污水脱氮理论与技术ppt课件.ppt

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1、Nitrogen removal from wastewater:principles and techniques,污水脱氮原理与技术,华东理工大学资源与环境工程学院邱兆富,College of Resources andEnvironmental Engineering,ECUSTQiu Zhaofu,1.水体中氮素的来源与危害,2.氮素污染控制,3.生物脱氮原理,4.生物脱氮技术,内容提要,5.生物脱氮新工艺,1.水体中氮素的来源,水体中氮素的来源与危害,自然来源,人类活动,水体,污染源,水体中氮素的来源与危害,2.氨氮废水的工业来源,水体中氮素的来源与危害,有机氮废水的工业来源及其浓度

2、,2.氨氮废水的工业来源,水体中氮素的来源与危害,氨氮废水的工业来源及其浓度,2.氨氮废水的工业来源,水体中氮素的来源与危害,氨氮废水的工业来源及其浓度,2.氨氮废水的工业来源,水体中氮素的来源与危害,氨氮废水的工业来源及其浓度,3.氮在水体中的存在形态,水体中氮素的来源与危害,有机氮,无机氮,水体中氮素的来源与危害,总氮(TN),凯氏氮(TKN)=有机氮+氨氮,水污染控制中经常提到的几个术语,TN=TKN+NOx-N,水体中氮素的来源与危害,4.氮素污染的危害,造成水体的富营养化(eutrophication)现象；,1998年渤海湾赤潮,2004年6月浙江近海,2009年中国近海赤潮情况,

3、海洋赤潮发生的原因,20世纪末中国海洋水质,水体中氮素的来源与危害,4.氮素污染的危害,增加了给水处理的成本；例如：加氯消毒810gCl2/gNH3-N,引起水体缺氧；,14gN,64gO2,每氧化1gNH4-N为NO3-N，共需要氧4.57g,水体中氮素的来源与危害,氨氮对水生生物有毒,游离氨1mg/L,游离氨Free Ammonium,25时，氨的离解常数为1.810-5,水体中氮素的来源与危害,pH和温度的升高将增强氨氮的毒性？,水体中氮素的来源与危害,硝酸盐影响人类健康,硝酸盐(NO3-N),亚硝酸盐(NO2-N),高铁血红蛋白症,胃癌等,氨氮的浓度及其相应的毒理作用,自然来源,人类活

4、动,大气降水降尘,非市区径流,生物固氮,城市污水,浸滤液,大气沉降,地表径流,水体,氮素污染控制,1.废水脱氮技术,氮素污染控制,物化法,生物法,吹脱(气提)法,基本原理：将水中的游离氨转移到气体(空气或蒸汽)中去。,氨吹脱工艺的三个条件：提高pH，一般用NaOH;在吹脱塔中反复形成水滴，减小表面张力，增大接触面积。气体循环，增大浓度差；,影响氨气从水中向气体中转移的因素：水气界面处的表面张力；水和气体中氨的浓度差。,沉淀池,空气吹脱法工艺流程图：,空气吹脱法(ammonia stripping),pH调节池,进水,氨和尾气,出水,空气,排泥,CaO或NaOH,吹脱塔,氨水蒸馏工艺流程图以焦化

5、废水为例：,蒸氨供料槽,调节池,NaOH30%,pH,113蒸汽,103氨气,NH3-N4000mg/L,NH3-N250mg/L,生化,换热,冷却,蒸氨塔,pH=8.5-9,气提法,冷却,3035,106,重要的工艺参数：(1)pH=10.5-11.5;(2)水力负荷：2.4-7.2m3/(m2.h);(3)气液比：填料高度6m时，G/L=2200-2300;(4)蒸汽用量：0.1253 t蒸汽/1m3水 泡罩塔：0.08 t蒸汽/1m3水，浮阀塔：0.13 t蒸汽/1m3水。,空气吹脱(气提)法,低浓度氨氮废水：室温下空气吹脱；高浓度氨氮废水：蒸汽吹脱。,1.0MPa蒸汽价格在180-20

6、0元/吨,折点加氯法法(breakpoint chlorination),基本原理：,折点加氯法法(breakpoint chlorination),重要工艺参数：(1)准确控制氯投加量：理论投氯量(以氯气计)：NH3-N=7.6:1 实际投加量(以氯气计)通常为:(8:1)-(10:1)(2)控制pH，控制反应副产物NO3-和NCl3;控制pH在中性条件下进行。,(3)反应时间：1min;,离子交换法(Ion exchange),基本原理：,废水中的NH4+与阳离子交换树脂中的阳离子进行交换。对NOx-和有机氮没有效果。,常用的离子交换剂：沸石(Zeolite),沸石是含水的钙、钠以及钡、钾

7、的硅铝酸盐矿物，一般用化学式(M,N2)OAlO3 nSiO2 mH2O表示。废水中的NH4+与沸石中的M+,N2+进行交换。,国产沸石有：斜发沸石(Clinoptilolite)丝光沸石(Mordenite),离子交换法(Ion exchange),斜发沸石对不同阳离子的选择交换顺序如下：,离子交换法(Ion exchange),工艺流程：,再生液贮槽,进水(二级处理+过滤),出水,沸石离子交换柱,吹脱塔,补充再生液,空气,空气和NH3,Na+或Ca2+,NH4+,NH4+,Na+或Ca2+,离子交换法(Ion exchange),重要工艺参数：(1)pH=48;(2)空床速度(SV),SV

8、=Q/V Q，流量，m3/h;V，吸附柱体积，m3;SV=510h-1，与沸石粒径有关。(3)沸石粒径：0.81.7mm;(4)床深：0.91.8m;(5)进入吸附柱的SS35mg/L;,磷酸氨镁(MAP)沉淀法,基本原理：,常用药剂：(1)Mg(OH)2+H3PO4;(2)MgHPO4 3H2O;(3)MgO+磷酸盐,(MAP),为了降低药剂费用，所得MAP 可通过碱性热解，除回收氨外，形成的磷酸钠镁可以再次作为沉淀剂，用来去除废水中的氨氮。,MgNH4PO46H2O+NaOH MgNaPO4+NH3+7 H2O,鸟粪石（struvite）,magnesium ammonium phosph

9、ate,磷酸氨镁(MAP)沉淀法,重要工艺参数：(1)pH=8.59.5;(2)理想的投加比例(摩尔比):MgHPO4 3H2O:NH4+-N=1.52.0 Mg(OH)2+H3PO4 Mg(OH)2：NH4+-N=4：1 H3PO4：Mg(OH)2=1.5：1,MAP为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀反应最好在较高的pH下进行。但是，若pH9.5，MAP会释放出刺鼻的气味。,物化法脱氮的比较,常用物化法脱氮技术比较,生物法脱氮的基本原理,有机氮,生物法脱氮的基本原理,1。氨化作用(Ammonification),氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种

10、类不同、作用的强弱不一,2。硝化作用(Nitrification),如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为：,硝化作用(Nitrification),1.每氧化1gNH4+-N为NO3-N需要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)(100/14=7.14),注：每氧化14gNH4+-N为NO3-N，产生2molH+，需要1mol的CaCO3(分子量为100)来中和。,2.不计细菌增值，每氧化1gNH4-N为NO3-N，共需要氧4.57g。,1gNH4+-N,1gNO3-N,碱度7.14g(以CaCO3计),需要氧4.57g,硝化作用(Nitrification),硝化反应动力

11、学,生物硝化反应的动力学模型可用Monod公式表示:,硝化作用(Nitrification),20条件下硝化菌的Monod参数,硝化作用(Nitrification),亚硝酸菌和硝酸菌,硝化作用(Nitrification),硝化段中含碳有机基质浓度与总氮(TKN)的比例将直接影响活性污泥中硝化菌所占的比例.,硝化作用(Nitrification),BOD5/TKN与活性污泥中硝化细菌含量的关系,摘自马文漪、杨柳燕,环境微生物工程.南京大学出版社,1998年,影响硝化反应的环境因素,硝化作用(Nitrification),影响硝化反应的环境因素,硝化作用(Nitrification),1gNH

12、4+-N,1gNO3-N,碱度7.14g(以CaCO3计),需要氧4.57g,硝化作用(Nitrification),SRT15d,生物法脱氮的基本原理,2。硝化作用(Nitrification),1。氨化作用(Ammonification),3。反硝化作用(Denitrification),反硝化作用(Denitrification),生物反硝化的总反应式如下：,由式(1-7)计算，转化1g NO2-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)1.71g 316/(214)=1.71。由式(1-8)计算，转化1g NO3-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)2.86g 516/(214)=2.8

13、6。还原1gNO2-N或NO3-N均可产生3.57g碱度(以CaCO3计)(50/14)，硝化过程中消耗的碱度有近50%得到回收。,反硝化作用(Denitrification),反硝化过程中需要的有机物总量可按下式估算：,C=2.86NO3-N+1.71NO2-N+DO,式中：C 反硝化需要的有机物总量，按BOD5计(mg/L)；NO3-N污水中硝态氮的浓度（mg/L)；NO2-N污水中亚硝态氮的浓度（mg/L)；DO污水中溶解氧的浓度（mg/L)。,如果废水中缺少有机碳源，则应补加有机物，一般投加甲醇，这是因为甲醇分解的产物是CO2与H2O，不残留任何难降解的中间产物。,反硝化作用(Deni

14、trification),反硝化细菌大量存在于污水处理系统中。反硝化细菌是兼性细菌,在无分子氧的条件下，它们能利用NO2和NO3中的N+5和N+3作为能量代谢中的电子受体，O-2作为受氢体生成H2O和OH碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。,在有分子态DO存在时，它们氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体；,反硝化作用(Denitrification),影响反硝化反应的环境因素,1gNO3-N,1gN2,产生碱度3.57g(以CaCO3计),需要碳源BOD/TKN4,反硝化作用(Denitrification),DO0.5mg/L,常用生物脱氮技术,生物脱氮工艺,多级污泥

15、系统,单级污泥系统,三级,二级,A/O,氧化沟，SBR,多级污泥系统生物脱氮工艺,优点：有机物降解菌、硝化菌和反硝化菌分别在各自反应器内生长繁殖，环境条件适宜，反应速度快而且比较彻底，可以获得相当好的BOD5去除效果和脱氮效果。缺点：该流程构筑物和设备多，造价高，运行管理复杂，且需要外加碳源，运行费较高，一般应用不多。,两级生物脱氮系统,主要缺点：该流程仍然较复杂，出水有机物浓度也不能保证十分理想。,单级污泥系统生物脱氮工艺,主要缺点：要取得满意的脱氮效果，必须保证足够大的混合液回流比，通常在14倍的进水流量，这势必增加运行费用,缺氧(Anoxic)/好氧(Aerobic)脱氮工艺简称A/O脱

16、氮工艺：,单级污泥系统生物脱氮工艺,主要缺点：污泥负荷比较低，污泥龄较长，占地面积较大。,氧化沟(Oxidation Ditch)生物脱氮工艺,单级污泥系统生物脱氮工艺,主要缺点：占地面积大，设备利用率较低。,序批式活性污泥法(Sequencing Batch Activated Sludge Process),A/O脱氮工艺,主要设计参数：1.有机负荷：Ns=0.10.7kgBOD/(kgMLSS.d);2.总氮负荷：NTN30d。,污水脱氮工艺选择,考虑的因素：1.废水的性质；2.出水要求；3.经济性。,目前常用的废水脱氮工艺：1.生物脱氮法；2.氨氮吹脱；3.折点氯化法；4.离子交换法。

17、,污水脱氮工艺选择,各种生物脱氮组合工艺及其应用范围,原废水,O,A,处理出水,CH3OH,N2,原废水,O2,A,处理出水,CH3OH,N2,O1,BarHz工艺,原废水,O,A,处理出水,A,原废水,O,处理出水,A,（Spector工艺）,CH3OH,N2,原废水,A2,O,处理出水,A1,原废水,A,O,处理出水,厌,水解池,CH4,UASBEGSB,CH4,N2,N2,生物脱氮新工艺,短程硝化反硝化工艺,厌氧氨氧化,同步硝化/反硝化工艺,好氧反硝化,其它方法,生物脱氮新工艺,短程硝化反硝化工艺(Shortcut Nitrification-Denitrification),有机氮,(

18、氨化),氨化菌,NH4+-N,(亚硝化),NO2-N,亚硝酸菌+O2,硝酸菌+O2,(反硝化),NO3-N,NO2-N,N2,(碳源),(碳源),生物脱氮新工艺,厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺(ANaerobic AMMonium OXidation),SHARONANAMMOX组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景，成为当前生物脱氮领域内的一个研究重点。,生物脱氮新工艺,生物脱氮新工艺,SHARON反应器1组；19.5 m，H=5.75 m，流量为550 m 3/d，水力停留时间为3 d，好氧停留时间为24 h，温度为35，pH为77.2，溶解氧浓度为1.5 mg/L。ANAMMOX反应器1组；2.2 m，H=18 m(V=70 m3)，流量为550 m3/d，水力停留时间为3 h，设计负荷为800 kgN/d，温度为35，pH为7.5。,SHARON,ANAMMOX,荷兰鹿特丹DOKHAVEN市政污水处理厂,生物脱氮新工艺,同步硝化/反硝化工艺(Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND),Thank you!,