废水生物处理原理与工艺 第四章 营养元素的生物去除 生物脱氮除磷原理与工艺 4-1概述 ●氨氮会消耗水体中的溶解氧:氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气,增加氯的用量:含氮化合物对人和其它生物有毒害作 用:①氨氮对鱼类有毒害作用:②NO3和NO2可被转化为亚硝胺——一种“三致”物质:③水中NO3高,可导致婴儿 患变性血色蛋白症—“ Bluebaby”:加速水体的“富营养化”过程: 所谓“富营养化”就是指水中的藻类大量繁殖而引起水质恶化,其主要因子是N和P(尤其是P) 控制污染源,降低废水中的N、P含量 一对城市废水,传统的活性污泥法,对N的去除率只有40%左右,对磷的去除率只有20~30% 脱氮的物化法 1)氨氮的吹脱法 NH,+H,O+NH: +OH 进水 调节pH值 沉淀池 出水 石灰或 石灰乳 排泥 吹脱法脱氨处理流程 2)折点加氯法去除氨氮 2NH, CI+HOC-N,+3C/+H,0+3H 每mgNH4+N被氧化为氮气,至少需要75mg的氯 3)选择性离子交换法去除氨氮: 采用斜发沸石作为除氨的离子交换体 清或 子交获}再生液税氮 污水1过法 折点加氯反应池 生液回用 折点加氯法脱氮处理工艺流程 出水 离子交换法脱氮处理工艺流程 三、除磷的物化法(混凝沉淀法) 1)铝盐除磷 Al++PO+ 般用Ab(SO),聚氯化铝(PAC)和铝酸钠( NaAlO2) 一般用FeCh、FeSO4或 FeCl3 Fe(SO4) 3)石灰混凝除磷 5Ca+40H+3HP04-Cas(OHXPO4)3+3H,0 向含P污水投加石灰,由于形成OH,污水的pH值上升,P与Ca2反应,生成羟磷灰石。 第1页第十二讲
废水生物处理原理与工艺 第十二讲 第 1 页 第十二讲 第四章 营养元素的生物去除 ——生物脱氮除磷原理与工艺 4-1 概述 一、 营养元素的危害 ⚫ 氨氮会消耗水体中的溶解氧；氨氮会与氯反应生成氯胺或氮气，增加氯的用量；含氮化合物对人和其它生物有毒害作 用：①氨氮对鱼类有毒害作用；②NO3 -和 NO2 -可被转化为亚硝胺——一种“三致”物质；③水中 NO3 -高，可导致婴儿 患变性血色蛋白症——“Bluebaby”；加速水体的“富营养化”过程； ——所谓“富营养化”就是指水中的藻类大量繁殖而引起水质恶化，其主要因子是 N 和 P（尤其是 P）； ——控制污染源，降低废水中的 N、P 含量； ——对城市废水，传统的活性污泥法，对 N 的去除率只有 40%左右，对磷的去除率只有 20~30%。 二、 脱氮的物化法 1）氨氮的吹脱法： + − NH3 + H2O NH4 + OH 2）折点加氯法去除氨氮： NH4 + HOCl → NH2Cl + H + H2O + + − + 2NH2Cl + HOCl → N2 + 3Cl + H2O + 3H 每 mgNH4 + --N 被氧化为氮气，至少需要 7.5mg 的氯。 3）选择性离子交换法去除氨氮： 采用斜发沸石作为除氨的离子交换体。 三、除磷的物化法（混凝沉淀法） 1）铝盐除磷 4 3 4 3 Al + PO → AlPO + + 一般用 Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2） 2）铁盐除磷：FePO4 Fe(OH)3 一般用 FeCl2、FeSO4 或 FeCl3 Fe2(SO4)3 3）石灰混凝除磷 Ca OH HPO Ca5 OH PO4 3 H2O 2 4 2 5 + 4 + 3 → ( )( ) + 3 + − − 向含 P 污水投加石灰，由于形成 OH-，污水的 pH 值上升，P 与 Ca2+反应，生成羟磷灰石。 调节 pH 值 沉淀池 吹 脱 塔 出水 排泥 进水 石灰或 石灰乳 吹脱法脱氨处理流程
废水生物处理原理与工艺 42生物脱氮技术 41-1生物脱氮原理 定义 ①污水中的含氮有机物,在生物处理过程中被异养微生物氧化分解为氨氮一一氨化:②由自养型的硝化菌将氨氮转化为NO 和NO3——硝化:③再由反硝化菌将NO2和NO3还原转化为N2一反硝化。 反,反 到N比+Q2-N化知留No-N (氨化作用) 硝化作用) 皱度减少 增大 好氧或厌氧条件 好氧条件 生物脱氮过程示意图 二、硝化反应( Nitrification) 分为两步:①M→NO2:②NO2→NO —由两组自养型硝化菌分步完成:①亚硝酸盐细菌( Nitrosomonas):②硝酸盐细菌( Nitrobacter) 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌:强烈好氧,不能在酸性条件下生长:无需有机物,以氧化无机含氮 化合物获得能量,以无机C(CO2或HCO3)为碳源:化能自养型:生长缓慢,世代时间长 (1)硝化反应过程及反应方程式 ①亚硝化反应:NH4+1.502→MO2+H2O+2H 加上合成,则:55NH+7602+109HCO5→C3H2O2N+54NO2+57H20+104H2CO3 亚硝酸盐细菌的产率是:0.46ggNH4+N(113/55/4) 氧化1mgNH4N为NO2-N,需氧3.16mg(76×32/5514) ·氧化1mgNH4N为NO2-N,需消耗708mg碱度(以CaCO3计)(109×50/5514) ②硝化反应:NO2+0.502→NO 加上合成,则:400NO+NH++4H,CO1+BCO1+1950,→C、H,O,N+3H,O+400NO 硝酸盐细菌的产率是:0.02ggNO2-N(113400/14) 氧化 Img no2N为NO3N,需氧1.mg(195*32/40014) ●几乎不消耗碱度 ③总反应:NH4+202→NO3+H2O+2H 加上合成,则:NH4+1.8602+1.98HCO3→(0.0181+0.0025C5H2O2N+1.04H2O+098NO5+1.88H2CO3 ·总的细菌产率是:002ggNO2-N(113400/14) 氧化 Img NH-N为MO2-N,需氧427mg(1.86*3214) ·氧化1mgNH-N为MO3-N,需消耗碱度707mg(以caCO3计) 污水中必须有足够的碱度,否则硝化反应会导致pH值下降,使反应速率减缓或停滞 如果不考虑合成,则:氧化1mgNH4N为NO3N,需氧4.57mg,其中亚硝化反应3.43mg,硝化反应1.14mg,需消 耗碱度74mg(以CaCO3计) (2)硝化反应的环境条件: 硝化菌对环境的变化很敏感:①好氧条件①DO不小于1mg),并能保持一定的碱度以维持稳定的pH值(适宜的p为 80-84):②进水中的有机物的浓度不宜过高,一般要求BOD5在15~20mg/以下:③硝化反应的适宜温度是20-30C,15°C 以下时,硝化反应的速率下降,小于5°C时,完全停止:④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3~10天):⑤高浓度的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐、有机物以及重金属离子等都对硝化反应有抑制作用 第2页第十二讲
废水生物处理原理与工艺 第十二讲 第 2 页 第十二讲 4-2 生物脱氮技术 4-1-1 生物脱氮原理 一、定义： ①污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养微生物氧化分解为氨氮——氨化；②由自养型的硝化菌将氨氮转化为 NO2 - 和 NO3 -——硝化；③再由反硝化菌将 NO2 -和 NO3 -还原转化为 N2——反硝化。 二、硝化反应（Nitrification） ——分为两步：① + → − NH4 NO2 ； ② − → − NO2 NO3 ——由两组自养型硝化菌分步完成： ①亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）；②硝酸盐细菌（Nitrobacter） ⚫ 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；强烈好氧，不能在酸性条件下生长；无需有机物，以氧化无机含氮 化合物获得能量，以无机 C（CO2 或 HCO3 -）为碳源；化能自养型；生长缓慢，世代时间长。 （1）硝化反应过程及反应方程式： ①亚硝化反应： + − + NH4 +1.5O2 → NO2 + H2O + 2H 加上合成，则： 55NH4 + 76O2 +109HCO3 → C5H7O2N + 54NO2 + 57H2O +104H2CO3 + − − ⚫ 亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH4 + -N（113/55/14）； ⚫ 氧化 1mg NH4 + -N 为 NO2 - -N，需氧 3.16mg（7632/55/14）； ⚫ 氧化 1mg NH4 + -N 为 NO2 - -N，需消耗 7.08mg 碱度（以 CaCO3计）（10950/55/14） ②硝化反应： − → − 2 + 5 2 3 NO 0. O NO 加上合成，则： − + − − 400NO2 + NH4 + 4H2CO3 + HCO3 +195O2 → C5H7O2N + 3H2O + 400NO3 ⚫ 硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO2 - --N(113/400/14) ⚫ 氧化 1mg NO2 - -N 为 NO3 —N，需氧 1.11mg(195*32/400/14) ⚫ 几乎不消耗碱度 ③总反应： + − + NH4 + 2O2 → NO3 + H2O + 2H 加上合成，则： 4 2 3 5 7 2 2 3 88 2 3 NH +1.86O +1.98HCO → (0.0181+ 0.0025)C H O N +1.04H O + 0.98NO +1. H CO + − − ⚫ 总的细菌产率是： 0.02g/gNO2 - --N(113/400/14)； ⚫ 氧化 1mg NH − N + 4 为 NO − N − 3 ，需氧 4.27mg(1.86*32/14)； ⚫ 氧化 1 mg NH − N + 4 为 NO − N − 3 ，需消耗碱度 7.07mg(以 CaCO3 计)； ——污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致 pH 值下降，使反应速率减缓或停滞； ——如果不考虑合成，则：氧化 1 mg NH4 + -N 为 NO3 —N，需氧 4.57mg，其中亚硝化反应 3.43mg，硝化反应 1.14mg，需消 耗碱度 7.14mg(以 CaCO3计) (2)硝化反应的环境条件： ——硝化菌对环境的变化很敏感：①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 8.0~8.4)；②进水中的有机物的浓度不宜过高，一般要求 BOD5在 15~20mg/l 以下；③硝化反应的适宜温度是 20~30C，15C 以下时，硝化反应的速率下降，小于 5C 时，完全停止；④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 3~10 天)；⑤高浓度的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐、有机物以及重金属离子等都对硝化反应有抑制作用
废水生物处理原理与工艺 I氨离 氮的氧化还原 羟胺NH2OH 态|+I 硝酰基NOH +ll 亚硝酸盐NO 峭舰盐NO 亚硝酸苤 硝酸菌 反硝化反应 (1)反硝化反应过程及反硝化菌 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,并不是一类专门的细菌,它们大量存在于土壤和污水处理系统中,如变形杆菌、假单胞 菌等,土壤微生物中有50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌 反硝化菌能在缺氧条件下,以MO2-N或MO-N为电子受体,以有机物为电子供体,而将氮还原 在反硝化菌的代谢活动下,MO5-N或MO-N中的N可以有两种转化途径:①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:②异化反硝化,即最终产物为的氮气 同化反硝化) CnH, OH-*41 2HNo、±4Hx2N-4o(2HNO 2H,O N,O H,O (异化反硝化) 反硝化反应过程(同化反硝化异化反硝化) (2)反硝化反应的影响因素 碳源: 废水中的有机物,当废水的BODs/IKN大于3~5时,可认为碳源充足:二是外加碳源,多采用甲醇 适宜的pH值是6.5~7.5,pH值高于8或低于6,反硝化速率将大大下降 反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应,但另一方面,其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成,所以反硝化反 应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行,溶解氧应控制在0.5mg/以下 最适宜温度为20~40°C,低于15°C其反应速率将大为降低 -氨氯NH(供细胞合成用) 异化反硝化 羟胺NHOH 同化反确化、气态 亚硝酸氯NO 硝酸氮NO 反硝化反应过程中氮的转化 第3页第十二讲
废水生物处理原理与工艺 第十二讲 第 3 页 第十二讲 二、反硝化反应 （1）反硝化反应过程及反硝化菌 ——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，并不是一类专门的细菌，它们大量存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞 菌等，土壤微生物中有 50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌； ——反硝化菌能在缺氧条件下，以 NO − N − 2 或 NO − N − 3 为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原； ——在反硝化菌的代谢活动下， NO − N − 2 或 NO − N − 3 中的 N 可以有两种转化途径：①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；②异化反硝化，即最终产物为 的氮气。 （2）反硝化反应的影响因素 ⚫ 碳源：一是原废水中的有机物，当废水的 BOD5/TKN 大于 3~5 时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇； ⚫ 适宜的 pH 值是 6.5~7.5，pH 值高于 8 或低于 6，反硝化速率将大大下降； ⚫ 反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反 应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行，溶解氧应控制在 0.5mg/l 以下； ⚫ 最适宜温度为 20~40C，低于 15C 其反应速率将大为降低
表生物脱氮反应过程中各项生化反应特征 生化反应类型 去除有机物 反硝化 亚硝化 微生物 好氧菌及兼性菌 Nitrosomonas自养型菌 Nitrobacter自养型菌兼性菌 异养型菌 有机物 有机物 氧源电子受体)O2 溶解氧 1~2m9以上 mg以上 mg以上 0~0.5mg/ 无变化 氧化1mgNH4-N需要|无变化 还原1mgNO3-N或 7.14mgl碱度 NO2-N生成3.57mg 耗氧 分解1mg有机物|氧化 ImeNa-N需氧氧化 Img NO2-N需氧分解1mg有机物 (BOD)需氧2mg3.43mg 1.14mg 0.58mg NO3-N0.35mg所提供 最适水温 15~25°C 30°C 1.2~3.5 0.21~1.0 0.28~1.44 氧分解的12~12.5 分解速度 70~870 7mgNH4一N 2-8mg NO3 --N mgBOD/gMLSS. h /eMss. h /eMLSS h 4-2-2生物脱氮工艺 活性污泥法脱氮传统工艺 (1) Barth开创的三级活性污泥法流 原废水 反应器 污泥回流 污泥回流 图3-20-4活性污泥法传统脱氯工艺 级活性污泥法流程) ●第一级曝气池的功能:①碳化——去除BODs、COD:②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。 其优点是氨化、硝化、反硝化是在各自的反应器中进行,反应速率快且较彻底: 缺点是处理设备多,造价高,运行管理较为复杂 (2)两级活性污泥法脱氮工艺 CHOH 沉淀池 原废水 Ⅱ处理水 回流污泥 回流污泥 剩余污泥 图3-20-5两级话性污泥法脱氣系统 注:虚线为可能实施的另一方案原废火部分注入反硝化反应器以代替外加碳源甲醇;:沉淀池1可考咤不 二、缺氧—一好氧活性污泥法脱氮系统(A-O工艺) 第4页第十二讲
废水生物处理原理与工艺 第十二讲 第 4 页 第十二讲 表 生物脱氮反应过程中各项生化反应特征 生化反应类型 去除有机物 硝化 反硝化 亚硝化 硝化 微生物 好氧菌及兼性菌 Nitrosomonas 自养型菌 Nitrobacter 自养型菌 兼性菌 异养型菌 能源 有机物 化能 化能 有机物 氧源(电子受体) O2 O2 O2 NO2 - 、NO3 - 溶解氧 1~2mg/l 以上 2mg/l 以上 2mg/l 以上 0~0.5mg/l 碱度 无变化 氧化 1mgNH4 + --N 需要 7.14mg/l 碱度 无变化 还 原 1mgNO3 - --N 或 NO2 - --N 生成 3.57mg 碱度 耗氧 分 解 1mg 有机物 （BOD5）需氧 2mg 氧化 1mgNH4 + --N 需氧 3.43mg 氧化 1mg NO2 - --N 需氧 1.14mg 分 解 1mg 有机物 (COD) 需 NO2 - --N 0.58mg ， NO3 - --N0.35mg 所提供 的化合态氧 最适 pH 值 6~8 7~8.5 6~7.5 6~8 最适水温 15~25C 30C 30C 34~37C 增殖速度(d-1 ) 1.2~3.5 0.21~1.08 0.28~1.44 好氧分解的 1/2~1/2.5 分解速度 70~870 mgBOD/gMLSS.h 7mgNH4 + --N /gMLSS.h 2~8mg NO3 - --N /gMLSS.h 产率 4-2-2 生物脱氮工艺 一、活性污泥法脱氮传统工艺 (1)Barth 开创的三级活性污泥法流程： ⚫ 第一级曝气池的功能：①碳化——去除 BOD5、COD；②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。 ——其优点是氨化、硝化、反硝化是在各自的反应器中进行，反应速率快且较彻底； ——缺点是处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。 (2)两级活性污泥法脱氮工艺 二、缺氧——好氧活性污泥法脱氮系统（A—O 工艺）