第三章_水的生物化化学处理法4

Full-scale Anamox plant,Rotterdam,NL
NH4+ + 1.5 O2 NO2- + H2O + 2 H+ NH4+ + NO2 N2 + 2 H2O
二、生物脱氮工艺
传统活性污泥法脱氮工艺
三级活性污泥生物脱氮工艺
将有机物氧化、硝化以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。
厌氧环境中：
污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷； 而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚 磷（Poly-p）分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另
一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚β-羟基丁
酸)的形态储藏于体内。
聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。
NH 3
H2O
NH
4
OH
这一平衡受pH的影响，pH为10.5~11.5时，因废水中的氮呈 饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。
吹脱过程包括将废水的pH提高至10.5~11.5，然后曝气，这 一过程在吹脱塔中进行。
(2) 折点加氯法:
含氨氮的水加氯时，有下列反应：
Cl 2 H2O HOCl H Cl
ATP
HAc
P
GLY PHB PP 生长
厌氧释磷
糖元质
PHB 聚磷酸盐
ATP NADH2
P
H2O
O2
好氧吸磷
生物除磷影响因素：
（1）厌氧环境条件：
（a）氧化还原电位：Barnard、Shapiro等人研究发现， 在批式试验中，反硝化完成后，ORP突然下降，随后开始放 磷，放磷时ORP一般小于100mV；
生物强化除磷机理
利用好氧微生物中聚磷菌(Phosphorus Accumulating Organism, PAO)在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收 作用，然后沉淀分离而除磷。
PAOs 的摄/放磷原理：在厌/好氧交替运行条件下驯化出聚磷 菌（PAOs）一类的微生物，它们能够在数量上超过其生理需 要的从外部环境中过量的摄取磷，并将磷以聚合磷的形式贮 存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷 的效果。
生物除磷影响因素：
（4）pH：与常规生物处理相同，生物除磷系统合适的pH 为中性和微碱性，不合适时应调节。
（5）温度：在适宜温度范围内，温度越高释磷速度越快； 温度低时应适当延长厌氧区的停留时间或投加外源VFA。
（6）其他：影响系统除磷效果的还有污泥沉降性能和剩余 污泥处置方法等。
生物除磷及生物脱氮除磷工艺 1. A/O生物除磷工艺
处理目的
降低含水率，使其变流态为固态， 同时减少数量
稳定有机物，使其不易腐化，避免 对环境造成二次污染。
缺氧-好氧生物脱氮工艺
A/O工艺优点：
流程简单构筑物少，只有一个污泥和硝化液回流系统，节 约基建费用；
反硝化池不需外加碳源，运行费用降低； 好氧池在缺氧池之后，反硝化残留的有机物得到进一步脱
除，提高出水水质； 缺氧池在前，可见降低后续好氧池的有机物负荷；反硝化
过程产出碱度，可补偿硝化反应需求碱度的一半。
（3）污泥龄：污泥龄影响着污泥排放量及污泥含磷量，污 泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷须同时耗用更 多的BOD。
Rensink和Ermel研究了污泥龄对除磷的影响，结果表明： SRT=30d时，除磷效果40%；SRT=17d时，除磷效果50%； SRT=5d天时，除磷效果87%。
同时脱氮除磷系统应处理好泥龄的矛盾。
(3) 离子交换法:
常用天然的离子交换剂，如沸石等。
与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且 可用石灰再生。
一、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。
脱氮新理念
（1）短程硝化-反硝化 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电子受体，故 称为短程硝化-反硝化。 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。
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θC≥（10-15）d。 （4）BOD5≤20mg/L。
反硝化反应
(1) A/O法是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有 机污染物及磷的处理系统。
厌氧-好氧除磷工艺流程
(2) Phostrip去除磷工艺流程：
3. A2/O生物脱氮除磷工艺 A2/O工艺基本流程
厌氧池 进水
缺氧池
好氧池 进
气 管
沉淀池 出水
内回流
污泥回流
剩余污泥
4. 改进的Bardenpho脱氮除磷工艺
NH
4
HOCl
NH 2Cl
H
H2O
NH
4
2HOCl
NHCl 2 H
2H 2O
NH
4
3HOCl
NCl 3 H 3H 2O
2NH
4
3HOCl
N2
5H
3Cl
3H 2O
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，先硝化再除 微量的残留氨氮。
第十三节 污泥的处理与处置
1 污泥的来源、性质和数量 2 污泥的处置及其前处理 3 污泥浓缩 4 污泥的稳定 5 污泥的调理 6 污泥脱水 7 污泥的干燥与焚化
一 污泥的来源、性质和数量
来源
栅渣 沉砂池沉渣 初沉池污泥 二沉池生物污泥
富含有机物，容易 腐化、破坏环境， 必须妥善处置
城市污水厂所产生的污泥量约为处理水体积的 1%左右（0.5%~1.5%）,含水率99.2%左右。
第十一节 生物脱氮除磷
氮和磷的排放会加速导致水体的富营养化； 氨氮的好氧特性会使水体的溶解氧降低； 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。
太湖的富营养化
污水排放标准的提高
基本控制项目
化学需氧量（COD) 生化需氧量（BOD5）
悬浮物（SS） 总氮（以 N 计） 总磷（以 P 计）
好氧环境中：
进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧 分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主 动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是 好氧吸磷。
剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中 去除的含磷物质。
生物除磷机理
NAD 糖元质 H2
PHB 聚磷酸盐
总反应式为：
6NO3 5CH3OH 反硝化菌3N2 5CO2 7H2O 6OH-
（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。
3NO
3
14CH 3OH
CO
2
3H
3C5H 7O 2 N
19H
2O
式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。 反硝化还原和微生物合成的总反应式为：
二级活性污泥生物脱氮工艺 为了减少处理设备，将有机物脱除和硝化段合并，产生两级生物脱氮工艺。
缺氧-好氧生物脱氮工艺（A/O）：
该工艺将反硝化段设置在系统的前面，又称前置式反硝化生物脱 氮系统。 反硝化反应以水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量的硝酸盐 的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。
常规活性污泥法的微生物同化和吸附
普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干重的 1.5%-2.0%，通过同化作用可去除磷12%-20%。
生物强化除磷工艺
dTP dBOD
0.015
yobserve
生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含 量占到干重5%-6%。
如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。
A/O工艺缺点：
脱氮效率不高，一般为70-80%； 沉淀池运行不当，则会发生反硝化反应，导致污泥上浮，
出水水质恶化。
合建式A/O工艺
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 用内源呼吸碳源进行反硝化。
氮在水中的存在形态与分类
有机N （尿素、氨基酸、蛋白质） T K N (凯氏氮)
N
无机N
NH3-N
NO3--N NO2--N
NOx--N (硝态氮)
总N (TN)
硝化反应过程
硝化：NH 3 3/2O 2 亚硝化菌 NO-2 H 2O H
NO-2 1/2O2 硝 酸菌NO3NH4 2O2 硝 化 菌NO3- H2O 2H
有机磷 有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等
含磷化合物 无机磷
磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-) 、 磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)
聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－) 、三磷酸盐(P3O105-)、 三磷酸氢盐(HP3O92-)
去除方法:
常规活性污泥法的微生物同化和吸附； 生物强化除磷； 投加化学药剂除磷。
（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。
（b）溶解氧浓度：厌氧区如存在溶解氧，兼性厌氧菌就 不会启动其发酵代谢，不会产生脂肪酸，也不会诱导放磷， 好氧呼吸会消耗易降解有机质；
（c）NOx-浓度：产酸菌利用NOx- 作为电子受体，抑制厌 氧发酵过程，反硝化时消耗易生物降解有机质。
生物除磷影响因素：
（2）有机物浓度及可利用性：碳源的性质对吸放磷及其速 率影响极大。
曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止 在二沉池发生污泥上浮现象。
二、污水中磷的去除
磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生 长的重要元素。
磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及 含磷工业废水。
危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧 平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。
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。
NO
3
1.08CH 3OH
H
0.065C
5H7O2N
0.47 N2
0.76CO
2
2.44H
2O
从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过程还原，4％经 同化过程合成微生物。
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-N成为电子受体而使N难还原成N2↑。
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--N为电子受体，以有机物的氢为电子供体。
6NO3 2CH3OH 硝酸还原菌6NO2 2CO2 4H2O 6NO2 3CH3OH 亚硝酸还原菌3N2 3CO2 3H2O 6OH-
一级标准
A 标准 B 标准
50
60
10
20
10
20
15
20
0.5
1
二级标准
100 30 30 3
三级标准
120 60 50 5
——城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918－2002
源自文库
废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四 种形式存在。
化学法除氮
(1) 吹脱法:
废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：