作電子供體,既可節(jié)省費用,又可防止二次污染； (2)硝化反應每氧化lmolNH4+ 耗氧2mol, 厭氧氨氧化每氧化lmol NH4+只需要0.75mol氧, 耗氧下降62.5, 能耗低； (3) 硝化反應氧化lmol N

12、H4+ 可產生2molH+,反硝化產生lmol OH-, 而氨厭氧氧化的生物產酸量降低1/2, 產堿量降至為零; (4) 在厭氧條件下直接利用NH4+作電子供體, 無需供氧, 無需外加有機碳源維持反硝化, 無需額外投加酸堿中和試劑, 故降低了能耗, 節(jié)約了運行費用, 用時還避免了因投加中和試劑有可能造成的二次污染問題.,生物脫氮理論進展,Water Pollution Control Engineering,磷也是有機物中的一種主要元素，是僅次于氮的微生物生 長的重要元素。 磷主要來自：人體排泄物以及合成洗滌劑、牲畜飼養(yǎng)場及 含磷工業(yè)廢水。 危害：促進藻類等浮游生物的繁殖，破壞水體耗氧和復氧

13、平衡；使水質迅速惡化，危害水產資源。,*二、污水中磷的去除,一般城市污水水質與排放要求,常規(guī)活性污泥法的微生物同化和吸附；,如何去除以達到排放標準？,生物強化除磷；,投加化學藥劑除磷。,常規(guī)活性污泥法的微生物同化和吸附,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%，通過同化作用可去除磷12%20%。,生物強化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%。,生物強化除磷工藝,如果還不能滿足排放標準，就必須借助化學法除磷。,*生物強化除磷工藝,利用好氧微生物中聚磷菌在好氧條件下對污水中溶解性磷酸鹽過量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。,污水中的有機物在厭氧發(fā)酵產酸菌的作

14、用下轉化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內積聚的聚磷分解，分解產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吸收乙酸苷轉化為PHB(聚-羥基丁酸)的形態(tài)儲藏于體內。,聚磷分解形成的無機磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。,厭氧環(huán)境中：,進入好氧狀態(tài)后，聚磷菌將儲存于體內的PHB進行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動，部分供其主動吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內，這就是好氧吸磷。,剩余污泥中包含過量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質。,普通活性污泥法通過同化作用除磷率可以達到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

15、占到干重5%6%，去除率基本可滿足排放要求。,好氧環(huán)境中,生物除磷機理,如果厭氧區(qū)存在較多的硝酸鹽，反硝化菌會以有機物為電子供體進行反硝化，消耗進水中有機碳源，影響厭氧產物PHB的合成，進而影響到后續(xù)除磷效果。 一般而言，要同時達到氮磷的去除目的，城市污水中碳氮比(COD/TKN）至少為 9。當城市污水中碳源低于此要求時，由于大多數(shù)處理工藝流程都把缺氧反硝化置于厭氧釋磷之后，反硝化效果受到碳源量的限制，大量的未被反硝化的硝酸鹽隨回流污泥進入?yún)捬鯀^(qū)，干擾厭氧釋磷的正常進行，最終影響到整個營養(yǎng)鹽去除系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。,除磷脫氮工藝在涉及泥齡上的矛盾： 1）除磷需要泥齡短 生物除磷主要靠排出剩余污泥而

16、帶走磷，因此，如要除磷效率高，就必須加大污泥排泥量。 2）脫氮需要泥齡長 脫氮的關鍵步驟是硝化，消化過程不充分，則無法提高脫氮效率。 但是，硝化菌（包括亞消化菌）是一類增值速度較慢的微生物，所需要的世代時間比較長，通常需要3-5天，因此在泥齡短的系統(tǒng)中，硝化菌量極少。,因此，如何確定合理的泥齡是提高除磷脫氮效率的技術關鍵。不可只偏重于其中一個方面。 在特殊的情況下，可以改變泥齡的長短來調節(jié)除磷脫氮的重心。 連續(xù)流同步脫氮除磷工藝的發(fā)展主要是圍繞著在同一污水處理系統(tǒng)中實現(xiàn)脫氮與除磷所存在的矛盾展開的。最初，脫氮和除磷是在不同的生物處理工藝中實現(xiàn)的。 1972年，Barnard在研究缺氧、好氧交替

17、進行的Bardenpho脫氮工藝時發(fā)現(xiàn)廢水中的磷也得以高效率的去除。于是，他在流程之初增加了一個厭氧區(qū)，提出同時實現(xiàn)脫氮除磷的Phoredox工藝，它的簡化流程就是2/）,(1) A/O法是由厭氧池和好氧池組成的同時去除污水中有機污染物及磷的處理系統(tǒng)。,厭氧-好氧除磷工藝流程,三、 生物除磷及生物脫氮除磷工藝,1.A/O生物除磷工藝,(2) 除磷工藝流程：,Phostrip工藝特點: 除磷效果好, 除磷穩(wěn)定, 一般出水磷濃度達到1mg/L以下, 但是沒有脫氮的功能; 污泥含磷率高, 可以作為肥料使用; 工藝流程復雜, 管理難度高, 需氧投加石灰, 基建和運行費用較大,生物除磷工藝,Water

18、Pollution Control Engineering,沉淀池,厭氧池,缺氧池,好氧池,進 氣 管,同步脫N除P工藝,第一A池(anaerobic)-厭氧池,釋放P和部分有機物厭氧分解；第二A池(anoxic)-缺氧池,生物脫N,NO3來自回流； O池(oxic)-好氧池,有機物降解,氨化,亞硝化,硝化,吸收P；沉淀池-污泥與水分離。,厭氧池,缺氧池,沉淀池,進水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,A/A/O工藝流程圖,Water Pollution Control Engineering,同步脫N除P工藝,同步生物脫N除P工藝: (1) A/A/O工藝,A2/O工藝,厭氧/缺氧/好氧工藝. 特點：最簡潔的同步生物脫N除P工藝,構筑物少,兩個A池需要慢速攪拌,不需外加碳源和堿度,運行費用低,脫N除P效果不高.,Water Pollution Control Engineering,(2) Bardenpho工藝（巴頓甫工藝） 四級串連工藝,即缺氧/好氧/缺氧/好氧工藝,理解為兩級串連的A/O工藝,第一級A/O工藝設置污水回流. 特點:脫N效果好,除P一般, 工藝較復雜, 構筑物較