废水生物脱氮除磷工艺-(上课用)(课堂PPT)

1、1,第六章 废水生物脱氮除磷,2012-2013学年1学期,吉林农业大学资源与环境学院,2,废水中氮的来源,有 机 氮,无 机 氮,NH4-N 50-60% NOX-N 0-5%,3,污（废）水脱氮、除磷的目的和意义,一级处理：去除COD约30左右 二级生物处理：去除CODCr7090，BOD5去除90以上。 产生NH3-N、NO3-N和PO43-、SO42-。 25氮和19的磷被吸收合成微生物细胞，通过排泥得到去除。 如味精废水和赖氨酸废水：含氨氮（NH3-N）6000mg/L左右。CODCr更高，60 00080 000mg/L,BOD5约为CODCr的一半。,4,氮污染的危害,5,水体富

2、营养化,6,7,第一节,废水生物脱氮的微生物学原理,8,N素循环,9,一、生物脱氮的基本原理,生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成： 好氧硝化 厌氧反硝化,10,（一）硝化反应,1、硝化作用 是指由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐氮的过程。 2、硝化反应由两组自养好氧微生物完成： 亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas） 硝酸盐细菌（Nitrobacter）,11,（1）亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）,化能无机营养 有些自养型硝化细菌能混合营养生长, 少数可异养生长。 专性好氧； 最适温度25-30（5-30）； 最适pH7.5-8.0（5.8-8.5）；,12,亚硝酸细菌（5个属）,亚硝化单

3、胞菌 Nitrosomonas自养、混养； 亚硝化球菌 Nitrosococcus 自养、混养； 亚硝化螺菌 Nitrosospira 严格自养； 亚硝化弧菌属 Nitrosovibrio 自养、混养； 亚硝化叶菌属 Nitrosolobus 自养、混养；,13,（2）硝酸盐细菌（Nitrobacter）,化能无机营养： 有些自养型硝化细菌能混合营养生长, 少数可异养生长。 NO2-浓度在2-30mmol/L时化能无机营养最好。 最适温度25-30 最适pH7.5-8.0。,14,硝酸细菌（4个属）,硝化杆菌属Nitrobacter 自养、可异养，自养快于异养 硝化球菌属 Nitrococcu

4、s 严格自养 硝化刺菌属 Nitrospina 严格自养 硝化螺菌属 Nitrospira 自养、混养,15,3、硝化过程分为两个阶段：,NH3 NH2OH NO NO2- NO2- NO3- 氨单加氧酶 羟胺氧还酶 羟胺氧还酶 亚硝酸盐氧还酶,16,总反应式：,NH4+ + 1.86 O2 + 1.982 HCO3- 0.982NO3- + 1.044 H2O + 1.881H2CO3 + .021C5H7O2N （1） 由（1）可知： 硝化反应消耗碱度和氧气 每氧化1mg NH4+ - N 为 NO3- - N 需消耗7.14mg CaCO3, 需氧 4.57 mg,17,4、硝化反应的环

5、境条件：,好氧条件，并保持一定的碱度。 有机物含量不应过高，1520mg/L以下。 温度2030，15时速度下降，5时完全停止。 污泥龄必须大于其最小的世代时间。 重金属、高浓度的NH4+-N和NOx-N对硝化反应有抑制作用。,18,5、硝化段的操作,泥龄：悬浮固体停留时间SRT。 可通过排泥控制泥龄一般在5d以上，要大于硝化细菌的比生长速率。 溶解氧：一般维持在1.2-2.0mg/L。 溶解氧小于 0.5mg/L，硝化作用停止。 需氧量的计算：O2=4.33（N被氧化）mg/L。每氧化1g NH3需消耗4.33g 氧。,19,5、硝化段的操作,水力停留时间： 普通活性污泥法曝气时间 46h

6、pH：硝化反应导致pH下降，亚硝酸、硝酸细菌分别在7.0-7.8、7.7-8.1活性最强。 需要量：碱度=7.14（N被氧化）mg/L 温度：两类硝化细菌的最宜温度为30左右， 在不同工艺和不同硝酸盐负荷率下，温度的影响大小不同，硝酸盐负荷越低，影响越小。,20,（二）反硝化作用,1、反硝化作用的原理： 生物反硝化是指污水中的硝态氮NO3-和亚硝态氮NO2-，在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的过程。,有机物为供氢体,21,2、反硝化代谢途径,异化反硝化：将NO2-和NO3-还原成N2。 同化反硝化：是NO2-和NO3-被还原成NH3N，用于 新细胞的合成。(也叫亚硝酸氨化作用),22,

7、3、参与反硝化代谢的酶,硝酸盐还原酶：NO3- NO2- 亚硝酸盐还原酶：NO2- NO NO还原酶：NO N2O N2O还原酶：N2O N2,23,4、反硝化菌（denitrifying bacteria）,反硝化菌是异养兼性厌氧菌 反硝化菌的能源 （1）化能型： （2）光能型（光合细菌）：,24,反硝化菌的能源,化能型： 多为化能异养：以有机物作为能源和碳源 少数化能自养：以氢、氨、硫、硫化氢等无机物为能源；S +NO3-+H2O SO42-+N2+H+ 光能型（光合细菌）： 有光时，光能异养生长。 黑暗条件，化能异养生长。,25,5、反硝化段运行操作,反硝化生物过程如图： 最适pH6.5

8、-7.5； 最适温度10-35； 溶解氧 0.2mg/L； 反应的能量来源于有 机物的氧化,26,5、反硝化段运行操作,（1）碳源 a、废水中有机基质 一般认为BOD5:N 3:1时，无须外加碳源 b、外加碳源 BOD5:N 3:1时，需外加碳源，常用甲醇。,27,外加碳源,外源反硝化细胞合成的经典反应式： NO3- + 1.08 CH3OH + 0.24 H2CO3 0.06 C5H7NO2 + 0.47N2 + 1.68H2O + CO2 + OH- 每利用1g NO3-反硝化，消耗2.47g甲醇，产生0.45g新细胞和3.57g碱度。,28,c、内源碳,指微生物死亡、自溶后释放出来的有机

9、碳，也称二次性基质。 要利用内源碳要求反应器的泥龄长，污泥负荷低，使微生物处于内源呼吸阶段。 C5H7NO2 + 4.6 NO3- 2.8N2 + 1.2H2O + 5CO2 + 4.6OH- 速率低，仅为外加碳源的1/10， 优点是在C:N低时无须外加外来碳源也能达到脱氮目的而且污泥产量低。,29,5、反硝化段运行操作,（2）温度：最适宜的温度是15-35。 （3）pH 影响反硝化速率和反硝化最终产物。 最适pH范围6.5-7.5之间。 对终产物的影响： pH 8，NO2-积累。pH越高，NO2-积累越多。 高pH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性。,30,5、反硝化段运行操作,（4）溶解氧 只有在

10、溶解氧为零的时候，反硝化速率才达到最高； 当溶解氧达到1mg/L时，反硝化速率接近零。 主要机制 氧抑制了硝酸盐还原酶的形成； 氧可作为电子受体，竞争性阻碍硝酸盐的还原。,31,5、反硝化段运行操作,（5）毒物 NH3、NO2、O2、pH。 NH3分子（非离子）浓度过高抑制反硝化反应。,32,二、生物脱氮工艺、原理及微生物,（一）活性污泥法典型工艺 A/O工艺（缺氧/好氧工艺）,33,A/O脱氮工艺,废水,好氧脱碳,缺氧反硝化,沉淀池,好氧硝化,沉淀池1,好氧活性污泥回流,缺氧活性污泥回流,出水,回流,34,（1）基本原理,A/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越性是除了使有机污染物得到

11、降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能，是将厌氧水解技术用为活性污泥的前处理，所以A/O法是改进的活性污泥法。 A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=24mg/L。在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率； 在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（

12、NH4+）氧化为NO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。,35,A/O工艺缺氧反硝化,细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌） 反应：NO3-N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气 碳源：原水中BOD 硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物,36,A/O工艺好氧脱碳硝化,脱碳氧化去除COD 脱碳菌好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源 硝化菌好氧氨盐呼吸的细菌，以碳酸盐为碳源（NH4+NO2-NO3-),37,A/O工艺的影响因素,MLSS一般应在3000mg/L以上，低于此值A/O系统脱氮效果明显降低。

13、 TKN/MLSS负荷率（TKN凯式氮，指水中氨氮与有机氮之和）：在硝化反应中该负荷率应在0.05gTKN/(gMLSSd)之下。,38,A/O工艺的影响因素,BOD5/MLSS负荷率： 自氧型硝化菌最小比增长速度为0.21/d；异养型好氧菌为1.2/d。 要使硝化菌存活并占优势，要求污泥龄大于4.76d；但对于异养型好氧菌，则污泥龄只需0.8d。,39,A/O工艺的影响因素,BOD5/MLSS负荷率： 传统活性污泥法中，污泥龄只有24d，所以硝化菌不能存活并占有优势，不能完成硝化任务。 要使硝化菌良好繁殖就要增大MLSS浓度或增大曝气池容积，以降低有机负荷，从而增大污泥龄。其污泥负荷率（BO

14、D5/MLSS）应小于0.18KgBOD5/KgMLSSd,40,A/O工艺的影响因素,污泥龄 ts： 为了使硝化池内保持足够数量的硝化菌以保证硝化的顺利进行，确定的污泥龄应为硝化菌世代时间的3倍，硝化菌的平均世代时间约3.5d（20）,硝化菌世代时间与污水温度的关系,41,A/O工艺的影响因素,污水进水总氮浓度： TN应小于30mg/L，NH3-N浓度过高会抑制硝化菌的生长，使脱氮率下降至50%以下。 混合液回流比： R的大小直接影响反硝化脱氮效果，R增大，脱氮率提高，但R增大增加电能消耗增加运行费。 A/O工艺脱氮率与混合液回流比关系,42,A/O工艺的影响因素,缺氧池BOD5/NOx-N

15、比值： H4以保证足够的碳/氮比，否则反硝化速率迅速下降； 但当进入硝化池BOD5值又应控制在80mg/L以下，当BOD5浓度过高，异养菌迅速繁殖，抑制自养菌生长使硝化反应停滞。,43,A/O工艺的影响因素,硝化池溶解氧： DO2mg/L，一般充足供氧DO应保持24mg/L，满足硝化需氧量要求。 水力停留时间： 硝化反应水力停留时间6h；而反硝化水力停留时间2h，两者之比为3:1，否则脱氮效率迅速下降。,44,A/O工艺的影响因素,pH： 硝化反应过程生成HNO3使混合液pH下降，而硝化菌对pH很敏感，硝化最佳pH =8.08.4，为了保持适宜的PH就应采取相应措施， 反硝化过程产生的碱度可补

16、偿硝化反应消耗碱度的一半左右。 反硝化反应的最适宜pH值为6.57.5，大于8、小于7均不利。,45,A/O工艺的影响因素,温度： 硝化反应2030，低于5硝化反应几乎停止；反硝化反应2040，低于15反硝化速率迅速下降。 因此，在冬季应提高反硝化的污泥龄ts，降低负荷率，提高水力停留时间等措施保持反硝化速率。,46,提问：为什么先脱碳、后脱氮？,脱碳菌的代谢产物是硝化菌的碳源； 有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速 ，硝化菌氧利用不足，生长缓慢；,47,提问：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)?,硝化作用消耗碱（NH4+、CO32-），水pH下降； 补充碳源、升高pH,48

17、,提问：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？,挂生物膜或投加悬浮填料 定期投菌,49,（二）两级滤池法工艺流程,两级滤池法工艺流程,好氧脱碳硝化滤池,进水,厌氧反硝化 滤池,出水,甲醇,利用进水中的BOD,50,（三）亚硝化-厌氧氨氧化工艺 （SHARON）,是一种新型的氨去除工艺 原理是利用硝化菌和亚硝化菌在不同温度条件下最小停留时间的差异 即在较高温度下，通过控制水力停留时间，使氨氧化菌保留在反应器中，淘汰硝化细菌，从而将硝化过程控制在亚硝化阶段，从而实现直接利用亚硝酸盐氮反硝化脱氮。,图1 氮的转化过程,51,SHARON生物脱氮工艺具有以下特点:,(1) 与活性污泥

18、法相比，节省氧供应量约25%； (2) 节省反硝化所需碳源40%； (3) 减少污泥生成量50%； (4) 减少投碱量； (5) 缩短反应时间,反应器的容积相应减小。,52,(四)厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）,在厌氧条件下通过微生物的作用，以亚硝酸盐为电子受体，氨氮为电子供体，将亚硝态氮和氨态氮同时转化为氮气的过程。,53,厌氧氨氧化的细胞反应模型,图32 ANAMMOX工艺的细胞反应模型,根据化学反应模型和细胞结构模型，Jetten等人提出的 认为亚硝酸盐在细胞质中被还原成羟胺，并与氨反应生成联氨；联氨在厌氧氨氧化体中被氧化成氮气。,N2H4,N2,NH4+,NH2OH,厌氧氨氧化体,细

19、胞质,54,（五）SHARON与ANAMMOX组合工艺,NH4+ NO2-,空气,NH4+ NO2- N2,倾出液,上清液,Sharon-Anammox 工艺,55,NH4+ + 0.75O2 0.5NO2- + 0.5H2O + H+ + 0.5NH4+ NH4+ + 2.0O2 NO3- + H2O + 2H+,短程硝化,全程硝化,6NO2- + 6NH4+ 6N2 + 12H2O,6NO3- + 5CH3OH +CO2 3N2 + 6HCO3-+ 7H2O,厌氧氨氧化,全程反硝化,（五）SHARON与ANAMMOX组合工艺,56,（a)全程硝化-反硝化过程,（b）短程硝化-厌氧氨氧化过程

20、,SHARON与ANAMMOX组合工艺,57,第二节,废水生物除磷的微生物学原理,58,（BOD：N：P）100：5：1微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19左右的磷。 某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。,59,一、微生物除磷原理,依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷； 再从水中除去这些细菌。 什么是聚磷菌？ 聚磷菌：在某些环境条件下，有过量积聚磷酸盐作用的微生物，这些细菌称为聚磷菌.,60,除磷原理,（1）生物积磷作用： 当细菌生活在营养丰富环境里开始大量繁殖即将进入对数生长期时，从外界吸收大量可溶性磷酸盐，在体内合成多聚磷酸盐并积累起来。

21、 当细菌进入静止期时，大部分细胞已停止繁殖，对磷的需要已经很低，若环境中磷有余，细胞又有一定能量，便能从外界吸收磷，形成异染颗粒。,61,除磷原理,（2）生物诱导的化学沉淀作用： 由于污泥微生物的代谢作用，导致环境pH上升，使废水中的溶解性磷酸盐化学性地沉积于污泥上从而随污泥的排放而去除。,62,除磷的生物化学机制：,除磷细菌特别适宜在好氧-厌氧交替循环的系统中大量繁殖和过量积聚磷。 除磷细菌首先在厌氧条件下释放磷，合成聚-羟基丁酸（PHB）， 而后在好氧条件下，以PHB为碳源，吸收磷酸盐合成多聚磷酸盐。,63,厌氧释放磷：,除磷细菌只能在低级脂肪酸类小分子有机基质上生长，在厌氧区中能大量吸收

22、产酸菌产生的发酵产物挥发性脂肪酸（VHA），但混合液中VHA仅5mg/L，而大多数污泥微生物的生长速度都比除磷细菌快。 如何竞争？,64,ATP由多聚磷酸盐分解产生,因此积磷细菌在厌氧时与其他污泥微生物竞争中具有双重优势： 一方面产生的ATP可使它在厌氧不利条件下比其他好氧性异养菌更易存活， 另一方面使供给其他微生物的基质不断减少，使其他菌无法很好的生长。,65,好氧吸磷：,除磷细菌将积累的PHB好氧分解，释放出大量能量，供其生长。 当环境中有溶解磷存在时，一部分能量可供聚磷菌主动吸收磷酸盐，并以多聚形式存在。,66,67,除磷工艺流程,大部分 （P）去除,68,Bardenpho脱氮除磷工艺

23、,69,弗斯特利普除磷工艺流程,70,序列间歇式反应器 (SBR)-工艺,IV 排水阶段,I 进水阶段,II 反应阶段,III 沉淀阶段,V 待机阶段,71,BIOLAK工艺流程,72,运行条件：根据水质选用,（1）注意控制硝酸盐： 是提高除磷效果的关键之一。 硝酸盐浓度提高，放磷量下降，反硝化细菌与积磷菌争夺碳源，会竞争性抑制放磷。,73,（2） 基质,A乙酸、甲酸、丙酸等低分子有机酸； B乙醇、甲醇、柠檬酸、葡萄糖； C丁酸、乳酸、琥珀酸。 A类存在时放磷速度较大，所诱导的厌氧放磷量呈线性关系； B类必须在厌氧条件下转化为A类物质后才能被聚磷菌利用； C类能否引起放磷与污泥微生物组成有关。

24、,74,（3） pH,pH 9.5，先出现磷净吸收而后释放。碱性条件下生成一些磷酸镁、钙的沉淀，吸附到污泥絮体中； pH7-8最佳。,75,（4） 温度,温度上升，放磷速度增加，10-30可提高5倍。,76,好氧时： 大量繁殖（消耗好氧状态能源聚-羟基丁二酸（PHB）, 逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源多聚磷酸盐颗粒(异染颗粒) ）； 厌氧时： 正相反不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供其储备消耗好氧状态能源PHB）。,77,78,常见的脱磷工艺如下图所示,79,第三节,人工湿地中微生物与水生植物净化污（废）水的作用,80,人工湿地,湿地是地球上一种重要的生态系统。它处于陆地生态系统（如森

25、林和草地）与水生生态系统（如深水湖和海洋）之间。湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡带。,人工湿地是一种为了达到环保处理效果，模仿自然湿地而人工设计的复杂的具有渗透性能的地层生态结构，包括有浮现性、浸没式植物、动物和水体等不同的组成部分。,人工湿地分类：表面流湿地、潜流湿地、垂直流湿地三大类，是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。,81,湿地的类型,1.从人类干扰的角度 自然湿地 人工湿地 2.从水分含盐量的角度 淡水湿地 半咸水湿地 咸水湿地,3.从系统的分类角度 沼泽湿地 湖泊湿地 河流湿地 浅海滩涂湿地 人工湿地,82,湿地的生态、经济及社会效益,维持生物多样性 调蓄水量和调

26、节气候 降解有毒物质 保护堤岸，防止盐水入侵 提供丰富的动植物产品 在输、储和供水等方面发挥巨大作用 提供矿物资源,可为人们提供旅游、娱乐的场所 为教育和科学研究提供了对象、材料和试验基地 1公顷湿地生态系统每年创造的价值高达1万多美元，是热带雨林的7倍，是农田生态系统的160倍,83,二、人工湿地净化污（废）水的基本原理,人工湿地生态系统净化污水的原理是利用系统中的物理、化学、生物的协同作用，通过土壤过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。 即污水在沿一定方向流动的过程中，在湿地土壤、植物和微生物共同作用下得到了高效的净化。,84,人工湿地净化废水的原理,物理

27、作用 过滤和沉淀 能除去含有C、N、P的有机及无机颗粒物和悬浮固体。,化学作用 吸附和絮凝 可溶性的有机化合物 阴离子（ PO43- ）和阳离子（重金属阳离子） 挥发作用 挥发性有机物(VOC),85,人工湿地净化废水的原理,微生物作用 氧化还原反应 吸收降解,植物作用 气体运输作用 植物吸收 根系有利于微生物繁殖,86,人工湿地的分类,人工湿地（Constructed Wetlands) ，它分为： 表面流湿地(Surface Flow Wetlands缩写为SFW) 潜流湿地(Subsurface Flow Wetlands缩写为SSFW) 垂直流湿地(Vertica1 Flow Wetl

28、ands缩写为VFW),87,三种湿地的示意图,88,表层流人工湿地,废水从它表面流过，一般有一个或几个填料床组成，床底填有基质， 有防漏层来阻止废水渗入地下而污染地下水 在系统中种植一些水生植物如水葫芦、芦苇、菹草等，废水经常同表层水流相混合，在湿地内流动，持续时间一般为10天左右。,89,表层流人工湿地,这种类型的湿地，对生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、悬浮物等指标的去除率高于渗漏人工湿地。,90,潜流式人工湿地,人工湿地的核心技术是潜流式湿地。 一般由两级湿地串联，处理单元并联组成。 湿地中根据处理污染物的不同而填有不同介质，种植不同种类的净化植物。,91,潜流式人工湿地,水通过基质、植物和微生物的物理、化学和生物的途径共同完成系统的净化. 对BOD、COD、TSS、TP、TN、藻类、石油类等有显著的去除效率；,92,潜流式人工湿地,该工艺独有的流态和结构形成的良好的硝化与反硝化功能区对TN、TP、石油类的去除明显优于其他处理方式。,93,潜流式人工湿地,主要包括: 内部构造系统、 活性酶体介