水环境保护下

第7章水环境保护（下）

本节学习重点物化法脱氮、除磷基本原理生物脱氮原理、及所需环境条件生物除磷原理及环境条件同时脱氮除磷工艺流程（A-A-O）厌氧生物水处理原理及惯用工艺水环境保护下第1页一营养元素危害氨氮会消耗水体中溶解氧；含氮化合物对人和其它生物有毒害作用：氨氮对鱼类有毒害作用；

NO3和NO2可被转化为亚硝胺——“三致”物质；水中NO3高，可造成婴儿患变性血色蛋白症——“Bluebaby”；氮磷浓度升高加速水体“富营养化”过程；水环境保护下第2页太湖富营养化水环境保护下第3页水环境保护下第4页水环境保护下第5页二、脱氮物化法废水中氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。废水中，NH3与NH4+以以下平衡状态共存：1）氨氮吹脱法：水环境保护下第6页二、脱氮物化法调整pH值沉淀池吹脱塔出水

排泥

进水

石灰或石灰乳吹脱法脱氨工艺流程这一平衡受pH影响，pH为10.5~11.5时，因废水中氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。水环境保护下第7页二、脱氮物化法2）加氯法去除氨氮：每mgNH4+--N被氧化为氮气，最少需要7.5mg氯。加氯反应池活性炭吸附塔NaOCl进水出水水环境保护下第8页二、脱氮物化法3）选择性离子交换法去除氨氮：采取沸石作为除氨离子交换体。澄清或过滤沸石离子交换床出水再生液脱氮NH3或N2进水水环境保护下第9页三、除磷物化法（混凝沉淀法）1）铝盐除磷:羟磷灰石普通用Al2(SO4)3，聚氯化铝（PAC）和铝酸钠（NaAlO2）2）铁盐除磷：FePO4

、Fe(OH)3普通用FeCl2、FeSO4

或FeCl3

、Fe2(SO4)33）石灰混凝除磷:水环境保护下第10页废水生物脱氮基本原理一、生物脱氮基本过程：①氨化(ammonification)

——含氮有机物，在生物处理过程中被（好氧或厌氧）异养微生物氧化分解为氨氮；②硝化(nitrification)

——由好氧自养硝化菌将氨氮转化为NO2和NO3；③反硝化(denitrification)

——缺氧条件下，在异养反硝化菌作用下将NO2和NO3还原转化为N2。水环境保护下第11页二、硝化反应（Nitrification）

分为两步：由两组自养型硝化菌分步完成：①氨氧化细菌，或亚硝化细菌（Nitrosomonas）；②亚硝酸盐氧化细菌，或硝化细菌（Nitrobacter）水环境保护下第12页1、硝化细菌特征

●都是革兰氏阴性、无芽孢短杆菌和球菌；

●强烈好氧，不能在酸性条件下生长；

●无需有机物，以无机含氮化合物为能源，以无机C（CO2或HCO3-）为碳源；

●化能自养型；

●生长迟缓，世代时间长。水环境保护下第13页2、硝化反应过程及反应方程式：①亚硝化反应：

●亚硝酸盐细菌产率是：0.146g/gNH4+-N

●氧化1mgNH4+-N为NO2--N，需氧3.16mg

●氧化1mgNH4+-N为NO2--N，需消耗7.08mg碱度以(CaCO3计)加上合成，则：55NH4++76O2+109HCO3-C5H7O2N+54NO-2+57H2O+104H2CO3水环境保护下第14页2、硝化反应过程及反应方程式：②硝化反应：加上合成，则：硝酸盐细菌产率是：0.02g/gNO2-N

氧化1mgNO2-N为NO3-N，需氧1.11mg几乎不消耗碱度水环境保护下第15页2、硝化反应过程及反应方程式：③总反应：加上合成，则：氧化1mgNH4+-N为NO3—N，需氧4.57mg，其中亚硝化反应3.43mg，硝化反应1.14mg，需消耗碱度7.14mg(以CaCO3计)水环境保护下第16页3、硝化反应环境条件：①好氧条件(DO大于1mg/l)，并能保持一定碱度以维持稳定pH值(适宜pH为8.0~8.4)；②普通要求进水BOD5在15~20mg/l以下；③适宜温度：20~30C；

<15C，速率下降；<5C，完全停顿；④污泥龄，须大于其最小世代时间(普通为3~10天)；⑤抑制物质：高浓度氨氮、（亚）硝酸盐、有机物、重金属离子等水环境保护下第17页三、反硝化反应1、反硝化反应过程及反硝化菌定义：硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌作用下，被还原为气态氮（N2）过程；反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，并不是一类专门细菌，分属近十个不一样属，存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等，土壤微生物中有50%是这一类含有还原硝酸盐能力细菌；反硝化菌能在缺氧条件下，以NO2-N或NO3-N为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原；

①同化反硝化，最终产物是有机氮化合物，是菌体组成部分；②异化反硝化，最终产物为分子态氮气。水环境保护下第18页反硝化反应方程式以[H]为电子供体：水环境保护下第19页反硝化反应方程式以甲醇为电子供体：水环境保护下第20页

碳源：①废水中有机物，若BOD5/TKN>3~5时，即可；②外加碳源，多为甲醇；③内源呼吸碳源—细菌体内原生物质及其贮存有机物。适宜pH：6.5~7.5；

溶解氧应控制在0.5mg/l以下；适宜温度：20~40C2反硝化反应影响原因水环境保护下第21页生物脱氮基本原理有机氮NH4+-NNO2-NNO3-NNO2-NN2①氨化作用亚硝化作用硝化作用②硝化作用③反硝化作用O2O2O2或无氧异养细菌氨氧化细菌（自养型）硝化细菌（自养型）有机物有机物反硝化细菌（异养型）反硝化细菌（异养型）好氧或厌氧条件碱度增大，pH值升高绝对好氧条件碱度下降，pH值降低绝对好氧条件碱度和pH值无改变碱度增大，pH值升高缺氧条件水环境保护下第22页废水生物除磷原理（1）相关废水中磷基本概念：废水中存在形式：无机磷酸盐（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、聚磷酸盐有机磷，等；全部细菌都从环境中摄取磷；

磷细菌（也称为聚磷菌、除磷菌），可过量、超出生理需要摄取磷，以聚合磷酸盐形式贮存在细胞体内，从系统中排出这种高磷污泥，就可到达除磷目标。水环境保护下第23页生物除磷原理与过程I——PHB（聚羟基丁酸）S——聚合磷酸盐厌氧条件下，除磷菌将磷释放好氧条件下，除磷菌过量摄取磷高含磷污泥排出水环境保护下第24页污水中有机物在厌氧发酵产酸菌作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中聚磷菌在厌氧不利状态下，将体内积聚聚磷分解，分解产生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β-羟基丁酸)形态储备于体内。聚磷分解形成无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。厌氧环境中：生物除磷原理与过程水环境保护下第25页进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内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磷酸盐，以聚磷形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。剩下污泥中包含过量吸收磷聚磷菌，也就是从污水中去除含磷物质。普通活性污泥法经过同化作用除磷率能够到达12%~20%。而具生物除磷功效处理系统排放剩下污泥中含磷量能够占到干重5%~6%，去除率基本可满足排放要求。好氧环境中：水环境保护下第26页二、生物除磷过程影响原因①溶解氧：

l厌氧池内：绝正确厌氧，即使是NO3-等也不允许存在；

l好氧池内：充分溶解氧。②污泥龄：

l剩下污泥对脱磷效果有很大影响，泥龄短系统产生剩下污泥多，能够取得很好除磷效果；

l有报道称：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除磷率为50%；而污泥龄为5d时，除磷率高达87%。③温度：

l5~30C；水环境保护下第27页二、生物除磷过程影响原因④pH值：

l6~8。⑤BOD5负荷：

lBOD/TP>20；

l

小分子易降解有机物诱导磷释放能力更强；

l

磷释放越充分，磷摄取量也越大。⑥硝态氮

l

硝酸盐应小于2mg/l；当COD/TKN10，硝酸盐影响就减弱了。⑦氧化还原电位：

l好氧区ORP:+40~50mV；缺氧区ORP:-160~5mV水环境保护下第28页废水生物脱氮工艺与技术一、活性污泥法脱氮传统工艺二、缺氧—好氧活性污泥法生物脱氮系统（A—O工艺）三、氧化沟生物脱氮工艺四、生物转盘生物脱氮工艺水环境保护下第29页一、活性污泥法脱氮传统工艺1、三级活性污泥法流程：①碳化：②氨化：水环境保护下第30页1、三级活性污泥法流程：由Barth首先开创；三级各自含有独立污泥系统；优点：氨化、硝化、反硝化是在各自反应器中进行，反应速率快且较彻底；缺点：处理设备多，造价高，运行管理较为复杂。水环境保护下第31页2、两级活性污泥法脱氮工艺水环境保护下第32页二、缺氧——好氧活性污泥脱氮系统（A—O工艺）

——又称“前置式反硝化生物脱氮系统”水环境保护下第33页二、缺氧——好氧活性污泥脱氮系统（A—O工艺）优点：以污水中有机物为反硝化碳源，无须外加在反硝化反应过程中产生碱度可赔偿硝化反应消耗碱度二分之一左右；硝化曝气池在后，使反硝化残留有机物得以深入去除，无需增建后曝气池。缺点：出水中含有一定浓度硝酸氮，有可能在二沉池中进行反硝化，造成污泥上浮水环境保护下第34页三、氧化沟生物脱氮工艺水环境保护下第35页四、生物转盘硝化脱氮工艺进水BOD去除好氧碳化及硝化缺氧脱氮好氧水环境保护下第36页废水生物除磷工艺与技术厌氧—好氧生物除磷工艺生物法与化学法结合除磷工艺水环境保护下第37页一、厌氧——好氧除磷工艺(A—O工艺)水环境保护下第38页一、厌氧——好氧除磷工艺(A—O工艺)工艺特点：水力停留时间为3~6h；曝气池内污泥浓度普通在2700~3000mg/l；磷去除效果好（~70%），出水中磷含量低于1mg/l；污泥中磷含量约为4%，肥效好；SVI小于100，易沉淀，不易膨胀。水环境保护下第39页二、Phostrip除磷工艺——生物除磷和化学除磷相结合水环境保护下第40页二、Phostrip除磷工艺工艺特点：除磷效果好，处理出水含磷量普通低于1mg/l；污泥含磷量高，普通为2.1~7.1%；石灰用量较低；污泥SVI低于100，污泥易于沉淀、浓缩、脱水，污泥肥分高，不易膨胀。水环境保护下第41页第六节同时脱氮除磷工艺一、巴颠甫(Bardenpho)同时脱氮除磷工艺工艺特点：各项反应都重复进行两次以上，各反应单元都有其首要功效，同时又兼有二、三项辅助功效；脱氮除磷效果良好。工艺复杂,反应器单元多,运行繁琐,成本高水环境保护下第42页二、A—A—O(A2/O)同时脱氮除磷工艺工艺特点：工艺流程比较简单；总水力停留时间短厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌生长，污泥膨胀较少发生；无需投药，两个A段只需轻缓搅拌,只有O段供氧,运行费用低。水环境保护下第43页进水沉淀池厌氧池缺氧池好氧池剩下污泥出水内回流污泥回流进气管水环境保护下第44页二、A—A—O同时脱氮除磷工艺参数

水力停留时间（h）厌氧反应器0.5~1.0缺氧反应器0.5~1.0好氧反应器3.5~6.0污泥回流比(%)50~100混合液内循环回流比(%)100~300混合液悬浮固体浓度(mg/l)3000~5000F/M(kgBOD5/kgMLSS.d)0.15~0.7好氧反应器内DO浓度(mg/l)2BOD5/P5~15(以10为宜)水环境保护下第45页三、Phoredox同时脱氮除磷工艺工艺特点：在缺氧反应器之前再加一厌氧反应器，以强化磷释放，从而确保在好氧条件下，有更强吸收磷能力，提升除磷效果。水环境保护下第46页2.脱氮除磷活性污泥法影响原因环境原因，如温度、pH、溶解氧。工艺原因，如泥龄、各反应区水力停留时间。污水成份，如BOD5与N、P比值。水环境保护下第47页厌氧生物水处理概述原理主要构筑物及工艺水环境保护下第48页厌氧生物处理——概述

在断绝与空气接触条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌生物化学作用，对有机物进行生物降解过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水污泥、动植物残体及粪便等。水环境保护下第49页水环境保护下第50页厌氧生物处理——概述厌氧生物处理方法和基本功效有二：（1）酸发酵目标是为深入进行生物处理提供易生物降解基质；（2）甲烷发酵目标是深入降解有机物和生产气体燃料。水环境保护下第51页厌氧生物处理——概述完全厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料双重功效，因而得到了广泛发展和应用。水环境保护下第52页厌氧生物处理——原理一、厌氧消化生化阶段

复杂有机物厌氧消化过程要经历数个阶段，由不一样细菌群接替完成。依据复杂有机物在此过程中物态及物性改变，可分三个阶段（表9-1）。水环境保护下第53页厌氧生物处理——原理表9-1有机物厌氧消化过程生化阶段ⅠⅡⅢ物态改变液化（水解）酸化（1）酸化（2）气化生化过程大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物小分子溶解态有机物转化为（H2+CO2）及A、B两类产物B类产物转化为（H2+CO2）及乙酸等CH4、CO2等菌群发酵细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌发酵工艺甲烷发酵酸发酵——水环境保护下第54页厌氧生物处理——原理二、发酵控制条件（以下重点讨论甲烷发酵控制条件。）（一）营养与环境条件废水、污泥及废料中有机物种类繁多，只要未到达抑制浓度，都可连续进行厌氧生物处理。对生物可降解性有机物浓度并无严格限制，但若浓度太低，比耗热量高，经济上不合算；水力停留时间短，生物污泥易流失，难以实现稳定运行。普通要求COD大于1000mg/L。

COD∶N∶P=200∶5∶1水环境保护下第55页厌氧生物处理——原理（1）氧化还原电位（ORP或Eh）厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行最主要条件。厌氧环境，主要以体系中氧化还原电位来反应。普通情况下，氧溶入无疑是引发发酵系统氧化还原电位升高最主要和最直接原因。不过，除氧以外，其它一些氧化剂或氧化态物质存在（如一些工业废水中含有Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中H+等），一样能使体系中氧化还原电位升高。当其浓度到达一定程度时，一样会危害厌氧消化过程进行。水环境保护下第56页厌氧生物处理——原理高温厌氧消化系统适宜氧化还原电位为-500~-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求氧化还原电位应低于-300~-380mV。产酸细菌对氧化还原电位要求不甚严格，甚至可在+100~-100mV兼性条件下生长繁殖；甲烷细菌最适宜氧化还原电位为-350mV或更低。水环境保护下第57页厌氧生物处理——原理（2）温度温度是影响微生物生命活动过程主要原因之一。温度主要影响微生物生化反应速度，因而与有机物分解速率相关。工程上：中温消化温度为30~38℃（以33~35℃为多）；高温消化温度为50~55℃。厌氧消化对温度突变也十分敏感，要求日改变小于±2℃。温度突变幅度太大，会招致系统停顿产气。

水环境保护下第58页厌氧生物处理——原理（3）pH值及酸碱度因为发酵系统中CO2分压很高（20.3~40.5kPa），发酵液实际pH值比在大气条件下实测值为低。普通认为，实测值应在7.2~7.4之间为好。（4）毒物凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用物质，都可称为毒物。水环境保护下第59页厌氧生物处理——原理（1）生物量各种反应器要求污泥浓度不尽相同，普通介于10~30gVSS/L之间。为了保持反应器生物量不致因流失而降低，可采取各种办法，如安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥量等。水环境保护下第60页厌氧生物处理——原理（2）负荷率负荷率是表示消化装置处理能力一个参数。负荷率有三种表示方法：容积负荷率、污泥负荷率、投配率。反应器单位有效容积在单位时间内接纳有机物量，称为容积负荷率，单位为kg/m3·d或g/L·d。有机物量可用COD、BOD、SS和VSS表示。反应器内单位重量污泥在单位时间内接纳有机物量，称为污泥负荷率，单位为kg/kg·d或g/g·d。天天向单位有效容积投加新料体积，称为投配率，单位为m3/m3·d。投配率倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也用百分数表示，比如，0.07m3/m3·d投配率也可表示为7%。水环境保护下第61页厌氧生物处理——原理厌氧消化装置负荷率是怎样确定呢？一个主要标准是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡条件下，求得最大处理目标（最大处理量或最大产气量）。普通而言，厌氧消化微生物进行酸化转化能力强，速率快，对环境条件适应能力也强；而进行气化转化能力相对较弱，速率也较慢，对环境适应能力也较脆弱。这种前强后弱特征使两个转化速率保持稳定平衡颇为困难，因而形成了三种发酵状态。水环境保护下第62页当有机物负荷率很高时，因为供给产酸菌食物相当充分，致使作为其代谢产物有机物酸产量很大，超出了甲烷细菌吸收利用能力，造成有机酸在消化液中积累和pH值（以下均指大气压条件下实测值）下降，其结果是使消化液显酸性（pH<7）。这种在酸性条件下进行厌氧消化过程称为酸性发酵状态，它是一个低效而又不稳定发酵状态，应尽可能防止。

水环境保护下第63页当有机负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液中残余有机酸量普通为每升数百毫克。此时消化液中pH值维持在7~7.5之间，溶液呈弱碱性。这种在弱碱性条件下进行厌氧消化过程称之为弱碱性发酵状态，它是一个高效而又稳定发酵状态，最正确负荷率应达此状态。水环境保护下第64页当有机物负荷率偏小时，供给产酸细菌食物不足，产酸量偏少，不能满足甲烷细菌需要。此时，消化液中有机酸残余量极少，pH值偏高，在pH值偏高（大于7.5）条件下进行厌氧消化过程，称为碱性发酵状态。如前所述，因为负荷偏低，因而是一个虽稳定但低效厌氧消化状态。水环境保护下第65页厌氧生物处理——原理（3）加热为把料液控制到要求发酵温度，则必须加热。据估算，去除8000mg/LCOD所产生沼气，能使一升水升温10℃。（4）pH值控制假如料液会造成反应器内液体pH值低于6.5或高于8.0时，则应对料液预先中和。当有机酸积累而使反应液pH值低于6.8~7时，应适当减小有机物负荷或毒物负荷，使pH值恢复到7.0以上（最好为7.2~7.4）。若pH低于6.5，应停顿加料，并及时投加石灰中和。水环境保护下第66页厌氧生物处理——主要构筑物及工艺一、早期用于处理废水厌氧消化构筑物是化粪池和双层沉淀池。

化粪池是一个矩形密闭池子，用隔墙分为两室或三室，各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入，经过各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行迟缓厌氧发酵。各室顶盖上设有些人孔，可定时（数月）将消化后污泥挖出，供作农肥。这种处理构筑物通常设于独立居住或公共建筑物下水管道上，用于初步处理粪便废水。水环境保护下第67页厌氧生物处理——主