第四章污水生物处理脱氮除磷6课时ppt课件.ppt
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1、水污染控制工程,第四章 污水生物处理(脱氮除磷),第五节 生物脱氮除磷技术p147,随着城市人口的集中和工农业的发展,水体的富营养化问题日益突出。目前中国的某些湖泊,如昆明滇池,江苏太湖,安徽巢湖等都已出现不同程度的富营养化现象。引起富营养化的营养元素有碳、磷、氮、钾、铁等,其中,氮和磷是引起藻类大量繁殖的主要因素。欲控制富营养化,必须限制氮、磷的排放。国外一些污水处理厂把氮、磷的排放标准分别设定为15mgL和0.5mgL。传统活性污泥法总氮去除1020%,总磷去除520%,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。在生活污水中,主要含有有机氮和氨态氮,它们均来源于人们食物中的蛋
2、白质。新鲜生活污水含氮中有机氮约占总氮的60,氨氮约占40。脱氮的方法有化学法和生物法两大类,氮的去除,化学法除氮,吹脱法,折点加氯法,离子交换法,氮的去除,废水中,NH3与NH4+以如下的平衡状态共存:NH3+H2O=NH4+OH-这一平衡受pH值的影响,pH为10.511.5时,因废水中的氨呈饱和状态而逸出,所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH值提高至10.511.5,然后曝气,这一过程在吹脱塔中进行由于用石灰调pH值,在吹脱塔中会发生碳酸钙结垢现象,影响运行。另外,NH3气的释放会造成空气污染。因此,对该工艺已有多种改进,例如使吹脱塔的气体通过H2SO4溶液以吸收NH3,化学法
3、除氮,吹脱法,折点加氯法:如果有氨存在:NH3 + HOCl NH2Cl(一氯胺) + H2O NH2Cl + HOCl NHCl2 (二氯胺) + H2ONHCl2 + HOCl NCl3 (三氯胺) + H2O离子交换法:用离子交换法去除氨氮时,常用天然的离子交换剂,如沸石等。与合成树脂相比,天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。采用合成树脂,预处理工序和再生系统均较复杂,且树脂寿命短,应用上受到一定的限制,化学法除氮,折点加氯法,生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程。 硝化:废水中的氨态氮在好氧条件下,通过好氧细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)的作用,被氧化成亚硝酸盐(N02-)和硝酸盐(N03-
4、)的反应过程:,制约因素:DO0.5mg/L,一般1.52.0mg/L,H会导致pH下降,由HCO3-(碱度)中和,即氧化1g氨氮需要消耗7.14g碱度(以CaCO3计),一般维持pH在7.5 9.0,最适宜温度35,氧化1g氨氮需要4.57g氧,BOD5/TKN(有机氮和氨氮)对硝化影响大一般3,BOD负荷0.1kgBOD5/kgMLSSd,生物法除氮,氮的去除,硝化过程影响因素:(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于生长,必须氧化大量的NH3和NO2-,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
5、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,1g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。(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。,生物法除氮,氮的去除,硝化过程影响因素:(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
6、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。,生物法除氮,氮的去除,反硝化:即脱氮,是在缺氧条件下,通过脱氮菌的作用,将亚硝酸盐和硝酸盐还原成氮气,该反应过程中,反硝化菌需要有机碳源(如甲醇)作电子供体,利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸,还原1mg需要2.47mg甲醇(合3.7mgCOD),还原1mg硝酸盐氮产生3.57mg碱度和0
7、.45mgVSS(新细胞),厌氧缺氧条件下DO0.5mg/L,电子供体(碳源),适宜温度1530;pH7.07.5;BOD5/TKN3不需要外加碳源,生物法除氮,氮的去除,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。,反硝化过程影响因素:(a)碳源: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
8、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。(c)溶解氧浓度:反硝化反应宜于在缺氧、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。,生物法除氮,氮的去除,氮的去除,处理工艺,有机物氧化,硝化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。使除碳,硝化和反硝化在各自的反应器中进行,并分别控制在适宜的
9、条件下运行,处理效率高。,主要靠内源呼吸碳源进行反硝化,效率很低,必须投加外加碳源。,生物法除氮, 碳化去除BOD5、COD; 氨化使有机氮转化为氨氮;,硝化曝气池,投碱以维持pH 值,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的混合液进行反硝化反应。脱氮已基本完成,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。,最后的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。,处理工艺,生物法除氮,该工艺于80年代初开发。该工艺将反硝化段设置在系统的前面,因此又称为前置式反硝化生物脱氮系统,是目前较为广泛采用的一种脱氮工艺。,以
10、污水中的有机物为碳源,曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合液,在缺氧池中进行反硝化脱氮。,在反硝化反应中产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度的50左右,该工艺流程简单,无需外加碳源,因而基建费用及运行费用较低,脱氮效率一般在70左右;但由于出水中含有一定浓度的硝酸盐,在二沉池中,有可能进行反硝化反应,造成污泥上浮,影响出水水质。,处理工艺,生物法除氮,城市污水中的磷主要有三个来源:粪便、洗涤剂和某些工业废水。污水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式溶解于水中。一般污水处理,约有10的磷(固态磷)在一级沉淀中被去除;好氧处理中,微生物作为营养物吸收约占总磷的1/5左右;除磷的方法主要分为物理法
11、,化学法及生物法三大类。物理法因成本过高、技术复杂而很少应用。,磷的去除,化学法的特点是磷的去除率较高,处理结果稳定,污泥在处理和处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染,但污泥的产量比较大,化学法除磷,厌氧放磷,好氧过量吸磷,聚磷菌生长、吸磷,含有过量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系统,保持绝对厌氧,氮氧化物含量接近于0,适宜pH68,温度530,BOD5/TP20,硝酸盐和亚硝酸盐会抑制厌氧放磷,生物法除磷,机 理,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%。,(1)厌
12、氧环境条件:(a)氧化还原电位:Barnard、Shapiro等人研究发现,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;(2)污泥龄: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。Rensink和Ermel研究结果表明: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%。,生物法除磷,影响因素,(3)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,不合适时应调节(4)温度:在适宜温度范围内,
13、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。(5)BOD5负荷:一般认为,较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果,进行生物除磷的低限是BOD/TP = 20;小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强;磷的释放越充分,磷的摄取量也越大。(6)硝酸盐氮和亚硝酸盐氮产酸菌利用NOx- 作为电子受体,抑制厌氧发酵过程,硝酸盐的浓度应小于2mg/l;当COD/TKN 10,硝酸盐对生物除磷的影响就减弱了(7)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。,生物法除磷,影响因素,生物法除磷,处理工艺,A/O生物除磷工艺为了使微生物在好氧池中易于吸收磷,溶解氧应维持在2mgL以
14、上pH值应控制在78之间水力停留时间为36h曝气池内的污泥浓度一般在27003000mg/l磷的去除效果好(76%),出水中磷的含量低于1mg/l;污泥中的磷含量约为4%,肥效好;污泥的SVI 小于100,易沉淀,不易膨胀。,主流是常规的活性污泥工艺,在回流污泥过程中增设厌氧放磷池和上清液的化学沉淀池是一种生物法和化学法协同的除磷方法。操作稳定性好,出流中磷含量可小于1.5mgL,污泥的含磷量高,一般为2.17.1%;石灰用量较低,介于2131.8mgCa(OH)2/m3 废水之间;污泥的SVI 低于100,污泥易于沉淀、浓缩、脱水,污泥肥分高,不易膨胀。,生物法除磷,处理工艺,生物法除磷,设
15、 计,第六节 污水处理组合工艺,改进活性污泥法p106同步脱氮除磷工艺p158,改进活性污泥法,传统活性污泥法渐减曝气分步曝气完全混合法浅层曝气深层曝气高负荷曝气或变形曝气克劳斯法延时曝气接触稳定法氧化沟纯氧曝气活性污泥生物滤池(ABF工艺)吸附生物降解工艺(AB法)序批式活性污泥法(SBR法),缺陷:在推流式的传统曝气池中,混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。因此等距离均量地布置扩散器是不合理的。实际情况是:前半段氧远远不够,后半段供氧超过需要。,普通活性污泥法,将曝气池的供氧沿活性污泥推进方向逐渐减少,即为渐减曝气法。该工艺曝气池中的有机物浓度随着向前推进不断降低,污泥需氧量也不断下降,
16、曝气量相应减少,渐减曝气法,阶段曝气法也称为多点进水活性污泥法,阶段曝气法中废水沿池长多点进入,这样使有机物在曝气池中的分配较为均匀,从而避免了前端缺氧、后端氧过剩的弊病,从而提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力;并且由于容易改变各个进水口的水量,在运行上也有较大的灵活性。经实践证明,曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30%左右。,阶段(分步)曝气法,完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同,但废水和回流污泥进入曝气池时,立即与池内原先存在的混合液充分混合。池液里各个部分的需氧率比较均匀,池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同,生活环境也基本相同 。完全混合池从某种意义上来讲,是一
17、个大的缓冲器和均和池。它不仅能缓和有机负荷的冲击,也减少有毒物质的影响,完全混合曝气法,吸附再生活性污泥法系根据废水净化的机理、污泥对有机污染物的初期高速吸附作用,将普通活性污泥法作相应改迸发展而来。减少了占地和降低了造价。回流污泥量较多,具有较强的调剂平衡能力,以适应进水负荷的变化。它的缺点是去除率较普通活性污泥法低,尤其是对溶解性有机物较多的工业废水(活性污泥对溶解性有机物的初期吸附作用效果较差),处理效果不理想。,吸附池内停留数十分钟,活性污泥同废水充分接触,废水中有机物被污泥所吸附,出水已达很高的净化程度BOD5可去除8590左右,对回流污泥曝气但不进废水,使污泥中吸附的有机物进一步氧
18、化分解。,恢复了活性的污泥随后再次迸入吸附池同新进入的废水接触,吸附再生活性污泥法,1953年,派斯维尔(Pasveer) 发现在水的浅层处用大量空气进行曝气,就可获得较高的氧传递速率。扩散器的深度放置在水面以下0.60.8m范围为宜,浅层曝气池水深为34m,以浅者为好。深宽比在1.0-1.3之间,供气量为3040 m3/m3(水)h,风压10kPa左右,动力效率可达1.8-2.6kgO2/kWh。 浅层曝气与一般曝气相比,空气量是增大,但风压仅为一般曝气的1/31/4,故电耗并不增加而略有下降。浅层池适用于中小型规模的污水厂。,浅层曝气法,曝气池的经济深度是按基建费和运行费用来决定的,经济深
19、度一般为45m。但随着城市的发展,普遍感到用地紧张,为了节约用地,从60年代开始,研究发展了深层曝气法。一般深层曝气池水深可达1020m。70年代以来,国外又发展了超深层曝气法,又称竖井或深井曝气,水深竟达150-300m,大大节省了用地面积。同时由于水深大幅度增加(压力增大),可以促进氧传递速率,从而提高了曝气池处理污水的负荷。,深层曝气法,以纯氧代替空气,可以提高生物处理的速度。纯氧曝气采用密闭的池子。曝气时间较短,约1.53.0h,MLSS较高,约4000-8000mg/L。 缺点主要是纯氧发生器容易出现故障,装置复杂,运转管理较麻烦。水池顶部必须密闭不漏气,结构要求高,施工要特别小心。
20、同时生物代谢中生成的二氧化碳,将使气体中的二氧化碳分压上升,溶解于溶液中,会导致pH值的下降,妨碍生物处理的正常运行,影响处理效率。因而要适时排气和进行pH值的调节。,纯氧曝气法,克劳斯(Kraus)法,克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气,然后再进入曝气池,克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题,这个方法称为克劳斯法。消化池上清液中富有氨氮,可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。消化池上清液夹带的消化污泥相对密度较大,有改善混合液沉淀性能的功效。,延时曝气在40年代末到50年代初在美国流行起来。特点是曝气时间很长,达24h甚至更长,MLSS较高,达到3000-6000mg/L,活性污
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