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1、,4.6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,4.6.1 脱氮原理与工艺技术,氮污染的危害,1.富营养化N、P引起，藻类问题（滇池，太湖）；2.提高制水成本污水消毒时，增加投氯量；3.污水回用填塞管道NH3N可促进设备中微生物的繁殖；4.农业灌溉TN不大于1mg/l，否则对农作物有影响。,1.有机氮2.氨态氮（NH3N、NH4+N）3.NO2N、NO3N4.N2,氮的存在形式,二级处理技术的局限性,合成代谢对氮磷的去处率低，水中氮磷过剩 nCxHyOz+nNH3+n(x+y/4-z/2-5)O2(C5H7NO2)n+n(x-5)CO2+n/2(y-4)H2O,4.6.1.1 氮的吹脱处理,NH3+H
2、2ONH4+OH-PH=7时，以NH4+存在 PH=11时，90%NH3存在PH升高，去除NH3上升 T上升，去除NH3上升,脱氮塔技术的特点：除氮的效果稳定；操作简便，容易控制；NH3 二次污染（可回收）；使用CaO易结垢（改用NaOH）水温下降时，效果差,原理,脱氮塔,1.PH值PH升高到10.5以上，去除率增加缓慢,2.水温水温升高，效率升高3.布水状态滴状下落最好，膜状下落，效果大减4.布水负荷率填料6m高以上时，其值不超过 180m/m.d5.气液比填料6m高以上时，2200-2300以下为好。,脱氮塔工作影响因素与设计参数,4.6.1.2 生物脱氮原理,活性污泥法的传统功能去除水中
3、溶解性有机物N、P只满足生理要求即可，因此对二者去除率低，仅为20-40%；5-20%,概述,污水生物处理中氮的转化过程,1、氨化反应,氨化反应原理,RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3,氨化菌,氨化菌为异氧菌,一般在氨化过程与微生物去除有机物同时进行，有机物去除结束时，已经完成了氨化反应,2、硝化反应,硝化反应原理,总反应,硝化菌的特点,硝化菌亚硝酸菌和硝酸菌的统称;硝化菌属于化能自养菌，可生芽孢的短杆状细菌.,硝化反应的控制指标,硝化菌对环境条件的变化极为敏感，所以有以下指标：,溶解氧：氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/l 硝化需氧量（NOD）4.57g(氧)/g（N
4、）碱度：7.1g碱度（以CaCO3计）/1g氨态氮（以N计）,一般碱度 不低于50mg/l PH：硝化菌对PH变化敏感,最佳值8.0-8.4,效率最高,温度：适应20-30，15时硝化速度下降，低于5完全停止 有机物：BOD应低于15-20mg/l 污泥龄（SRT）：微生物在反应器内的停留时间（c）N(c)Nmin，硝化菌最小的世代时间(c)Nmin有害物质：对硝化反应抑制，某些重金属，高浓度NH4+N，高浓度NOxN，有毒有机物、络合物阳离子。,3、反硝化反应,反硝化反应：指NO3N和NO2N在反硝化菌的作用下，还原 成气态N2的过程。,同化反硝化反应原理,异化反硝化反应原理,反硝化菌属于异
5、养型兼性厌氧菌；以NO3N为电子受体，以有机碳为电子供体，合成的细胞物质较少。,污水中的碳源：BOD5/TN3-5时，勿需外加碳源 PH：主要的影响因素，适当的值为（6.5-7.5），PH8，或PH6，反硝化速率下降。,溶解氧：0.5mg/l以下，厌氧、好氧交替的环境，如存在氧，会抑制 反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，或氧成为电子受体阻碍 硝酸氮的还原，但另一方面，某些酶系统还需有氧才能成；温度：最适宜的温度是20-40，低于15时代谢速率下降；冬季低温季节：降低负荷率，提高污水的HRT。,反硝化菌,反硝化反应的控制指标,上表为生物脱氮反应过程各项生化反应特征,4、同化作用,污水生物处理过程中
6、，一部分氮被同化为微生物细胞的组分，按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为12.5，虽然内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二次沉淀池中以剩余活性污泥的形式得以去除。,13.7.1.3 生物脱氮工艺技术,1.三级生物脱氮系统：由三个反应过程（氨化、硝化、反硝化）建立的 脱氮处理系统。,活性污泥传统脱氮工艺,（1）流程说明,“一级”曝气池：去除 COD、BOD，BOD15-20mg/l 有机氮转化为 NH3 NH4+；“二级”硝化曝气池，NH3、NH4+生成NO3N，碱度下降；“三级”反硝化池：厌氧、好氧交替运
7、行。投甲醇时，CM=2.47N0（初始NO3N浓度）+1.53N(初始NO2N浓度)+0.87D（初始DO浓度）,（2）优缺点,去除效果好各类菌类环境条件好设备多，造价高，能耗大,2.改进的二级生物脱氮系统,BOD去除和硝化两个反应合并,2.单级生物脱氮系统,优缺点：,工艺流程简单，处理构筑物和设备减少，反硝化的有机碳源不足，难以控制以及出水水质难以 保证。,缺氧好氧活性污泥法 A/O工艺,内循环（硝化液循环）,原污水,反硝化反应器（缺氧）,BOD去除,硝化反应反应器（好氧）,碱,沉淀池,处理水,剩余污泥,回流污泥,N2,图717分建式缺氧-好氧活性污泥脱氮系统,1.工艺特征,80年代开创,前
8、置反硝化不加碳源,外加碱度,降低负荷 设内循环 产生碱度,3.75mg碱度/mgNO3N 勿需建后曝气池 回流水含有NO3N（沉淀池污泥反硝化生成）要提高脱氮率，要增加回流比,2.影响因素与主要工艺参数,水力停留时间：硝化：反硝化=3：1 循环比：200%MLSS值：大于3000mg/l;污泥龄：30d;N/MLSS负荷率：0.03gN/gMLSS.d 进水总氮浓度：小于30mg/l,N=Q(r+R)/(1+R+r)Q100%N除氮的%；r硝化混合也回流比（为混合液流量与处理污水量的比值）R沉淀池污泥回流比 Q进水流量 对A/O而言，要保证：回流比85%，总回流比600%氮的氧化还原态 厌氧氨
9、氧化 NH(-)-羟胺NH2OH0+硝酸基NOH+亚硝酸基+NO3-,3.A/0系统的除氮与回流关系,4.6.2 除磷原理与工艺技术,4.6.2.1 概述,富营养化的限制因素,2.P0.5mg/l，能控制藻类的过度生长；3.P低于0.05mg/l时，藻类几乎停止生长。,1.有机磷酸盐：存在有机物和原生质细胞,大量胶体和颗粒状，可溶 性占30%,如：葡萄糖6磷酸,2磷酸甘油。2.磷酸盐:H2PO4-、HPO4-、PO43-，其中PO43-正磷酸盐 3.聚磷酸盐:焦磷酸盐P2O74-,三聚磷酸盐P3O105-偏磷酸盐PO3-,1.P0.5mg/l，促进富营养化；,磷的存在形式,1.生活污水中的含磷
10、量：10-15mg/l，70%为可溶性；经过二级处理进水中，90%左右的磷以磷酸盐存在。,2.污水中的磷不同于氮，不能形成氧化体和还原体，但有固态和溶 解态转化的特点。,1.化学除磷法：混凝沉淀和晶析法除磷2.生物除磷法：设想于1955年提出的，60年代人们对上述方法 广泛应用。,污水处理中磷的情况,污水处理中磷的去除方法,4.6.2.2 化学除磷法,石灰混凝除磷,pH值，如P9.5；原污水 PH11,磷的形式,正磷酸盐（PO4）聚磷酸盐:去除难易程度 焦磷酸盐(P2O74-)三磷酸盐(P3O105-)偏磷酸盐(PO3-)原水中Ca2+的浓度,5Ca2+4OH-+3HPO42-Ca5(OH)(
11、PO4)3+3H2O PH升高，P的含量下降，（对数降低的趋势),1.石灰与磷的反应,2.除磷效果影响因素,聚氯化铝（PAC），反应相同与Al2(SO4)3，但pH值不下降；铝酸钠（NaAlO2）,使用Al盐注意事项:注意PH值，介于5-7之间无影响，无需调整 PH降低，应注意排放水对PH的要求 沉淀污泥回流，污泥中有Al(OH)3，能提高对磷的去除率,Al3+PO43-（正磷酸离子）AlPO4（难溶,PH值上升，溶解度上升）Al2(SO4)3+2PO43-2AlPO4+3SO42-,Al2(SO4)3+6HCO3-2Al(OH)3+6CO2+3SO42-,金属盐混凝沉淀,1.铝盐除磷,霍米尔
12、（Holmers）提出活性污泥的化学式 C118H170O51N17P 或C：N：P=46：8：1,.好氧吸收（聚磷菌对磷的过量吸收）ADP+H3PO4+能量 ATP+H2O 2.厌氧释放:厌氧条件下（DO=0，NO3-=0），ATP+H2O ADP+H3PO4+能量上述两反应为可逆反应，过程见下图,4.6.2.3 生物除磷原理,生物除磷 利用聚磷菌一类的微生物，能够过量的，在数量上超过其生理需 要，从外部摄取磷，并将磷以聚合形式贮藏在菌体内，形成高磷污 泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。,生物除磷机理,PHB：聚羟基酸盐由此过程可以看出：生物除磷几乎全为活性污泥法，生物膜法很少,1.甲
13、单胞菌属、气单胞菌属：起主要作用，15%-20%；2.不动杆菌属：储存聚磷的能力最强；3.某些反硝化菌：也能超量吸收磷；4.发酵产酸菌：将大分子物质降解为低分子脂肪酸类基质；,1.溶解氧：厌氧段控制在0.2mg/l以下，好氧段控制在2mg/l左右；2.厌氧区硝态氮3.温度：其影响不如生物脱氮过程明显，530的范围内效果均可；4.pH值：6-8范围内比较稳定；5.BOD负荷和有机物性质：BOD/TP要大于15，才能保证聚磷菌有足 够的基质需求；6.污泥龄：一般控制在3.57天，厌氧段的停留时间不宜过长。,主要菌种聚磷菌,生物除磷的影响因素,1.工艺过程,弗斯特利普工艺,4.6.2.3 生物除磷工
14、艺流程,2.弗斯特利普除P工艺的特点,出水含磷量低于1mg/l；SVI值小于100，丝状菌难于增值，污泥不膨胀；可根据BOD/P调节回流污泥与混凝污泥的比例。,含磷废水进入曝气池同步进入的还有聚磷菌污泥，聚磷菌过量地摄取磷，去除有机物，还能出现硝化作用；从曝气池流出的混合液，进入沉淀池，在这里进行泥水分离，含磷污泥沉淀，上清液排放；含磷污泥进入除磷池含磷上清液进入混合池，投加石灰，化学除磷；,（释放磷）,曝气池（BOD去除吸收磷）,原污水,处理水,（厌氧）,沉淀池,（好氧）,回流污泥（含磷污泥）,剩余污泥,含磷污泥用作肥料,1.厌氧-好氧除磷工艺流程（n法）,厌氧好氧除磷工艺,2.工艺特征：,
15、流程简单，既不用投药，也无需内循环,有利于好氧（厌氧）状态的保持HRT段，3-6h,曝气池SS浓度2700-3000mg/l之间，BOD与一般活性污泥法相同，磷的去除率较好，P1.0mg/l 沉淀污泥含磷率4%，肥效好 SVI低于100，易沉淀，不膨胀,除磷率难以进一步提高，P/BOD高时尤其是这样 沉淀池产生磷的释放现象,3.工艺存在的问题：,4.6.2.3 同步脱氮除磷工艺,巴颠普脱氮除磷工艺,1.工艺流程：,第一厌氧反应器 首要功能是脱氮 第二功能是污泥释放磷 第二厌氧反应器 脱氮，释放磷,第一好氧反应器 硝化，吸收磷 第二好氧反应器 吸收磷，硝化，去除BOD 沉淀池，主要功能是泥水分离
16、综上，各反应单元都有其首要功能,脱氮90%,除磷率90%,2.工艺功能：,1.工艺流程：,AAO法同步脱氮除磷工艺,2.反应器单元功能：厌氧反应池：释放磷+氨化（有机氮）缺氧反应器：脱氮 好氧反应器：去除BOD，硝化，吸收磷,3.工艺特点,除磷效果很难提高 脱氮效果难于进一步提高，内循环量2Q，不宜太高 进入沉淀池的处理水要保持一定的溶解氧,最简单的同步脱氮除磷技术 总的HRT很短 丝状菌不能大量繁殖（好氧，厌氧交替运行），无污泥膨胀,SVI100 污泥中含磷浓度高，肥效高 勿需投药，两个A段只用轻搅拌，运行费用低,4.缺点,4.6.2.4 污水生物脱氮除磷理论与技术的新进展,传统的废水脱氮除
17、磷工艺存在的问题,硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，增加基建投资和运 行费用。系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥 回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长。,新突破,硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用。某些微生物好氧条件下也可以进行反硝化作用 在厌氧条件下，NH4+N减少。聚磷菌能利用硝酸盐实现反硝化和过量吸收磷。,SHARON工艺,1.原理：短程硝化反硝化，将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后反硝化。,2.应用：污泥硝化池上清液处理,3.基本特点：,硝化与反硝化在一个反应器中完成，简化工
18、艺流程，节省碳源。硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少供气量。缩短水利停留时间，减少反应器体积和占地面积。,OLAND工艺,比利时微生物生态实验室于1998年培养了一种用于高浓度含氨废水处理的自养硝化菌，其关键特征是能通过自身供氧而将硝化过程控制在亚硝化阶段，电子受体不足时可消耗其自身(即消耗NO2-)来氧化氨。OLAND工艺即是由自养硝化菌作为生物催化剂所发生的氧化还原除氮，为氧控自养硝化反硝化的简称10、12。据报道，该工艺可比传统的硝化反硝化工艺节省供氧62.5%，节省电子供体(碳源)100%。在上述氧化还原反应中，亚硝化菌可获得足够的能量以维持其生长。控制该过程的关键参数
19、是氧浓度。目前存在的问题是，在混合菌群连续运行的条件下尚难以对氧和污泥的pH值进行良好的控制。若可通过化学计量方法合理地控制氧的供给，即可使污泥处于亚硝化阶段。实验室研究表明，该工艺对的去除效率相当高50mgTN/(Ld)。,ANAMMOX工艺,由反硝化时氨氮和硝酸盐同时消失的现象开发一种新处理工艺。研究表明，化能自养型细菌可以在无分子态氧的条件下以CO2(CO32-)作为碳源、NO2-为电子受体、NH4+作为电子供体，将NH4+和NO2-共同转化为N2。这一反应过程的发现为利用生物法处理高氨、低BOD的废水找到了一条最优的途径。理论上利用这一原理将比传统工艺节省62.5%的O2,同时不需任何
20、外加碱度和有机物(反硝化菌的碳源和电子供体)。ANAMMOX反应过程如下，该反应是一个自发的过程。传统脱氮过程：NH4+2O2+0.83CH3OH0.5N2+3.17H2O+H+0.83CO2亚硝酸盐型硝化+氨的厌氧氧化过程：NH4+0.75O20.5N2+1.5H2O+H+NH4+NO2-N2+2H2O(G-358kJ/mol)该反应的微生物属自养型厌氧细菌，生长速率非常低，但将氨氮厌氧转化能力非常高，可以达到4.8kgTN/(m3d)，最佳运行条件：温度为1043，pH值为6.78.3。,Deammonification工艺,Hippen等人报道了一个适用于处理高浓度含氮废水的新工艺。该工
21、艺中，氨转化为氮气的过程不需要按化学计量式消耗电子供体，这种特殊的转化过程命名为aerobic de-ammonification(好氧反氨化)工艺。该工艺中涉及到的微生物目前尚不太清楚。工艺的关键是控制供氧。Muller等人也报道过自养硝化污泥在非常低的氧压力下(1 kPa或气相中约2.0%O2)可以产生氮气。当溶解氧压力在0.3 kPa时，氨的最大氧化率达58%。然而，该过程还未实现稳定和可行的工艺设计。Binswanger等人报道过利用生物转盘反应器通过硝化反硝化工艺去除高浓度NH4+，废水中的氨。结果表明：当表面负荷为2.5 gN/(m2.d)时，去除速率达90250 gN/(m3.d)。在整个过程中，不需要添加任何可生物降解的有机碳化合物。反应机理可假定为：反应过程中生成的NO2-被NAD+还原。,
