污水脱氮原理与技术

,*,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,NaOH30%,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