第 水的深度外理 城市污水经传统的二级处理以后,虽然绝 大部分悬浮固体和有机物被去除了,但还残 留微量的悬浮固体和溶解的有害物,如氮和 等化合物。氮磷为植物营养物质,能助长 藻类和水生生物,引起水体的富营养化,影 响饮用水水源
1 第十八章 城市污水的深度处理 城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝 大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残 留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和 磷等化合物。氮磷为植物营养物质，能助长 藻类和水生生物，引起水体的富营养化，影 响饮用水水源
第一节氮磷的去除 氮的去除 废水中的氦以有机氦、氨氮、正硝酸氦和硝酸氦四种 形式存在。 化学法除氮 (1)吹脱法 废水中,NH3与NH以如下的平街状态共存: Nh,+HO+,NH++OH- 这一平衡受pH值的影响,pH值为10.5-11.5肘,因废水 中的氮呈饱和状态而逸出,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10.5-11.5,然后曝 气,这一过程在吹脱塔中进行
2 第一节 氮磷的去除 一. 氮的去除 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。 1. 化学法除氮 (1) 吹脱法 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值为10.5~11.5时，因废水 中的氮呈饱和状态而逸出，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10.5~11.5，然后曝 气，这一过程在吹脱塔中进行
空气出口 空气出口 风扁 收水器 配水系统 配水系统 进空气 进空气进空气 进空气 出水一 集水池 出水一 对流塔 横流塔 集水池 图18-1氨气吹脱塔 2)折点加氯法 含氨氮的水加氯肘,有下列反应 CL +H. HOCI+H++CI- NH*+HOCl+ NH,CI+H++h,O NH4+2HOCI<NHCL,+H*+2H,O MH+3HOC分NC1+H+3H,O 2NH*+3HOCI*N,T+5H*+3C"+3H,O 通过适当的控制,可完全去除水中的氨氮。 少氯的投加量,奢与生物硝化联用,先硝化 再除微量的残留氨氪
3 通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。 为减少氯的投加量，常与生物硝化联用，先硝化 再除微量的残留氨氮。 (2) 折点加氯法 含氨氮的水加氯时，有下列反应： + − Cl + H O ↔ HOCl + H +Cl 2 2 NH4 + HOCl↔ NH2Cl + H + H2O + + NH4 + 2HOCl ↔ NHCl2 + H + 2H2O + + 2NH4 + 3HOCl ↔ N2 ↑ +5H + 3Cl + 3H2O + + − NH4 + 3HOCl ↔ NCl3 + H + 3H2O + +
自由余氯 化合余氯 氯投量/(mgL“) 图18-3典型加氯曲线 (3)离子交换法 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。 2.生物法脱氮 1)生物脱氮机理 同化作用去除的氮依运行条件和水质而定,如果 微生物细胞中氦含量以12.5%计算,同化氪去除 占原污水BOD的2-5%,氮去除率在8-20%。 生物脱氪是在傲生物的作用下,将有机氪和氨态 氣转化为N2和NO气体的过程。其中包括硝化和 反硝化两个反应过程
4 (3) 离子交换法 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。 2. 生物法脱氮 (1) 生物脱氮机理 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态 氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和 反硝化两个反应过程。 同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果 微生物细胞中氮含量以12.5％计算，同化氮去除 占原污水BOD的2－5％，氮去除率在8－20％
氢化反应 新鮮污水中,合氮化合物主要是以有机氦,如蛋白 质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式 存在的,此外也含有少数的氯态如NH3及NH4等。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作 用,很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮 衍生物,其中分解能力强,并释放出氨的傲生物称为氨 化微生物,在氨化傲生物的作用下,有机化合物分 解、转化为氨态氮,以氨基酸为倒 RCHNH, COOH +H,0> RCOHCOOH +NH RCHNH2CO0H +O2>RCOCOOH +CO 2+NH, 有机氮 (蛋白质、尿素) 细菌分解和水解 有机氮 有机氮 (NH3-N) (细菌细胞) (净增长) 碗化气自溶和自身氧化 亚硝态氮 反硝化 (NO2) 有机碳 硝态氮 反硝化 氮气 有机碳
5 氨化反应： 新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白 质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式 存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作 用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮 衍生物，其中分解能力强，并释放出氨的微生物称为氨 化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分 解、转化为氨态氮，以氨基酸为例： RCHNH2COOH + H2O → RCOHCOOH + NH3 RCHNH2COOH + O2 → RCOCOOH + CO2 + NH3 有机氮 （蛋白质、尿素） 细菌分解和水解 氨 氮 同 化 有机氮 有机氮 （NH3-N） （细菌细胞） （净增长） O2 硝化 自溶和自身氧化 亚硝态氮 反硝化 （NO2 - ） O2 有机碳 硝化 硝态氮 反硝化 氮气 （NO3 - ） （N2） 有机碳
硝化反应: 硝化反应是在好氧条件下,将NH4转化为NO2和 NO3的过程。 2NH:+302一的→2NO+4H+2H2O 2NO;+20,一硝酸曾2NO 总反应式为 NH+20,一化细→NO+2H+HO NH-NHOH羟胺—NOH硝酰Na-2NQ 硝化细菌是化能自养菌,生长率低,对环境条件 变化较为敏感。温度,嵱解氧,污泥龄,pH,有 机负荷等都会对它产生影响。 硝化过程的影响因素 (1)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,必须氣化大量的NH3和 NO2,氧是硝化反应的电子受体,反应器内解氧含量的高 低,必将影响硝化反应的进程,在硝化反应的曝气池内, 解氧含量不得低于lmgL,多数学者建议溶解氣应保持在 1.2~2.0mg/ 在硝化反应过程中,释放H+离子,使pH值下降,硝化菌对pH 值的变化十分敏感,为保持适宜的pH值,应当在污水中保持 足够的碱度,以调节pH值的变化,lg氨态氪(以N计)完全 硝化,需碱度「以CaO3计)7.14g。对硝化菌的适宜的pH值 为80-84
6 硝化反应是在好氧条件下，将NH4 +转化为NO2 - 和 NO3 - 的过程。 2 4 + 3 2 ⎯⎯ → ⎯⎯ 2NO2 + 4H + 2H2O + 亚硝酸菌 − + NH O − ⎯⎯ →⎯ − 2 + 2 NO3 2NO 2O 2 硝酸菌 总反应式为： NH4 + 2O2 ⎯⎯ → ⎯⎯ NO3 + 2H + H2O + 硝化细菌 − + 硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件 变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有 机负荷等都会对它产生影响。 ( ) ( ) + ⎯− ⎯→ ⎯− ⎯→ ⎯− ⎯→ − ⎯− ⎯→ − 3 2 2 2 2 2 2 NH4 NH OH NOH NO NO e 羟胺 e 硝酰基 e e 硝化反应： 硝化过程的影响因素 （1）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 - ，氧是硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧含量的高 低，必将影响硝化反应的进程，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 1.2~2.0mg/l。 在硝化反应过程中，释放H+离子，使pH值下降，硝化菌对pH 值的变化十分敏感，为保持适宜的pH值，应当在污水中保持 足够的碱度，以调节pH值的变化，lg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值 为8.0-8.4
硝化过程的影响因素 (2)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, BOD值过高,将使增殖速度较高的异养型细菌迅速增殖 而使硝化菌不能成为优占种属。 (3)硝化反应的适宜温度是20-30℃,15℃以下射,硝化反应速 度下降,5℃肘完全停止。 硝化过程的影响因素 (4)硝化菌在反应暴内的停留时间,即生物固体平均停留肘间 污泥龄)SRTn,必须大于其最小的世代肘间,否则将使硝 化菌从糸统中流失殆尽,一般认为硝化菌最小世代时间在适 宜的温度条件下为3天。SRTn值与温度密切相关,温度低 SRTn取值应相应明星提高。 (5)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NH4N、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
7 硝化过程的影响因素 （2）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，将使增殖速度较高的异养型细菌迅速增殖，从 而使硝化菌不能成为优占种属。 （3）硝化反应的适宜温度是20-30℃，15℃以下时，硝化反应速 度下降，5℃时完全停止。 硝化过程的影响因素 （4）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3天。SRTn值与温度密切相关，温度低， SRTn取值应相应明显提高。 （5）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
反硝化反应 反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐 氮(NO3)和亚硝酸盐氮(NO2)还原为氮气的过程。 6NO5+2CHOH一确还原>6NO2+2CO2+4H2O 6NO2+3CHOH亚硝酸还原菌>3N2+3CO2+3H2O+6OH 总反应式为: 6NO3+5CH1OH一反础→3N2+5CO2+7HO+6OH 反硝化菌属异氧兼性厌氧菌,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。 在反硝化菌代谢活动的同肘,伴随着反硝化菌的生 长繁殖,即菌体合成过程,其反应如下: 3NO3+14CH,OH+CO2+3H-3CSH,O, N+19H,O 式中CHO2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化 还原和微生物合成的总反应式为 NO5+108CHOH+H—→>005cHON+047N+076C02+2410 从以上的过程可知,约96%的NO3-N经异化过程还 原,4%经同化过程合成微生物。 8
8 反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐 氮(NO3 - )和亚硝酸盐氮(NO2 - )还原为氮气的过程。 6NO3 + 2CH3OH ⎯⎯ → ⎯⎯ 6NO2 + 2CO2 + 4H2O − 硝酸还原菌 − - 2 3 2 2 2 6NO + 3CH OH ⎯⎯ → ⎯⎯⎯ 3N + 3CO + 3H O + 6OH − 亚硝酸还原菌 反硝化菌属异氧兼性厌氧菌，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。 - 6NO3 + 5CH3OH ⎯⎯ → ⎯⎯ 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH − 反硝化菌 总反应式为： 反硝化反应： 在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生 长繁殖，即菌体合成过程，其反应如下： 3NO3 +14CH3OH + CO2 + 3H ⎯⎯→3C5H7O2N +19H2O − + NO3 +1.08CH3OH + H ⎯⎯→0.065C5H7O2N + 0.47N2 + 0.76CO2 + 2.44H2O − + 式中C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化 还原和微生物合成的总反应式为： 从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过程还 原，4％经同化过程合成微生物
同化及异化反化 2NH, OH -+4H -2H,0→2MH +4H 化反硝化 +4H 2HNO →2HNO 2H20 2HO→mAO H O 2H N2O→ 2H.O 异化反硝化 反硝化过程的影响因素 (1丿碳源 能为反硝化菌所利用的碳源较多,从污水生物脱氪考虑,可有 下列三类:一是原污水中所含碳源,对于城市污水当原污水 BODS/TKN>3-5时即可认为碳源充足。二是外加碳源,多采 用甲醇(CHOH),因为甲醇被分解后的产物为CO2、H2C 不留任何唯降解的中间产物,三是利用微生物组织进行内源 反硝化。 (2)pH 对反硝化反应最适宜的pH值是6.5-7.5。pH值高于8低于6,反 硝化速率将大为下降
9 同化及异化反硝化 [ ] HNO H O H HNO H O H HNO 2 2 4 2 2 4 2 2 2 2 3 → − + → − + 3 2 2 2 2 4 2 NH H O H NH OH → − + 2 2 2 2 2 N H O H N O → − + 同化反硝化 异化反硝化 ＋4H -H2O 反硝化过程的影响因素 （1）碳源 能为反硝化菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可有 下列三类：一是原污水中所含碳源，对于城市污水当原污水 BOD5/TKN>3-5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、H2O， 不留任何难降解的中间产物，三是利用微生物组织进行内源 反硝化。 （2） pH 对反硝化反应最适宜的pH值是6.5-7.5。pH值高于8低于6，反 硝化速率将大为下降
反硝化过程的影响因素 (3)解氣浓度 反硝化菌属异养兼性厌氧菌,在无分子氧同肘存在硝酸和亚硝 酸离子的条件下,它们能够利用这些离子中的氣进行呼吸, 使硝酸盐还原。另一方面,反硝化菌体内的某些酶条统组 分,只有在有氧条件下,才能够合成。这样,反硝化反应宜 于在缺氣、好氧条件交替的条件下进行,解氣应控制在0.5 mg/L以下。 (4)温度 反硝化反应的最适宜温度是20-40℃C,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:提高生物体平均停留肘间;降低负荷率; 提高污水的水力停留时间。 在反硝化反应中,最大的问題就是污水中可用于反 硝化的有机碳的多少及其可生化程度 原水中含有的有机碳 碳源 外加碳源,多用甲醇 内源呼吸碳源一细菌体内的原生 物质及其贮存的有机物
10 反硝化过程的影响因素 （3）溶解氧浓度 反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在无分子氧同时存在硝酸和亚硝 酸离子的条件下，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸， 使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组 分，只有在有氧条件下，才能够合成。这样，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。 （4）温度 反硝化反应的最适宜温度是20-40℃，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。 在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反 硝化的有机碳的多少及其可生化程度 碳源 原水中含有的有机碳 外加碳源，多用甲醇 内源呼吸碳源－细菌体内的原生 物质及其贮存的有机物