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脱氮除磷问题核心总结
发布时间: 2019-10-08 浏览次数:41

    脱氮技术包括化学法和生物法,由于化学法会产生二次污染,而且成本高,所以一般使用生物脱氮技术。

  一、生物脱氮

  污水生物处理脱氮主要是靠一些专性细菌实现氮形式的转化。

  含氮有机化合物在微生物的作用下首先分解转化为氨态氮NH4+或NH3,这一过程称为“氨化反应”。

  硝化菌把氨氮转化为硝酸盐,这一过程称为“硝化反应”;

  反硝化菌把硝酸盐转化为氮气,这一反应称为“反硝化反应”。

  含氮有机化合物最终转化为氮气,从污水中去除。

  1、硝化过程

  硝化菌把氨氮转化为硝酸盐的过程称为硝化过程,硝化是一个两步过程,分别利用了两类微生物——亚硝酸盐菌和硝酸盐菌。这两类细菌统称为硝化菌,这些细菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-和CO2等无机碳。

  第一步由亚硝酸盐菌把氨氮转化为亚硝酸盐,第二步由硝酸盐菌把亚硝酸盐转化为硝酸盐。

  这两个过程释放能量,硝化菌就是利用这些能量合成新细胞和维持正常的生命活动,氨氮转化为硝态氮并不是去除氮而是减少了它的需氧量。

  氧化1g氨氮大约需要消耗4.3gO2和8.64gHCO3-(相当于7.14gCaCO3碱度)。

  硝化过程的影响因素:

  1)温度:硝化反应最适宜的温度范围是30~35℃,温度不但影响硝化菌的比增长速率,而且会影响硝化菌的活性。

  2)溶解氧:硝化反应必须在好氧条件下进行,溶解氧浓度为0.5~0.7mg/L是硝化菌可以容忍的极限,溶解氧低于2mg/L条件下,氮有可能被完全硝化,但需要较长的污泥停留时间,因此一般应维持混合液的溶解氧浓度在2mg/L以上。

  3)pH和碱度:硝化菌对pH特别敏感,硝化反应的最佳pH是在7.2~8之间。每硝化1g氨氮大约需要消耗7.14gCaCO3碱度,如果污水没有足够的碱度进行缓冲,硝化反应将导致pH值下降、反应速率减慢。

  4)有毒物质:过高的氨氮、重金属、有毒物质及某些有机物质对硝化反应都有抑制作用。

  5)泥龄:一般来说,系统的泥龄应为硝化菌世代周期的两倍以上,一般不得小于3~5d,冬季水温低时要求泥龄更长,为保证一年四季都有充分的硝化反应,泥龄通常都大于10d。

  6)碳氮比:BOD5与TKN的比值是C/N,是反映活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧能力的指标。C/N不同直接影响脱氮效果。一般认为,处理系统的BOD5负荷低于0.15BOD5/(MLVSS·d)时,硝化反应可以正常进行。

  2、反硝化过程

  反硝化过程是反硝化菌异化硝酸盐的过程,即由硝化菌产生的硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化菌的作用下,被还原为氮气后从水中溢出的过程。

  反硝化过程主要在缺氧状态下进行,溶解氧的浓度不能超过0.2mg/L,否则反硝化过程就要停止。

  反硝化也分为两步,第一步由硝酸盐转化为亚硝酸盐,第二步由亚硝酸盐转化为一氧化氮、氧化二氮和氮气。

  反硝化的影响因素:

  1)温度:反硝化的最适宜温度范围是35~45℃。

  2)溶解氧:为了保证反硝化过程的进行,必须保持严格的缺氧状态,保持氧化还原电位为-50~-110mV;为使反硝化反应正常进行,悬浮型活性污泥系统中的溶解氧保持在0.2mg/L以下;附着性生物处理系统可以容许较高的溶解氧浓度,一般低于1mg/L。

  3)pH值:最佳范围在6.5~7.5。

  4)碳源有机质:需要提供足够的碳源,碳源物质不同,反硝化速率也不同。

  5)碳氮比:理论上将1g硝酸盐氮转化为氮气需要碳源物质BOD52.86g。

  2.86这个数字具体怎么得出的,很多人不清楚。在这里顺道说一下(此处引用一位大咖的讲解):

  我们说的C,其实大多数时候指的是COD(化学需氧量),即所谓C/N实际为COD/N,COD是用需氧量来衡量有机物含量的一种方法,如甲醇氧化的过程可用(1)式所示,二者并不相同,但二者按照比例增加,有机物越多,需氧量也越多。因此,我们可以用COD来表征有机物的变化。

  CH3OH+1.5O2→CO2+2H2O(1)

  a. 反硝化的时候,如果不包含微生物自身生长,方程式非常简单,通常以甲醇为碳源来表示。

  6NO3-+5CH3OH→3N2+5CO2+7H2O+6OH-(2)

  由(1)式可以得到甲醇与氧气(即COD)的对应关系:1mol甲醇对应1.5mol氧气,由(2)式可以得到甲醇与NO3-的对应关系,1mol甲醇对应1.2molNO3-,两者比较可以得到,1molNO3--N对应1.25molO2,即14gN对应40gO2,因此C/N=40/14=2.86。

  b. 反硝化的时候,如果包含微生物自身生长,如(3)式所示。

  NO3-+1.08CH3OH→0,065C5H7NO2+0.47N2+1.68CO2+HCO3-(3)

  同样的道理,我们可以计算出C/N=3.70。

  c. 附注:本来事情到这里已经算完了,但是还想发挥一下第一种情况,以下计算只是一种化学方程式的数学计算,不代表真的发生这样的反应。

  如果我们把(1)、(2)两式整理,

  N2+2.5O2+2OH-→2NO3-+H2O

  有负离子不方便,我们在两边减去2OH-,

  N2+2.5O2→N2O5

  其中,N源于NO3-,O可以代表有机物,因此,对应不含微生物生长的反硝化的理论碳源的需求量,实际就是相当于把N2氧化成N2O5的需氧量,进一步说就是N2O5分子中O/N的质量比。

  这样就更简单了,C/N=16×5/(14×2)=20/7=2.86

  依次可以类推出NO2--N的纯反硝化的理论C/N比是N2O3分子中O/N的质量比=16×3/(14×2)=12/7=1.71

  6)有毒物质:镍浓度大于0.5mg/L、亚硝酸盐含量超过30mg/L或盐浓度高于0.63%时都会抑制反硝化作用。

  3、生物脱氮的基本条件

  1)硝酸盐:硝酸盐的生成和存在是反硝化作用发生的先决条件,必须先将污水中的含氮有机物如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类、硝基化合物等转化为硝酸盐氮。

  2)不含溶解氧:反应器中的氧都将被有机体优先利用,从而减少反应器能脱氮的亚硝酸盐量,溶解氧超过0.2mg/L时没有明显脱氮作用。

  3)兼性菌团:多数情况下,细菌普遍具有脱氮习性,污水处理的微生物脱氮时在好氧和缺氧条件下反复交替,其中以兼性菌团为主。

  4)电子供体:生物脱氮的能量来自脱氮过程中起电子供体作用的碳质有机物,脱氮时污水中有机物必须充足,否则需要投加甲醇、乙醇、乙酸等外部碳源。

  4、废水生物脱氮处理方法

  生物脱氮工艺是一个包括硝化和反硝化过程的单级或多级活性污泥法系统。从完成生物硝化的反应器来看,脱氮工艺可分为微生物悬浮生长型(活性污泥法及其变形)和微生物附着生长型(生物膜反应器)两大类。

  多级活性污泥法系统具有多级污泥回流系统,是传统的生物脱氮法,是将硝化和反硝化分别单独进行。此流程可以得到相当好的BOD5去除效果和脱氮效果,其缺点是流程长、构筑物多、基建费用高、需要外加碳源、运行费用高、出水中残留一定量甲醇等。

  而单级活性污泥法系统则是将含碳有机物的氧化、硝化和反硝化在一个活性污泥系统中实现,并且只有一个沉淀池,即一个污泥回流系统。

  单级活性污泥脱氮系统代表方法是缺氧/好氧(A/O)工艺和四段Bardenpho工艺(A/O/A/O),其他方法还有厌氧/缺氧/好氧(A2/O)工艺、Phoredox(五段Bardenpho)工艺、UCT工艺、VIP工艺等;

  此外,氧化沟、SBR法、循环活性污泥法等通过调整运行方式而有脱氮功能时也归为单级活性污泥脱氮系统。其中A2/O工艺、Bardenpho工艺、Phoredox工艺、UCT工艺、VIP工艺等同时具有脱氮除磷功能。

  生物膜反应器适合世代周期长的硝化细菌生长,而且其中固着生长的微生物使硝化菌和反硝化菌各有其适合生长的环境。因此在一般的生物膜反应器内部,也会同时存在硝化和反硝化过程。

  在已有的活性污泥法处理过程中,通过投加粉末活性炭等载体,不仅可以提高去除BOD5的能力,还可以提高整个系统的硝化和脱氮效果。如果将已经实现硝化的废水回流到低速转动的生物转盘和鼓风量较小的生物滤池等缺氧生物膜反应器内,可以取得更好的脱氮效果,且不需污泥回流。

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