污水的脱氮除磷技术课件

污水的脱氮除磷技术,主要内容,水体富营养化的概念、危害及控制方法,污水脱氮技术概述,污水除磷技术概述,污水同步脱氮除磷技术,脱氮新工艺、新技术介绍,水体富营养化是由于氮、磷等植物营养物的排入引起水体中藻类大量繁殖的现象。 在湖泊、水库、河口和港湾等水流较缓的区域，最容易发生水体富营养化现象。一般来说，总磷和无机氮分别为20mg/m3和300mg/m3，就可以认为水体已处于富营养化的状态。,一、水体富营养化的概念、危害及控制方法 之概念,（1）在湖泊、水库等淡水区域水体富营养化主要表现为绿藻和蓝藻的大量生长，也称水华现象；,（2）在河口、海湾等区域的水体富营养化会导致红藻等藻类的大量繁殖，也称为赤潮现象 。,如果氮、磷等植物营养物质大量而连续地进入湖泊、水库及海湾等缓流水体，将促进各种水生生物的活性，刺激它们异常繁殖（主要是藻类），这样就带来一系列严重后果： （1）藻类过度生长繁殖，将造成水中溶解氧的急剧变化，有可能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，严重影响鱼类的生存。,一、水体富营养化的概念、危害及控制方法 之危害,（2）藻类大量繁殖，降低了水的透明度；同时，藻类的生长过程还会向水体排放有毒物质，影响鱼类的生存； （3）藻类在水体中占据的空间越来越大，占据水体空间、阻塞水道，使鱼类活动的空间越来越小； （4）沉于水底的死亡藻类在缺氧状态下腐化、分解，使水体变黑、变臭。,水体富营养化的防治是水环境保护中的重要问题，受到国内外的重视，水体富营养化主要防治的方法有：,（1）控制N、P的排放；（2）对废水作深度处理；（3）打捞藻类，人工曝气；（4）疏浚底泥；（5）引水（不含营养物）稀释；（6）使用化学药剂或引入病毒杀死藻类等。,一、水体富营养化的概念、危害及控制方法 之控制,二、污水脱氮技术概述,、物理化学法 （）吹脱法 在碱性条件下，利用氨氮的气相浓度和液相浓度之间的气液平衡关系进行分离的一种方法。 污水中的氨氮是以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)两种形式保持平衡状态而存在：NH3 + H2O NH4+ + OH,（）化学氧化法 利用强氧化剂将氨氮直接氧化成氮气进行脱除的一种方法。(折点加氯法）,（）离子交换法利用沸石中的阳离子与废水中的NH4+进行交换以达到脱氮的目的。常用斜发沸石作为除氨的离子交换体，它对氨离子的选择优于钙、镁、钠等离子。,、生物脱氮生物法是目前运用最广、最有研究前景的方法。（）生物脱氮的基本原理 传统的生物脱氮机理认为：脱氮过程一般包括氨化、硝化和反硝化三个过程。 氨化（Ammonification）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程； 硝化（Nitrification）：废水中的氨氮在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO2 和NO3的过程； 反硝化（Denitrification）：废水中的NO2 和NO3在缺氧条件下在反硝化菌（兼性异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。,二、污水脱氮技术概述,（2）硝化反应 a：硝化反应的细菌种类 硝化反应分为两步进行：亚硝化 ； 硝化。 它是由两组自养型硝化菌分两步完成的： 亚硝酸盐细菌（或称为氨氧化细菌）； 硝酸盐细菌（或称为亚硝酸盐氧化细菌）。 b：这两种硝化细菌的特点： 强烈好氧，不能在酸性条件下生长； 化能自养型，以无机C为碳源，以氧化无机 含氮化合物获得能量； 生长缓慢，世代时间长。,c：硝化反应过程与方程式 亚硝化反应： 代表菌株：Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira 硝化反应： 代表菌株：Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina, Nitrospira 总的硝化反应： 如果不考虑合成，则：氧化1mg NH4+-N为NO3-N，需氧4.57mg，需消耗碱度7.14mg(以CaCO3计)。,d.硝化反应所需要的环境条件 两种硝化菌对环境的变化都很敏感，要求较苛刻，主要如下： 好氧条件(DO不小于1mg/L)，并能保持一定的碱度以维持稳定的pH值(适宜的pH为8.08.4)； NH4+ NH3+H+ NH3（） pH值过高，导致游离氨（ NH3）浓度偏高，对硝化产生抑制 HNO2 NO2-+H+ HNO2 (mg/L) = pH值过低，导致亚硝酸（ HNO2 ）浓度偏高，对硝化产生抑制,d.硝化反应所需要的环境条件, 硝化反应的适宜温度是2030C，15C以下时，硝化反应的速率下降，小于5C时，完全停止 进水中的有机物的浓度不宜过高 硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为310天)。,、生物脱氮（3）反硝化 a、反硝化反应的基本原理 反硝化反应是指硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程； 反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在存在分子氧时，利用分子氧作为最终电子受体分解有机物；在无分子氧时，则利用NO3-或NO2- 中的N5+和N3+作为电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。,b：反硝化反应过程与方程式 在反硝化菌的代谢活动下， NO3-或NO2-中的N可以有两种转化途径： 同化反硝化，即最终产物是有机氮化合物，是菌体的组成部分； 异化反硝化，即最终产物是氮气（N2）。以甲醇为电子供体：,c：硝化反应所需要的环境条件 碳源：一是原废水中的有机物，当废水的C/N大于35时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇，乙醇等小分子碳源，近年来报纸等纤维类碳源及缓释碳源的研究比较活跃； pH值：适宜的pH值是6.57.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降； 溶解氧：反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，所以反硝化反应宜于在缺氧条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/l以下； 温度：最适宜温度为2040C，低于15C其反应速率将大为降低。,（4）生物脱氮的工艺流程 a、传统脱氮工艺,活性污泥法传统脱氮工艺（三级生物脱氮系统）,、生物脱氮,第一级曝气池的功能： 碳化去除BOD5、COD； 氨化使有机氮转化为氨氮； 第二级是硝化曝气池，投碱以维持pH值； 第三级为反硝化反应器，可投加甲醇作为外加碳源或引入原废水。 该工艺流程的优点是有机物降解菌、硝化菌和反硝化菌分别在各自的反应池内生长繁殖，并且有各自的沉淀池和回流设施，氨化、硝化、反硝化分别在各自的反应池中进行，反应速率较快且较彻底； 但缺点是处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。,a、传统脱氮工艺,b、两级活性污泥法脱氮工艺,两级活性污泥法脱氮系统（两级生物脱氮系统）,将前两级BOD去除和硝化两道反应过程合在同一反应器内进行，第一级池去除BOD，将有机氮转化为NH3、NH4+，同时使NH3、NH4+进一步氧化成NOx-N。第二级池在缺氧条件下，将NOx-N还原为氮气，并逸出大气，应采取缺氧的运行方式。碳源，既可投加CH3OH（甲醇）作为外加碳源，亦可引入原废水作为碳源。 该工艺优点反应速率大，而且比较彻底。 缺点是处理设施多，占地面积大，造价高，管理不够方便，因此在实践中采用比较少。,b、两级活性污泥法脱氮工艺,c、缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（A-O工艺）,缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（前置反硝化脱氮系统）,反硝化反应器设置在流程的前端，而去除BOD、进行硝化反应的综合好氧反应器则设置在流程的后端；因此，可以实现进行反硝化反应时，利用原废水中的有机物直接作为有机碳源，将从好氧反应器回流回来的含有硝酸盐的混合液中的硝酸盐反硝化成为氮气； 而且，在反硝化反应器中由于反硝化反应而产生的碱度可以随出水进入好氧硝化反应器，补偿硝化反应过程中所需消耗碱度的一半左右；,c、缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（A-O工艺）,好氧的硝化反应器设置在流程的后端，也可以使反硝化过程中常常残留的有机物得以进一步去除，无需增建后曝气池。 在A/O工艺中，回流比的控制非常重要，回流比过低，会使脱氮池中的BOD/NO3-过高，导致反硝化菌因无充足的NO3-作电子受体而影响反硝化的速率，更重要的是出水硝态氮浓度高；反之，若回流比过高，则BOD/NO3-过低，反硝化的作用因得不到足够的碳源而受抑制。一般控制回流比为35Q。,c、缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（A-O工艺）,主要优点是： 工艺中只设一个污泥回流系统，好氧菌、硝化菌和反硝化菌都处于缺氧好氧交替的环境中，构成一个混合菌群，有利于改善污泥沉降性能，控制污泥膨胀； 可得用前置的反硝化过程所产生的碱度补偿约50%的硝化过程所消耗的碱度，因此对含氮浓度不高的废水可不必另行投药调节pH值。 主要缺点是：是二沉池中可能发生反硝化反应，使污泥上浮，影响出水水质。,c、缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（A-O工艺）,d、氧化沟工艺,氧化沟功能分区示意图,由于氧化沟的运行工艺特征，会在其反应沟渠内的不同部位分别形成好氧区、缺氧区，使得氧化沟内的活性污泥分别经过好氧区和缺氧区，从而可以实现生物脱氮功能。,相比物理化学方法，生物脱氮方法经济、彻底，目前应用广泛。生物脱氮工艺和技术的研究仍有待加强，主要表现在脱氮菌的研究，新型脱氮工艺的研究。,二、污水脱氮技术概述 之小结,三、污水除磷技术,1、化学法除磷 废水中磷的存在有3 种形态: 正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。 在二级生化处理中, 能将聚磷酸盐和有机磷转化成正磷酸盐, 然后在废水中加入药剂与磷酸根进行反应生成沉淀去除, 同时生成的絮凝体对磷也有吸附去除的作用。现在常用的化学试剂为含铁离子、含钙离子或含铝离子等金属化合物。,采用石灰作为除磷的絮凝剂已在国内外被广泛采用。 据研究，当pH值为11.5时，石灰法的除磷效率较高，磷的去除率可达99%。缺点是药剂费导致系统运行费用偏高，同是易在池子、管道和其他设备上结垢，大量沉渣污泥需处理，费用较高。,2、生物法除磷（1）生物法除磷的机理 生物法除磷的核心是聚磷菌的超量吸磷现象： 在厌氧条件下，聚磷菌将其体内的有机磷转化为无机磷并加以释放，并利用此过程产生的能量摄取废水中的溶解性有机基质以合成聚-羟基丁酸盐（PHB）颗粒； 在好氧条件下，聚磷菌将PHB降解以提供摄磷所需能量，从而完成聚磷过程。 可见，生物除磷是系统中污泥在厌氧-好氧交替运行的条件下通过磷的释放和对磷的摄取，最终通过剩余污泥的排放而完成的。,（2）生物除磷工艺 生物法除磷具有运行成本低，污泥量少等优点，现已逐渐在废水的除磷工艺中得到广泛应用。根据生物除磷的机理，其处理工艺需包括厌氧释磷和好氧摄磷两基本组成部分。,A/O除磷工艺流程,生物除磷与生物脱氮均有A/O工艺，但两工艺中的A段有明显区别，生物除磷的A段属厌氧，生物脱氮的A段属缺氧。 此外，在工艺运行方式上，生物脱氮的O段要长，以保证硝化，并满足回流硝态氮的需要；而生物除磷的O段要短，以保持较高的污泥负荷即相对较短的泥龄，才能通过排除较多的剩余污泥以排除磷。,（3）生物除磷过程的影响因素 溶解氧： 在除磷菌释放磷的厌氧反应器内，应保持绝对的厌氧条件；在除磷菌吸收磷的好氧反应器内，则应保持充足的溶解氧； 污泥龄： 生物除磷主要是通过排除剩余污泥而去除磷的，因此剩余污泥的多少对脱磷效果有很大影响，一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥多，可以取得较好的除磷效果；, 温度： 在530C的范围内，都可以取得较好的除磷效果； pH值： 除磷过程的适宜的pH值为68； BOD负荷： 一般认为，较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果； 硝酸盐氮和亚硝酸盐氮： 硝酸盐的浓度应小于2mg/l。,四、污水同步脱氮除磷技术,（1）A2/O工艺 A2/O工艺是目前普遍采用的同时脱氮除磷工艺，其基本工艺流程如下：,厌氧池的污泥回流量是影响生物除磷效果的关键因素之一。 由于传统A2/O工艺从沉淀池回流至厌氧池的污泥会含一定量的NOx-，污泥回流量大，带入的NOx-过多，会抑制厌氧池中的聚磷菌进行磷的释放而影响整个系统的除磷效果；而污泥回流量过小，进入厌氧池的聚磷菌相应减少，同样影响系统的除磷能力。因此，需严格控制污泥回流量，国内通常将污泥回流量控制为进入流量的0.51.0倍。,A2/O工艺的主要设计参数,（2）UCT工艺 在A2/O工艺的基础上，通过把沉淀池污泥回流到缺氧区，又开发出了UCT工艺：,UCT法除磷工艺流程,与A2/O工艺相比，UCT工艺在适当的COD/TKN比例下，缺氧区的反硝化可使厌氧区回流到污泥中硝酸盐含量接近0。但当进水COD/TKN较低时，缺氧区无法实现完全脱氮，仍有部分硝酸盐进入厌氧区，因此又产生了改进的UCT工艺。,（3）改进UCT工艺（MUCT）,改进型UCT法除磷工艺流程,MUCT工艺有两个缺氧池，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。,.短程硝化反硝化工艺（Sharon）.厌氧氨氧化 3.其他新型生物脱氮工艺,五、脱氮新工艺、新技术介绍,1mol NH4N,1mol NO2N,1mol NO3N,AOB,NOB,1mol NO2N,0.5 mol N2,DB,DB,AOB: ammonium oxidation bacteria (氨氧化菌）NOB: nitrite oxidation bacteria (亚硝酸盐氧化菌）,DB: denitrification bacteria (反硝化菌）,Sharon : single reactor high activity ammonia removal over nitrite,.短程硝化反硝化工艺（Sharon）,DB,NH4+NO2- NO3- NO2- N2 传统硝化反硝化工艺NH4+NO2- N2 短程硝化反硝化工艺,（） Sharon工艺的特征.短程硝化和短程反硝化被放置在同一个反应器内实施，工艺流程较短.反应器内不持留活性污泥，装置结构简单.操作温度较高(30-40),处理效率较好 d.借助反硝化作用调控酸碱度(pH7-8),无需加碱中和. 技术难点:亚硝酸细菌与硝酸细菌普遍存在且共同生活,废水处理系统是个开放体系,两种细菌同进同出,工程上想将他们分开并不容易;在自然界或者废水处理系统中,氨氧化往往是整个硝化过程的限速步骤,很少出现亚硝酸盐积累。,.短程硝化反硝化工艺（Sharon）,（2） Sharon工艺的实施策略a.稀释率对细菌的筛选作用 细菌最大比生长速率小于设定的稀释率,则该种群被洗出恒化器。所设定的稀释率越大，被保留在恒化器内的种群越少，这些种群的比生长速率越高。在基质浓度较低的条件下，慢生型亚硝酸菌因胃口小而能吃饱喝足，快生型细菌由于胃口大而忍饥挨饿，生长速率反而低。基质浓度达到一定值后，快生型细菌也能吃饱喝足，生长速率超过慢生型细菌。b.反应器内不持留菌体 Sharon工艺要将硝化作用终止于亚硝酸盐阶段，必须抑制硝酸细菌的活性，最有效的方法是将硝酸细菌清除出系统。 Sharon工艺创造性地使用了不持留菌体的连续流全混反应器，利用亚硝酸细菌和硝酸细菌生长速率上的差异，通过调控稀释率达到了清除硝酸细菌的目的。c.利用反硝化产生的碱度 Sharon工艺采用同一个反应器进行硝化和反硝化反应，从空间上为反应器实现内部酸碱平衡创造了条件。改变了传统工艺先完成硝化再完成反硝化的模式，通过间歇供氧，使硝化和反硝化交替进行，也从时间上为反应器实现内部酸碱平衡创造了条件。,（3） Sharon工艺的技术要点a.温度控制 高于20，亚硝化细菌生长速率高于硝化细菌，利于控制短程硝化。一般Sharon工艺的操作温度以30-35 为宜.b.pH控制 亚硝酸细菌与硝酸细菌适宜生长的pH范围分别为7.0-8.5和6.5-7.5， Sharon工艺的pH一般控制在7.4-8.3.c.溶解氧浓度控制 溶解氧过高,容易生成硝酸盐,过低则不利于氨氧化.在Sharon工艺中,溶解氧浓度宜控制在1.0-1.5mg/L,供氧方式可采用间歇曝气。d.基质浓度和负荷控制 NH3为氨氧化基质，同时也是一种硝化抑制剂。亚硝酸盐为亚硝酸细菌的产物，同时也是硝酸细菌的基质，同样对硝化反应具有抑制作用。一般NH3浓度调控在5-10mg/L，有利于短程硝化。一般认为HNO2浓度为0.2mg/L即可产生硝化抑制。 Sharon工艺常见的氨负荷为0.35-1.5kg/（m3d）。e.泥龄控制 根据Sharon工艺的应用经验,通常推荐泥龄控制在1-2.5天。,（4） Sharon工艺的工艺放大 Sharon工艺是应荷兰鹿特丹污水处理厂的要求而研发的，它没有经过中间实验，直接由实验室规模（1.5L）放大到生产性规模（1800m3），用于处理厌氧消化污泥分离液。,2.厌氧氨氧化,1990年，荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发了ANAMMOX（anaerobic ammonia oxidation)工艺。该工艺的特点是：在厌氧的条件下，以NO2-为电子受体，将NH3-N转化为氮气。最近研究表明NO2-是一个关键的电子受体。由于这类细菌是自养菌,因此不需要添加有机物来维持反硝化。试验研究发现:厌氧反应器中NH3-N浓度的降低与NO2-的去除存在一定的比例关系。发生的反应 NH4+ NO2- N2+2H2O G=-335KJ/mol 根据化学热力学理论,上述反应的G0,说明反应可自发进行的。厌氧氨氧化过程的总反应是一个产生能量的反应，从理论上讲,可以提供能量供微生物生长。因此,可以假定厌氧反应器中存在微生物,它可以利用NH3作为电子供体还原NO2-。 从反应式可以知道，该工艺不需要氧气和外加碳源