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1、水污染控制工程,唐玉朝 安徽建筑工业学院环境科学与工程系 E-mail: Department of Environmental Science and Engineering, Anhui University of Architecture Copyright Reserved!,第六节 生物脱氮与除磷,内容,1. 概述 2. 生物脱氮原理与工艺 3. 生物除磷原理与工艺 4. 同步脱氮除磷工艺 5. 脱氮除磷工艺设计计算,Water Pollution Control Engineering,1.概述,水体富营养化是当前水环境污染面临的重大问题，富营养化造成水质恶化，生态平衡破坏，鱼类
2、和水生生物死亡，还对饮用水安全造成严重的威胁，危害人类健康. 氮(N)和磷(P)是引起水体富营养化的关键的物质，低浓度的N和P即可以引起富营养化，(如湖泊地面水水质标准，二级标准P的浓度为0.01 mg/L). 因而，污水处理时如何利用生物技术能将N, P物质去除是当今污水处理的重要内容，尤其是磷的去除.,Water Pollution Control Engineering,1.概述,含N化合物在水中存在形态，有机N、氨N、亚硝酸盐N、硝酸盐N。总氮(TN)是四种含N化合物和；凯氏氮(KN)是有机N与氨N。 城市污水经过传统的二级生化处理，有机物可以转化为CO2, H2O等, 但是有机物中的
3、氮不能有效去除，少部分可以通过同化作用转化为生物细胞有机体组分(通过剩余污泥)而去除，大部分只能转化为溶解性的无机氮, (一般为NH3, 有少量NO2-, NO3-), 无法从水中直接去除，生物脱N是通过将这些物质转化为不溶解于水的N2而从水中去除的.,Water Pollution Control Engineering,1.概述,二级污水处理工艺活性污泥对N去除率按照BOD:N=100:5:1计算，城市污水进水BOD一般可达到200mg/L左右，这样以微生物需要的营养计算，则剩余污泥可以去除10mg/L的氮和2mg/L左右的磷(存在污泥中, 不同的工艺有差异)。以同化作用将N, P转移出污
4、水系统。(微生物利用的NP还会因内源代谢释放) 高浓度工业废水的氮可以用物理吹脱，低浓度的饮用水氮一般以化学方法(加氯氧化)去除，污水氮一般以生物方法去除。如果同时富含高浓度磷，则常形成磷酸镁铵作为化学肥料回收。,Water Pollution Control Engineering,1.概述,化学方法脱N(折点加氯)： NH4+ + HOCl = NH2Cl + H+ + H2O NH2Cl + HOCl = NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl = NCl3 + H2O 2NH2Cl + HOCl N2 + 3HCl +H2O 余氨的吹脱(针对氨)：游离的氨容易挥发，可以空气吹
5、脱到大气中去. Mg2+ +PO43- + NH4+ +6H2O =,Water Pollution Control Engineering,MgNH4 PO4 6H2O,2. 生物脱氮原理与工艺,一. 生物脱氮原理 1.1 生物脱氮基本过程 1.2 影响生物脱氮的环境因素 二. 生物脱氮工艺 2.1 三级生物脱氮工艺 2.2 两级生物脱氮工艺 2.3 单级生物脱氮工艺 2.4 A/O工艺 三. 生物脱氮新理论 3.1 同步硝化反硝化;3.2 短程硝化反硝化;3.3 厌氧氨氧化,2. 生物脱氮原理工艺,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,一.
6、生物脱氮原理 除同化作用可以部分除氮, 生物脱氮主要由反硝化过程实现. 1.1 基本过程: 氨化:在氨化菌作用下, 有机物中的氮被转化为氨氮, 有机物同时得到降解： 有机N NH3 硝化:分为两个步骤-亚硝化和硝化. 在好氧条件下,亚硝化菌将NH4+转化为NO2, 进一步在硝化菌作用下转化为NO3: NH4+ +1.5O2 NO2 + 2H+ + H2O (亚硝化) NO2 + 0.5O2 NO3 (硝化) 总反应:NH4+ +2O2 NO3 + 2H+ + H2O,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,反硝化:在缺氧条件下, 反硝化菌作用将NO
7、3转化为N2(异化反硝化,占96)或生物体 (同化反硝化,占4). 6NO3+5C 3N2 + 6OH+ H2O + 5CO2 NO3 NO2 NO N2O N2 NO3 + C + H+ C5H7O2N + H2O NO3 NO2 有机含N物质,异化,同化,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,1.2. 影响生物脱氮的因素 氨化: 氨化菌是异养菌, 对环境条件要求不苛刻, 好氧或厌氧均可, 对酸碱, 温度的适应范围宽.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,(亚)硝化: 亚硝化菌和硝化菌均为化能自
8、养菌. (A).溶解氧, 需要好氧的条件, DO2, 每mol氨经过亚硝化需1.5mol O2, 硝化需0.5mol O2 (B).酸碱, 中性或弱碱性 (亚硝化产生酸!),最宜在pH 8.0-8.4左右. (C).温度, 20-30最佳 (15迅速降低,5反应停止) . (D). C/N比，BOD低才能维持硝化菌生长(异养微生物竞争, BOD越高硝化菌比例越小),Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,反硝化: 反硝化菌是异养菌,兼性厌氧菌. (A). 碳源(外加, 利用污水有机物, 或内源呼吸) (B). 酸碱, pH最宜在 6.5-7.5 (
9、C).溶解氧, 需少的DO或间歇有氧缺氧, DO 0.5mg/L, DO过高则直接以好氧呼吸 (D). 温度, 20-40, 低于15反应迅速降低 由于硝化菌和反硝化菌世代时间长,所以反应器内生物停留时间要长,即污泥龄要长,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮原理,生物脱氮的过程比较,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮工艺,二. 生物脱氮工艺 2.1：Barth三级(段)生物脱N工艺 第一段-氨化. 去除BOD和COD, 进行曝气, 有机N转化为氨氮； 第二段-亚硝化和硝化, 氨N转化为NO3,需要加碱；
10、 第三段-反硝化, NO3转化为N2气, 必须外加碳源(加甲醇或引污水), 否则效率低, 需搅拌.,Water Pollution Control Engineering,Barth三级(段)生物脱N工艺流程:,曝气,硝化,反硝化,碱,N2,碳源,曝气池:降解BOD,有机物分解(氨化) 硝化池:硝化反应, NH3转化为硝态氮,降解BOD(亚 硝化, 硝化) 反硝化池:脱N(反硝化),需搅拌 沉淀池:固液分离.,生物脱氮工艺,沉,沉,沉,出水,进水,Water Pollution Control Engineering,Barth三级(段)生物脱N工艺特点: 1.各段在各自的反应器下完成, 可控
11、制各个反应器最适宜的条件； 2. 脱氮率较高； 3. 反应器多构筑物多, 工艺复杂，需外加碳源和碱, (反硝化如果无外加碳源，内源代谢碳效率低)； 4. 造价高, 管理也不便.,生物脱氮工艺,Water Pollution Control Engineering,2.2 两级(段)生物脱N工艺:,曝气,反硝化,碱,N2,碳源,生物脱氮工艺,沉,沉,出水,进水,曝气池:降解BOD,有机物分解(氨化), (亚)硝化反应, NH3转化为硝态N(低负荷, 泥龄和水力时间长)； 反硝化池:缺氧,完成反硝化脱N； 沉淀池:固液分离.,Water Pollution Control Engineering,
12、生物脱氮工艺,2.3 单级生物脱氮工艺,曝气,反硝化,沉淀,N2,污水或甲醇,出水,进水,污泥回流,曝气池:好氧条件,完成降解BOD, 氨化,硝化等功能; 反硝化池:缺氧,完成反硝化脱氮; 沉淀池:固液分离; 特点:工艺简单,但难以控制,水质也难保证.,碱,Water Pollution Control Engineering,2.4 前置反硝化工艺, A/O工艺或AN/O(缺氧/好氧工艺anoxic/oxic):,反硝化,曝气,沉淀,反硝化池:缺氧,完成反硝化脱氮 曝气池:好氧条件,完成降解BOD, 氨化,硝化反应等功能,N2,出水,进水,硝化液内循环,污泥回流,生物脱氮工艺,Water P
13、ollution Control Engineering,生物脱氮工艺,AN/O工艺特点: 1). 反硝化反应器前置, 氨化和硝化在后, 不需要外加碳源, 反硝化的碳源从污水中得到; 2). 亚硝化阶段需要的碱度可以得到部分补偿(35%), 所以常常不需要加碱, 反硝化液残留的有机物可以进一步处理; 3). 反硝化过程NO3-可以作为电子受体氧化有机物碳源, 节省氧； 4). 构筑物少,流程简单,造价低,运行费用低,管理方便; 5). 但是出水含硝酸盐NO3, 脱N效率受限制(70%), 高的脱N率需要循环比大, 动力消耗大, 沉淀池存在反硝化过程, 容易污泥上浮.,Water Polluti
14、on Control Engineering,生物脱氮理论进展,三. 生物脱氮新理论 传统脱氮理论: 硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成,两菌对环境条件的要求不同, 这两个过程不能同时发生, 而只能序列式进行，即硝化反应在好氧条件下, 反硝化反应在缺氧或厌氧条件下. 因此生物脱氮工艺是将缺氧区与好氧区分开的分级硝化反硝化工艺, 或在两个分离的反应器中进行, 或在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行(SBR), 以便硝化与反硝化能够独立地进行.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,3.1 同步硝化反硝化 ： 微环境理论
15、认为,由于氧扩散的限制,在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度,即微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高,深入絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗, 产生缺氧区,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境. 宏观环境论认为，由于氧气扩散速率的限制，曝气池内形成局部缺氧/厌氧环境, 随时间分布厌氧/缺氧环境. 微生物学研究发现, 存在好氧反硝化细菌和异养反硝化细菌(硝化), 低DO下，一些硝化菌可以进行反硝化作用。打破了传统理论的硝化反应只能由自养细菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,同步硝化反硝化
16、具有以下特点： (1) NO2无须氧化为NO3便可直接进行反硝化反应，因此, 整个反应过程加快, 水力停留时间缩短, 反应器容积减小； (2) 亚硝化反应仅需75的氧, 需氧量降低, 节约能耗； (3) 硝化菌和反硝化菌在同一反应器中同时工作, 脱氮工艺简化而效能提高；,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,(4) 将有机物氧化, 硝化和反硝化在反应器内同时实现, 既提高脱氮效果, 又节约曝气和混合液回流所需的能源； (5) 反硝化产生的OH可以中和硝化产生的部分H+, 减少了pH值波动, 使两个生物反应过程同时受益, 提高了反应效率； (6) 为反硝化提供了碳源, 促进同步硝化反硝化的进行,Water Polluti
