废水生物处理基本原理ppt课件

废水处理设备 任课教师 郭勇 过程装备与安全工程系 第一章废水生物处理基本原理 借助环境工程和化学工程的手段和方法 以微生物作用为主体开发出了种种用于控制和治理水污染治理的新方法 废水生物处理 代表 活性污泥法 生物膜法 厌氧处理法 生物脱氮 除磷等工艺技术 第一章废水生物处理基本原理 基本概念所谓 好氧 是指这类生物必须在有分子态氧气 O2 的存在下 才能进行正常的生理生化反应 所谓 厌氧 是能在无分子态氧存在的条件下 能进行正常的生理生化反应的生物 第一章废水生物处理基本原理 有机污染物好氧微生物处理的一般途径 第一章废水生物处理基本原理 废水好氧生物处理过程中有机物的代谢及微生物的合成 可用下列基本图式来表示 第一章废水生物处理基本原理 1914年在英国建成第一座活性污泥污水处理试验厂是目前城市污水处理的主要方法 作用原理 普通活性污泥法是依据废水的自净作用原理发展而来的 第一节活性污泥法 第一章废水生物处理基本原理 第一章废水生物处理基本原理 活性污泥法的特点 曝气池中污泥浓度一般控制在2 3g L 废水浓度高时采用较高数值 废水在曝气池中的停留时间 HRT 常采用4 8h 视废水中有机物浓度而定 回流污泥量约为进水流量的25 50 左右BOD和悬浮物去除率都很高 达到90 95 左右 第一章废水生物处理基本原理 不足之处 对水质变化的适应能力不强 所供的氧不能充分利用 因为在曝气池前端废水水质浓度高 污泥负荷高 需氧量大 而后端则相反 但空气往往沿池长均匀分布 这就造成前端供氧量不足 后端供氧量过剩的情况 因此 在处理同样水量时 同其他类型的活性污泥法相比 曝气池相对庞大 占地多 能耗费用高 第一章废水生物处理基本原理 二 阶段曝气活性污泥法阶段曝气法也称为多点进水活性污泥法 它是普通活性污泥法的一个简单的改进 可克服普通活性污泥法供氧同需氧不平衡的矛盾 曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30 左右 但其出水差于普通活性污泥法 第一章废水生物处理基本原理 三 渐减曝气法克服普通活性污泥法曝气池中供氧 需氧不平衡另一个改进方法是将曝气池的供氧沿活性污泥推进方向逐渐减少 这即为渐减曝气法 该工艺曝气池中有机物浓度随着向前推进不断降低 污泥需氧量也不断下降 曝气量相应减少 第一章废水生物处理基本原理 第一章废水生物处理基本原理 四 吸附再生活性污泥法吸附再生活性污泥法系根据废水净化的机理 污泥对有机污染物的初期高速吸附作用 将普通活性污泥法作相应改进发展而来 第一章废水生物处理基本原理 特点 1 回流污泥量比普通活性污泥法多 回流比一般在50 100 左右 2 吸附池和再生池的总容积比普通活性污泥法曝气池小得多 空气用量并不增加 因此减少了占地和降低了造价 3 具有较强的调节平衡能力 以适应进水负荷的变化 4 缺点是去除率较普通活性污泥法低 尤其是对溶解性有机物较多的工业废水 处理效果不理想 第一章废水生物处理基本原理 五 完全混合活性污泥法完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同 但废水和回流污泥进入曝气池时 立即与池内原先存在的混合液充分混合 a 采用扩散空气曝气器的完全混合活性污泥法工艺流程 b 采用机械曝气的完全混合活性污泥工艺流程 c 合建式圆形曝气沉淀池 第一章废水生物处理基本原理 第一章废水生物处理基本原理 优点 微生物的代谢速率甚高 废水水力停留时间往往较短 系统的负荷较高构筑物的占地较省 缺点 导致出水水质较差较易发生丝状菌过量生长的污泥膨胀等运行间题 第一章废水生物处理基本原理 六 序批式活性污泥法序批式活性污泥法 SequencingBatchReactor 简称SBR 是国内外近年来新开发的一种活性污泥法 其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一 生化反应虽分批进行 基本工作周期可由进水 反应 沉淀 排水和闲置五个阶段组成 第一章废水生物处理基本原理 SBR具有下述特点 1 构造简单 节省投资省去了二沉池 回流装置和调节池等设施 因此基建投资较低 2 控制灵活 可满足各种处理要求一个周期中各个阶段的运行时间 总停留时间 供气量等都可按照进水水质和出水要求而加以调节 3 活性污泥性状好 污泥产率低污泥结构紧密 沉降性能良好 此外在沉降期几乎是在静止状态下沉淀 因此污泥沉降时间短 效率高 SBR的运行周期中有一闲量期 污泥处于内源呼吸阶段 因此污泥产率比较低 4 脱氮效果好 第一章废水生物处理基本原理 CAST工艺 作为SBR工艺的一种变型 在CAST系统中污水按一定的周期和阶段得到处理 每一循环由下列阶段组成并不断重复 充水 曝气 充水 沉淀 撇水 闲置 图1 7CAST系统的反应池构造l 选择器 2 厌氧区 3 主反应区 第一章废水生物处理基本原理 1 工艺简单 占地面积小 投资较低 没有二沉池 一般情况下不设调节池及初沉池 2 曝气阶段生化反应推动力大 这有利于减少曝气池容积 降低工程投资 3 沉淀效果好 可有效防止污泥丝状膨胀 4 运行灵活 抗冲击能力强 当进行脱氮除磷时 可通过间断曝气控制反应池的溶解水平 提高脱氮除磷的效果 5 CAST工艺可应用于大型 中型及小型污水处理工程 比SBR工艺适用范围更广泛 6 运行稳定性好 7 基质去除率较高 8 剩余污泥量小 性质稳定 第一章废水生物处理基本原理 七 生物吸附氧化法 AB法 第一章废水生物处理基本原理 七 生物吸附氧化法 AB法 特点 AB法属于两段活性污泥法范畴 但通常不设初沉池 以便充分利用活性污泥的吸附作用 A级和B级的污泥回流是截然分开的 因而在两级中具有组成和功能均不相同的微生物种群 A级以极高负荷运行 其污泥负荷率从大于2 0kgBOD kgMLSS d 水力停留时间为0 5h左右 对不同进水水质 A级可选择以好氧或缺氧方式运行 B级则以低负荷运行 其污泥负荷率从小于0 3kgBOD kgMLSS d 第一章废水生物处理基本原理 八 延时曝气法延时曝气 又称完全氧化活性污泥法 为长时间曝气的活性污泥法 采用低负荷方式运行 去除率高 污泥量少 第一章废水生物处理基本原理 九 氧化沟连续环式反应池通常简称为氧化沟 是活性污泥法的一种改型 属延时曝气的一种特殊形式 图1 10卡罗塞尔氧化沟示意图 第一章废水生物处理基本原理 特点 运行负荷低 处理深度大 由于曝气装置只设置在氧化沟的局部区段 离曝气机不同距离处形成好氧 缺氧以及厌氧区段 故可具有反硝化脱氮的功能 污泥沉降性能好 无臭味 耐冲击负荷 适应性大 污泥产量较少 动力消耗较低 在采用转刷曝气时 噪声亦极小 第一章废水生物处理基本原理 第一章废水生物处理基本原理 第一章废水生物处理基本原理 十 活性污泥法的其他几种运行方式 1 射流曝气工艺利用射流曝气器充氧的活性污泥法 称为射流曝气活性污泥法 根据空气补给的方式 又分为供气式射流曝气 由鼓风机提供压力气源 和自吸式射流曝气 利用射流器直接抽吸外界空气 前者效率较高 可达1 6 2 2kgO2 kWh 鼓风机3mm穿孔管中层曝气时 动力效率一般在1 0kgO2 kWh左右 但鼓风机会产生一定的噪声污染 后者动力效率较低 但也已达到1 1 2 0kgO2 kWh 同时可免去鼓风机的设置 彻底消除噪声的二次污染 第一章废水生物处理基本原理 十 活性污泥法的其他几种运行方式 2 纯氧曝气工艺其特点是以纯氧代替空气曝气 曝气池密闭 以提高供氧效率和有机物降解效率 其优点是溶解氧饱和值较高 氧传递速率快 生物处理的速度得以提高 因此曝气时间短 仅为1 5 3 0h 污泥浓度约4000 8000mgMLSS L 处理效果好 其缺点是纯氧制备过程较复杂 易出故障 运行管理较麻烦 曝气池密封 又对结构的要求提高 进水中混有的易挥发性的碳氢化合物容易在密闭的曝气池中积累 因此容易引起爆炸故曝气池必须考虑防爆措施 生成的CO2也使气体中CO2分压上升 溶解于液体 并导致pH值下降 妨碍生物处理的正常运行 会影响处理效率 在有现成纯氧供应的工业区内及场地异常紧张的情况下使用该法是合适的 第一章废水生物处理基本原理 十 活性污泥法的其他几种运行方式 3 投料式活性污泥法活性污泥法的各种工艺在运行过程中 最关键之处在于维持活性污泥的活性和凝聚性 沉淀性能 而活性污泥的凝聚性能极易受进水水质和外界因素的影响 从而导致二沉池出水飘泥等异常现象 此时 在曝气池中投加粉末活性炭 混凝剂或其池化学药剂 往往会取得很好的效果 这就是所谓的 投料式 活性污泥法 其中以投加粉末活性炭为多 又称PACT法 粉末活性污泥法 第一章废水生物处理基本原理 第二节生物膜法 优点 供氧充分 传质条件好 采用轻质塑料填料后构筑物轻巧 填料比表面积大 设备处理能力大 处理效果好 不生长滤池蝇 气味小 卫生条件好 生物膜法与活性污泥法的主要区别在于生物膜固定生长或附着生长于固体填料 或称载体 的表面 而活性污泥则以絮体 floc 方式悬浮生长于处理构筑物中 第一章废水生物处理基本原理 生物膜法 1 2 1概述和基本原理 生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的 因而这种方法亦称为生物过滤法 生物膜法的缺点 由于固着于固体表面的微生物量较难控制 因而在运转操作上伸缩性差 滤料表面积小 BOD容积负荷有限 因而空间效果差 采用自然通风供养 在生物膜内层往往形成厌氧层 从而缩小了具有净化功能的有效容积 然而由于新工艺新滤料的研制成功 生物膜法作为良好的好氧生物处理技术仍被广泛的应用着 1 2 1概述和基本原理 生物膜法的类型 1 润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过 如生物滤池和生物转盘等 2 浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中 通过鼓风曝气供氧 如载体固定 称为接触氧化法 如载体流化则称为生物流化床 1 2 1概述和基本原理 一 生物膜的形成及特点挂膜好氧层和厌氧层生物膜的脱落和厚度 1 2 1概述和基本原理 二 生物膜中的物质迁移有机物供氧 三 生物膜净化废水的原理 一 生物滤池的构造 生物滤池由滤床 布水设备和排水系统等三部分组成 1 2 2生物滤池 1 2 2生物滤池 一 生物滤池的构造 一 生物滤池的构造 1 滤床 滤床由滤料组成 滤料是挂膜介质 对生物滤池的工作效能影响极大 对滤料的基本要求是 1 单位体积滤料的表面积要大 2 孔隙率要高 3 材质轻而强度高 4 物理化学性质稳定 对微生物的增殖无危害作用 5 价廉 取材方便 滤料粒径滤料粒径越小 表面积越大 所能挂的生物膜就越多 但是会因污泥的沉积而造成堵塞 影响通风 通常采用的滤料粒径如下 普通生物滤池为25 50mm 高负荷生物滤池为50 60mm 此外 在滤池底部集水孔板以上设垫料层高20 30cm 粒径为100 150mm 一 生物滤池的构造 塑料滤料表面积可达100 200m2 m3 孔隙率高达80 95 空气流通好 所以在布水均匀时可承受高负荷 早期使用的碎石滤料 比表面积65 100m2 m3 孔隙率在45 50 左右 其粒径在3 8cm左右 滤床高度同滤料的密度密切相关 石质滤料组成的滤床高度一般在1 2 5之间 1 1 1 4t m3 塑料滤料 100kg m3 滤床一般采用双层滤床 高7m左右 或采用多层的 塔式 结构 高度10m以上 一 生物滤池的构造 一 生物滤池的构造 2 布水设备 旋转布水器的优点是布水比较均匀 淋水周期短 水力冲刷作用强 缺点时喷水孔易堵 低温时要采用防冻措施 仅适用于圆形池 设置布水设备的目的是为了使污水能均匀地分布在整个滤床表面 固定式布水装置间断布水 所以布水不均匀 配水的水头要高 配水面高0 9 2 1m 目前应用较少 一 生物滤池的构造 3 排水系统池底排水系统由池底 排水假底和集水沟组成 池底排水系统的作用是 1 收集滤床流出的污水与生物膜 2 保证通风 3 支撑滤料 三 生物滤池的类型及运行系统 生物滤池的分类 普通生物滤池优点是处理效果好 BOD5去除率可达90 以上 出水BOD5可下降到25mg L以下 硝酸盐含量在10mg L左右 出水水质稳定 缺点是占地面积大 易于堵塞 滤率在1 2m d左右 影响环境卫生 三 生物滤池的类型及运行系统 塔式生物滤池是一种超负荷生物滤池 其水力负荷可达80 200m3 m2 d BOD负荷可达2 3kg m3 d 净化效率也较高 三 生物滤池的类型及运行系统 由于BOD负荷不同 三种滤池的不同之处 1 BOD负荷高的滤池 生物膜增长快 对水力冲刷的要求也就迫切 增大水力冲刷的主要途径是加大表面负荷 其办法有二 一是增加滤料层高度 二是将处理后的废水回流到生物滤池的进水中去 所以 低负荷生物滤池的滤料层高度通常只有2 3m左右 而且多不采用回流措施 塔式滤池的高度达20m之多 而且常采用回流措施 2 BOD负荷高的滤池 要求通风条件好 在采用自然通风的条件下 就要求滤料的孔隙率大和阻力小 所以 低负荷滤池的滤料粒径较小 25 70mm 高负荷滤池的滤料粒径较大 40 100mm 对于塔式生物滤池 最好采用塑料滤料 3 BOD负荷低的生物滤池的氧化分解程度就高 污泥量少而稳定 出水中有较高的溶解氧 有硝酸盐 BOD5浓度可低于20mg L 高负荷生物滤池的氧化分解程度低 污泥量多而不稳定 出水中溶解氧低 没有或很少有硝酸盐 BOD5浓度高于30mg L 塔式生物滤池的情况可能更差些 三 生物滤池的类型及运行系统 生物过滤法系统基本上由初沉池 生物滤池 二次沉淀池组合而成 其组合型式有单级运行系统和多级运行系统 单级运行系统 多级运行系统 三 生物滤池的类型及运行系统 采用生物滤池处理废水时 应该做好滤池类型和运行系统的选择 确定流程时 应该决定是否用初次沉淀池 采用几级过滤 采用回流与否 选择回流方式及回流比等问题 塔式生物滤池一般是单级的 可以是多级进水 回流式生物滤池可以是单级 也可以是两级 两级回流式生物滤池处理效率较高 运行上比较灵活 但运行费及建设费都比较高 在国内 塔式生物滤池已被较好地用于工业有机废水的处理 生物滤池与活性污泥法的比较和应用选择生物滤池的一个主要优点是运行简单 因此 适用于小城镇和边远地区 一般认为 它对入流水质水量变化的承受能力较强 脱落的生物膜密实 较容易在二沉池中被分离 但生物滤池处理效率比活性污泥法略低 变化范围略大些 1 2 3生物转盘 一 构造 1 2 3生物转盘 1 2 3生物转盘 1 2 3生物转盘 制作圆盘的材料有塑料板 玻璃钢板 铝板等 一般要求质轻 坚固 抗蚀和无毒 圆盘直径多为l 3m 厚度为0 7 20mm 圆盘组平行安装于轴上 盘间净距采用15 25mm 圆盘的转速采用0 8 3rpm 最佳线速以不超过20m min为宜 二 工作过程三 组合型式及处理流程组合型式有 单轴单级 单轴多级和多轴多级 单轴单级处理时 废水从槽的一侧流入 平行于盘面流动 从槽的另一侧流出 生物转盘处理废水的流程 初次沉淀池 生物转盘 二次沉淀池 其中无需污泥回流 处理高浓度废水时 初次沉淀池 一级转盘池 中间沉淀池 二级转盘池 二次沉淀池 处理结果可使BOD5由3000 4000mg L降至10mg L 1 2 3生物转盘 四 处理特点转盘上生长的微生物量很大 处理城市污水时 单位面积转盘上的微生物量最高可达5mg cm2 折算成氧化槽 废水槽 混和液浓度大体为10000 20000mg L 所以BOD5负荷可达10 20g m2 盘面 d 转盘水槽容积负荷达1 5 3 0kg m3 d 高出活性污泥法一倍多 另外 由于微生物浓度高 所以F M值 有机负荷率 低 一般在0 002 0 5左右 微生物基本处于内源呼吸期 脱落污泥量少 生物转盘对冲击负荷的适应力也强 可适应pH值在4 8 9 5范围内的变化 但pH值若急剧变化 则会破坏转盘的工作 温度在13 23 范围内时 对处理效果影响不大 在此温度范围之外 若按正常条件设计 则盘片面积应乘以温度校正系数f 此外 生物转盘还有工作可靠 不易堵塞 污泥不易膨胀 氧利用率高等特点 适于处理流量小的工业废水 1 2 4生物接触氧化法 接触氧化法的优点是 容易管理 耐负荷 水温变动的冲击力强 剩余污泥量少 比较容易去除难分解和分解速度怪的物质 接触氧化法的缺点是 滤料间水流缓慢 接触时间长 水力冲刷力小 生物膜只能自行脱落 剩余污泥往往恶化处理水质 动力费高 1 2 4生物接触氧化法 1 2 4生物接触氧化法 为了防止堵塞 可采用集中布气接触氧化池 使生物膜直接受上升气流的强烈搅动 以加速生物膜更新 由于微生物栖息填料上 因此 不需回流污泥 不产生污泥膨胀问题 1 2 4生物接触氧化法 填料的材料 要求比表面积大 空隙率大 水力阻力小 强度大 化学和生物稳定性好 能经久耐用 目前常采用的填料是聚氯乙烯塑料 聚丙烯塑料和环氧玻璃钢等做成的蜂窝状和波纹板状填料 这些填料的缺点是 在局部平滑面上生物膜附着较慢 稍有冲击即剥离 填料之间不具备通道 使水流单调 1 2 4生物接触氧化法 把接触填料做成网状塑料组件 采用正向排列 即可防止堵塞 又可提高接触效率 10 4生物接触氧化法 10 4生物接触氧化法 第三节厌氧生物处理 1 3 1厌氧法的基本原理1 3 2厌氧法的影响因素1 3 3厌氧法的工艺和设备1 3 4厌氧消化过程动力学1 3 5厌氧产气量计算 1 3 1厌氧法的基本原理 在断绝与空气接触的条件下 依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用 对有机物进行生化降解的过程 称为厌氧生物处理法或厌氧消化法 若有机物的降解产物主要是有机酸 则此过程称为不完全的厌氧消化 简称为酸发酵或酸化 若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气 此全过程称为完全的厌氧消化 简称为甲烷发酵或沼气发酵 厌氧生物处理法的处理对象是 高浓度有机工业废水 城镇污水的污泥 动植物残体等 厌氧生物处理的方法和基本功能有二 1 酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质 2 甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料 完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能 因而得到了广泛的发展和应用 1 3 1厌氧法的基本原理 厌氧消化二阶段过程 1 3 1厌氧法的基本原理 厌氧消化三阶段 四阶段过程 1 3 1厌氧法的基本原理 1 水解酸化阶段 产酸或酸化细菌 1 3 1厌氧法的基本原理 2 产气阶段 甲烷细菌 乙酸化阶段 甲烷化阶段 1 3 2厌氧法的影响因素 一 温度条件 1 3 2厌氧法的影响因素 二 pH值一般认为 实测值应7 2 7 4之间为好 低于7 0时 pH值并不稳定 有继续下降的趋势 低于6 5时 将使正常的处理系统遭到破坏 如果有机物负荷太大 水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率 将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降 抑制甲烷细菌的生理机能 最终使气化速率锐减 甚止停止 一般原液的pH值为6 8 系统中挥发性脂肪酸浓度 以乙酸记 以不超过3000mg L为佳 重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质 一般要求系统中碱度在2000mg L以上 氨氮浓度以介于50 200mg L为佳 1 3 2厌氧法的影响因素 三 氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件 厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映 引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因 氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在 如某些工业废水中含有的Fe3 Cr2O72 NO3 SO42 以及酸性废水中的H 等 高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为 500 600mV 中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于 300 380mV 产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格 甚至可在 100 100mV的兼性条件下生长繁殖 而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为 350mV或更低 就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言 只要严密隔断于空气的接触 即可保证必要的ORP值 1 3 2厌氧法的影响因素 四 负荷率容积负荷率 反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量 单位为kg m3 d或g L d 有机物量可用COD BOD S和VSS表示 污泥负荷率 反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量 单位为kg kg d或g g d 投配率 每天向单位有效容积投加的新料的体积 单位为m3 m3 d 投配率的倒数为平均停留时间或消化时间 单位为d 投配率有时也可用百分数表示 例如 0 07m3 m3 d的投配率也可表示为7 确定厌氧消化装置的负荷率的原则是 在两个转化 酸化和气化 速率保持稳定平衡的条件下 求得最大的处理目标 最大处理量或最大产气量 三种发酵状态当有机物负荷率很高时 消化液显酸性 pH 7 称为酸性发酵状态 它是一种低效而又不稳定的发酵状态 应尽量避免 当有机物负荷率适中时 产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸收利用 并转化为沼气 溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克 此时消化液中pH值维持在7 7 5之间 称为弱碱性发酵状态 它是一种高效而由稳定的发酵状态 最佳负荷率应达此状态 当有机物负荷率偏小时 消化液中的有机酸残存量很少 pH值偏高 大于7 5 称为碱性发酵状态 由于负荷偏低 是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态 1 3 2厌氧法的影响因素 五 污泥浓度各种反应器要求的污泥浓度不尽相同 一般介于10 30gVSS L之间 为了保持反应器的生物量不致因流失而减少 可采用多种措施 如安装三相分离器 设置挂膜介质 降低水流速度和回流污泥量等 1 3 3厌氧法的工艺和设备 一 普通厌氧消化池 在一个消化池内进行酸化 甲烷化和固液分离 设备简单 反应时间长 池容积大 污泥易随水流带走 消化器内难以保持大量的微生物细胞 搅拌方式有三种 池内机械搅拌 沼气搅拌 循环消化液搅拌 容积负荷为2 6kgCOD m3 d 11 3厌氧法的工艺和设备 二 厌氧接触法 用沉淀池分离污泥并进行回流 消化池中进行适当搅拌 池内呈完全混合 能适应高有机物浓度和高悬浮物的废水 有一定抗冲击负荷能力 运行较稳定 不受进水悬浮物的影响 负荷高时污泥会流失 设备较多 操作上要求较高 污泥浓度10 15g L 容积负荷2 10kgCOD m3 d 1 3 3厌氧法的工艺和设备 三 厌氧生物滤池和厌氧生物转盘 微生物固着生长在滤料表面 适用于悬浮物量低的废水 设备简单 能承受较高负荷 出水悬浮固体低 底部易发生堵塞 填料费用较贵 容积负荷2 16kgCOD m3 d 1 3 3厌氧法的工艺和设备 四 上流试厌氧污泥床反应器 消化和固液分离在一个池内 微生物量特高 负荷率高 10 20kgCOD m3 d 总容积小 能耗低 不需搅拌 污泥浓度可达40 80g L 1 3 3厌氧法的工艺和设备 细部结构 1 3 3厌氧法的工艺和设备 五 厌氧流化床 池内充填粒径为0 5mm左右的挂膜介质 全部悬浮于上升水流中 废水常需回流 负荷率高 10 40kgCOD m3 d 反应器内VSS浓度可达60g L 容积小 抗冲击负荷能力强 但管理较复杂 表1 1几种典型高效厌氧反应器的特点比较 厌氧消化工艺的特点总体来讲 采用厌氧消化工艺处理污水或污泥具有以下的优缺点 1 优点 由于微生物代谢合成的污泥比好氧生化法少 达到一步消化 故可降低污泥处理费用 与好氧生化法对比 所需的氮 磷营养物较少 且不需充氧 故耗电也少 污染基质降解转化产生的消化气体中含有甲院 为高能量燃料 可作能源加以回收利用 能季节性或间歇性运行 厌氧污泥可以长期存放 可以直接处理基质浓度很高的话水或污泥 对许多基质其运行负荷也较高 与好氧生化法对比 可以在较高温度条件下运行 当利用高温厌氧消化时 其处理效果会大大提高 运行成本低 2 缺点 厌氧污泥增长很慢 故系统启动时间较长 对温度的变化比较敏感 温度的波动对去除效果影响很大 往往只能作为预处理工艺来使用 厌氧出水还需进一步处理 对负荷的变化也较敏感 尤其对可能存在的毒性物质 运行中需特别小心 传统的厌氧反应器停留时间长 处理建筑物庞大 第四节生物脱氮 氮素循环氮在自然界中的存在形式包括分子态氮 无机氮化物和有机态氮 其中分子态氮以游离的氮气形式存在于大气中 占大气含量的79 但分子氮不能被绝大多数的生物直接利用 大气氮进入生物有机体主要有四条途径 1 生物固氮 豆科植物能通过共生的根瘤菌固定大气中的氮 供植物吸收 某些固氮蓝细菌和固氮细菌也可以固定大气中的氮 2 工业固氮 氮肥化工 如合成氨等 3 岩浆固氮 火山爆发时 喷射出的岩浆可以固定一部分氮 4 闪电固氮 雷雨时的闪电现象 可通过电离作用使氮氧化成氮氧化物 第四节生物脱氮除磷 氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化 其次是氨氮的好氧特性会使水体的溶解氧降低 此外 某些含氮化合物对人和其他生物有毒害作用 因此 国内外对氮磷的排放标准越来越严格 本章阐述生物脱氮除磷技术 生物脱氮除磷技术是近20年发展起来的 一般来说比化学法和物理化学法去除氮磷经济 尤其是能有效地利用常规的二级生物处理工艺流程进行改造达到生物脱氮除磷的目的 是日前应用广泛和最有前途的氮磷处理方法 生物脱氮原理及影响因素 一 生物脱氮原理污水中氨主要以有机氮和氨氮形式存在 在生物处理过程中 有机氮很容易通过微生物的分解和水解转化成氨氮 即氨化作用 传统的硝化 反硝化生物脱氮的基本原理就在于通过硝化反应先将氨氮转化为亚硝态氮 硝态氮 再通过反硝化反应将硝态氮 亚硝态氮还原成气态氮从水中逸出 从而达到脱氮的目的 氮在水中的存在形态与分类 N 无机N NOx N 硝态氮 TKN 凯氏氮 总N TN NH3 NNO3 NNO2 N 有机N 尿素 氨基酸 蛋白质 氨化与硝化反应过程 硝化反应的条件 1 好氧状态 DO 2mg L 1gNH3 N完全硝化需氧4 57g 即硝化需氧量 2 消耗废水中的碱度 1gNH3 N完全硝化需碱度7 1g 以CaCO3计 废水中应有足够碱度 以维持pH值不变 3 污泥龄 C 10 15 d 4 BOD5 20mg L 反硝化 1 反硝化包括异化反消化和同化反消化 以异化反消化为主 反硝化菌在DO浓度很低的环境中 利用硝酸盐中的氧作为电子受体 有机物作为碳源及电子供体而得到降解 当利用的碳源为甲醇时 NO3 1 08CH3OH 0 24H2CO3 0 056C5H7CO2 0 47N2 1 68H2O HCO3 NO2 0 67CH3OH 0 53H2CO3 0 04C5H7CO2 0 48N2 1 23H2O HCO3 反硝化反应可使有机物得到分解氧化 实际是利用了硝酸盐中的氧 每还原1gNO3 N所利用的氧量约2 6g 反硝化 2 当缺乏有机物时 则无机物如氢 Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体 1 反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌 在缺氧条件下 进行厌氧呼吸 以NO3 O为电子受体 以有机物的氢为电子供体 2 反硝化过程中 硝酸态氮有二种转化途径 同化反硝化 合成细胞 和异化反硝化 还原为N2 但以异化反硝化为主 3 反硝化反应的条件 反硝化反应的条件 DO 0 5mg L 一般为0 2 0 3mg L 处于缺氧状态 如果DO较高 反硝化菌利用氧进行呼吸 氧成为电子受体 阻碍NO3 O成为电子受体而使N难还原成N2 但是反硝化菌体内的某些酶系统组分只有在有氧条件下 才能合成 反硝硝化菌以在缺氧 好氧交替的环境中生活为宜 BOD5 TN 3 5 否则需另投加碳源 现多采用CH3OH 其分解产物为CO2 H2O 不留任何难降解的中间产物 且反硝化速率高 目前反硝化投加有机碳源一般利用原污水中的有机物 还原1g硝态氮能产生3 57g碱度 而在硝化反应中 1gNH3 N氧化为NO3 N要消耗7 14g碱度 在缺氧 好氧中 反硝化产生的碱度可补偿硝化消耗碱度的一半左右 内源反硝化 微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化C5H7NO2 4NO3 5CO2 NH3 2H2 4OH 内源反硝化的结果是细胞物质减少 并会有NH3的生成 废水处理中不希望此种反应占主导地位 而应提供必要的碳源 硝化 反硝化反应中氮的转化 表1硝化过程中氮的转化 表2反硝化反应中氮的转化 脱氮新理念 1 短程硝化 反硝化由传统硝化 反硝化原理可知 硝化过程是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应 应该可以分开 而对于反硝化菌 亚硝酸根或硝酸根均可以作为最终受氢体 该方法就是将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止 随后进行反硝化 在反硝化过程将亚硝酸根作为最终受氢体 故称为短程 或简捷 硝化 硝化 控制硝化反应停止在亚硝化阶段是实现短程硝化 反硝化生物脱氮技术的关键 其主要影响因素有温度 污泥龄 溶解氧 pH值和游离氨等 控制较高温度 较低溶解氧和较高pH值和极短的污泥龄条件等 可以抑制硝酸菌生成 使亚硝酸菌占绝对优势 从而使硝化过程控制在亚硝化阶段 2 厌氧氨氧化厌氧氨氧化是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺 基本原理是在厌氧条件下以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体 将氨氮氧化氮气 或者说利用氨作为电子供体 将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气 参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌 厌氧氨氧化过程无需有机碳源在 3 亚硝酸型完全自养脱氮基本原理是先将氨氮部分氧化成亚硝酸氮 控制氨根离子与亚硝酸根离子比例为1 1 然后通过厌氧氨氧化作为反硝化实现脱氮的目的 全过程为自养的好氧亚硝化反应结合自养的厌氧氨氧化反应 无需有机碳源 对氧的消耗比传统硝化 反硝化减少62 5 同时减少碱消耗量和污泥生成量 二 硝化 反硝化过程影响因素 1 温度硝化反应的适宜温度范围是30 35 温度不但影响硝化茵的比增长速率 而且影响硝化菌的活性 在5 35 的范围内 硝化反应速率随温度的升高而加快 仅超过30 时增加幅度减少 当温度低于5 时 硝化细菌的生命活动几乎停止 对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统 温度低于15 即发现硝化速率迅速降低 低温对硝酸菌的抑制作用更为强烈 因此在低温12 14 时常出现亚硝酸盐的积累 在30 35 较高温度下 亚硝酸菌的最小倍增时间要小于硝酸菌 因此 通过控制温度和污泥龄 也可控制反应器中亚硝酸菌的绝对优势 反硝化反应的最佳温度范围为35 45 温度对硝化菌的影响比反硝化菌大 2 溶解氧硝化反应必须在好氧条件下进行 一般应维持混合液的溶解氧浓度为2 3mg L 溶解氧浓度0 5 0 7mg L 是硝化菌可以忍受的极限 硝化可在高溶解氧状态下进行 高达60mg L的溶解氧浓度也不会抑制硝化的进行 为了维持较高的硝化速率 污泥龄降低时要相应地提高溶解氧浓度 溶解氧对反硝化反应有很大影响 主要由于氧会同硝酸盐竞争电子供体 同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性 3 pH值硝化反应的最佳pH值范围为7 5 8 5 硝化菌对pH值变化十分敏感 当pH值低于7时 硝化速率明显降低 低于6和高于9 6时 硝化反应将停止进行 反硝化过程的最佳pH值范围为6 5 7 5 不适宜的PH值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性 当pH值低于6 0或高于8 0时 反硝化反应将受到强烈抑制 4 C N比C N比值是影响硝化速率和过程的重要因素 硝化菌是自养菌 硝化菌产率或比增长速率比活性污泥异养菌低得多 若废水中BOD5值太高 将有助于异养菌迅速增殖 从而使微生物中的硝化菌的比例下降 一般认为 只有BOD5低于20mg L时 硝化反应才能完成 反硝化过程需要充足的碳源 理论上lgNO2还原为N2需要碳源有机物2 86g 一般认为 当废水的BOD5 TKN值大于4 6时 可认为碳源充足 不需另外投加碳源 反之则要投加甲醇或其他易降解的有机物作碳源 5 污泥龄为使硝化菌能在连续流的反应系统中存活并维持一定数量 微生物在反应器的停留时间即污泥龄应大于硝化菌的最小世代期 一般应取系统的污泥龄为硝化最小世代期的两倍以上 较长的污泥龄可增强硝化反应的能力 并可减轻有毒物质的抑制作用 6 抑制物质对硝化反应有抑制作用的物质有 过高浓度氨氮 重金属 有毒物质以及有机物 一般来说 同样毒物对亚硝酸菌的影响比对硝酸菌大 反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低很多 与一般好氧异养菌相同 在应用一般好氧异养菌文献数据时 应该考虑驯化的影响 生物脱氮工艺包括含碳有机物的氧化 氨氮的硝化 硝态氮的反硝化等生物过程 即碳化 硝化 反硝化过程 从完成这些过程