污水脱氮原理与技术荟萃材料

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1、Nitrogen removal from wastewater:principles and techniques污水脱氮原理与技术1专业内容水体中氮素的来源水体中氮素的来源水体中氮素的来源与危害自然来源人类活动大气降水降尘非市区径流生物固氮城市污水浸滤液大气沉降地表径流水体2专业内容氮在水体中的存在形态氮在水体中的存在形态水体中氮素的来源与危害 有机氮有机氮 无机氮无机氮蛋白质 (C, O, N, H, N=1518%)多肽氨基酸尿素CO(NH2)2其他(硝基、胺及铵类化合物)COOHHRCNH2氨氮(NH3-N, NH4+-N)亚硝态氮(NO2- -N)硝态氮(NO3-N)3专业内容水体

2、中氮素的来源与危害氨氮(NH3-N, NH4+-N)亚硝态氮(NO2- -N)硝态氮(NO3-N) 总氮总氮 (TN)有机氮有机氮无机氮无机氮凯氏氮凯氏氮 (TKN) = = 有机氮有机氮 + + 氨氮氨氮水污染控制中经常提到的几个术语TN = TKN + NOx-N4专业内容水体中氮素的来源与危害氮素污染的危害氮素污染的危害 造成水体的富营养化(eutrophication)现象；水生植物水生植物和和藻类藻类异常增殖异常增殖水华水华赤潮赤潮5专业内容富营养化发生所需的最必要的外力条件富营养化发生所需的最必要的外力条件 ：发生富营养化暴发“水华”富营养化(1)(1)总磷、总氮总磷、总氮等营养盐

3、相对等营养盐相对充足；充足；(2)(2)缓慢的水流；缓慢的水流；(3)(3)适宜的气候适宜的气候条件条件( (包括水温、包括水温、光照条件光照条件) )。 水体中氮素的来源与危害6专业内容自然来源人类活动大气降水降尘非市区径流生物固氮城市污水浸滤液大气沉降地表径流水体氮素污染控制面源污染控制技术面源污染控制技术修建污水厂修建污水厂7专业内容废水脱氮技术废水脱氮技术氮素污染控制物化法物化法生物法生物法吹脱吹脱(气提气提)法法折点加氯法折点加氯法离子交换法离子交换法磷酸氨镁沉淀法磷酸氨镁沉淀法其它方法其它方法8专业内容通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。为减少氯的投加量，常与生物硝化联用，先硝化

4、再除微量的残留氨氮。1 折点加氯法含氨氮的水加氯时，有下列反应：7.1物化法除氮9专业内容10专业内容Ca(ClO)2 2H2O 2HClO Ca(OH)2 NH3 HClO NH2Cl H2O NH2Cl HClO NHCl2 H2O NHCl2 H2O NOH 2 Cl 2 HNHCl2 NOH N2 HClO H Cl 总反应式为：总反应式为：NH3 0.75 Ca(ClO)2 0.5N2 1.5 H2O +0.75 CaCl2 投加足够的液氯，使NH3-N氧化成氮气。用在低浓度NH3-N（12mg/L）的给水预处理中，同时还可以起到预消毒的作用。对于氨氮浓度较高的废水，由于氯耗较高，另

5、废水中其它还原性无机物、有机物也消耗额外的氯。此外往成分比较复杂的废水中投加大量的氯，可能形成三致的氯代有机物。11专业内容含NH3-N废水达标排放含NH4+沸石再生沸石返回交换解吸液脱氮解吸液NH3硫酸吸收硫酸氨返回解吸2 选择性离子交换法（沸石或活化沸石除氮）12专业内容优点：优点：脱氮效率高，如低浓度时（脱氮效率高，如低浓度时（30mg/L30mg/L）除氨率可达）除氨率可达99%99%以上。以上。另外对水中共存的油类、浊度、重金属离子（如另外对水中共存的油类、浊度、重金属离子（如PbPb2+2+、A AS SO O4 43-3-、HgHg2+2+） 等也有显著的去除作用。等也有显著的去

6、除作用。缺点：缺点：因沸石交换容量小易饱和（纯度较高的沸石交换容量也不大于因沸石交换容量小易饱和（纯度较高的沸石交换容量也不大于3.6gNH3-N/100g沸石），不能用于高浓度大流量的含氮废水处理。沸石），不能用于高浓度大流量的含氮废水处理。需要再生洗脱氨，当洗脱液中氨氮浓度较高时，又需要处理。需要再生洗脱氨，当洗脱液中氨氮浓度较高时，又需要处理。沸石比重较大，大量使用时体积大、重量也大，必然增加设备沸石比重较大，大量使用时体积大、重量也大，必然增加设备投资和占地。投资和占地。沸石交换工艺特点:13专业内容常用药剂： (1)Mg(OH)2+H3PO4; (2)MgHPO4 3H2O; (3)

7、MgO+磷酸盐(MAP) 为了降低药剂费用，所得MAP 可通过碱性热解，除回收氨外，形成的磷酸钠镁可以再次作为沉淀剂，用来去除废水中的氨氮。MgNH4PO46H2O +NaOH MgNaPO4+ NH3 +7 H2O鸟粪石（struvite）magnesium ammonium phosphate3 化学沉淀法14专业内容磷酸氨镁(MAP)沉淀法重要工艺参数：(1)pH=8.59.5;(2)理想的投加比例(摩尔比): MgHPO4 3H2O : NH4+-N = 1.52.0 Mg(OH)2+H3PO4 Mg(OH)2 ： NH4+-N = 4：1 H3PO4 ： Mg(OH)2 = 1.5：

8、1 生成的MgNH4PO46H2O可作为堆肥、花园土壤或干污泥的添加剂，或用作结构制品的阻火剂。但该方法投药量随原水氨氮浓度增加而增加，从而导致成本增加，同时往水中增加废水的含盐量。15专业内容原理及概述NH4+ + H2O NH3 +H3O+4 空气吹脱法16专业内容氨吹脱工艺流程NaOH溶液槽pH后续处理pH调整槽原 水沉淀池氨回收槽吹脱段回调pH槽空气硫酸氨H2SO4罐H2SO4罐污 泥空气吸收段石灰乳制备槽石灰渣絮凝剂17专业内容影响吹脱效率的主要因素（1）气液比同吹脱效率的关系 随着气液比的升高，氨吹脱效率逐渐升高。当气液比达到一定值时，氨吹脱效率升高变缓。除考虑经济因素外，继续增大

9、气液比到一定程度，可能会在 填料塔内造成气流脉动、液体被气流大量带出塔顶、吹脱塔 的操作极不稳定、甚至完全破坏的情况，即填料塔的液泛现象。（2）pH值同吹脱效率的关系当气液比固定，随着pH值的升高，氨吹脱效率逐渐升高。当pH值升高到某一值时，氨吹脱效率升高不明显。18专业内容（3）水温、气温对吹脱效率的影响水温降低，会使氨吹脱效率明显降低。当水温降低时，水中氨的溶解度增加，游离氨的百分比也降低，从而 减少了氨吹脱的推动力，从而降低氨吹脱的效率。 （4）水力负荷与吹脱效率的关系水在吹脱塔中反复生成水滴有助于氨的吹脱。当水力负荷过大时，高效吹脱所需的点滴状况被破坏，而形成水幕。而当水力负荷过小（填

10、料塔的最小喷淋密度Umin）时，则填料湿润不 够，降低填料塔的使用效率，填料易结垢。（5）原水氨氮浓度和出水氨氮浓度与其去除率之间的关系在其它条件一定时，吹脱效率与原水氨氮浓度无关。 19专业内容吹脱设备20专业内容缺点：结垢泡沫问题低温时吹脱效率降低不进行氨吸收时二次污染工艺流程复杂和操作强度大 氨吹脱工艺特点优点：吹脱效率高，且在进水氨氮浓度高时能获得高的脱氮效率。主要用在高浓度氨氮情况下别的工艺不适合的条件下，因为在其它参数一定时，吹脱效率与原水氨氮浓度无关。21专业内容氨水蒸馏工艺流程图以焦化废水为例：蒸氨供料槽调节池NaOH30%pH113蒸汽蒸汽103氨气氨气NH3-N4000mg

11、/LNH3-N250mg/L生化生化换热换热冷却冷却蒸氨塔蒸氨塔pH=8.5-9气提法冷却冷却303510622专业内容 物化法脱氮的比较常用物化法脱氮技术比较处理方法处理范围及效果缺点费用估算(元/kgNH3-N)进水(mg/L)出水(mg/L)空气吹脱500500200左右蒸汽费用高，1520 /m3污水折点氯化3040离子交换105013沸石再生费用高。1015MAP法253023专业内容有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(亚硝化作用)NO2-N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3-N反硝化菌+ 有机碳(反硝化作用)N27.2生物脱氮1 生物脱氮机理24专业内容2 氨化反应 微

12、生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用。 很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强，并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮。 以氨基酸为例：25专业内容总反应式为：3 硝化反应：1.每氧化1gNH4+-N为NO3-N需要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)。2.不计细菌增值，每氧化1gNH4-N为NO3-N，共需要氧4.574.57g g。26专业内容硝化反应动力学 生物硝化反应的动力学模型可用Monod公式表示:SKSs+=maxmm 硝化细菌的比增长速率，d-1； max硝化细菌的最大比增长速率，d-1； Ks

13、饱和常数，其值为=0.5max时的底物浓度，mg/L； S底物(NH4+-N或NO2-N)浓度，mg/L； 27专业内容20条件下硝化菌的Monod参数底物umax (d-1 )Ks(mg/L)文献NH4+-N0.533.6Stratton,McCartyNH4+-N0.341.0Downing etc.NH4+-N0.650.6Knoles etc.NO2-N0.411.1Stratton,McCartyNO2-N0.142.1Downing etc.NO2-N0.841.9Knoles etc.硝化反应动力学 28专业内容亚硝酸菌和硝酸菌 项目亚硝酸菌硝酸菌异养菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒

14、状细胞尺寸1.01.5m0.51.0m革兰氏染色阴性阴性世代周期(h)83612592.318.69自养性专性专性异养需氧性严格好氧严格好氧最大比生长速率m(h-1)0.040.080.020.060.080.3产率系数Y(mg细胞/mg基质)0.040.130.020.070.40.8饱和常数KS(mg/L)0.63.60.31.725100硝化反应动力学 29专业内容硝化段中含碳有机基质浓度与总氮(TKN)的比例将直接影响活性污泥中硝化菌所占的比例.BOD5/TKN与活性污泥中硝化细菌含量的关系BODBOD5 5/TKN/TKN活性污泥中硝活性污泥中硝化细菌所占比化细菌所占比例例(%)(%

15、)0.50.535351 121212 212123 38.68.64 46.46.4BODBOD5 5/TKN/TKN活性污泥中硝活性污泥中硝化细菌所占比化细菌所占比例例(%)(%)5 55.45.46 64.34.37 73.73.78 83.33.39 92.92.9摘自马文漪、杨柳燕,环境微生物工程.南京大学出版社,1998年基质对硝化的影响 30专业内容多级硝化与单级硝化多级硝化：先降解BOD，再硝化，硝化菌与异养菌分离单级硝化：同时降解BOD和硝化，硝化菌与异养菌共存。一般亚硝酸菌：硝酸菌=3：1，但硝酸菌的总氧化速率亚硝酸菌的总氧化速率，故步骤（a）为（a）+（b）的控制步骤。即

16、亚硝化为整个硝化过程的控制步骤。基质对硝化的影响 31专业内容影响硝化反应的环境因素 环境因素 微生物对生化环境的要 求工程参数温度445亚硝酸菌: 3035 硝酸菌: 3542 1535 溶解氧1.52.0mg/L以上 2.0mg/LpH亚硝酸菌: 7.07.8硝酸菌: 7.78.17.28.032专业内容环境因素微生物对生化环境的要求工程参数有机碳营养物 BOD520 mg/LBOD负荷3d工程实际SRT15d有毒物质 重金属高浓度的NH4+-N高浓度的NO2-N一般NH4+-N 200mg/L,最高 400 mg/L；NO2-N 100mg/L;影响硝化反应的环境因素 33专业内容1gN

17、H4+-N1gNO3-N碱度7.14g(以CaCO3计)需要氧4.57g硝化作用(Nitrification)SRT15d34专业内容生物反硝化的总反应式如下： q转化1g NO2-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)1.711.71g g。q转化1g NO3-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)2.862.862.862.86g g g g。q还原1gNO2-N或NO3-N均可产生3.573.57g g碱度(以CaCO3计) 。4 反硝化反应反硝化菌属异氧兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电

18、子供体和营养源进行反硝化反应。35专业内容在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度碳源原水中含有的有机碳外加碳源，多用甲醇内源呼吸碳源细菌体内的原生物质及其贮存的有机物36专业内容反硝化作用(Denitrification)反硝化过程中需要的有机物总量可按下式估算：C=2.86NO3-N+1.71NO2-N+DO式中： C 反硝化需要的有机物总量， 按BOD5计(mg/L)； NO3-N污水中硝态氮的浓度（mg/L)； NO2-N污水中亚硝态氮的浓度（mg/L)； DO污水中溶解氧的浓度（mg/L)。如果废水中缺少有机碳源，则应补加有机物，一般投加甲醇，这是

19、因为甲醇分解的产物是CO2与H2O，不残留任何难降解的中间产物。37专业内容影响反硝化反应的环境因素 环境因素微生物对生化环境的要求工程参数温度20351535 溶解氧0.2mg/L0.5mg/LpH7.08.57.38.535BOD/TKN46COD/TKN79BOD/TKN4有毒物质Ni4反硝化作用(Denitrification)DO0.5mg/L 39专业内容(2) 生物脱氮工艺a. 三段生物脱氮工艺将有机物氧化，硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。40专业内容前两段可合并，变为两段后置反硝化：41专业内容b. 前置反硝化工艺42专业内容b. 前

20、置反硝化工艺43专业内容Bardenpho生物脱氮工艺设立两个缺氧段，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。为进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内碳源进行反硝化。第二段曝气池用于吹脱废水中的氮气，同时可进一步稳定出水水质，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。44专业内容Bardenpho生物脱氮工艺45专业内容q主要缺点：污泥负荷比较低，污泥龄较长，占地面积较大。氧化沟(Oxidation Ditch)生物脱氮工艺46专业内容q主要缺点：占地面积大，设备利用率较低。序批式活性污泥法(Sequencing Batch

21、Activated Sludge Process)47专业内容生物脱氮新工艺短程硝化反硝化工艺短程硝化反硝化工艺厌氧氨氧化厌氧氨氧化同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺好氧反硝化好氧反硝化多段进水多段进水A/O脱氮脱氮48专业内容NH4+-NCODQ1NH4+-NCODQ2NH4+-NCODQ3NH4+-NCODQ4NH4+-NNH4+-NNH4+-NNH4+-NNO3-NNO3-NNO3-NNO3-NNO3-N污泥回流剩余污泥出水缺氧 好氧 缺氧 好氧 缺氧 好氧 缺氧 好氧污泥回流剩余污泥空气出水进水Q1Q2Q3Q4初沉池二沉池分段进水分段进水A/O脱氮工艺脱氮工艺（Step-feed

22、Anoxic/Oxic（SFAO）Process） 49专业内容短程硝化反硝化工艺短程硝化反硝化工艺(Shortcut Nitrification-Denitrification)有机氮(氨化)氨化菌NH4+-N(亚硝化)NO2-N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(反硝化)NO3-NNO2-NN2NH4+-NNO2-NN2短程反硝化短程硝化(碳源)(碳源)50专业内容51专业内容Anammox脱氮技术厌氧氨氧化（ANAMMOX:ANaerobic AMMonium OXidation）指在厌氧或缺氧条件下，氨氮以亚硝酸盐氮作为电子受体直接被氧化到氮气的过程： NH4+NO2- N2+2H2O NH4

23、+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+ 0.066CH2O0.5N0.15+1.02N2+0.26NO3-+2.03H2O199519772003200252专业内容厌氧氨氧化厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺工艺(ANaerobic AMMonium OXidation) SHARON (活性污泥) NH4+ NO2- ANAMMOX (生物膜) NH4+ +NO2- N2 NH4+ +NO2- 出水 进水 NH4+ 53专业内容SHARONANAMMOX组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景，成为当前生物脱氮领

24、域内的一个研究重点。SHARONANAMMOX组合工艺中温亚硝化（SHARON: Single reactor for High activity Ammonium Removal Over Nitrite）是利用了温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特点，使硝化菌失去竞争。54专业内容SHARON反应器1组；19.5 m，H=5.75 m，流量为550 m 3/d，水力停留时间为3 d，好氧停留时间为24 h，温度为35 ，pH为77.2，溶解氧浓度为1.5 mg/L。ANAMMOX反应器1组；2.2 m，H=18 m(V=70 m3)，流量为550 m3/d，水力停留时间为3 h，设计负荷为80

25、0 kgN/d，温度为35 ，pH为7.5。 SHARONANAMMOX荷兰鹿特丹DOKHAVEN市政污水处理厂SHARONANAMMOX组合工艺55专业内容城市污水的自养脱氮城市污水的自养脱氮 56专业内容同步硝化同步硝化/反硝化工艺反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称简称SND)57专业内容NH3（氨） H2NNH2（联氨） NH2OH（羟胺） N2（氮气） N2O（HNO）（氧化亚氨（硝酰基） NO（氧化氮） NO2-（亚硝酸） NO3-（硝酸）已知的好氧反硝化菌有Pseu- domonas Spp、Alcaligenes faecalis、Thiosphaera Pantotropha，这些好氧反硝化菌同时也是异氧硝化菌，能够直接将氨转化为最终气态产物。好氧反硝化反应速率随着DO增加而减小。与厌氧反硝化细菌相比，好氧反硝化菌的一般特征为反硝化速率慢一些，但能较好适应厌氧（和缺氧）好氧的周期变化。好氧反硝化58专业内容