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基礎知識----污水生物脫氮除磷工藝的新舊演變

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017/9/28     瀏覽次數:    

脫氮除磷是污水處理永久的話題,今天,最終溯源,與大家聊一聊生物脫氮除磷工藝的新舊演變。

01

- 生物脫氮除磷傳統工藝 -

脫氮的傳統工藝

自然界中氮一般有四種形態:

  • 有機氮

  • 氨氮

  • 亞硝酸鹽氮

  • 硝酸鹽氮等

生活污水中的氮主要形態是有機氮和氨氮。有機氮占生活污水含氮量的40-60%,氨氮占50-60%,亞硝酸鹽和硝酸鹽氮僅占0-5%。

污水生物脫氮的可能途徑

傳統上,通過兩步生物反應,即硝化(NH+4→ NO-3)與反硝化(NO-3→N2),實現污水的生物脫氮。

硝化反應可表示為:

亞硝化反應

NH4+ + O2 + HCO3- → NO2- + H2O + H2CO3 + 亞硝酸菌

硝化反應

NO2- + NH4+ + H2CO3 + HCO3-+ O2 → NO3- + H2O + 硝酸菌

總反應

NH4+ + O2 + HCO3- → NO3- + H2O + H2CO3 + 微生物細胞

反硝化反應如下:

NO3- + CH3OH + H2CO3 →N2↑+H2O + HCO3-+微生物細胞

生物脫氮工藝

傳統生物脫氮存在哪些問題?

首先,需要充分地氧化氨氮到硝酸氮,要消耗大量能源(因為曝氣);

其次,還需要有足夠碳源(COD)來還原硝酸氮到氮氣。

除磷傳統工藝

磷最常見的形式有:

無機磷: 磷酸鹽(H2PO4-、HPO42-、PO43-);聚磷酸鹽;

有機磷。

生活污水中的含磷量一般在10-15mg/L左右,其中70%是可溶性的。

活性污泥在好氧、厭氧交替條件下時,活性污泥中可產生所謂的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧條件下從廢水中過量攝取磷,形成多聚磷酸鹽作為貯藏物質。排放的剩余污泥中的含磷量在6%左右(污泥干重)。

A/O除磷工藝系統

為防止水體富營養化,一般污水處理既需要脫氮,也需要除磷,是否可以把兩者結合起來實現氮磷同時去除?

A2/O工藝

生物除磷脫氮生化代謝模型

02

- 脫氮除磷的新工藝 -

脫氮新工藝

1.中溫亞硝化(SHARON)

亞硝化/反硝化脫氮

即(NH4+ → NO2-) ,(NO2- → N2)

硝化作用

NH4+ + 1.5O2 →→→→ NO2- + H2O + 2H +

NH4+ + 2O2 →→→→ NO3- + H2O + 2H+

節約O2 25%

脫氮作用

6 NO2- + 3CH3OH + 3CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 3H2O

6 NO3- + 5CH3OH + CO2 →→→→ 3N2 + 6HCO3- + 7H2O

節約 CH3OH 40%

亞硝化細菌和硝化細菌的最小污泥齡與溫度關系

SHARON工藝的基本工作原理便是利用溫度高有利于亞硝化細菌增殖這一特點,使硝化細菌失去競爭。

2.厭氧氨(氮)氧化(ANAMMOX)

氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直接氧化至成氮氣,即:

NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O

NH4+ + 1.5O2 →→ NO2- + H2O + 2H+ (?G? = -275kjmol-1)

NH4+ + 2O2 →→ NO3- + H2O + 2H+ (?G? = -349kjmol-1)

NH4+ + NO2- →→ N2 + 2H2O (?G? = -357kjmol-1)

從這一反應中所產生的Gibbs自由能甚至比產生于好氧氨(氮)氧化(硝化)的能量還高,所以,能夠支持自養細菌生長。

ANAMMOX微生物的增長率與產率是非常低的。但是氮的轉換率卻為0.25mgN/(mgSS·d),這與傳統好氧硝化的轉換率相當。ANAMMOX反應在10~43℃的溫度范圍內具有活性,適宜的pH為6.7~8.3。ANAMMOX無需有機碳源存在,碳酸鹽/二氧化碳是ANAMMOX微生物生長所需的無機碳源。

3.SHARON與ANAMMOX結合工藝

SHARON與ANAMMOX結合主要針對高濃度氨氮污水。進水首先進入一懸浮、無污泥停留的SHARON單元,運行最佳溫度為35℃。

SHARON與ANAMMOX相結合的自養脫氮工藝流程

SHARON與ANAMMOX結合自養脫氮小試氮平衡

根據ANAMMOX的計量式,在SHARON反應器中57%的氨氮亞硝化,在ANAMMOX反應器中全部去除氨氮與亞硝酸氮。

NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H+ →→→→0.066CH2O0.5N0.15 + 1.02N2 + 0.26NO3- + 2.03H2O

試驗表明,在SHARON反應器中氨氮的亞硝化率完全受pH(在6 5~7 5間)控制。所以,要想得到一個理想的亞硝化率可以靠控制pH來實現。

除磷新工藝

反硝化除磷細菌

脫氮要經歷好氧(硝化)/厭氧(反硝化),除磷要經歷厭氧(釋放磷)/好氧(積聚磷).如果能使反硝化細菌同時具有生物攝/放磷作用則可以將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一。

在缺氧(無氧但存在硝酸氮)條件下,反硝化除磷細菌DPB (Denitrifying Phosphorus removing Bacteria) 能夠象在好氧條件下一樣,利用硝酸氮充當電子受體,產生同樣的生物攝磷作用。在生物攝磷的同時,硝酸氮被還原為氮氣。

UCT工藝流程圖

BCFS工藝流程

BCFS工藝將每一種屬不同功能的細菌用空間分隔開來,并通過不同的循環系統來控制其生長環境。 BCFS工藝由5個功能相對專一的獨立反應器及3路循環系統構成。各循環的作用如下表所示。

厭氧池

厭氧池的厭氧條件通過進水及從缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO3-N<0.1mg/)來維持。

污水中的揮發性脂肪酸(VFA)只被用于生物除磷。

接觸池(選擇器)

控制污泥膨脹。

接觸池中氧濃度為零,二沉池回流污泥中的微量硝酸鹽能很快地被去除。

在這種環境下,絲狀菌生長非常緩慢,可保持較低的污泥指數(SVI)。反硝化除磷菌在接觸池中也同樣發揮作用,這一過程是缺氧池反應過程的延續。

缺氧池有兩個功能:

首先是反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥進而提高厭氧池的釋磷效率,其次是利用好氧池中的硝酸鹽來除磷。

(缺氧/好氧)混合池

主要功能是脫氮,正常情況下該池可不充氧,缺氧條件可通過好氧池回流的混合液來維持。

好氧池

同常規的處理工藝一樣,其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。

將厭氧池末端富磷上清液抽出,以離線方式在沉淀單元內投以鐵鹽和鎂鹽予以回收。如:通過投加鎂化合物(如氯化鎂等)形成磷酸銨鎂化合物鳥糞石而分離出磷。生物污泥可免受化學藥劑的污染,使BCFS系統中微生物的活性不受化學污泥的影響。

BCFS工藝在荷蘭已成功運用于工程實踐中,除了具有節能低耗的優點外,還能保持穩定的處理水質,使出水總磷≤0.2mg/L,總氮≤0.5mg/L。

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