生物脱氮除磷工艺设计

1、生物脱氮理论进展,生物脱氮新理论 传统脱氮理论: 硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成,两菌对环境条件的要求不同, 这两个过程不能同时发生, 而只能序列式进行，即硝化反应在好氧条件下, 反硝化反应在缺氧或厌氧条件下. 因此生物脱氮工艺是将缺氧区与好氧区分开的分级硝化反硝化工艺, 或在两个分离的反应器中进行, 或在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行, 以便硝化与反硝化能够独立地进行.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,同步硝化反硝化 ： 微环境理论认为,由于氧扩散的限制,在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度,即微生

2、物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高,深入絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗, 产生缺氧区,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境. 宏观环境论认为，由于氧气扩散速率的限制，曝气池内形成局部缺氧/厌氧环境. 微生物学研究发现, 存在好氧反硝化细菌和异养硝化细菌, 打破了传统理论的硝化反应只能由自养细菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,同步硝化反硝化具有以下特点： (1) NO2无须氧化为NO3便可直接进行反硝化反应，因此, 整个反应过程加快, 水力停留时间缩短, 反应器容积减小； (2) 亚硝

3、化反应仅需75的氧, 需氧量降低, 节约能耗； (3) 硝化菌和反硝化菌在同一反应器中同时工作, 脱氮工艺简化而效能提高；,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,(4) 将有机物氧化, 硝化和反硝化在反应器内同时实现, 既提高脱氮效果, 又节约曝气和混合液回流所需的能源； (5) 反硝化产生的OH可以中和硝化产生的部分H+, 减少了pH值波动, 使两个生物反应过程同时受益, 提高了反应效率； (6) 为反硝化提供了碳源, 促进同步硝化反硝化的进行,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,短程硝

4、化反硝化： 传统理论认为, 生物脱氮需经过如下过程： NH4+ NO2 NO3 NO2 N2 氨化 亚硝化 硝化 反 硝 化 而短程反硝化就是在硝化过程中造成一定的特殊环境使NH4+正常硝化到NO2, 而NO2氧化到NO3的过程受阻, 形成所谓的“NO2积累”后直接进行反硝化, 也可称为不完全硝化反硝化: NH4+ NO2 N2,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,实现短程反硝化的关键在于将NH4+氧化控制在NO2阶段，阻止NO2的进一步氧化，因此，如何持久稳定地维持较高浓度的NO2的积累及影响NO2积累的因素 . 因为影响N 积累的控制因

5、素比较复杂，并且硝化菌能够迅速地将NO2转化为NO3 ，所以要将NH4+的氧化成功地控制在亚硝酸盐阶段并非易事.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,工艺特点： (1)硝化阶段可减少25左右的需氧量， 反硝化阶段可减少40左右的有机碳源，降低了能耗和运行费用； (2)反应时间缩短，反应器容积可减小3040左右； (3)具有较高的反硝化速率(NO2 的反硝化速率通常比NO3的高63左右； (4)污泥产量降低(硝化过程可少产污泥33-35左右，反硝化过程中可少产污泥55左右).,Water Pollution Control Engineeri

6、ng,生物脱氮理论进展,SHARON工艺: 利用硝化菌在较高的温度下生长速率低于亚硝化菌这一事实, 开发在较高温度下实现生物脱氮处理. 工艺的核心是通过污泥龄和反应温度实现将硝化菌淘汰, 但留下亚硝化菌.,Water Pollution Control Engineering,生物脱氮理论进展,厌氧氨氧化(ANAMMOX)： 是指在厌氧条件下, 微生物直接以NH4+为电子供体, 以NO3或NO2为电子受体, 将NO3, NO2, NH4+直接转变成N2的生物转化过程. 反应可以如下方式存在： 5NH4+ + 3NO3 4N2 + 9H2O + 2H + (1) NH4+ + NO2 N2 +

7、2H2O (2),Water Pollution Control Engineering,工艺特点：(1)无需外加有机物作电子供体,既可节省费用,又可防止二次污染； (2)硝化反应每氧化lmolNH4+ 耗氧2mol, 厌氧氨氧化每氧化lmol NH4+只需要0.75mol氧, 耗氧下降62.5, 能耗低； (3) 硝化反应氧化lmol NH4+ 可产生2molH+,反硝化产生lmol OH-, 而氨厌氧氧化的生物产酸量降低1/2, 产碱量降至为零; (4) 在厌氧条件下直接利用NH4+作电子供体, 无需供氧, 无需外加有机碳源维持反硝化, 无需额外投加酸碱中和试剂, 故降低了能耗, 节约了运

8、行费用, 用时还避免了因投加中和试剂有可能造成的二次污染问题.,生物脱氮理论进展,Water Pollution Control Engineering,生物除磷新技术,反硝化除磷技术是指反硝化除磷菌(Denitrifying Phosphorus removal Bacteria，DPB)经厌氧释磷后，在缺氧条件下以硝酸盐作为吸磷的电子受体，同步实现脱氮和除磷. 特点: 缓解了反硝化和释磷对耗氧有机物(以COD计)的需求矛盾, PHB 一碳两用; 克服了硝酸盐对磷释放的不利影响,硝酸盐电子手体, 节省氧量; 反硝化菌和聚磷菌(PAO )所需的最佳SRT相抵触等矛盾.,Water Pollut

9、ion Control Engineering,同步生物脱氮除磷工艺,同步生物脱N与除P工艺 (1) A/A/O工艺 (2) Bardenpho工艺 (3) UCT工艺 (4) Johannesburg工艺 (5) SBR工艺 (6) 氧化沟工艺,同步脱N除P工艺,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,同步生物脱N与除P 生物脱N与除P要求的环境条件接近，脱N是缺氧与好氧交替，除P是厌氧与好氧交替，所以在工艺上可以实现既脱N又除P的功能。,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,同步生物脱N除

10、P工艺: (1) A/A/O工艺,A2/O工艺,厌氧/缺氧/好氧工艺. 特点：最简洁的同步生物脱N除P工艺,构筑物少,两个A池需要慢速搅拌,不需外加碳源和碱度,运行费用低,脱N除P效果不高.,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,第一A池(anaerobic)-厌氧池,释放P和部分有机物厌氧分解；第二A池(anoxic)-缺氧池,生物脱N,NO3来自回流；O池(oxic)-好氧池,有机物降解,氨化,亚硝化,硝化,吸收P；沉淀池-污泥与水分离。,厌氧池,缺氧池,沉淀池,进水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,A/A/O工艺流程图,Water P

11、ollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,倒置A2/O工艺：第一A池(anaerobic)-缺氧池,生物脱N,NO3来自回流；第二A池(anoxic)-厌氧池,释放P和部分有机物厌氧分解； O池(oxic)-好氧池功能；沉淀池-功能。,缺氧池,厌氧池,沉淀池,进水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,倒置A2/O工艺流程图,Water Pollution Control Engineering,沉,(2) Bardenpho工艺 四级串连工艺,即缺氧/好氧/缺氧/好氧工艺,理解为两级串连的A/O工艺,第一级A/O工艺设置污水回流. 特点:脱N效果好,除P一般,

12、工艺较复杂, 构筑物较多.,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,Bardenpho工艺流程图,Water Pollution Control Engineering,缺氧池,沉淀池,进水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,缺氧池,好氧池,回流污水,第一缺氧池-脱N释放P;第一好氧池-BOD降解,吸收P,硝化(程度低)；第二缺氧池-脱N释放P;第二好氧池-吸收P,硝化,BOD降解。,同步脱N除P工艺,改进的Bardenpho工艺流程图: 厌氧池:释放磷;第一缺氧池-脱N释放P;第一好氧池-BOD降解,吸收P,硝化(程度低)；第二缺氧池-脱N释

13、放P;第二好氧池-吸收P,硝化,BOD降解,除N2功能。 强化了除磷的功能,但构筑物多,工艺复杂.,同步脱N除P工艺,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,(3) UCT工艺，厌氧/缺氧/好氧工艺。 避免(AAO工艺)厌氧池由于污泥回流带入的少量NO3-给释放P的影响；厌氧池的污泥减少由缺氧池回流补充(但是回流污泥浓度不高，造成厌氧池MLSS低).,厌氧池,缺氧池,沉淀池,进水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,回流1,回流2,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,(4) Johannesb

14、urg工艺(约翰内斯堡) 减少回流,缺氧池有足够的水力时间,厌氧池NO3-浓度低,效率高.,缺氧池1,厌氧池,沉淀池,进水,出水,剩余污泥,回流污泥,好氧池,缺氧池2,Water Pollution Control Engineering,缺氧池1, 仅处理回流污泥，体积小,(5) SBR工艺: 1.反硝化脱N; 2.释放P,有机物厌氧分解; 3.有机物好氧分解,吸收P, BOD降低,氨化; 4.吸收P, 亚硝化, 硝化;5.泥水分离 具有较高的脱N除P效率,运行灵活,工艺简洁,Water Pollution Control Engineering,缺氧,厌氧,好氧,好氧,沉淀,1,2,3,4

15、,5,进水,出水,排泥,同步脱N除P工艺,(6) 氧化沟工艺: 特点:推流与完全混合工艺特点;DO存在浓度梯度,具有显著的脱氮功能,有除磷效果;出水水质好; 形式: Carrousel氧化沟. Orbal氧化沟. 一体化氧化沟。,同步脱N除P工艺,Water Pollution Control Engineering,同步脱N除P工艺,同步生物脱N除P工艺存在问题： 生物脱N要求低的污泥负荷,长的泥龄,而生物除P要求高的负荷,较低的泥龄. 为了脱N效果,要充分曝气以完成硝化过程,会对吸收P产生不利影响,生物脱N必须的NO3对生物除P的过程有抑制作用,解决此问题则工艺复杂. 同步生物脱N除P在沉

16、淀池前为好氧池,有部分NO3不能去除,只能依靠加大回流来提高脱N效率,动力消耗大. 系统抗冲击负荷能力低.,Water Pollution Control Engineering,N,P处理主要问题,1.传统工艺要同时获得高的N, P去除率有困难, N P 同时高的污水需采取其他措施;需要双污泥系统, 工艺过分复杂. 2.出水TP和TN超标与污泥沉降不完全有很大关系(BOD5也是), 改善沉降性能或外加过滤措施; 3.与进水的TN和TP相比, 传统工艺的碳源相对不足, 工艺需要改进和完善.,Water Pollution Control Engineering,脱氮除磷工艺设计,脱N除P工艺设

17、计与计算 1. 生物脱氮设计计算 1.1 水质要求 1.2 脱氮设计计算 1.3 设计举例 2. 生物除磷设计计算,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺设计与计算： 1. 生物脱氮设计计算 确定污水水质参数； 根据污水性质选择合适的脱N除P工艺； 计算各反应器容积和水力停留时间； 计算需要氧的量； 计算碱度。,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,1.1水质要求: 1. 脱氮时，污水中的五日生化需氧量与总凯氏氮之比宜大于4； 2. 除磷时，污水中的五日生化需氧量与总磷之比宜大于

18、17； 3. 同时脱氮、除磷时，宜同时满足前两款的要求； 4 .好氧区（池）剩余总碱度宜大于70mg/L（以CaCO3 计），当进水碱度不能满足上述要求时，应采取增加碱度的措施。,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,1.2脱氮设计计算: 当仅需脱氮时，宜采用缺氧好氧法（AN/O 法）。 1. 生物反应池的容积，按活性污泥法一般公式计算时，反应池中缺氧区（池）的水力停留时间宜为0.53h。 2. 生物反应池的容积，采用硝化、反硝化动力学计算时，按下列规定计算。,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineer

19、ing,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,1) 缺氧区(池)容积，可按下列公式计算： Vn = Nk - 进水凯氏氮浓度(总氮更妥Nt) Nte - 出水总氮浓度 Kde-脱氮速率, 温度校正: Kde(T)=Kde(20) 1.08(T-20) 0.12-活性污泥的N元素占污泥VSS的比例,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,2) 好氧区(池)容积，可按下列规定计算： V= 其他并无差异, 污泥

20、龄: co= F F:安全系数, n硝化菌比增殖速率,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,硝化菌比增殖速率: nm 硝化菌最大比增殖速率; Na 硝化菌的底物浓度,即NH3浓度; Kn 硝化反应的半速度常数; DO 溶解氧浓度 Ko 溶解氧影响的开关系数; Kdn 硝化菌的内源代谢系数。,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,硝化池内DO浓度较高，如果忽略内源代谢，忽略溶解氧影响的开关系数，再考虑温度影响：,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineer

21、ing,3）需氧量计算： 与一般的活性污泥相比，增加了因为硝化而需要的氧，该部分就是凯氏氮的去除总量氮的氧当量系数4.57: 氮的总去除量： 所以需氧量(生物脱氮工艺的理论需氧量)：,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,如果工艺具有前置反硝化(或反应器不分开)，则由于反硝化可以以NO3代谢掉部分有机物，所以这部分“节省”的氧应该扣除(除非外加碳源)： Nk0，Nke分别为进水出水凯氏氮浓度； Nt0，Nte分别为进水出水总氮浓度。,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,4.57: 1mol

22、的氨N(14g)彻底氧化需要转移8mol电子, 即2mol O2(64g) 64/14=4.57 2.86: 1mol硝酸根还原转移5mol电子, 即1.25mol O2(40g) 40/14=2.86,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,4）混合液回流比，可按下列公式计算： 假设理想反应器(AN/O工艺)，有机N和氨N在好氧反应器内可以完全氧化为NO3-；回流到缺氧反应器的NO3-可以完全被反硝化为N2： 则，好氧反应器O的末端出水硝酸盐N的总量，是浓度 Nte与流量的积： (RiR+1)QNte 与原进水总N量相等：QNt0 (RiR+

23、1)QNte= QNt0,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,(RiR+1)QNteQNt0 (RiR+1) NteNt0 = N去除率 加大回流比可以提高N去除率,一般Ri400%. 如假设R为0.5,则Ri=4, 去除率81.8% Ri=5, 去除率84.6%,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,出水碱度=进水碱度+0.1(S0-Se) +3.57反硝化去除的N 7.14 氨氧化的N 出水碱度宜大于70mg/L。,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control En

24、gineering,1.3 设计举例: 1).A2O工艺(规范建议同步脱氮除磷选择工艺) 2).氧化沟工艺,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,1).A2O工艺,例题：流量,平均日20000m3， 进水：COD-450, BOD5-185, SS-250, TKN-40, TP- 5 出水：COD-70, BOD-20, SS-20, TN-15, TP-1 先计算污水设计流量:一级构筑物Kz为1.59; 生化处理构筑物Kz 为1.30. 二级生化处理

25、构筑物反应器容积计算方法： 方法1：按照反硝化速率和硝化菌比增殖速率； 方法2：按照污泥负荷.,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,方法1：按照反硝化速率和硝化菌比增殖速率： (1):厌氧池计算：水力时间 V=Qt Q为设计流量,Q=平均流量变化系数，t为水力停留时间，h。t取2.0h，变化系数取1.3，平均流量833m3/h V=8331.32.0=2166 m3 厌氧池容积2166 m3,水力停留时间2.0h,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,回流污泥浓度与SVI： SVI=SV/

26、MLSS，曝气池的MLSS 曝气池MLSS/沉淀池下部污泥区的污泥浓度MLSS=SV MLSS曝/MLSS沉=SV SVI= =1/ MLSS沉=1/Xr (Xr回流污泥浓度) 如SVI=100mL/g,则回流污泥浓度=1/100mLg-1 =1g/100m L =10000mg/L，如SVI=80 mL/g,则回流污泥浓度=1/80mLg-1 =1.25g/100mL=12500mg/L。,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,反应器内污泥浓度： X=r/(1+r)Xr X反应器内污泥浓度，r污泥回流比,取0.4，Xr回流污泥浓度 X =

27、Xr, SVI取75，则Xr = 13333 mg/L SV取30，X=4000mg/L, MLVSS=0.74000=2800mg/L,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,(2).缺氧池计算：反硝化速率 V= Q设计流量，Nk、Nte分别为进水TKN, 出水TKN, Kde反硝化脱N速率 反硝化脱N速率温度校正： Kde(T)=Kde(20) 1.08(T-20) Xv Q(S0-Se) Yobs20000(185-20)0.4=1320kg/d 表观产率系数取0.4,Water Pollution Control Engineering

28、,脱N除P工艺计算,内源代谢系数Kde取0.05 水力停留时间3511/1083=3.2h,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,(3)好氧池计算：水力时间,根据硝化菌计算 出水NH3-N浓度取1mg/L, 半速度常数为1mg/L, 忽略溶解氧开关系数，内源代谢系数取0.02:,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,安全系数取2.0,水力停留时间5700/1083=5.3h,脱N除P工艺计算,方法1结果

29、: 厌氧池: 2166 m3, 水力停留时间2.0h 缺氧池:3511 m3 , 水力停留时间3.2 h 好氧池:5700 m3 , 水力停留时间5.3h 合计: 11377m3 , 水力停留时间10.5h,Water Pollution Control Engineering,2按照污泥负荷 厌氧池计算同上述方法； 缺氧好氧池(A/O)计算： 作为整体，按污泥负荷计算， VAO= N0污泥容积负荷(kgBOD5/kgMLVSSd)，X污泥浓度，MLVSS。注意污泥浓度单位的一致。,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,VAO= 按照A池:O

30、池=1:3的比例计算各自的容积： VA=2553 m3 VO=7660 m3,Water Pollution Control Engineering,脱N除P工艺计算,脱N除P工艺计算,方法2结果: 厌氧池: 2166 m3, 水力停留时间2.0h 缺氧池:2553 m3 , 水力停留时间2.36h 好氧池:7660 m3 , 水力停留时间7.07h 合计: 12380 m3 , 水力停留时间11.4h,Water Pollution Control Engineering,2).氧化沟工艺(Carrousel): Q=40000m3/d, 进水: BOD5=200mg/L, TSS=240mg/L, VSS=200mg/L; TKN=35mg/L; 碱度=250mg/L(以CaCO3计) 出水: BOD5=30mg/L, TSS=30mg/L, NH3-N=2mg/L; NO3-N =10mg/L. 设2组氧化沟,MLSS取4000mg/L, f=0.7.池内DO浓度为2.0mg/L,产率系数0.5, 内