污水脱氮原理与技术.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Nitrogen removal from wastewater:,principles and techniques,污水脱氮原理与技术,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,氮在水体中的存在形态,水体中氮素的来源与危害,有机氮,无机氮,蛋白质(,C,O,N,H,N=1518%),多肽,氨基酸,尿素,CO(NH,2,),2,其他(硝基、胺及铵类化合物),COOH,H,R,C,NH2,氨氮(,NH,3,-N,NH,4,+,-N),亚硝态氮(,NO,2,-,-N),硝态氮(,NO,3,-,-N),水体中氮素的来源与危害,氨氮(,NH,3,-N,NH,4,+,-N),亚硝态氮(,NO,2,-,-N),硝态氮(,NO,3,-,-N),总氮,(,TN),有机氮,无机氮,凯氏氮,(TKN),=有机氮+氨氮,水污染控制中经常提到的几个术语,TN=TKN+,NOx,-N,水体中氮素的来源与危害,氮素污染的危害,造成水体的富营养化(,eutrophication,),现象；,水生植物,和,藻类,异常增殖,水华赤潮,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),总磷、总氮等营养盐相对充足；,(2),缓慢的水流；,(3),适宜的气候条件,(,包括水温、光照条件,),。,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,氮素污染控制,面源污染控制技术,修建污水厂,废水脱氮技术,氮素污染控制,物化法,生物法,吹脱(气提)法,折点加氯法,离子交换法,磷酸氨镁沉淀法,其它方法,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。,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,Ca(ClO),2,2H,2,O 2HClO,Ca(OH),2,NH,3,HClO NH,2,Cl,H,2,O,NH,2,Cl,HClO NHCl,2,H,2,O,NHCl,2,H,2,O NOH,2 Cl,2 H,NHCl,2,NOH N,2,HClO,H,Cl,总反应式为：,NH,3,0.75 Ca(ClO),2,0.5N,2,1.5 H,2,O+0.75 CaCl,2,投加足够的液氯，使,NH,3,-N,氧化成氮气。,用在低浓度,NH,3,-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。,含,NH,3,-N,废水,澄清、过滤等预处理,沸石交换,达标排放,含,NH,4,+,沸石,NaOH-NaCl,解吸,再生沸石,返回交换,解吸液,氨吹脱,脱氮解吸液,NH,3,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）,优点：,脱氮效率高，如低浓度时（,30mg/L,）除氨率可达,99%,以上。,另外对水中共存的油类、浊度、重金属离子（如,Pb,2+,、,A,S,O,4,3-,、,Hg,2+,）等也有显著的去除作用。,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,3.6gNH,3,-N/100g,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。,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。,沸石交换工艺特点,:,常用药剂：,(1),Mg(OH),2,+H,3,PO,4,;,(2)MgHPO,4,3H,2,O,;,(3)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。,MgNH,4,PO,4,6H,2,O+,NaOH,MgNaPO,4,+NH,3,+7 H,2,O,鸟粪石（,struvite,）,magnesium ammonium phosphate,3,化学沉淀法,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):,MgHPO,4,3H,2,O:,NH,4,+,-N=1.52.0,Mg(OH),2,+H,3,PO,4,Mg(OH),2,：NH,4,+,-N=4：1,H,3,PO,4,：Mg(OH),2,=1.5：1,生成的,MgNH,4,PO,4,6H,2,O,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。,原理及概述,NH,4,+,+H,2,O NH,3,+H,3,O,+,4,空气吹脱法,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,H,2,SO,4,罐,H,2,SO,4,罐,污 泥,空气,吸收段,石灰乳制备槽,石灰渣,絮凝剂,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。,（,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。,吹脱设备,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。,氨水蒸馏工艺流程图以焦化废水为例：,蒸氨供料槽,调节池,NaOH,30%,pH,113蒸汽,103氨气,NH,3,-N4000mg/L,NH,3,-N250mg/L,生化,换热,冷却,蒸氨塔,pH=8.5-9,气提法,冷却,3035,106,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/,kgNH,3,-N,),进水(,mg/L),出水(,mg/L),空气吹脱,500,500,200左右,蒸汽费用高，,1520/,m,3,污水,折点氯化,30,40,离子交换,1050,13,沸石再生费用高。,1015,MAP,法,25,30,有机氮,(氨化作用),氨化菌,NH,4,+,-N,(亚硝化作用),NO,2,-,-N,亚硝酸菌+,O,2,硝酸菌+,O,2,(硝化作用),NO,3,-,-N,反硝化菌+有机碳,(反硝化作用),N,2,7.2,生物脱氮,1,生物脱氮机理,2,氨化反应,微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：,总反应式为：,3,硝化反应：,1.每氧化1,gNH,4,+,-N,为,NO,3,-N,需要消耗碱度,7.,14g,(,以,CaCO,3,计)。,2.,不计细菌增值，每氧化1,gNH4-N,为,NO,3,-,-N，,共需要氧,4.57,g,。,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:,S,K,S,s,+,=,max,m,m,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,；,K,s,饱和常数,，,其值为,=0.5,max,时,的,底,物浓度,，,mg/L,；,S,底物,(,NH,4,+,-,N,或,NO,2,-,-,N,),浓度,，,mg/L,；,20,条件下硝化菌的,Monod,参数,底物,u,max,(d,-1,),Ks(mg/L),文献,NH,4,+,-N,0.53,3.6,Stratton,McCarty,NH,4,+,-N,0.34,1.0,Downing etc.,NH,4,+,-N,0.65,0.6,Knoles,etc.,NO,2,-N,0.41,1.1,Stratton,McCarty,NO,2,-N,0.14,2.1,Downing etc.,NO,2,-N,0.84,1.9,Knoles,etc.,硝化反应动力学,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,椭球或棒状,细胞尺寸,1.0,1.5m,0.51.0m,革兰氏染色,阴性,阴性,世代周期(,h),836,1259,2.318.69,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,),0.040.08,0.020.06,0.080.3,产率系数,Y(mg,细胞/,mg,基质),0.040.13,0.020.07,0.40.8,饱和常数,K,S,(mg/L),0.63.6,0.31.7,25100,硝化反应动力学,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,BOD,5,/TKN,活性污泥中硝化细菌所占比例,(%),0.5,35,1,21,2,12,3,8.6,4,6.4,BOD,5,/TKN,活性污泥中硝化细菌所占比例,(%),5,5.4,6,4.3,7,3.7,8,3.3,9,2.9,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,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,亚硝化为整个硝化过程的控制步骤。,基质对硝化的影响,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,1.52.0,mg/L,以上,2.0,mg/L,pH,亚硝酸菌:7.07.8,硝酸菌:7.78.1,7.28.0,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,BOD,5,20 mg/L,BOD,负荷3,d,工程实际,SRT15d,有毒物质,重金属,高浓度的,NH,4,+,-N,高浓度的,NO,2,-,-N,一般,NH,4,+,-N 200mg/L,最高,400,mg/L；,NO,2,-,-N 100mg/L;,影响硝化反应的环境因素,1,gNH,4,+,-N,1gNO,3,-N,碱度,7.14,g,(,以,CaCO,3,计),需要氧,4.57,g,硝化作用(,Nitrification),SRT,15d,生物反硝化的总反应式如下：,转化1,g NO,2,-N,为,N,2,时，需要有机物(以,BOD,表示),1.71,g,。,转化1,g NO,3,-N,为,N,2,时，需要有机物(以,BOD,表示),2.86,g,。,还原1,gNO,2,-N,或,NO,3,-N,均可产生,3.57,g,碱度(以,CaCO,3,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,O,2,为电子进行呼吸；,在无氧而有,NO,3,-,或,NO,2,-,存在时，则以,NO,3,-,或,NO,2,-,为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。,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,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=2.86NO,3,-,-N+1.71NO,2,-,-,N+DO,式中：,C,反硝化需要的有机物总量，按,BOD,5,计(,mg/L)；,NO,3,-,-N,污水中硝态氮的浓度（,mg/L)；,NO,2,-,-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，这是因为甲醇分解的产物是,CO,2,与,H,2,O,，不残留任何难降解的中间产物。,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,2035,1535,溶解氧,0.2,mg/L,0.5mg/L,pH,7.08.5,7.38.535,BOD/TKN46COD/TKN79,BOD/TKN4,有毒物质,Ni4,反硝化作用(,Denitrification,),DO0.5mg/L,(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。,前两段可合并，变为两段后置反硝化：,b.,前置反硝化工艺,b.,前置反硝化工艺,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。,Bardenpho,生物脱氮工艺,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,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 Activated Sludge Process),生物脱氮新工艺,短程硝化反硝化工艺,厌氧氨氧化,同步硝化/反硝化工艺,好氧反硝化,多段进水,A/O,脱氮,NH,4,+,-N,COD,Q,1,NH,4,+,-N,COD,Q,2,NH,4,+,-N,COD,Q,3,NH,4,+,-N,COD,Q,4,NH,4,+,-N,NH,4,+,-N,NH,4,+,-N,NH,4,+,-N,NO,3,-,-N,NO,3,-,-N,NO,3,-,-N,NO,3,-,-N,NO,3,-,-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,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,初沉池,二沉池,分段进水,A/O,脱氮工艺,（,Step-feed Anoxic/,Oxic,（,SFAO,）,Process,）,短程硝化反硝化工艺(,Shortcut Nitrification-,Denitrification,),有机氮,(氨化),氨化菌,NH,4,+,-N,(亚硝化),NO,2,-,-N,亚硝酸菌+,O,2,硝酸菌+,O,2,(反硝化),NO,3,-,-N,NO,2,-,-N,N,2,NH,4,+,-N,NO,2,-,-N,N,2,短程反硝化,短程硝化,(碳源),(碳源),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：,NH,4,+,+NO,2,-,N,2,+2H,2,O,NH,4,+,+1.32NO,2,-,+0.066HCO,3,-,+0.13H,+,0.066CH,2,O,0.5,N,0.15,+1.02N,2,+0.26NO,3,-,+2.03H,2,O,1995,1977,2003,2002,厌氧氨氧化(,ANAMMOX),工艺(,ANaerobic,AMMonium,OXidation,),SHARON(,活性污泥,),NH,4,+,NO,2,-,ANAMMOX(,生物膜,),NH,4,+,+,NO,2,-,N,2,NH,4,+,+,NO,2,-,出水,进水,NH,4,+,SHARON,ANAMMOX,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域内的一个研究重点。,SHARON,ANAMMOX,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。,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,7,7.2,，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 m,3,/d,，水力停留时间为,3 h,，设计负荷为,800,kgN/d,，温度为,35,，,pH,为,7.5,。,SHARON,ANAMMOX,荷兰鹿特丹,DOKHAVEN,市政污水处理厂,SHARON,ANAMMOX,组合工艺,城市污水的自养脱氮,同步硝化/反硝化工艺(,Simultaneous Nitrification and,Denitrification,，,简称,SND),NH,3,（氨）,H,2,N,NH,2,（联氨）,NH,2,OH,（羟胺）,N,2,（氮气）,N,2,O,（,HNO,）（氧化亚氨（硝酰基）,NO,（氧化氮）,NO,2,-,（亚硝酸）,NO,3,-,（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,