废水反硝化除氮工艺及其设计.

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脱氮细菌 设计 除氮 硝酸盐 废水 反硝化作用环境与开发徐亚同不详1994第六图书馆

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｛薛。　ｃ２）　年　第９卷第　期　环　境　－ｂ＂　开，　发　１９９４　废水反硝化除氮工艺及其设计　丛垩旦　）（７　弓　（华东师范大学环境科学系）　摘要　本文介绍了脱氮细菌的类型和废水除氮的主要过程以及脱氮过程设计步　瓤关键　关键诃蜥啦程程；墅　立　；熙塑塑；　；盟；　坠　敌　彬　坠　，拓彬桕镪／　Ｔ业生产过程中排放的含氮废水及生活　在上述反应中，反硝化细菌利用硝酸盐　污水排入受纳水体，土壤中的氮肥随雨水冲　作为电子受体进行无氧呼吸来氧化有机物，　淋入江河，对水体带来严重的危害，叮引起水　其功能同氧一样『ｊ］：　体的富营养化；还原态氮会耗去水体中大量　电子受体：　氧，增加了水处理成本；化合态氮对人及水生　生物有毒害作用　因此，含氮废水的处理已成　氧　ｅ一＋｛ｏｚ＋Ｈ　—吉Ｈ２ｏ　为目前的热点。　硝酸盐　废水反硝化除氮是依据氮循环的原理，第六图书馆

　ｅ一＋ｉ１　ｕ　ａ＿十ｉ６　Ｈ＋一　Ｎ　＋詈　。　在活性污泥中各类徽生物的作用下，含氮化　亚硝酸盐　台物依次经氨化、硝化和反硝化，最终转化成　对环境无害的分子氮气，从而达到同时去碳　ｅ一＋｛Ｎｏ　＋　Ｈ　一丢　＋ｌ－ｈｏ　（ＢＯＤ）与除氮的目的，目前已得到了愈益广　现已搞清．从ＮＯ　还原为Ｎ：的过程分　泛的应用。　www.6lib.com

系列连续的四步反应完成：　反硝化作用　＋ｃ—　ｈ一　＋ｅ一　一ＮＯ７　№　ｚ０　Ｎｚ　１．生化反应　反硝化是指氧化态氮．通常是ＮＯ　和　ＮＯ　被还原为气态氮——ＮｚＯ和Ｎ　的过程。　（１）硝酸盐还原酶　在ＮＯ　一　的过程中，氧化水平较高的氮化　（２）亚硝酸盐还原酶　台物（＋５价）被还原为分子氮（Ｏ价），与此同　（３）氧化氮还原酶　时有机基质作为反硝化过程中的电子供体被　（４）氧化亚氮还原酶　氧化．整个过程可表达婀ｆＦ：　２．反硝化细菌　幅一１　（０１　２ＮＯ　ｆ＋５Ｈ２Ａ—－　＋２ＯＨ一＋４Ｈ２Ｏ＋５Ａ　表１列出了能进行异化硝酸盐还原的异　养细菌属∞，其中类群ｉ只能将ＮＯ　还原成　http://www.6lib.com 第六图书馆

２４２　环　境　与　开　发　１９９４　ＮＯ／－，而类群２由于含有反硝化中的全部酶　系．困此能将ＮＯｉ还　成Ｎｚ　表１　含有：１．仅将硝酸盐还原为亚硝酸盐Ｉ．可将硝酸　盐还原为氧化亚氮（ＮｌＯ）和氮气（Ｎ　）的异养细菌属　名（依ⅥＪ．Ｐａｙｎ￣）。　第六图书馆

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３．反硝化反应动力学方程式　化碳源．其化学反应式为：　依据所采用的碳源来描述反硝他的化学　６ＮＯ　＋５ＣＨ　ｏＨ—　３Ｎ２＋５ｏ　反应式。甲醉足最广为应用和被研究的反硝　＋７　ｏ＋６０［ｔ　http://www.6lib.com 第六图书馆

筇９卷第２措］　绦亚同：废水反硝化除氯工艺及其设计　２４３　包括细匏台成的经典反应式为：　ＮＯ　＋１．０８ＣＨ　Ｏｔ｛一４－０．２ＩＨ￣ＣＯ３一＋　０．０６Ｇ．Ｈ·ＮＯ２＋０．｜ＴＮ　＋１．６８１－１　Ｏ＋ＨＣＯ　（３）通过反硝化细菌将硝态氮转化为氮　气（或Ｎ１０），并进入大气；　早年的生物除氯工艺大多是依据自然中　过一反应式表叫每ｌ　Ｏ　—Ｎ被反硝　化：　氯循环的特点．采用去碳（ＢＯＤ）、硝化和反硝　化各自分隔的多级污泥除氮系统，废水首先　在好氧条件下去碳和硝化，其污泥经沉淀分　消耗２．４７　ｇ甲醇（约合３．７　ｇＣＯＤ）　产生０．４５　８新细胞　产生３．５７　ｇ碱度（以ＣａＣＯ　计）　ＮＯ　也会在内源呼吸ｑｔ替代氧．反应式　为：　Ｉ－Ｉ　ＮＯ　ｑ－４．６ＮＯ　一５Ｃ　＋２　离后随即回流．与后半部分并不混合　硝化的　废水进入后半部分，在缺氧条件下利用旁路　进水中的有机碳或外加甲醇等含碳有机物作　为碳源进行反硝化除氮。该系统由于将污泥　分成数级分隔开来。硝化作用及反硝化作用　ｔ－４．６Ｏｔｆ＋１．２Ｈ２Ｏ　当有机碳源充足时．反硝化速率与硝酸　都较稳定；反应速率也较高，因此可节省总池　积，运行管理时灵活性也较大。但由于池子繁　多，基建费用较高．此外分隔的反硝化部分往　盐浓度呈零级动力学反应．反硝化速率和硝　酸盐浓度无关，而只和反硝化细菌数擐有关．　缺氧池中ＮＯ　ｊ的去除可表达为：　（ＮＯ　）　一（ＮＯ『）　＝：＝（Ｒ　）（ｘｖ）（ｔ）　式中：（ＮＯｉ）　．（ＮＯＩ＿）　——分别为进出　水的ＮＯ　—Ｎ，ｍｇ／ｌ。　Ｒ　一反硝化速率，ｇＮＯ　ｉ－－Ｎ／ｇＶＳＳ·ｄ　ｘｖ一挥糖陛污泥浓度，ｍｇ／Ｌ　Ｒｌ　㈣　Ｒ１）Ｎ（２ｏ）Ｋ　（１一Ｄ０）　第六图书馆

（２）　往采用外加碳源脱氮，ｌ运行费用亦高。　目前建造的大型城市污水厂大多采用单　级污泥反硝化系统　它们的共同特点是去碳、　硝化和反硝化在分隔或不分隔的同一系统内　的不同区段中进行．整个系统只有一种污泥．　因此只设一个二沉池。不论其流程如何变换，　系统内总是存在着去碳和硝化的好氧段（或　好氧池）以及进行反硝化的缺氧段（或缺氧　池）这二大部分　１．Ａ／Ｏ工艺　Ａ／Ｏ工艺（Ａｎｏｘｉｅ／Ｏｘｉ￣ｓｙｓｔｅｍ）缺氧池在　反硝化速率还与温度和ＤＯ水平有关：　式中：Ｋ一反硝化的温度系数　Ｋ值范围为１．０３～１．１，通常取１．０９．　www.6lib.com

前，反硝化细菌可利用进水中的碳源进行反　硝化，随后废水进入后面的好氧池去碳和硝　化．为了给前端缺氧池提供硝酸盐，增设混　合液回流泵以将好氧池中含硝酸盐的混合　液回流至缺氧池．其回流比通常为进水流量　的ｌ～４倍，依去氯目标而定　对已建污水厂　也可仿照这—流程通过关闭前端的曝气机创　造—个缺氧区段来达到脱氮的目的。该流程　较简单．故已破广泛地采用，其流程见图１．　二、生物反硝化除氯工艺　所有的生物除氮包括以Ｆ三种基本过　程ｔ　（１）由于活性污泥或生物濮微生物物质　的生Ｋ。使氯同化合成为微生物细胞物质；　（２）废水中的有机氮和氨态氮通过硝化　作ＩＩＪ被硝化细菌转化成硝态氮；　http://www.6lib.com 第六图书馆

２４４　环　境　与　开　发　１９９４　混合液回流　１～４Ｑ　圉１　Ａ／０工艺　２　氧化沟工艺　废水中的碳源和好氧段来的硝酸盐进行反硝　在环状的氧化沟中某一点或多点设置曝　化脱氮。处理后出水在好氧段末端设导管引　气机。污泥沿氧化沟循环流动。在曝气机的下　游区段为好氧段，以进行去碳和硝化。远离曝　入二沉池。曝气机常选用转刷或浸没式Ｕ型　管曝气机，它的转速慢、能耗省．但可满足充　气机的区段直至曝气机上游端为缺氧段。废　氧和使污泥向前流动。氧化沟的能耗及运行　水在缺氧段起始点进入，反硝化细菌可利用　成本省．但占地面积较大，其流程见图２．　Ｑ　ＲＡｓ．０．５Ｏ　第六图书馆

ⅥｒＡＳ　３。酗喇ｅｎｐｈｏ工艺　www.6lib.com

采用生物膜反应器（生物滤池或生物转盘）进　四段Ｂａｒｄｅｎｐｂｏ工艺的前面二段类似于　行去碳和硝化（好氧区段）或反硝化（厌氧区　Ａ／Ｏ工艺。为了进一步提高去氮率，我们可将　段），在此不一—赘述。　好氧池ｌ流出的硝酸盐导入第二个缺氧池．反　硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的二次性基　质作为碳源进行反硝化．以彻底去除系统中　三、反硝化除氮系统的工艺　的硝酸盐，缺氧池２的反硝化速率相对较低。　设计　最后污泥进入好氧池２以吹脱氯气泡．提高污　反硝化除氮系统的工艺设计分为碳氧化　泥的沉降性能。其工艺流程见图３．　（去Ｂ口ｌＤ）、硝化和反硝化三部分．其中去碳和　另一大类反硝化系统是利用生物膜中的　硝化在好氧曝气池中进行．反硝化在不曝气　徽生物来进行的．即在匕述工艺的相应区段，　的缺氧池中进行。在设计中首先要确定：　http://www.6lib.com 第六图书馆

第９卷第２期　徐亚同：废水反硝化除氮工艺及其设计　２４５　内回流，４Ｑ　ｉ　一　、／　缺氧池ｌ好氧池１缺氧池２好氧池２　ＲＡＳ，Ｏ．５ｏ　—ｗＡＳ　图３　四段Ｂａｒｄｅｎｌ￣ｈｏ工艺　（１）好氧池的体积；　ＭＬＳｓ。污泥产率的计可按常规的好氧活性污　（２）缺氧池的体积和污泥混合液的回流　泥法，在以城市污水初沉池出水值计算时常　比；　取０．６～０．８　ｋｇＴＳＳ／ｋｇＢＯＤ）在以原水计算时　（３）是否需璎后曝气池及其体积；　常取０．８～１．０　ｋｇ￣Ｓ／ｋｇＤＯｒ）．混合液ＭＬｓ；ｓ　（４）沉淀池的体积；　值因受二沉池固体负荷率所制约，设计浓度　（５）整个工艺的物料衡算；　常取２　５００￣３　５００　ｍｇ／Ｌ．综上所述，好氧池　Ｉ．好氧池　体积大小的设定由以下步骤组成：　氮在经反硝化去除以前首先须转化成硝　（１）根据该厂废水湿度最低的周或月平　态氮油于硝化作用是一个好氧过程，它仅在　均温度以及选定的安全系数，计算好氧池的　有氧的条件下发生。因此，第六图书馆

所设计的好氧池体　设计ＳＲＴ；　积必须满足达到硝化的要求，即只有当好氧　池的污泥停留时间（ＳＲＴ，或称泥龄）超过硝　www.6lib.com

（２）根据工艺ＢｏＤ负荷和污泥产率计　算污泥产量；　化细菌的最大生长速率时才能达到硝化。达　（３）将污泥产量乘以好氧池的设计ＳＲＴ　到硝化的好氧池最小ＳＲＴ受温度显著的影　得出好氧池固体总量；　响（见图４）。因此，在设计好氧池最小的ＳＲＴ　（４）根据设计的ＭＩＳＳ值和达到硝化所　时应依据该系统最低的运行温度，即选择该　需的总固体量算得好氧池体积大小｝　厂废水温度最低的周或月平均温度来估算所　２．缺氧池　需的好氧池最小ＳＲＴ．例如已知某厂废水在　缺氧池的工艺设计包括确定缺氧池体积　最寒冷季节的最低周平均水温是１０＇Ｃ，从图４　的太小和所需的混合液回流比。污泥在好氧　中可知，１０℃时好氧池：￣／ＪｘＳＲＴ是５．５天，将　条件下用于硝化的分数必须与污泥不充氧用　它乘以一个安全系数即可得出设计的ＳＲＴ．　于反硝化的分数相平衡。缺氧池是否像Ｂａｒ－　在进水变化较大的情况下，安全系数对达到　ｄｅｎｐｂｏ工艺那样戈　分成前后二个则河去氮目　稳定的运行和符合排放标准的出水水质是十　标有关。若去氮目标仅为６０￣７５　．则一般的　分必要的。安全系数通常取１．５～２．５，好氧　的Ａ／ｏ工艺即可满足这一要求　若需进—步　池体积还依赖污泥产率和设计的混合液　http://www.6lib.com 第六图书馆

２４６　环　境　与　开　发　ｌ９９４　８　ｌ　４　ｌ６　ｌ８　２０　２２　２４　２６　２８　３０　湿度℃　围４湿度对硝化作用ｔ１１，ＳＲＴ的影响，ｐＨ＝７－２，ＤＯ＝２ｒｎｇ／Ｌ　提高氮去除率，须选用前后有二个缺氧池的　氧池１中经反硝化去除的ＮＯ　量大体上相　Ｂａｒｄｅｎｐｈｏ工艺．使好氧池中产生的ＮＯ　一部　等。缺氧池１中去除ＮＯ　量等于好氧池１中产　分通过内回流返回到缺氧池１中被反硝化，另　生的ＮＯ　ｉ量减去进入缺氧池２的ＮＯ　量。可　部分进入缺氧池２被反硝化去除。缺氧池的　以选择好氧池１中ＮＯ　的浓度来计算ＮＯ　在　反硝化潜力依赖于最低的水温及进水中可生　缺氧池１和缺氧池２中减少的数量　利甩ＮＯ　物降解ＣＯＤ．当缺氧池的ＮＯ　—Ｎ负荷与它　的反硝化潜力相等时，系统的反硝化能力达　最高。缺氧池的ＮＯ　—Ｎ负荷可通过改变混　合液的回流比来控制，缺氧池大小可根据设　定的污泥混合液浓度ＭＬ　和缺氧池中厌氧　污泥分数来算得。缺氧池ｌ的体积是根据去除　来自回流的混合液中ＮＯ　的数量而定。缺氧　池２的体积是依据去除来自好氧池１中残存的　ＮＯ　数量以满足排放标准，具体步骤为：　（１）首先计算整个过程中被硝化的氮量．　它等于进水ＴＫＮ量减去耗于同化合成剩余　污泥中的氮量。污泥中台氮量通常占挥发性　固体ＶＳＳ的８～１２　，因此，被硝化的氮等于　进水ＴＫＮ减去剩余污泥产量与污泥中氮量　第六图书馆

在缺氧池１中减少的数量来计算混合液回流　比，通常缺氧池１和混合液回流比的大小是按　www.6lib.com

去除６５￣８５　的ＮＯ　来计算的。好氧池１中　ＮＯ　—Ｎ浓度为４～８　ｍｇ／Ｌ。回流比通常为进　水流量的１００￣４００　。　（３）在（１）和（２）的基础上，再根据缺氧池　ｌ中废水的ＣＯＤ可生物利用性比缺氧池２高，　因此反硝化速率也较高　反硝化速率与负荷　有关，Ｂａｒｄｉｃｋ等指出，缺氧池１中比反硝化速　率ＳＲＤＮ　与缺氧池１中污泥负荷Ｆ／Ｍ］间的关　系为：　ＳＲＤＮ　一０．０３（Ｆ／Ｍ　）＋０．０２９　（３）　缺氧池１中比反硝化速率通常为０．０５～０．１５　ｇＮＯ　—Ｎ／ｇＭＬ．ＳＳ·ｄ．它主要与负荷及废水的　特性有关。缺氧池２中反硝化速率通常仅为缺　的乘积。　缺氧池体积大　（２）接着计算污泥混合液回流比。从好氧　氧池１的２０～５０　．综上所述，池１经回流进入缺氧池１所携带的ＮＯ　与缺　小计算步骤为：　http://www.6lib.com 第六图书馆

第９卷第２期　徐亚Ｉ司：废水反硝化除氮工艺及其设计　２４７　（１）计算被硝化的氯量；　度平衡要考虑到反硝化过程中产生的破度和　（２）设定好氧池１出水ＮＯｉ浓度，依据　硝化过程中消耗的碱度这睡１、方面，其结果　这一数值计算缺氧池１中被反硝化的ＮＯ　量　将会告诉我们在好氧池１是否需要加碱来调　以及所需的混合液回流比；　节ｐＨ．最后计算整个过程的ＳＲＴ，以确保其　（３）设定缺氧池ｌ和缺氧池２合适的反硝　在合理的范围内。　化速率；　单级污泥反硝化系统中的供氧可使废水　（｜）根据每一池中ＮＯ　被去除的量、反　中有机物氧化（碳需氧）以及使Ｎ　一Ｎ氧化　硝比速率和设汁的ＭＬＳＳ浓度汁算每一１、缺　为ＮＯ　ｉ－－Ｎ（氯需氯）；此外通过排泥可减少　氧池体积的大小。　污泥的耗氧．在反精化中可回收原先使　从ｂ至ｄ步可用不同的好氧池１出水　Ｎ　一Ｎ氧化成ＮＯ　Ｉ　Ｉ耗用氧的６２．５　．整个　ＮＯ一度重复代入．以优化整１、系统的大小和　系统总的需氧量可按ｒ斌计算Ｉ［　玉除率。　＝ａＱｏ（Ｓｏ－－Ｓｅ）＋ｂ［Ｑｏ（ＴＮｏ—ＴＫＮｅ）　３．好氧池２　０．１２ｘｗ］一ｃｘｗ—ｂ［Ｑｏ（１　一ＴＫＮｅ—Ｎ０　在单级污泥反硝化系统中．第２　１、好氧池　Ｎｅ）－－０．１２Ｘｗ］（０．６２５）　（４）　（好氧池２）有二１、月】途：①吹脱缺氧池２中中　式中；ａ——ＣＯＤ的氧当量，其数值为１　附于污泥絮体上的氮气，以确保进入二沉池　ｂ——ＮＨ　—Ｎ的氧当量，其数值为　中污泥有良好的沉降性能；②将缺氧池２中固　｜＿５７　微生物内源腐败产生的ＮＨ　予以硝化。此外，　ｃ——活性污泥的氧当量，其数值为１．４２　在缺氧池在后面的桥本Ａ／Ｏ工艺中往往在　Ｑｏ——进水流量．Ｍ　／ｈ　缺氧池后也设一个停留时间极短的好氧池．　Ｓｏ．Ｓｅ——分别为进出水ＣＯＤ值，ｍｇ／Ｌ　其称为后曝气池。　好氧池２的设计较简单，它包括确定池积　的大小和曝气量。池积大小通常选择在平均　第六图书馆

０．１２——污泥挥发性固体中氮的分数　０．６２５——反硝化时硝酸盐中氧的回收　益　流量时水力停留时间３０￣４５分钟。曝气量根　据离缺氧池２的ＮＨ　被硝化时预期的需氧量　www.6lib.com

ＴＮｏ——进水总氮浓度，ｍｓ／Ｌ　ＴＫＮｅ——出水总凯氏氮浓度，ｍｇ几　加上污泥混合液内源呼吸耗氧量，此外还要　Ｘｗ——每小时排泥中挥发性固体量．　考虑到将曝气池内污泥混合．防止污泥沉淀　ｇｖ￣／Ｌ　所需的能耗．其通常为０．０２　Ｍ　压缩空气／Ｍ　主要参考文献　分或对机械表面曝气机为０．０４马力／Ｍ＇．　［１３像亚同编善废水生物处理的运行和管理．华　４．物料衡算　东师范大学出版社：上海．１９８９　１５１￣１８４．　通过工艺设计确定了各组成部分的体积　［２］Ｅｃ￣ｎｆｅＪｄｃｒ　ｅＬ　ａ１．Ｅａｏｓ￣－ｕｓ　ａｎｄ　Ｎｉｔｒｏ－　大小后，应计算每一种物质的平衡。过程总氧　ｇｅｎ　Ｒ￣ｍｏｖａｌ　Ｆｒｏ－ｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐ丑Ｉ　Ｗａｓｔ￣ｖａｔｅ￣，２ｒｉｄ　ｅｄ·，　平衡应根据去碳（碳氧化）加上硝化的需氧量　Ｌｅｗｉｓ．Ｐｕｌ￣ｉｓｈｅｒｓ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ．１９９１．　再扣除反硝化消耗的碳的需氧量来计算。碱　［３］朱广汉等．上海环境科学．１９８７　６（２）　致谢：本文在法国Ｌｙｏｎｎａｉｓｅ　ｄｅｓ　Ｅａｕｘ　Ｄｕｒｒ￣。水和环境国　翊ｆ究中心”完成，感谢该中心生物和生物技术研究室　同事们的大力帮助　http://www.6lib.com 第六图书馆