8城市污水的深度处理.ppt
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1、第八章 污水高级处理与资源化,第一节 氮磷的去除工艺设计,第二节 城市污水的深度处理工艺设计,城市污水经传统的二级处理以后,虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除了,但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物,如氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质,能助长藻类和水生生物,引起水体的富营养化,影响饮用水水源安全。且要实现回用,确保安全,必须进行高级处理(深度处理)!,深度处理、三级处理的概念,高级处理(深度处理,advanced treatment) 三级处理(tertiary treatment) 三级处理是二级处理后,为了从污水中去除某种特定的污染物,补充增加的一个或几个处理单元。 深度处理是以污水
2、回收、再次利用为目的,是常规处理后增加的处理工艺或系统,以进一步去除常规处理不能完全去除的污染物的净化过程。,太湖的富营养化,深度处理通常用于以下情况,为满足更严格的排放标准和回用水质的要求 为了提高处理后废水的消毒效果,需要去除残余的总悬浮物 为了控制二级出水对水体的富营养化,进行脱氮除磷 为了满足地面水和分散出水严格排放和回用的需要,去除无机物、有机物 为了实现工业用水的循环:冷却水、锅炉用水等,第一节 氮、磷的去除工艺设计,一、氮的去除,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。,1. 化学法除氮,(1) 吹脱法:,2. 生物法脱氮,关于绝氧、厌氧、缺氧、好氧的定义,厌氧a
3、naerobic,混合液中溶解氧接近于0,一般溶解氧低于0.2 mg/L,缺氧anoxic,好氧aerobic,混合液中溶解氧充足,大于2mg/L,,介于好氧、厌氧之间的状态,一般溶解氧低于0.5 mg/L,绝氧,混合液中游离溶解氧接近于0,硝酸态氧也趋于0,(1) 生物脱氮机理,生物脱氮是在微生物的作用下,将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。,同化作用去除的氮依运行条件和水质而定,如果微生物细胞中氮含量以12.5%计算,同化氮去除占原污水BOD的2%5%,氮去除率在8%20%。,氨化反应:,新鲜污水中,含氮化合物主要是以有机氮,如蛋白质、尿素、胺类
4、化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的,此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 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:,硝化反应是在好氧条件下,将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。,总反应式为:,硝化细菌是化能自养菌,生长率低,对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。,硝化反应:,硝化过程的影响因素:,(a)好氧环境条件,并保持一定的碱度:硝化菌为了获得足够的能量用
5、于生长,必须氧化大量的NH3和NO2-,氧是硝化反应的电子受体,反应器内溶解氧含量的高低,必将影响硝化反应的进程,在硝化反应的曝气池内,溶解氧含量不得低于1mg/L,多数学者建议溶解氧应保持在1.22.0mg/L。 在硝化反应过程中,释放H+,使pH下降,硝化菌对pH的变化十分敏感,为保持适宜的pH,应当在污水中保持足够的碱度,以调节pH的变化,lg氨态氮(以N计)完全硝化,需碱度(以CaCO3计)7.14g。对硝化菌的适宜的pH为8.08.4。,硝化过程的影响因素:,(b)混合液中有机物含量不应过高:硝化菌是自养菌,有机基质浓度并不是它的增殖限制因素,若BOD值过高,将使增殖速度较快的异养型
6、细菌迅速增殖,从而使硝化菌不能成为优势种属。 (c)硝化反应的适宜温度是2030,15以下时,硝化反应速度下降,5时完全停止。,硝化过程的影响因素:,(d)硝化菌在反应器内的停留时间,即生物固体平均停留时间(污泥龄)SRTn,必须大于其最小的世代时间,否则将使硝化菌从系统中流失殆尽,一般认为硝化菌最小世代时间在适宜的温度条件下为3d。SRTn值与温度密切相关,温度低,SRTn取值应相应明显提高。 (e)除有毒有害物质及重金属外,对硝化反应产生抑制作用的物质还有高浓度的NH4-N、高浓度的NOx-N、高浓度的有机基质、部分有机物以及络合阳离子等。,反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐氮
7、(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。,反硝化菌属异养兼性厌氧菌,在有氧存在时,它会以O2为电子进行呼吸;在无氧而有NO3-或NO2-存在时,则以NO3-或NO2-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。,总反应式为:,反硝化反应:,在反硝化菌代谢活动的同时,伴随着反硝化菌的生长繁殖,即菌体合成过程,反应如下:,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:,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。,反硝化过程的影响因素:,(a)碳源:能为反硝化菌所利用的碳源较多,从污水生物脱氮考虑,可有下
8、列三类:一是原污水中所含碳源,对于城市污水,当原污水BOD5/TKN35时,即可认为碳源充足;二是外加碳源,多采用甲醇(CH3OH),因为甲醇被分解后的产物为CO2和H2O,不留任何难降解的中间产物;三是利用微生物组织进行内源反硝化。 (b)pH:对反硝化反应,最适宜的pH是6.57.5。pH高于8或低于6,反硝化速率将大为下降。,反硝化过程的影响因素:,(c)溶解氧浓度:反硝化菌属异养兼性厌氧菌,在无分子氧同时存在硝酸根离子和亚硝酸根离子的条件下,它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸,使硝酸盐还原。另一方面,反硝化菌体内的某些酶系统组分,只有在有氧条件下,才能够合成。这样,反硝化反应宜于在缺氧
9、、好氧条件交替的条件下进行,溶解氧应控制在0.5 mg/L以下。 (d)温度:反硝化反应的最适宜温度是2040,低于15反硝化反应速率最低。为了保持一定的反硝化速率,在冬季低温季节,可采用如下措施:提高生物固体平均停留时间;降低负荷率;提高污水的水力停留时间。,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。,(2) 生物脱氮工艺,(a)三段生物脱氮工艺:,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。,(b)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
10、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。,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。,(c)缺氧好氧A1/O生物脱氮工艺:,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。,缺氧-好氧生物脱氮工艺,1.工艺流程:,工艺由缺氧段和好氧段组成,两段可分建,也可合建在一个反应器中,用隔板分开; 缺氧段水力停留时间0.5-1.0h;溶解氧小于0.5mg/L,同时加强搅拌混合作用,防止污泥沉积
11、,应该设置搅拌器或水下推进器,功率一般10W/m3, 好氧段与活性污泥相同,水力停留时间2.5-6.0h;溶解氧小于1-2mg/L,2.结构特点:,3.设计参数:,4.计算方法与公式:,一、按BOD5污泥负荷计算,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。,二、污水中磷的去除,一般城市污水水质与排放要求,常规活性污泥法的微生物同化和吸附;,如何去除以达到排放标准?,生物强化除磷;,投加化学药剂除磷。,常规活性污泥法
12、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%。,生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%6%。,生物强化除磷工艺,如果还不能满足排放标准,就必须借助化学法除磷。,生物强化除磷工艺,利用好氧微生物中聚磷菌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。,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-羟基丁酸)的形态储藏于体内。,聚磷分
13、解形成的无机磷释放回污水中,这就是厌氧释磷。,厌氧环境中:,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。,普通活性污泥法通过同化作用除磷率可以达到12%20%。而具生物除磷功能的处理系统排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%,去除率基本可满足排放要求。,好氧环境中:,生物除磷机理,(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
14、,随后开始放磷,放磷时ORP一般小于100mV; (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;厌氧段控制在0.2mg/l以下,好氧段控制在2mg/l左右 (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,传统水质指标很难反映有机物组成和性质,ASM模型对其进一步划分为: (a)1987年发展的ASM1: CODtot=SS+SI+XS+XI (b)1995年发展的ASM2:
15、 溶解性与颗粒性:SA+SF+SI+XSXI S表示溶解性组分,X表示颗粒性组分;下标S溶解性,I惰性,A发酵产物,F可发酵的易生物降解的。,生物除磷影响因素:,(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, 3.57天。 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。,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
16、调节。,生物除磷影响因素:,(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。,(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,三、 生物除磷及生物脱氮除磷工艺,1.A/O生物除磷工艺,工艺特征:,流程简单,既不用投药,也无需内循环,有利于好氧(厌氧)状态的保持 HRT段,3-6h,曝气池SS浓度2700-3000mg/l之间,BOD与一般活性污泥法相同, 磷的去除率较好,P1.0mg/l 沉淀污泥含磷率4%,肥效
17、好 SVI低于100,易沉淀,不膨胀,除磷率难以进一步提高,P/BOD高时尤其是这样 沉淀池产生磷的释放现象,工艺存在的问题:,(2) Phostrip去除磷工艺流程:,工艺的特点,出水含磷量低于1mg/l; SVI值小于100,丝状菌难于增值,污泥不膨胀; 可根据BOD/P调节回流污泥与混凝污泥的比例。,三、生物除磷及生物脱氮除磷工艺, BOD5/COD0.35,表明污水可生化性较好。, BOD5/TN 3.0,COD/TN 7。满足反硝化需求; 如果BOD5/TN 5,N的去除率大于60%。,BOD5/TP 20,COD/TP 30,表明生物除磷效果好。,B:生物脱氮除磷工艺设计参数,A:
18、污水的特性指标:,沉淀池,厌氧池,缺氧池,好氧池,进 气 管,1. A2/O工艺,(1)A2/O工艺基本流程,反应器单元功能: 厌氧反应池:释放磷+氨化(有机氮) 缺氧反应器:脱氮 好氧反应器:去除BOD,硝化,吸收磷,工艺特点,除磷效果很难提高 脱氮效果难于进一步提高,内循环量2Q,不宜太高 进入沉淀池的处理水要保持一定的溶解氧,最简单的同步脱氮除磷技术 总的HRT很短 丝状菌不能大量繁殖(好氧,厌氧交替运行),无污泥膨胀,SVI100 污泥中含磷浓度高,肥效高 勿需投药,两个A段只用轻搅拌, 运行费用低,缺点,(2)A2/O工艺参数与过程:,计算过程:,确定进水及出水要求; 保证进水pH(
19、碱度100mg/L)和营养(C:N:P=100:16:1) 计算在硝化时消耗的碱度和脱氮时产生的碱度,反应器中能够保持100mg/L碱度; 计算硝化的反应体积和水力停留时间; 选择反硝化速率,根据前面给出的反硝化区体积计算公式确定所需的缺氧反应器体积; 根据选的停留时间计算厌氧区体积; 计算需氧量。,计算例题:城市污水设计流量5400m3/h,Kz=1.3,一级出水COD=265mg/L,BOD5=180mg/L,SS=130mg/L,TN=25mg/L,TP=5mg/L,水温10-25。 要求二级出水BOD5=20mg/L,SS=30mg/L,TN5mg/L,TP1mg/L,,解:首先判断是
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