污水脱氮除磷新工艺

一、脱氮除磷的传统工艺一、脱氮除磷的传统工艺 二、脱氮除磷的新工艺二、脱氮除磷的新工艺 第九章第九章第九章第九章第九章第九章 污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺污水生物脱氮除磷新工艺 一、脱氮除磷的传统工艺一、脱氮除磷的传统工艺 1、 脱氮的传统工艺、 脱氮的传统工艺 2 、除磷的传统工艺、除磷的传统工艺 1、 脱氮的传统工艺、 脱氮的传统工艺 自然界中氮一般有四种形态：自然界中氮一般有四种形态： 有机氮、有机氮、 氨氮、氨氮、 亚硝酸盐氮和亚硝酸盐氮和 硝酸盐氮等。硝酸盐氮等。 生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨 氮。 生活污水中的氮主要形态是有机氮和氨 氮。 有机氮占生活污水含氮量的有机氮占生活污水含氮量的40-60%40-60%， 氨氮占氨氮占50-60%50-60%， 亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占亚硝酸盐和硝酸盐氮仅占0-5%0-5%。 图图图图图图1 1 1 污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径污水生物脱氮的可能途径 传统上，通过两步生物反应，即硝化传统上，通过两步生物反应，即硝化 (NH+4 NO-3)与反硝化与反硝化(NO-3N2)，实 现污水的生物脱氮。 ，实 现污水的生物脱氮。 硝化反应可表示为硝化反应可表示为: 亚硝化反应亚硝化反应 NHNH4+ 4 + + O + O2 2 + HCO + HCO3- 3 - NONO2- 2 - + H+ H2 2O + HO + H2 2COCO3 3 + 亚硝酸菌 + 亚硝酸菌 硝化反应硝化反应 NONO2- 2 - + NH+ NH4+ 4 + + H + H2 2COCO3 3+ HCO+ HCO3- 3 -+ O + O2 2 NONO3- 3 - + H+ H2 2O + 硝酸菌O + 硝酸菌 总反应总反应 NHNH4+ 4 + + O + O2 2 + HCO + HCO3- 3 - NONO3- 3 - + H+ H2 2O + HO + H2 2COCO3 3+ 微生物细胞+ 微生物细胞 反硝化反应如下：反硝化反应如下： NONO3- 3 - + CH+ CH3 3OHOH + H+ H2 2COCO3 3 NN2 2+H+H2 2O + HCOO + HCO3- 3 -+微生物细胞 +微生物细胞 生物脱氮工艺生物脱氮工艺生物脱氮工艺生物脱氮工艺生物脱氮工艺生物脱氮工艺 传统生物脱氮存在问题传统生物脱氮存在问题? 首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，要 消耗 首先，需要充分地氧化氨氮到硝酸氮，要 消耗大量能源大量能源(因为曝气因为曝气)； 其次，还需要有其次，还需要有足够碳源足够碳源(COD)来还原硝 酸氮到氮气。 来还原硝 酸氮到氮气。 1.2除磷传统工艺 磷最常见的形式有： 无机磷 除磷传统工艺 磷最常见的形式有： 无机磷: 磷酸盐（磷酸盐（H2PO4-、HPO42- 、PO43-）；聚磷酸盐； 有机磷。 ）；聚磷酸盐； 有机磷。 生活污水中的含磷量一般在生活污水中的含磷量一般在10- 15mg/L左右，其中左右，其中70%是可溶性 的。 是可溶性 的。 活性污泥在活性污泥在好氧、厌氧交替条件好氧、厌氧交替条件下时，活 性污泥中可产生所谓的 下时，活 性污泥中可产生所谓的“聚磷菌聚磷菌”。 聚磷菌在好氧条件下从废水中聚磷菌在好氧条件下从废水中过量摄取过量摄取 磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。 排放的剩余污泥排放的剩余污泥中的含磷量在中的含磷量在6%左 右（污泥干重）。 左 右（污泥干重）。 除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程除磷机理的作用过程 A/OA/OA/O除磷工艺系统除磷工艺系统除磷工艺系统除磷工艺系统除磷工艺系统除磷工艺系统 厌氧池厌氧池好氧池好氧池二沉池二沉池 进水进水 剩余污泥剩余污泥 出水出水 污泥回流（污泥回流（0.5Q） 为防止水体富 营养化，一般 污水处理既需 要脱氮 为防止水体富 营养化，一般 污水处理既需 要脱氮,也需要 除磷，是否可 以把两者结合 起来实现氮磷 同时去除？ 也需要 除磷，是否可 以把两者结合 起来实现氮磷 同时去除？ A A A 2 2 2 /O/O/O工艺工艺工艺工艺工艺工艺 生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型生物除磷脱氮生化代谢模型 二、脱氮除磷的新工艺二、脱氮除磷的新工艺 2.1 脱氮新工艺脱氮新工艺 2.2 除磷新工艺除磷新工艺 2.1脱氮新工艺脱氮新工艺 2.1.1中温亚硝化中温亚硝化 2.1.2厌氧氨厌氧氨(氮氮)氧化氧化 2.1.3 SHARON与与ANAMMOX结合工艺结合工艺 2.1.1中温亚硝化中温亚硝化 (Single reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite，简称为，简称为 SHARON) 亚硝化亚硝化/反硝化脱氮反硝化脱氮 即即(NH+4NO-2) ， (NO-2 N2) 硝化作用硝化作用 NH+4+ 1.5O2NO-2+ H2O + 2H + NH+4+ 2O2NO-3+ H2O + 2H+ 节约节约O2 25% 脱氮作用脱氮作用 6 NO-2+ 3CH3OH + 3CO2 3N2+ 6HCO3-+ 3H2O 6 NO-3+ 5CH3OH + CO2 3N2+ 6HCO3-+ 7H2O 节约节约 CH3OH 40% 图图图图图图3 3 3 亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的亚硝化细菌和硝化细菌的 最小污泥龄与温度关系最小污泥龄与温度关系最小污泥龄与温度关系最小污泥龄与温度关系最小污泥龄与温度关系最小污泥龄与温度关系 0.8d 0.4d SHARON工艺的基本工作原理便是利工艺的基本工作原理便是利 用温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特用温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特 点，使硝化细菌失去竞争。点，使硝化细菌失去竞争。 2.1.2 厌氧氨厌氧氨(氮氮)氧化氧化 (Anaerobic Ammonium Oxidation，简称为，简称为 ANAMMOX)。 氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直接氧 化至成氮气，即： 氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直接氧 化至成氮气，即： NH+4+ NO-2 N2+ 2H2O NH+4+ 1.5O2 NO-2 + H2O + 2H+ （G = -275kjmol-1） NH+4+ 2O2 NO-3 + H2O + 2H+ （G = -349kjmol-1） NH+4+ NO-2 N2+ 2H2O （G = -357kjmol-1） 从这一反应中所产生的从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚至 比产生于好氧氨 自由能甚至 比产生于好氧氨(氮氮)氧化氧化(硝化硝化)的能量还 高，所以，能够支持 的能量还 高，所以，能够支持自养细菌自养细菌生长。生长。 ?早在早在20世纪世纪70年代中期，年代中期，Broda便从自 由能理论计算中预测到自然界应该存在 着 便从自 由能理论计算中预测到自然界应该存在 着ANAMMOX现象，但它的现实发现 是在理论预测 现象，但它的现实发现 是在理论预测10年之后。年之后。 ?荷兰人荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中 发现了这一现象。 首先在用于反硝化的流化床中 发现了这一现象。 ?起起ANAMMOX作用的微生物已被成功 地分别在实验室 作用的微生物已被成功 地分别在实验室流化床流化床与与SBR反应器反应器中 培养、富集到一定浓度，合成培养基为 氨氮与亚硝酸氮的混合物。 中 培养、富集到一定浓度，合成培养基为 氨氮与亚硝酸氮的混合物。 ?ANAMMOX微生物的微生物的增长率与产率增长率与产率是 非常低的。 是 非常低的。 ?但是但是氮的转换率氮的转换率却为却为 0.25mgN/(mgSSd)，这与传统好氧硝化 的转换率相当。 ，这与传统好氧硝化 的转换率相当。 ?ANAMMOX反应反应在在1043的温度范围的温度范围内 具有活性，适宜的 内 具有活性，适宜的pH为为6.78.3。 ?ANAMMOX无需有机碳源无需有机碳源存在，存在，碳酸盐碳酸盐/ 二氧化碳二氧化碳是是ANAMMOX微生物生长所需的 无机碳源。 微生物生长所需的 无机碳源。 2.1.3 SHARON与与ANAMMOX结合工艺结合工艺 ?SHARON与与ANAMMOX结合主要针 对高浓度氨氮污水。 结合主要针 对高浓度氨氮污水。 ?进水首先进入一悬浮、无污泥停留的进水首先进入一悬浮、无污泥停留的 SHARON 单 元 ， 运 行 最 佳 温 度 为单 元 ， 运 行 最 佳 温 度 为 35。 SHARONSHARONSHARON与与与与与与ANAMMOXANAMMOXANAMMOX相结合的相结合的相结合的相结合的相结合的相结合的 自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程自养脱氮工艺流程 目前，世界上目前，世界上SHARON工艺的首例工程应用工艺的首例工程应用 已在荷兰鹿特丹的已在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理处理厂污水处理处理厂 内实现；它被用于污泥消化液内实现；它被用于污泥消化液(含有含有1000 1500mgN/L)反硝化的前处理反硝化的前处理(亚硝化亚硝化)。 这个SHARON亚硝化单元以实验室2L小试这个SHARON亚硝化单元以实验室2L小试 反应器为基础，通过数学模拟直接放大到现反应器为基础，通过数学模拟直接放大到现 场1500m场1500m3 3处理构筑物。处理构筑物。 几年实际运行情况表明，这个亚硝化处理几年实际运行情况表明，这个亚硝化处理 单元性能良好，亚硝化率几乎可达100%(需控单元性能良好，亚硝化率几乎可达100%(需控 制pH)。制pH)。 SHARONSHARONSHARON与与与与与与ANAMMOXANAMMOXANAMMOX结合自养脱氮结合自养脱氮结合自养脱氮结合自养脱氮结合自养脱氮结合自养脱氮 小试氮平衡小试氮平衡小试氮平衡小试氮平衡小试氮平衡小试氮平衡 ?根据根据ANAMMOX的计量式，在的计量式，在SHARON反 应器中 反 应器中57%的氨氮亚硝化，在的氨氮亚硝化，在ANAMMOX反 应器中全部去除氨氮与亚硝酸氮。 反 应器中全部去除氨氮与亚硝酸氮。 ?NH+4+ 1.32NO-2+ 0.066HCO3-+ 0.13H+ ?0.066CH2O0.5N0.15+ 1.02N2 + 0.26NO-3 + 2.03H2O 试验表明，在试验表明，在SHARON反应器中氨氮的亚 硝化率完全受 反应器中氨氮的亚 硝化率完全受pH(在在6 57 5间间)控制。所 以，要想得到一个理想的亚硝化率可以靠 控制 控制。所 以，要想得到一个理想的亚硝化率可以靠 控制pH来实现。来实现。 * 生物膜内自养脱氮工艺生物膜内自养脱氮工艺(CANON) 如果在生物膜系统内如果在生物膜系统内ANAMMOX微生物也 能同时生长，那么生物膜内一体化的完全 自养脱氮工艺便可以实现。 微生物也 能同时生长，那么生物膜内一体化的完全 自养脱氮工艺便可以实现。 这种生物膜内自养脱氮工艺被称为这种生物膜内自养脱氮工艺被称为CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite)。 CANONCANONCANON工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型工艺生物膜反应模型 在支持同时硝化与在支持同时硝化与ANAMMOX的生物膜系统 中，通常存在三种不同的自养微生物： 的生物膜系统 中，通常存在三种不同的自养微生物： 亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌。 这三种细菌相互间竞争氧、氨氮与亚硝酸 氮。 这三种细菌相互间竞争氧、氨氮与亚硝酸 氮。 ?由于亚硝化细菌与硝化细菌间对氧的亲和性 不同，以及传质限制等因素，亚硝酸氮在生 物膜表层的聚集是可能的。 由于亚硝化细菌与硝化细菌间对氧的亲和性 不同，以及传质限制等因素，亚硝酸氮在生 物膜表层的聚集是可能的。 ?当氧向内扩散到被全部消耗后，厌氧层出 现，厌氧氨氧化细菌便有可能在此生长。 当氧向内扩散到被全部消耗后，厌氧层出 现，厌氧氨氧化细菌便有可能在此生长。 ?随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸 氮扩散至厌氧层， 随着未被亚硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸 氮扩散至厌氧层，ANAMMOX反应便能进 行。 反应便能进 行。 虽然目前虽然目前CANON工艺在世界范围内仍处于研 发阶段，还没有真正的工程应用，但是它必 将会给污水脱氮技术带来革命性的变革。 工艺在世界范围内仍处于研 发阶段，还没有真正的工程应用，但是它必 将会给污水脱氮技术带来革命性的变革。 2.2 除磷新工艺2.2 除磷新工艺 2.2.1 反硝化除磷细菌2.2.1 反硝化除磷细菌 2.2.2反硝化除磷工艺2.2.2反硝化除磷工艺 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌反硝化除磷细菌 ?脱氮要经历好氧(硝化)/脱氮要经历好氧(硝化)/厌氧(反硝化),厌氧(反硝化), ?除磷要经历除磷要经历厌氧(释放磷)/好氧(积聚磷).厌氧(释放磷)/好氧(积聚磷). ?如果能使反硝化细菌同时具有生物摄/放磷作 用则可以将反硝化脱氮与生物除磷有机地合 二为一。 如果能使反硝化细菌同时具有生物摄/放磷作 用则可以将反硝化脱氮与生物除磷有机地合 二为一。 在在缺氧缺氧(无氧但存在硝酸氮无氧但存在硝酸氮)条件下，反 硝化除磷细菌 条件下，反 硝化除磷细菌DPB (Denitrifying Phosphorus removing Bacteria) 能够象 在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当 电子受体，产生同样的生物摄磷作 用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还 原为氮气。 能够象 在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当 电子受体，产生同样的生物摄磷作 用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还 原为氮气。 事实上，在早先应用的事实上，在早先应用的UCT(University of Cape Town)等生物脱氮除磷工艺中存 在着一定数量的反硝化除磷细菌 等生物脱氮除磷工艺中存 在着一定数量的反硝化除磷细菌DPB(图图 5)，只不过当时没有被人们认识而已。，只不过当时没有被人们认识而已。 图图图图图图5 UCT5 UCT5 UCT工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图 在实际工程中，为最大程度地从工艺 角度创造 在实际工程中，为最大程度地从工艺 角度创造DPB的富集条件，一种变型 的 的富集条件，一种变型 的UCT工艺工艺BCFS 在荷兰应运 而生 在荷兰应运 而生(图图6)。 图图图图图图6 BCFS6 BCFS6 BCFS工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程 ?BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间 分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其 生长环境。 工艺将每一种属不同功能的细菌用空间 分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其 生长环境。 ?BCFS工艺由工艺由5个功能相对专一的独立反应器个功能相对专一的独立反应器 及及3路循环系统路循环系统构成。构成。 ?各循环的作用如下表所示。各循环的作用如下表所示。 BCFSBCFSBCFS中各循环的主要作用中各循环的主要作用中各循环的主要作用中各循环的主要作用中各循环的主要作用中各循环的主要作用 ?厌氧池厌氧池 ?厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池 回流的缺氧混合液 厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池 回流的缺氧混合液(其中其中NO3-N0.1mg/) 来维持来维持。 ?污水中的挥发性脂肪酸污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于 生物除磷 只被用于 生物除磷。 ?接触池(选择器)接触池(选择器) ?控制污泥膨胀。控制污泥膨胀。 ?接触池中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的 微量硝酸盐能很快地被去除。 接触池中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的 微量硝酸盐能很快地被去除。 ?在这种环境下，丝状菌生长非常缓慢，可 保持较低的污泥指数