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你想知道的脫氮方法全在這裡了
文章來源:未知      發布者:金山環保集團
脫氮技術包括化學法生物法,由于化學法會産生二次污染,而且成本高,所以一般使用生物脫氮技術

 

一、生物脫氮

污水生物處理脫氮主要是靠一些專性細菌實現氮形式的轉化。

含氮有機化合物在微生物的作用下首先分解轉化為氨态氮NH4+或NH3,這一過程稱為“氨化反應”。

硝化菌把氨氮轉化為硝酸鹽,這一過程稱為“硝化反應”;

反硝化菌把硝酸鹽轉化為氮氣,這一反應稱為“反硝化反應”。

含氮有機化合物最終轉化為氮氣,從污水中去除。

1、硝化過程

硝化菌把氨氮轉化為硝酸鹽的過程稱為硝化過程,硝化是一個兩步過程,分别利用了兩類微生物——亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌。這兩類細菌統稱為硝化菌,這些細菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-CO2等無機碳。

第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉化為亞硝酸鹽,第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。

這兩個過程釋放能量,硝化菌就是利用這些能量合成新細胞和維持正常的生命活動,氨氮轉化為硝态氮并不是去除氮而是減少了它的需氧量。

氧化1g氨氮大約需要消耗4.3gO2和8.64gHCO3-(相當于7.14gCaCO3堿度)。

硝化過程的影響因素:

1)溫度:硝化反應最适宜的溫度範圍是30~35℃,溫度不但影響硝化菌的比增長速率,而且會影響硝化菌的活性。

2)溶解氧:硝化反應必須在好氧條件下進行,溶解氧濃度為0.5~0.7mg/L是硝化菌可以容忍的極限,溶解氧低于2mg/L條件下,氮有可能被完全硝化,但需要較長的污泥停留時間,因此一般應維持混合液的溶解氧濃度在2mg/L以上。

3)pH和堿度:硝化菌對pH特别敏感,硝化反應的最佳pH是在7.2~8之間。每硝化1g氨氮大約需要消耗7.14gCaCO3堿度,如果污水沒有足夠的堿度進行緩沖,硝化反應将導緻pH值下降、反應速率減慢。

4)有毒物質:過高的氨氮、重金屬、有毒物質及某些有機物質對硝化反應都有抑制作用。

5)泥齡:一般來說,系統的泥齡應為硝化菌世代周期的兩倍以上,一般不得小于3~5d,冬季水溫低時要求泥齡更長,為保證一年四季都有充分的硝化反應,泥齡通常都大于10d。

6)碳氮比:BOD5與TKN的比值是C/N,是反映活性污泥系統中異養菌與硝化菌競争底物和溶解氧能力的指标。C/N不同直接影響脫氮效果。一般認為,處理系統的BOD5負荷低于0.15BOD5/(MLVSS·d)時,硝化反應可以正常進行。

2、反硝化過程

反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程,即由硝化菌産生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下,被還原為氮氣後從水中溢出的過程。

反硝化過程主要在缺氧狀态下進行,溶解氧的濃度不能超過0.2mg/L,否則反硝化過程就要停止。

反硝化也分為兩步,第一步由硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽,第二步由亞硝酸鹽轉化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。

反硝化的影響因素:

1)溫度:反硝化的最适宜溫度範圍是35~45℃。

2)溶解氧:為了保證反硝化過程的進行,必須保持嚴格的缺氧狀态,保持氧化還原電位為-50~-110mV;為使反硝化反應政策進行,懸浮型活性污泥系統中的溶解氧保持在0.2mg/L以下;附着性生物處理系統可以容許較高的溶解氧濃度,一般低于1mg/L。

3)pH值:最佳範圍在6.5~7.5。

4)碳源有機質:需要提供足夠的碳源,碳源物質不同,反硝化速率也不同。

5)碳氮比:理論上将1g硝酸鹽氮轉化為氮氣需要碳源物質BOD2.86g。

2.86這個數字具體怎麼得出的,很多人不清楚。在這裡順道說一下(此處引用一位大咖的講解):

我們說的C,其實大多數時候指的是COD(化學需氧量),即所謂C/N實際為COD/N,COD是用需氧量來衡量有機物含量的一種方法,如甲醇氧化的過程可用(1)式所示,二者并不相同,但二者按照比例增加,有機物越多,需氧量也越多。因此,我們可以用COD來表征有機物的變化。

CH3OH+1.5O2→CO2+2H2O(1)

a. 反硝化的時候,如果不包含微生物自身生長,方程式非常簡單,通常以甲醇為碳源來表示。

6NO3-+5CH3OH→3N2+5CO2+7H2O+6OH-(2)

由(1)式可以得到甲醇與氧氣(即COD)的對應關系:1mol甲醇對應1.5mol氧氣,由(2)式可以得到甲醇與NO3-的對應關系,1mol甲醇對應1.2molNO3-,兩者比較可以得到,1molNO3--N對應1.25molO2,即14gN對應40gO2,因此C/N=40/14=2.86。

b. 反硝化的時候,如果包含微生物自身生長,如(3)式所示。

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

同樣的道理,我們可以計算出C/N=3.70。

c. 附注:本來事情到這裡已經算完了,但是還想發揮一下第一種情況,以下計算隻是一種化學方程式的數學計算,不代表真的發生這樣的反應。

如果我們把(1)、(2)兩式整理,

N2+2.5O2+2OH-→2NO3-+H2O

有負離子不方便,我們在兩邊減去2OH-,

N2+2.5O2→N2O5

其中,N源于NO3-,O可以代表有機物,因此,對應不含微生物生長的反硝化的理論碳源的需求量,實際就是相當于把N2氧化成N2O5的需氧量,進一步說就是N2O5分子中O/N的質量比。

這樣就更簡單了,C/N=16×5/(14×2)=20/7=2.86

依次可以類推出NO2--N的純反硝化的理論C/N比是N2O3分子中O/N的質量比=16×3/(14×2)=12/7=1.71

6)有毒物質:鎳濃度大于0.5mg/L、亞硝酸鹽含量超過30mg/L或鹽濃度高于0.63%時都會抑制反硝化作用。

3、生物脫氮的基本條件

1)硝酸鹽:硝酸鹽的生成和存在是反硝化作用發生的先決條件,必須先将污水中的含氮有機物如蛋白質、氨基酸、尿素、脂類、硝基化合物等轉化為硝酸鹽氮。

2)不含溶解氧:反應器中的氧都将被有機體優先利用,從而減少反應器能脫氮的亞硝酸鹽量,溶解氧超過0.2mg/L時沒有明顯脫氮作用。

3)兼性菌團:多數情況下,細菌普遍具有脫氮習性,污水處理的微生物脫氮時在好氧和缺氧條件下反複交替,其中以兼性菌團為主。

4)電子供體:生物脫氮的能量來自脫氮過程中起電子供體作用的碳質有機物,脫氮時污水中有機物必須充足,否則需要投加甲醇、乙醇、乙酸等外部碳源。

4、廢水生物脫氮處理方法

生物脫氮工藝是一個包括硝化和反硝化過程的單級或多級活性污泥法系統。從完成生物硝化的反應器來看,脫氮工藝可分為微生物懸浮生長型(活性污泥法及其變形)和微生物附着生長型(生物膜反應器)兩大類。

多級活性污泥法系統具有多級污泥回流系統,是傳統的生物脫氮法,是将硝化和反硝化分别單獨進行。此流程可以得到相當好的BOD5去除效果和脫氮效果,其缺點是流程長、構築物多、基建費用高、需要外加碳源、運行費用高、出水中殘留一定量甲醇等。

單級活性污泥法系統則是将含碳有機物的氧化、硝化和反硝化在一個活性污泥系統中實現,并且隻有一個沉澱池,即一個污泥回流系統。

單級活性污泥脫氮系統代表方法是缺氧/好氧(A/O)工藝和四段Bardenpho工藝(A/O/A/O),其他方法還有厭氧/缺氧/好氧(A2/O)工藝、Phoredox(五段Bardenpho)工藝、UCT工藝、VIP工藝等;

此外,氧化溝、SBR法、循環活性污泥法等通過調整運行方式而有脫氮功能時也歸為單級活性污泥脫氮系統。其中A2/O工藝、Bardenpho工藝、Phoredox工藝、UCT工藝、VIP工藝等同時具有脫氮除磷功能。

生物膜反應器适合世代周期長的硝化細菌生長,而且其中固着生長的微生物使硝化菌和反硝化菌各有其适合生長的環境。因此在一般的生物膜反應器内部,也會同時存在硝化和反硝化過程。

在已有的活性污泥法處理過程中,通過投加粉末活性炭等載體,不僅可以提高去除BOD5的能力,還可以提高整個系統的硝化和脫氮效果。如果将已經實現硝化的廢水回流到低速轉動的生物轉盤和鼓風量較小的生物濾池等缺氧生物膜反應器内,可以取得更好的脫氮效果,且不需污泥回流。

二、化學脫氮

氨氮質量濃度大于500mg/L 的廢水稱為高濃度氨氮廢水。工業廢水和城市生活污水中氨氮的含量急劇上升,呈現氨氮污染源多、排放量大,并且排放的濃度增大的特點。

針對高氨氮廢水的處理技術主要使用吹脫法、化學沉澱法等。

1、吹脫法

将空氣通入廢水中,使廢水中溶解性氣體和易揮發性溶質由液相轉入氣相,使廢水得到處理的過程稱為吹脫,常見的工藝流程見圖1。

吹脫法的基本原理是氣液相平衡和傳質速度理論。将氨氮廢水pH 調節至堿性,此時,铵離子轉化為氨分子,再向水中通入氣體,使其與液體充分接觸,廢水中溶解的氣體和揮發性氨分子穿過氣液界面,轉至氣相,從而達到去除氨氮的目的。常用空氣或水蒸氣作載氣,前者稱為空氣吹脫,後者稱為蒸汽吹脫。

蒸汽吹脫法效率較高,氨氮去除率能達到90%以上,但能耗較大,一般應用在煉鋼、化肥、石油化工等行業,其優點是可回收利用氨,經過吹脫處理後可回收到氨質量分數達30%以上的氨水。

空氣吹脫法的效率雖比蒸汽法的低,但能耗低、設備簡單、操作方便。在氨氮總量不高的情況下,采用空氣吹脫法比較經濟,同時可用硫酸作吸收劑吸收吹脫出的氨氮,生成的硫酸铵可制成化肥。

但是在大規模的氨吹脫-汽提塔生産過程中, 産生水垢是較棘手的問題。通過安裝噴淋水系統可有效解決軟質水垢問題,可是對于硬質水垢,噴淋裝置也無法消除。此外,低溫時氨氮去除率低,吹脫的氣體形成二次污染。因此,吹脫法一般與其他氨氮廢水處理方法聯合運用,用吹脫法對高濃度氨氮廢水進行預處理。

最佳吹脫工藝條件,見表1。

 


通過對比分析表1 可以得出:

(1)吹脫法普遍适宜的pH 在11 附近;

(2)考慮經濟因素,溫度在30~40 ℃附近較為可行,且處理率高;

(3)吹脫時間為3 h左右;

(4)氣液比在5 000∶1 左右效果較好,且吹脫溫度越高,氣液比越小;

(5)吹脫後廢水的濃度可降低到中低濃度;

(6)脫氮率基本保持90%以上。盡管吹脫法可以将大部分氨氮脫除, 但處理後的廢水中氨氮仍然高達100 mg/L 以上,無法直接排放,還需要後續深度處理

2、化學沉澱法(磷酸铵鎂沉澱法)

化學沉澱法的原理,是向氨氮污水中投加含Mg2+ 和PO43- 的藥劑, 使污水中的氨氮和磷以鳥糞石(磷酸铵鎂)的形式沉澱出來,同時回收污水中的氮和磷。

化學沉澱法的優點主要表現在: 工藝設計操作相對簡單;反應穩定,受外界環境影響小,抗沖擊能力強;脫氮率高,效果明顯,生成的磷酸铵鎂可作為無機複合肥使用,解決了氮的回收和二次污染的問題,具有良好的經濟和環境效益。磷酸铵鎂沉澱法适用于處理氨氮濃度較高的工業廢水。

 表2 總結了一些使用化學沉澱法處理氨氮廢水的案例。

可以看出, 磷酸铵鎂沉澱法處理氨氮廢水的适宜條件是:pH 約為9.0,n(P)∶n(N)∶n(Mg)在1∶1∶1.2 左右,磷酸铵鎂沉澱法的脫氮率能維持在較高水平,普遍能夠達到90%以上。

低濃度氨氮工業廢水處理技術

廢水中氨氮的構成主要有兩種,一種是氨水形成的氨氮,一種是無機氨形成的氨氮,主要是硫酸铵、氯化铵等。氨氮是造成水體富營養化的重要因素之一, 對這類污水進行回收利用時還會對管道中的金屬産生腐蝕作用, 縮短設備和管道的壽命,增加維護成本。

目前工業上常用于處理低濃度氨氮的技術主要有吸附法、折點氯化法、生物法、膜技術等。

1、吸附法

吸附是一種或幾種物質(稱為吸附物)的濃度在另一種物質(稱為吸附劑)表面上自動發生變化的過程, 其實質是物質從液相或氣相到固體表面的一種傳質現象。

吸附法是處理低濃度氨氮廢水較有發展前景的方法之一。吸附法常利用多孔性固體作為吸附劑,根據吸附原理不同可分為物理吸附、化學吸附和交換吸附。

處理低濃度氨氮廢水較為理想的是離子交換吸附法,它屬于交換吸附方法的一種,利用吸附劑上的可交換離子與廢水中的NH4+ 發生交換并吸附NH3 分子以達到去除水中氨的目的, 這是一個可逆過程, 離子間的濃度差和吸附劑對離子的親和力為吸附過程提供動力。

具有良好吸附性能且常用的吸附劑有: 沸石、活性炭、煤炭、離子交換樹脂等,根據其吸附原理的不同,這些吸附材料對不同吸附物的吸附效果不同。

該法一般隻适用于低濃度氨氮廢水, 而對于高濃度的氨氮廢水, 使用吸附法會因吸附劑更換頻繁而造成操作困難, 因此需要結合其他工藝來協同完成脫氮過程。供吸附法使用的吸附劑很多, 但不同吸附劑對廢水中氨氮的吸附量卻有很大不同, 表3 對比了部分吸附劑的吸附效果。

由表3 可以看出,對于傳統的吸附劑如沸石、交換樹脂等, 其對氨氮的處理率較高, 一般能達到90%以上。

2、折點氯化法

折點氯化法是污水處理工程中常用的一種脫氮工藝,其原理是将氯氣通入氨氮廢水中達到某一臨界點,使氨氮氧化為氮氣的化學過程,其反應方程式為:NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-

折點氯化法的優點為:處理效率高且效果穩定,去除率可達100%;該方法不受鹽含量幹擾,不受水溫影響,操作方便;有機物含量越少時氨氮處理效果越好,不産生沉澱;初期投資少,反應迅速完全;能對水體起到殺菌消毒的作用。

但是折點氯化法僅适用于低濃度廢水的處理, 因此多用于氨氮廢水的深度處理。該方法的缺點是:液氯消耗量大,費用較高,且對液氯的貯存和使用的安全要求較高, 反應副産物氯胺和氯代有機物會對環境造成二次污染。

三、不同濃度工業含氨氮廢水的處理方法比較

 

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