第九章污水的深度处理与回用

4 氮磷营养物去除
沸石样品图
4 氮磷营养物去除
离子交换性是沸石岩重要性质之一。构成沸石骨架的最基本结构是 硅氧四面体和铝氧四面体。在这种四面体中,中心是硅(或铝)原子,每个硅 (或铝)原子的周围有4个氧原子,各个硅氧四面体通过处于四面体顶点的 氧原子互相连接起来,形成所谓的巨大分子。其中在铝氧四面体中由于一 个氧原子的价电子没有得到中和,使得整个铝氧四面体带有一负电荷,为 保持电中性,附近必须有一个带正电荷的金属阳离子（通常是碱金属或碱 土金属离子）来抵消这一负电荷，这些阳离子和铝硅酸盐结合相当弱,具 有很大的流动性,极易和周围水溶液中的阳离子发生交换作用,交换后的 沸石结构不被破坏。沸石的这种结构决定了它具有离子交换性和交换的 选择性。
y = 0.0923x + 0.125 R2 = 0.9931
1 lgCe
1.5
沸石吸附氨氮的朗谬尔等温曲线
沸石吸附氨氮的费兰德利希等温曲线
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空气吹脱法 对于废水中较高浓度的氨氮可以采用此方法。通 过投碱来调节pH值至碱性，然后向废水中大量鼓入 空气，将氨氮以氨气形式从废水中吹出。 该方法适用于高浓度氨氮废水，能耗很大。
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人和动物所排泄的尿中含有尿素，尿素中含氮约47%，尿素的分解过 程是在尿素酶的作用下迅速水解成碳酸胺，后者很不稳定，易分解成氨、 二氧化碳和水，其反应式为： CO(NH2)2+2H2O→(NH4)2CO3 (NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O 参与氨化反应过程的氨化细菌很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和 灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。引起尿素水解的细菌称 为尿素细菌。尿素细菌可分成球菌和杆菌两大类，它们一般是好氧的， 但对氧的需求量不大，有些菌种在无氧条件下也能生长。
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0.7 0.6 0.5 0.4 1/X 0.3 0.2 0.1 0 -0.10.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 0.7 1/Ce y = 4.3556x - 2.5075 R2 = 0.8161
0.3 0.25 0.2 lgX 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5
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污水脱氮技术可以分为物理化学脱氮和生物脱 氮。生物脱氮主要通过同化过程、氨化过程、硝 化过程、反硝化过程将氮最终去除。物理化学方 法通常只能去除氨氮，主要工艺有：折点氯化法、 选择性离子交换、空气吹脱、反渗透。目前物化 法脱氮运行操作复杂、费用昂贵，难以推广应用。
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（4）溶解氧DO 氧是硝化反应过程中的电子受体，溶解氧含量不能低于1mg/L。 （5）温度 硝化反应的适宜温度是20-30℃，温度过高或过低都会对硝化反应过 程造成影响。 （6）pH值 硝化菌对pH值非常敏感，最佳pH值是8.0-8.4。 （7）重金属及有害物质 重金属（如汞、镉、铜等）和其他有害物质会对消化反应造成影响。
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硝化细菌所需要的环境条件
（1）好氧条件 1g氮完全硝化反应所需要的氧量为4.57g。 硝化反应过程中要释放出H+，为了保持适宜的pH值，废水应当维持足 够的碱度。一般来说，1g氨态氮（以N计）完全硝化所需碱度（以CaCO3计） 7.1g。 （2）混合液中有机底物浓度不应过高 硝化菌是自养型细菌，有机底物浓度不是它的生长限制性因素。 （3）污泥龄 必须大于硝化菌的最小世代时间。
2 悬浮物的去除
悬浮物去除主要技术 混凝沉淀 过滤技术 膜分离技术
3 溶解性有机物去除
二级生物处理后的出水中，残留的有机物多是难 降解的有机物（如丹宁、木质素等）。 对出水中残留的这些有机物直接采用生物处理 方法很难取得好的效果，通常采用的技术工艺包括：
活性炭吸附 化学氧化 化学氧化+ 化学氧化+生物处理
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生物硝化反应是亚硝化细菌、硝化细菌将氨氮氧化成亚硝 酸盐氮、硝酸盐氮。 亚硝酸菌将氨氮氧化成亚硝酸盐的反应如下： NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O+(240-350kJ/mol) 硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的反应如下： NO2-+0.5O2→NO3-+(65-90kJ/mol)
NO2-
亚硝酸盐还原酶
NO
氧化还原酶
N2O
氧化亚氮还原酶
N2
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生物反硝化过程中，污水中含碳有机物作为反硝化过程的 电子供体。每转化1gNO2--N为N2时，需有机物（以BOD表 示）1.71g；每转化1gNO3--N为N2时，需有机物（以BOD表 示）2.86g。同时产生3.57g碱度（以CaCO3计）。 如果污水中碳源有机物不足时，应补充投加易于生物降解 的碳源有机物（例如甲醇）。
2 悬浮物的去除
污水中含有的悬浮物，其粒径从数10mm到 污水中含有的悬浮物，其粒径从数10mm到1um 以下。经二级处理后，处理水中残留的悬浮物是以 粒径从数mm到10um的生物絮凝体和未被凝聚的胶 粒径从数mm到10um的生物絮凝体和未被凝聚的胶 体颗粒。这些颗粒几乎都是有机性的，为了提高二 级处理水的稳定度，去除这些颗粒是非常必要的。
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大部分硝化细菌都是自养菌，利用二氧化碳作为细胞碳源， 硝化菌细胞的化学组成用C5H7NO2表示，对于氨氮氧化的反 应式为： 15CO2+13NH4+→10NO2-+3C5H7NO2 +23H++4H2O 对于亚硝酸盐氧化的反应式为： 5CO2+NH4++10NO2-+2H2O→10NO3-+ C5H7NO2 +H+
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太湖的富营养化
4 氮磷营养物去除 （1）脱氮技术
氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水中。前者有蛋白 质、多肽、氨基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业 废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）和某些工业废水（羊毛 加工、制革、印染、食品加工等）。有机氮经微生物分解 后将转化为无机氮。水中的无机氮是指氨氮、亚硝态氮和 硝态氮，它们部分来源于有机氮的生物降解，还有部分来 自于农田排水和地表径流，以及某些工业废水（如炼焦车 间、化肥厂等）。
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选择性离子交换法
离子交换的实质就是不溶性的电解质与溶液中另一种电解质所进行的化学反应， 即交换剂上的可交换离子与溶液中其他同性离子的交换反应。对于离子交换法去 除氨氮主要是利用可优先选择铵离子的交换剂与铵离子发生交换反应，从而使受 污染水中的氨氮去除的方法。离子交换法去除氨氮必须采用对氨氮有优先选择的 交换剂。实验证明离子交换法处理水中少量氨不失为一种有效的方法。 目前去处氨氮的交换剂主要有斜发沸石，活性炭，蒙托石，累脱石等，而沸石， 在除氟、去除有机物质、去除放射性物质、除铵、除砷等方面都有明显的效果。 特别是在除氨方面，在自来水厂试验时，可以省略沉淀工序，减少药剂用量。试 验证明沸石是一种有广泛应用前景的水处理介质。
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反渗透与电渗析法 采用反渗透膜分离工艺，可以将废水中的氨和其 他的污染物较为彻底的去除，但该工艺存在运行费 用较高、运行维护管理复杂等问题，在废水处理中 还难以应用。 电渗析是利用离子交换膜的选择透过性，在外加 电场下完成对氨氮的富集去除。
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2）生物脱氮方法
废水生物脱氮技术是20世纪70年代中期美国和南非等国 提出的一种经济有效的处理技术。废水生物脱氮有同化脱氮 和异化脱氮，同化脱氮是指微生物的合成代谢，利用水体中 的氮素合成自身物质，从而将水体中的氮转化为细胞成分而 使之从废水中分离。异化脱氮是将氮最终以氮气或其他气体 形式从水中去除过程。废水生物脱氮通常是指异化脱氮。
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当水中含有氨时，情况比较复杂，如下图所示。
余氯（ 余氯（mg/L） ） 1 2 3 4
C 需氯量 H A 0 余氯量 B
自由余氯 化合余氯
加氯量（ 加氯量（mg/L） ）
折点加氯
根据上图，当起始的需氯量0A满足以后，加氯量增加，剩 余氯也增加。超过H点加氯量后，余氯量反而下降，如HB 段，H点称为峰点。此后随着加氯量的增加，余氯量又上升， B点称为折点。 图中曲线可分4区，分述如下： （1）第1区即0A段，表示水中杂质把氯消耗光，余氯量为 零，此时消毒效果不可靠。 （2）第2区即AH段，加氯后与氨发生反应，有化合性余氯 存在，主要成分是一氯胺NH2Cl。 （3）第3区即HB段，氯胺被氧化成一些不起消毒作用的化 合物，NH2Cl+HOCl→N2+HCl+H2O，氨得到去除。 （4）第4区即BC段，水中无杂质，出现自由余氯，消毒效 果好。
1 概述
经过二级生物处理后，污水中仍然含有相当数 量的污染物质： BOD：20BOD：20-30mg/L COD：60COD：60-100mg/L SS: 20-30mg/L 20NH3-N: 15-25mg/L 15TP: >1mg/L 细菌和重金属等有毒有害物质
1 概述
污水深度处理的对象与目标：
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生物反硝化反应是在缺氧（不存在分子态溶解氧）条件下， 将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮(N2)或 N2O、NO的过程。 反硝化反应中氮元素的转化及其生物化学过程如下： NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OHNO3-+5H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH硝酸盐的反硝化还原过程如下： NO3硝酸盐还原酶
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（1）氨化反应 有机含氮化合物
氨化细菌
—基本原理
氨态氮
（2）硝化反应 氨态氮
氧气 亚硝化细菌
亚硝酸盐氮
氧气 硝化细菌
硝酸盐氮
（3）反硝化反应 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮
缺氧 反硝化细菌
氮气
4 氮磷营养物去除
废水中的有机氮主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、氰 化物和硝基化合物。脱氨基作用既可以在有氧条件下进行， 也能在缺氧条件下进行。 有氧条件下： RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3（氧化脱氨基） 缺氧条件下： RCHNH2COOH+H2O→RCH2OCOOH+NH3（水解脱氨基） RCHNH2COOH+2H→RCH2COOH+NH3（还原脱氨基）
1）物理化学脱氮方法 折点氯化法 选择性离子交换法 空气吹脱法 反渗透与电渗析法
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折点氯化法
余氯（ 余氯（mห้องสมุดไป่ตู้/L） ）
① ②
0
M
加氯量（ 加氯量（mg/L） ）
加氯量与余氯关系
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根据上图，分析不同情况下加氯量与剩余氯量之 间的关系： 1）如水中无微生物、有机物和还原物质等，则需 氯量为零，加氯量等于剩余氯量，如图①所示。 2）事实上水中特别是污水中含有较多的有机物、 氨氮和细菌等污染物，氧化这些污染物需要消耗一 定的氯量，即需氯量。加氯量必须超过需氯量，才 能保证一定的剩余氯，如图②所示。
北京林业大学 环境科学与工程学院
水污染控制工程》 《水污染控制工程》
Water Pollution Control Engineering
主讲人：张立秋（环境科学与工程学院） zhangliqiu@163.com 2010年04月 2010年04月
第九章 污水的深度处理与回用
主要内容： 概述 悬浮物去除 溶解性有机物去除 氮磷营养物去除 污水的消毒 本章重点掌握氮磷去除原理与工艺，无难点。 本章重点掌握氮磷去除原理与工艺，无难点。
去除水中残存的悬浮物；脱色、除臭，使出水澄清 进一步降低BOD、COD等，水质进一步稳定 进一步降低BOD、COD等，水质进一步稳定 脱氮、除磷，消除能够导致水体富营养化的因素 消毒杀菌，去除水中的有毒物质
1 概述
污水深度处理后回用去向：
排放具有较高经济价值水体及缓流水体，补充地面水源 回用于农田灌溉、市政杂用，如灌溉城市绿地，冲洗街 道、车辆、景观用水等 居民小区回用于冲洗厕所 回用于工业企业，作为冷却水和工艺用水的补充用水 回灌地下，用于防止地面下沉或海水入侵
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硝化反应的总方程式为：
NH4++1.86O2+1.985HCO3-→0.021C5H7NO2 +1.04H2O+1.88H2CO3+0.982NO3-
通过物料衡算，可以计算出氧化1gNH4+-N为NO2--N耗氧 3.43g，氧化1gNO2- -N为NO3- -N耗氧1.14g，所以氧化1g氨 态氮为硝态氮共耗氧4.57g。亚硝化反应和硝化反应还会消 耗水中的重碳酸盐碱度，约合7.14gCaCO3/gNH4+-N。