活性污泥脱氮系统的设计课件

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,*,当代给水与废水处理原理,安徽理工大学地球与环境学院,高良敏,博士、教授,当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院高良敏 博,1,本章主要内容：,第十一章.废水的脱氮与除磷,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素,11.3生物脱氮系统,11.4生物脱磷系统,本章主要内容：第十一章.废水的脱氮与除磷11.1生物脱氮和,2,第十一章.废水的脱氮与除磷,目前造成水体的富营养化的主要两种元素氮和磷。湖泊的富营养化过程也就是老化和消失的过程。由于人为因素，水体出现了明显的富营养化的现象。水体富营养化后将恶化水质、降低水资源的使用价值。,废水脱氮(denitrification)和脱磷（phosphorous removal）的方法很多，包括物理化学法、生物处理法和生物一化学联合处理法。本章主要介绍生物脱氮和生物脱磷方法。,第十一章.废水的脱氮与除磷 目前造成水体的富营养,3,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,1.生物脱氮基本原理,从反应类型分可分为氨的硝化作用和硝酸（或亚硝酸）的反硝化作用两种。,硝化作用,以氨为电子给体，以分于氧为电子受体，使氨从负三价（NH,4,+,）转变为正三价(NO,2,-,)和正五价(N0,3,-,)。,反硝化作用,则是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物（例如甲醇）为电子给体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成氮气从废水中释放出来。其还原代谢途径如图11-1所示。,图11-1中的N,2,、N,2,0均可以作为最终气体产物释放，但在废水处理中，N,2,是主要气体产物。,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理1.生物脱氮基本原理,4,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,图11-1 硝酸还原及脱氮的代谢途径,从图11-1中可以看出，脱氮过程不需要分子氧，但需要供给反应过程所需要的氢。通常的废水处理系统是为了去除电子给体，而反硝化废水处理系统是为了去除电子受体。,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理图11-1 硝酸还原及脱,5,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,2.生物脱氮动力学,在于求出硝酸盐氮电子受体和有机物电子给体两者对微生物比增殖率的关系。,对于受两种底物浓度限制的微生物比增殖率模型基于下述假定：如果有两种低于饱和浓度的底物存在，那么这两种底物必将都影响微生物总的比增殖率。双底物模型有数种形式，常用的是由两个单一底物的Monod模型的乘积得来的，称为“双Monod模型”(Double Monod Model)：,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理2.生物脱氮动力学,6,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,式中，K和 表示有机物的饱和常数和浓度；K,N,和 为硝酸盐氮(N0,3,-,N)的饱和常数和浓度。,利用上式可以在 和 的关系曲线图上确定出比增殖率 的等值线。因为将上式经变换后可得 和 的关系式为,：,3.生物脱磷基本原理,生物脱磷主要是利用聚磷菌（属于不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等）在,厌氧条件下释放磷,和在,需氧条件下蓄积磷,的作用。,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理 式中，K和,7,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三磷酸腺苷,(ATP),，聚磷菌利用,ATP,以主动运输方式将细胞外的有机物摄人细胞内，以聚,一羟基丁酸,(PHB),及糖原等有机颗粒的形式存储在细胞内。聚磷菌在厌氧条件下释放出的磷，是利用,ATP,时的水解产物反应式如下：,ATP+H,2,OADP+H,2,PO,4,应当说明，这里所谓的厌氧（anaerobic）条件是指既无分子氧也无氧化态氮(NOx)，以区别于只无分子氧的厌氧或缺氧（anoxic）条件。,在需氧条件下，储存有有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，同时产生大量的ATP，产生的ATP大部分当然是供给细菌合成和维持生命活动，一部分则用于合成磷酸盐蓄积在细菌细胞内。,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理 在厌氧条件,8,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理,上述释放和过量吸收磷的过程，可通过图112形象地描述。图中E,a,为主动运输能量，E,m,为维持生命活动能量，Es为合成能量，AEp为合成聚合磷的能量。,图11-2 聚磷菌释放和吸收磷的代谢过程,11.1生物脱氮和脱磷的基本原理 上述释放和,9,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素,1.温度,生物活性与温度密切相关温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从Arrhmius方程，但温度对反硝化速率的影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受温度的影响较小。,一般地说，生物脱氨脱磷系统在,540,温度范围内都能成功地运行。,2.pH值与碱度,硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜,pH,值分别是,6-07.5,、,7.08.5,和,7.07.5,，超出这些范围其活性迅速下降特别是硝化菌对,pH,值的变化十分敏感因此生物脱氨系统最好是在,6.58.0,之间运行。,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素1.温度 生物活性与,10,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素,生物脱磷的适宜,pH,值大致是,6.0,一,8.0,。,pH,值的升高会引起吸磷量的少量增加，,pH,值的降低则会引起释磷量的大量增加。,3.溶解氧,硝化反应必须在需氧下进行，一般建议其溶解氧浓度为,2.0mg/L,。溶解氧浓度既影响消化反应速率，也影响其代谢产物。,控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度不仅影响聚磷菌的释磷能力及其利用有机底物合成,PHB,的能力，而且由于氧的存在，促成了非聚磷菌的需氧生长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生长受到抑制。,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素 生物脱磷的,11,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素,4.C/N和C/P值,为保证脱氮脱磷效果，脱氮系统的BOD,5,/TKN应在,46,以上。脱磷系统中进水的BOD,5,/TP至少应在l5以上，一般应在,2030,。,5.污泥龄,为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在反应器中的停留耐间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。一般建仪以脱磷为主要目的的系统的污泥龄宜控制在,3.57 d,。,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素4.C/N和C/P值,12,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素,6.废水水质的组成,废水中有机底物的组成成分，特别是生物,可降解性的成分,，对生物脱磷系统的性能影响很大。在脱磷系统的厌氧区，聚磷菌传输短链挥发性脂肪酸进入细胞并储存它们合成乙酸盐。因此要提高脱磷系统的除磷效率，就要提高原水中,挥发性脂肪酸,在总有机底物中的比例，至少应提高可迅速降解有机底物的含量。,7.其它影响因素,必需,搅拌,，,废水中不能含超过容许的,有毒有害物质,。,11.2生物脱氮和脱磷的影响因素6.废水水质的组成,13,11.3生物脱氮系统,1.基本流程,图11-3为生物脱氮系统的基本流程，主要包括六个组成部分。缺氧反应器是脱氮的主体，细菌在这里以外加的有机物作为电子给体，以硝酸盐氮作为电子受体将氮去除。,需氧反应器的作用有三个。,吹脱水中氮气，以防沉淀池污泥上浮；,在需氧条件下去除水中剩余的有机物，以提高出水水质；,提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中产生脱氮作用。,有机物投加设备是脱氯系统中特有的，目的是提供足够的电子给体。,11.3生物脱氮系统1.基本流程 图11-3,14,11.3生物脱氮系统,图11-3 生物脱氮系统基本流程,图11-3所示的脱氮系统常简称为,A/O,脱氮系统，因为它是缺氧,(anoxic),反应器和需氧,(oxic),反应器串联的系统。,11.3生物脱氮系统图11-3 生物脱氮系统基本流程,15,11.3生物脱氮系统,2.活性污泥脱氮系统,（1）基本方程式,活性污泥法脱氮系统的基本方程式理论上可由Monod模型式导出：,在无回流的,CSTR,脱离（缺氧）反应器中，对于硝酸盐氮可列出物料衡算方程：,11.3生物脱氮系统2.活性污泥脱氮系统（1）基本方程式,16,11.3生物脱氮系统,式中：Q流量；,v脱氮反应器容积；,Y,b,细菌衰减时释放电子而还原硝酸盐氮的系数，单位为mg衰减细胞/mgNO,3,-,-N。如果细菌衰减时只用N0,3,-,-N为电子受体，则Y,b,=2.86/，为细菌衰减时的氧当量，在脱氮中，常取为1.25 mgO,2,/mg细菌。,在脱氮系统中一个重要参数是还原每单位,NO,3,N,量所需要的有机物（,T,b,OD,）量，此值由前面的学习可直接得到,：,11.3生物脱氮系统式中：Q流量；,17,11.3生物脱氮系统,脱氮系统的污泥龄 可推出为,这些从理论上推出的公式较为复杂，实际应用应简化，可简化为单一底物限制的模型。,对于有回流的,CSTR,型脱氮反应器，可对,N0,3,-,-N,列物料衡算方程：,11.3生物脱氮系统脱氮系统的污泥龄 可推出为,18,11.3生物脱氮系统,当用甲醇（,CH,3,OH,）作电子给体时，活性污泥脱氮系统中的污泥浓度增量,X,和甲醇浓度 可按下式计算：,式中 和 分别为进水中NO,3,-N和溶解氧的浓度。,（2）活性污泥脱氮系统的设计,目前生产性实例还比较少，多半为试验装置。脱氮细菌活动的最佳pH为6.57.5，最佳温度为2530。从试验得典型数值如表11-1。,11.3生物脱氮系统 当用甲醇（CH3OH）,19,11.3生物脱氮系统,工艺过程,污泥回流比R,脱氮效率/%,pH,硝化,1020,0.53,10002000,0.51.0,8090,7.48.6,脱氮,15,0.22,10002000,0.51.0,6.57.0,表11-1 硝化脱氮活性污泥处理系统的典型参数,11.3生物脱氮系统工艺过程污泥回流比R脱氮效率/%pH硝,20,11.3生物脱氮系统,3.生物膜法脱氮系统,目前研究较多的是生物膜脱氮反应器是填充床和硫化床。这些方法的基本流程与活性污泥法类似，只是不需要回流污泥。填充床不需要回流废水，但需要用处理后出水反冲洗，而流化床则需回流废水不需要反冲洗。,4.脱氮系统的开发与各类脱氮工艺的比较,目前的开发方向是发展在不投加外来碳源的条件下进行脱氯的工艺。具体做法是将废水中有机碳的氧化一硝化一脱氮过程结合在一起形成一种工艺过程，如图11-4、图l1-5所示。,11.3生物脱氮系统3.生物膜法脱氮系统 目,21,11.3生物脱氮系统,图11-4 有机碳氧化硝化脱氮循序处理系统,图11-5 Bardenpho脱氮处理比较,11.3生物脱氮系统图11-4 有机碳氧化硝化脱氮循,22,11.3生物脱氮系统,在各种脱氮处理系统中，每种工艺都有其各自的优缺点，表11-2列出各种工艺的一般比较。,系统类型,优点,缺点,投加甲醇的活性污,泥脱氮法,（进水先经硝化）,脱氮速率快；构筑物伴积小；性能较稳定；除氮效率高；系统中各处理程序相互干扰小；对处理序列的选择几乎没有限制,需消耗甲醇；性能与沉淀池运行状态有关；完成硝化脱氮处理所需单元过程较多,投加甲醇的生物膜,脱离法,（进水先经硝化）,脱氮速率快；构筑物体积小；性能稳定，且与沉淀池运行状态无关；除氮效率高；系统中处理单元方法间相互干扰小；对处理序列的选择几乎没有限制,需消耗甲醇；完成硝化脱氮处理所需单元过程较多,有机碳氧化硝化脱氮循序处理系统（利用内源代谢碳源和活性污泥系统）,不消化甲醇；所需单元方法少,脱氮速率慢；构筑物体积大；除氮效率低；性能与沉淀池运行状态有关；同时脱氮、除磷时，处理序列选择受限制；硝化和脱氮过程相互干扰大；对硝化菌中毒无保护措施,有机碳氧化硝化脱氮循序处理系统（利用废水中的有机碳和活性污泥法）,不消化甲醇；所需单元方法少,除与利用内源代谢碳源和活性污泥系统具有相同的缺点外，还可能出现污泥膨胀,表11-2 生物脱氮系统处理比较,11.3生物脱氮系统 在各种脱氮处理系统中，,23,11.4生物脱磷系统,1.厌氧需氧活性污泥法脱磷系统,厌氧需氧活性污泥法脱磷系统常简称为A/O（anaerbic/0 xic）脱磷法，它与A/O脱氮法的区别主要是，前者既不能有溶解氧也不能有氧化态氮，后者则只要无分子氧即可，所以，往往将后者称缺氧。,厌氧需氧活性污泥脱磷的流程如图,11-6,所示。在厌氧池中，依靠聚磷菌的代谢而释放出磷，同时废水中的,BOD,也减少。在需氧反应器中，聚磷菌进行需氧呼吸在氧化,BOD,的同时将磷以聚合磷酸盐的形式蓄积在聚磷菌体内。,11.4生物脱磷系统1.厌氧需氧活性污泥法脱磷系统,24,11.4生物脱磷系统,图11-6 厌氧需氧活性污泥法脱磷流程,BOD,和磷在厌氧反应器和需气反应器的变化情况如图,1l-7,所示。根据,Fuhs,和,Buchan,的研究，在厌氧需氧活性污泥法脱磷中，异养菌的,48%-63%,为聚磷菌，这说明厌氧池对细菌起了筛选作用。,11.4生物脱磷系统图11-6 厌氧需氧活性污泥法脱磷流,25,11.4生物脱磷系统,图11-7 厌氧需氧活性污泥法脱磷过程中的BOD、磷与时间的关系,厌氧需氧活性污泥脱磷系统的运行条件是：,需氧反应器中的溶船氧应维持在2 mg/L以上。,pH值应控制在78之间。,原水中的BOD5浓度应在50 mg/L以上。,其它条件主要是需氧池曝气时间不能过长；污泥在沉淀池中停留时间应尽可能短等。,11.4生物脱磷系统图11-7 厌氧需氧活性污泥法脱磷过,26,11.4生物脱磷系统,2.其他生物脱磷系统,其它生物脱磷系统都是以A/O系统为基础的。实际上，普通活性污泥废水处理过程也是有脱磷作用的，但一般都在40%以下，证明普通活性污泥中就存在聚磷菌。生物脱磷系统的任务只是根据聚磷菌的生长特性，采取措施，以充分发挥其聚磷特性和使之成为活性污泥中的优势菌种。,如A-A/O脱磷脱氮系统流程如图11-8所示。该流程以脱磷为主，已有生产性应用实例。,11.4生物脱磷系统2.其他生物脱磷系统 其,27,11.4生物脱磷系统,图11-8,A-A/O脱磷脱氮系统流程,11.4生物脱磷系统图11-8 A-A/O脱磷脱氮系,28,