水污染控制工程：第5章 污水處理基本原理

1、第5章 污水處理基本原理水污染控制工程：污水生物處理水污染控制工程：污水生物處理5.1 有機(jī)物去除的基本原理污水中的有機(jī)物有多種類型，去除機(jī)制各有不同主要處理方法有沉淀吸附（化學(xué)、生物）生物降解好氧厭氧最終去處空氣（CO2、CH4）污泥隨水流走傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)化有機(jī)物的好氧氧化需要大量氧氣自由能高細(xì)胞增殖速率快細(xì)胞產(chǎn)率高C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH5.2 生物脫氮的基本原理污水中氮的來(lái)源：有機(jī)氮、氨氮、硝氮 新鮮污水中，含氮化合物主要是以有機(jī)氮，如蛋白質(zhì)、尿素、胺類化合

2、物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少數(shù)的氨態(tài)氮如NH3及NH4+等。 生活污水中的N，80%以上來(lái)自人類的尿液。 微生物分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨的過(guò)程稱為氨化作用，很多細(xì)菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質(zhì)及其含氮衍生物，其中分解能力強(qiáng)并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機(jī)氮化合物分解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例：異化脫氮 異化生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程。其中包括硝化和反硝化兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。同化脫氮 微生物生長(zhǎng)過(guò)程中需要攝入氮，合成氨基酸。細(xì)胞中的含氮量通?？蛇_(dá)0.050.1 gN/gCOD。因此，當(dāng)污水中含氮量較低，且B

3、OD:N比例較高時(shí)，同化脫氮可滿足脫氮的需要。傳統(tǒng)生物脫氮方法傳統(tǒng)生物脫氮方法 硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過(guò)程。O2H4H2NO3O2NH22亞硝酸菌24 322NO2O2NO2硝酸菌 總反應(yīng)式為：OHH2NOO2NH2324硝化細(xì)菌 硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羥胺OHNHNH硝化反應(yīng)： （a）好氧環(huán)境條件，并保持一定的堿度：硝化菌為了獲得足夠的能量用于生長(zhǎng)，必須氧化大量的NH3和NO2-，氧是硝化反應(yīng)的電子受體，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量

4、的高低，必將影響硝化反應(yīng)的進(jìn)程，在硝化反應(yīng)的曝氣池內(nèi)，溶解氧含量不得低于1mg/L，多數(shù)學(xué)者建議溶解氧應(yīng)保持在1.22.0mg/L。 在硝化反應(yīng)過(guò)程中，釋放H+，使pH下降，硝化菌對(duì)pH的變化十分敏感，為保持適宜的pH，應(yīng)當(dāng)在污水中保持足夠的堿度，以調(diào)節(jié)pH的變化，lg氨態(tài)氮（以N計(jì)）完全硝化，需堿度（以CaCO3計(jì)）7.14g。對(duì)硝化菌的適宜的pH為78。 硝化過(guò)程的影響因素： （b）混合液中有機(jī)物含量不應(yīng)過(guò)高：硝化菌是自養(yǎng)菌，有機(jī)基質(zhì)濃度并不是它的增殖限制因素，若BOD值過(guò)高，將使增殖速度較快的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速增殖，從而使硝化菌不能成為優(yōu)勢(shì)種屬。 （c）硝化反應(yīng)的適宜溫度是2030，15以下

5、時(shí)，硝化反應(yīng)速度下降，5時(shí)完全停止。 （d）硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，即生物固體平均停留時(shí)間（污泥齡）SRT，必須大于其最小的世代時(shí)間，否則將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡，一般認(rèn)為硝化菌最小世代時(shí)間在適宜的溫度條件下為3d。SRT值與溫度密切相關(guān)，溫度低，SRT取值應(yīng)相應(yīng)明顯提高。 （e）除有毒有害物質(zhì)及重金屬外，對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有高濃度的NH4-N、高濃度的NO-x-N、高濃度的有機(jī)基質(zhì)、部分有機(jī)物以及絡(luò)合陽(yáng)離子等。 反硝化反應(yīng)是指在無(wú)氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸還原菌-222

6、326OHOH3CO3N3OHCH36NO亞硝酸還原菌 反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子進(jìn)行呼吸；在無(wú)氧而有NO3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌 總反應(yīng)式為：反硝化反應(yīng)反硝化反應(yīng) 在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程，反應(yīng)如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47. 0NOH.065C0HOHCH08. 1NO22227533式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學(xué)組

7、成。 反硝化還原和微生物合成的總反應(yīng)式為： 從以上的過(guò)程可知，約94的NO3-N經(jīng)異化過(guò)程還原，6經(jīng)同化過(guò)程合成微生物。 （a）碳源：能為反硝化菌所利用的碳源較多，從污水生物脫氮考慮，可有下列三類：一是原污水中所含碳源，對(duì)于城市污水，當(dāng)原污水BOD5/TKN35時(shí),即可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因?yàn)榧状急环纸夂蟮漠a(chǎn)物為CO2和H2O，不留任何難降解的中間產(chǎn)物；三是利用微生物組織進(jìn)行內(nèi)源反硝化。 （b）pH：對(duì)反硝化反應(yīng)，最適宜的pH是6.57.5。pH高于8或低于6，反硝化速率將大為下降。反硝化過(guò)程的影響因素 （c）溶解氧濃度：反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在無(wú)分子氧同

8、時(shí)存在硝酸根離子和亞硝酸根離子的條件下，它們能夠利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。另一方面，反硝化菌體內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分，只有在有氧條件下，才能夠合成。這樣，反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧條件交替的條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在0.5 mg/L以下。 （d）溫度：反硝化反應(yīng)的最適宜溫度是2040，低于15反硝化反應(yīng)速率最低。為了保持一定的反硝化速率，在冬季低溫季節(jié)，可采用如下措施：提高生物固體平均停留時(shí)間；降低負(fù)荷率；提高污水的水力停留時(shí)間。新型生物脫氮方法新型生物脫氮方法5.3 除磷的基本原理生物強(qiáng)化除磷Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR

9、) 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧/缺氧條件下對(duì)污水中溶解性磷酸鹽過(guò)量吸收作用，和在厭氧條件下過(guò)梁釋磷，促進(jìn)聚磷菌生長(zhǎng)并吸磷，然后沉淀分離而除磷。 厭氧環(huán)境 好氧環(huán)境 有機(jī)基質(zhì) 產(chǎn)酸菌 P 乙酸 P 聚 P 聚 P PHB PHB 聚 P 聚 P 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 生物除磷機(jī)理 污水中的有機(jī)物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動(dòng)吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB(聚-羥基丁酸)的形態(tài)儲(chǔ)藏于體內(nèi)。 聚磷分解形成的無(wú)機(jī)磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。厭氧環(huán)境中： 進(jìn)入好氧狀態(tài)后

10、，聚磷菌將儲(chǔ)存于體內(nèi)的PHB進(jìn)行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動(dòng)，部分供其主動(dòng)吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含過(guò)量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質(zhì)。 普通活性污泥法通過(guò)同化作用除磷率可以達(dá)到12%20%。而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基本可滿足排放要求。好氧環(huán)境中： （1）厭氧環(huán)境條件： （a）氧化還原電位：Barnard、Shapiro等人研究發(fā)現(xiàn)，在批式試驗(yàn)中，反硝化完成后，ORP突然下降，隨后開(kāi)始放磷，放磷時(shí)ORP一般小于100mV； （b）溶解氧濃度：厭氧區(qū)如存在溶解氧，兼

11、性厭氧菌就不會(huì)啟動(dòng)其發(fā)酵代謝，不會(huì)產(chǎn)生脂肪酸，也不會(huì)誘導(dǎo)放磷，好氧呼吸會(huì)消耗易降解有機(jī)質(zhì)； （c）NOx-濃度：產(chǎn)酸菌利用NOx- 作為電子受體，抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程，反硝化時(shí)消耗易生物降解有機(jī)質(zhì)。生物除磷影響因素： （2）有機(jī)物濃度及可利用性：碳源的性質(zhì)對(duì)吸放磷及其速率影響極大，傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)很難反映有機(jī)物組成和性質(zhì)，ASM模型對(duì)其進(jìn)一步劃分為： （a）1987年發(fā)展的ASM1:（b）1995年發(fā)展的ASM2: 溶解性與顆粒性：SA+SF+SI+XSXI S表示溶解性組分，X表示顆粒性組分；下標(biāo)S溶解性，I惰性，A發(fā)酵產(chǎn)物，F(xiàn)可發(fā)酵的易生物降解的底物。 厭氧釋磷主要吸收的是Ac-，按成分劃分是SACODtot=SS+SI+XS+XI （3）污泥齡：污泥齡影響著污泥排放量及污泥含磷量，污泥齡越長(zhǎng)，污泥含磷量越低，去除單位質(zhì)量的磷須同時(shí)耗用更多的BOD。 Rensink和Ermel研究了污泥齡對(duì)除磷的影響，結(jié)果表明：SRT=30d時(shí)，除磷效果40%；SRT=17d時(shí)，除磷效果50%；SRT=5d天時(shí)，除磷效果87%。 同時(shí)脫氮除磷系統(tǒng)應(yīng)處理好泥齡的矛盾。 （4）pH：與