废水生物脱氮AO脱氮课件.docx

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废水生物脱氮AO脱氮课件

10.5.1A/O——缺氧——好氧活性污泥法

（1）基本原理  A/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越性是除了使有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能，是将厌氧水解技术用为活性污泥的前处理，所以A/O法是改进的活性污泥法。

A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。

在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率；在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（NH4+）氧化为HO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。

（2）工艺流程

图10.1A/O工艺流程

活性污泥几种主要运行方式工艺参数比较

单位：

Ls─污泥负荷KgBOD5/KgMLSS·d

Lv─容积负荷KgBOD5/m3（有效容积）·d

MLSS─混合液浓度mg/L

R─污泥回流比%

HI─供气量m3（空气）/m3污水

ts─污泥龄d

说明：

①上表是根据回流污泥浓度4～8g/L确定的，回流污泥浓度改变时，相关数据也应相对改变。

②当所要求的处理效率降低时，Ls值可以增大。

③当进水BOD5小于一般城市污水的BOD5时，Ls应相应减少

④污水在曝气池内实际水力停留时间t’=V/（1+R）Q?

（h）

⑤曝气时间t=曝气池有效容积V（m3）/污水设计流量Q（m3/h）=污水在曝气池内名义水力停留时间

（3）主要工艺特点

1.缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，可减轻其后好氧池的有机负荷，反硝化反应产生的减度可以补偿好氧池中进行硝化反应对碱度的需求。

2.好氧在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高出水水质。

3.BOD5的去除率较高可达90～95%以上，但脱氮除磷效果稍差，脱氮效率70～80%，除磷只有20～30%。

尽管如此，由于A/O工艺比较简单，也有其突出的特点，目前仍是比较普遍采用的工艺。

该工艺还可以将缺氧池与好氧池合建，中间隔以档板，降低工程造价，所以这种形式有利于对现有推流式曝气池的改造。

（4）A/O工艺的影响因素

A/O工艺运行过程控制不要产生污泥膨胀和流失，其对有机物的降解率是较高的（90～95%），缺点是脱氮除磷效果较差。

如果原污水含磷浓度<3mg/L，则选用A/O工艺是合适的，为了提高脱氮效果，A/O工艺主要控制几个因素：

①MLSS一般应在3000mg/L以上，低于此值A/O系统脱氮效果明显降低。

②TKN/MLSS负荷率（TKN─凯式氮，指水中氨氮与有机氮之和）：

在硝化反应中该负荷率应在0.05gTKN/（gMLSS·d）之下。

③BOD5/MLSS负荷率：

在硝化反应中，影响硝化的主要因素是硝化菌的存在和活性，因为自氧型硝化菌最小比增长速度为0.21/d；而异养型好氧菌的最小比增殖速度为1.2/d。

前者比后者的比增殖速度小得多。

要使硝化菌存活并占优势，要求污泥龄大于4.76d；但对于异养型好氧菌，则污泥龄只需0.8d。

在传统活性污泥法中，由于污泥龄只有2～4d，所以硝化菌不能存活并占有优势，不能完成硝化任务。

要使硝化菌良好繁殖就要增大MLSS浓度或增大曝气池容积，以降低有机负荷，从而增大污泥龄。

其污泥负荷率（BOD5/MLSS）应小于0.18KgBOD5/KgMLSS·d

④污泥龄ts：

为了使硝化池内保持足够数量的硝化菌以保证硝化的顺利进行，确定的污泥龄应为硝化菌世代时间的3倍，硝化菌的平均世代时间约3.3d（20℃）

硝化菌世代时间与污水温度的关系

若冬季水温为10℃，硝化菌世代时间为10d，则设计污泥龄应为30d

⑤污水进水总氮浓度：

TN应小于30mg/L，NH3-N浓度过高会抑制硝化菌的生长，使脱氮率下降至50%以下。

⑥混合液回流比：

R的大小直接影响反硝化脱氮效果，R增大，脱氮率提高，但R增大增加电能消耗增加运行费。

A/O工艺脱氮率与混合液回流比关系

⑦缺氧池BOD5/NOx--N比值：

H>4以保证足够的碳/氮比，否则反硝化速率迅速下降；但当进入硝化池BOD5值又应控制在80mg/L以下，当BOD5浓度过高，异养菌迅速繁殖，抑制自养菌生长使硝化反应停滞。

⑧硝化池溶解氧：

DO>2mg/L，一般充足供氧DO应保持2～4mg/L，满足硝化需氧量要求，按计算氧化1gNH4+需4.57g氧。

⑨水力停留时间：

硝化反应水力停留时间>6h；而反硝化水力停留时间2h，两者之比为3:

1，否则脱氮效率迅速下降。

⑩pH：

硝化反应过程生成HNO3使混合液pH下降，而硝化菌对pH很敏感，硝化最佳pH=8.0～8.4，为了保持适宜的PH就应采取相应措施，计算可知，使1g氨氮（NH3-N）完全硝化，约需碱度7.1g（以CaCO3计）；反硝化过程产生的碱度（3.75g碱度/gNOx--N）可补偿硝化反应消耗碱度的一半左右。

反硝化反应的最适宜pH值为6.5～7.5，大于8、小于7均不利。

⑾温度：

硝化反应20～30℃，低于5℃硝化反应几乎停止；反硝化反应20～40℃，低于15℃反硝化速率迅速下降。

?

?

?

因此，在冬季应提高反硝化的污泥龄ts，降低负荷率，提高水力停留时间等措施保持反硝化速率。

（5）A/O工艺设计参数

①水力停留时间：

硝化不小于5～6h；反硝化不大于2h，A段:

O段=1:

3

②污泥回流比：

50～100%

③混合液回流比：

300～400%

④反硝化段碳/氮比：

BOD5/TN>4，理论BOD消耗量为1.72gBOD/gNOx--N

⑤硝化段的TKN/MLSS负荷率（单位活性污泥浓度单位时间内所能硝化的凯氏氮）：

<0.05KgTKN/KgMLSS·d

⑥硝化段污泥负荷率：

BOD/MLSS<0.18KgBOD5/KgMLSS·d

⑦混合液浓度x=3000～4000mg/L（MLSS）

⑧溶解氧：

A段DO<0.2～0.5mg/L

    O段DO>2～4mg/L

⑨pH值：

A段pH=6.5～7.5

    O段pH=7.0～8.0

⑩水温：

硝化20～30℃

反硝化20～30℃

⑾碱度：

硝化反应氧化1gNH4+-N需氧4.57g，消耗碱度7.1g（以CaCO3计）。

反硝化反应还原1gNO3--N将放出2.6g氧，生成3.75g碱度（以CaCO3计）

⑿需氧量Ro?

单位时间内曝气池活性污泥微生物代谢所需的氧量称为需氧量（KgO2/h）。

微生物分解有机物需消耗溶解氧，而微生物自身代谢也需消耗溶解氧，所以Ro应包括这三部分。

Ro=a’QSr+b’VX+4.6Nr

a’─平均转化1Kg的BOD的需氧量KgO2/KgBOD

b’─微生物（以VSS计）自身氧化（代谢）所需氧量KgO2/KgVSS·d。

上式也可变换为：

Ro/VX=a’·QSr/VX+b’或Ro/QSr=a’+b’·VX/QSr

Sr─所去除BOD的量（Kg）

Ro/VX─氧的比耗速度，即每公斤活性污泥（VSS）平均每天的耗氧量KgO2/KgVSS·d

Ro/QSr─比需氧量，即去除1KgBOD的需氧量KgO2/KgBOD

由此可用以上两方程运用图解法求得a’b’

Nr—被硝化的氨量kd/d

4.6—1kgNH3－N转化成NO3-所需的氧量（KgO2）

几种类型污水的a’b’值

⒀供氧量─单位时间内供给曝气池的氧量，因为充氧与水温、气压、水深等因素有关，所以氧转移系数应作修正。

ⅰ.理论供氧量

1.温度的影响

KLa（θ）=KL（20）×1.024Q-20θ─实际温度

2.分压力对Cs的影响（ρ压力修正系数）

    ρ=所在地区实际压力（Pa）/101325（Pa）

=实际Cs值/标准大气压下Cs值

3.水深对Cs的影响

Csm=Cs/2·（Pb/0.1013+Qt/21）

Csm─曝气池中氧的平均饱和浓度（mg/L）

Pb─曝气设备装设深度（Hm）处绝对气压（Mpa）

Pb=Po+9.81×10-3HPo─当地大气压力（Mpa）

Qt=21·（1-EA）/[79+21·（1-EA）]?

?

EA─扩散器的转移效率

Qt─空气离开池子时含氧百分浓度

综上所述，污水中氧的转移速率方程总修正为：

dc/dt=αKLa（20）（βρCsmθ-Cl×1.024θ-20

{理论推出氧的转移速率dc/dt=αKLa（βCs-Cl）}

在需氧确定之后，取一定安全系数得到实际需氧量Ra

Ro=RaCsm（20）/α（βρCsm（θ）-CL）×1.024θ-20

则所需供气量为：

q=（Ro/0.3EA）×100m3/h

CL─混合液溶解氧浓度，约为2～3（mg/L）

Ra─实际需氧量KgO2/h

Ro─标准状态需氧量KgO2/h

在标准状态需氧量确定之后，根据不同设备厂家的曝气机样本和手册，计算出总能耗。

总能耗确定之后，就可以确定曝气设备的数量和规格型号。

ⅱ.实际曝气池中氧转移量的计算

1.经验数据法 当曝气池水深为2.5～3.5m时，供气量为：

采用穿孔管曝气，去除1KgBOD5的供气量80～140m3/KgBOD5

扩散板曝气，去除1KgBOD5供气量40～70m3空气/KgBOD5

2.空气利用率计算法

每m3空气中含氧209.4升

1大气压（101.325Kpa）,0℃1m3空气重1249克含氧300克

1大气压（101.325Kpa）,20℃1m3空气重1221克含氧280克

按去除1Kg的BOD5需氧1Kg计算，需空气量分别为3.33和3.57m3，曝气时氧的利用率一般5～10%（穿孔管取值低，扩散板取值高），假定试验在20℃进行：

若氧利用率为5%，去除1Kg的BOD5需供空气72m3

若氧利用率为10%，去除1Kg的BOD5需供空气36m3

算出了总的空气供气量，就可根据设备厂家提供的机样选择曝气设备的规格型号和所需台数。

（6）活性污泥法系统的工艺设计

（1）处理效率（E%）

E=（La-Le）/La×100%=Lr/La×100%

La─进水BOD5浓度（mg/L）

Le─二沉池出水BOD5浓度（mg/L）

Lr─去除的BOD5浓度（mg/L）

（2）曝气池容积（V）

V=Qla/XLs=QLr/Lv

Q─曝气池污水设计流量（m3/d）

Ls─污泥负荷率KgBOD5/KgMLSS·d

Lv─容积负荷KgBOD5/m3有效容积·d

X─混合液MLSS浓度mg/L

（3）曝气时间（名义水力停留时间）t（d）

t=V/Q（d）

（4）实际水力停留时间t’（d）

t’=V/（1+R）Q?

（d）

R─污泥回流比%

（5）污泥产量ΔX（Kg/d）

ΔX=aQLr-bVXv

Xv=fxf=0.75

a─污泥增长系数，取0.5～0.7

b─污泥自身氧化率（d-）,一般取0.04～0.1

Xv─混合液挥发性污泥浓度（MLVSS）Kg/m3

（6）污泥龄（ts）污泥停留时间SRT

ts=1/（aLs-b）

（7）剩余污泥排放量q（m3/d）

q=VR/（1+R）ts（m3/d）或q=ΔX/fXR（m3/d），f=MLVSS/MLSS一般为0.75

XR─回流污泥浓度（Kg/m3）

（8）曝气池需氧量（O2Kg/d）

Ro=a’QSr+b’VXv+4.6Nr

a’─氧化每KgBOD5需氧千克数（KgO2/KgBOD5）

一般a’取0.42～0.53

b’─污泥自身氧化需氧率（d-1）即KgO2/KgMLVSS·d

一般取0.188～0.11

Nr─被转化的氨氮量Kg/d

4.6─为1KgNH3-N转化成硝酸盐所需氧量（KgO2）

10．5．4  A2/O脱氮除磷工艺

Anaerobic─Anoxic─Oxic厌氧─缺氧─好氧工艺

（1）作用机理

①首段厌氧池─有机物水解、磷的释放

微生物吸收利用污水中的有机物，通异养菌分泌的外酶，促使淀粉、碳水化合物、纤维、烃类水解，将大分子有机物变成小分子有机物（主要是有机酸），有机物水解过程及主要产物：

  在有机物水解的第一阶段主要产物是有机酸，所以这一阶段又称为水解产酸阶段。

水解的第二阶段是蛋白质和脂肪等含氮化合物的水解：

  细胞原生质中，含胆碱的磷酸酯，在芽胞杆菌假胞杆菌和某些霉菌的作用下，分泌出卵磷酯类酶，通过水解作用生成甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱，再进一步水解放出NH3、有机酸等：

?

?

  真菌的细胞壁、昆虫的甲壳含有的几丁质，是葡萄糖的缩聚物，某些微生物如贝内克氏菌（Beneckea）中的一些种属能分泌几丁质酶使几丁质水解产生氨基葡萄糖和乙酸，氨基葡萄糖再经氨基脱氢酶的水解作用产生氨：

  核酸是蛋白质组成的重要组分。

它是许多单核苷酸的多聚物，核苷酸由嘌呤碱或嘧啶碱与核酸和磷酸分子组成。

在微生物产生的核酸酶的作用下水解成核苷和磷酸，核苷再经核苷酸水解成嘧啶、嘌呤和核糖。

?

    生成的嘌呤或嘧啶在脱氨酶的作用下继续水解放出氨：

  厌氧段各种有机物被微生物吸收利用使BOD5浓度下降，同时由于合成细胞原生质，NH3-N因细胞合成而被除去一部分，磷则大量释放形成磷酸盐。

  在缺氧段──反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将回流混合液中带入的大量NO3-N和NO2-N还原为N2，因此BOD5继续下降，NO3-和NO2-浓度大幅度下

降，而磷在缺氧段变化很小。

  ②在好氧段——未分解的小分子有机进一步氧化分解；在充足供氧条件下，好氧池的后段，硝化菌将NO3-N转化为NO3-；而聚磷菌（异养型革兰氏阴性菌短杆菌）是兼性厌氧菌竞争力很差，然而却能在细胞内贮存聚β羟基丁酸（PHB）和聚磷酸盐（poly-p）。

在厌氧—好氧过程中，聚磷菌在厌氧池中为优势菌种，构成了活性污泥絮体的主体，它吸收低分子的有机物（如脂肪酸），同时将贮存在细胞中聚合磷酸盐中的磷通过水解而释放出来，并提供必需的能量。

而在随后的好氧池中，聚磷菌所吸收的有机物将被氧化分解释放能量，这时聚磷菌过量地吸收磷，在数量上远远超过其细胞合成所需的磷，将磷以聚合磷酸盐的形式贮藏在菌体内，而形成高磷污泥，通过剩余污泥排泥系统排出，因而可获得相当好的除磷效果。

  好氧池的前段，由于小分子有机物的进一步分解，使有机物浓度进一步降低时硝化菌得以繁殖使NH3-N得到硝化：

  氧化代谢不是单独进行的，在NH4+被硝化的同时，微生物分泌的内酶作用

下合成新的细胞原生质，这就导致了微生物的连续增长：

  由上述反应过程可知：

（1）将1g氨氮转化为硝酸盐需耗氧2O2/NH4+=4.57g；

（2）硝化过程中释放出的H+将消耗水中的碱度，每氧化1g氨氮消耗碱7.14gCaCO3。

  虽然硝化过程消耗一定的碱度，但由于在反硝化池的缺氧条件下，兼性厌氧菌（反硝化菌）的作用，在氢供体（有机物）充足的条件下，NO2-和NO3-被还原成N2：

  由（22）（23）两式可知：

（1）其反硝反应实际上是利用了废水中的NO2-和NO3-中的氧，每还原1gNO3--N的供氧量约为2.6g（理论值为3.4g/gNO3-）；

（2）反硝化过程产生一定量的碱度，约为3.47g（CaCO3）/gNO3-，可抵消硝化过程消耗碱的一半（7.14gCaCO3）左右。

（2）A2/O工艺流程

①　A2O工艺参数设计

1）水力停留时间?

厌氧、缺氧、好氧三段总停留时间6～8h，

厌氧：

缺氧：

好氧=1：

1：

（3～4）

2）混合液回流比?

200%

3）污泥回流比?

50～100%

4）有机物负荷?

好氧段<0.18KgBOD5/KgMLSS·d

厌氧段>0.18KgBOD5/KgMLSS·d

5）总凯氏氮污泥负荷率

好氧段TKN/MLSS<0.05TKN/KgMLSS·d

6）厌氧段BOD5/NOx--N>4

7）厌氧段进水P/BOD5<0.06

8）污泥浓度3000～4000mg·L-1

9）溶解氧?

好氧段DO=2～3mg/L

缺氧段DO≤0.5mg/L

厌氧段DO≤0.2mg/L；硝态氮≈0

10）硝化反应氧化1gNH4+-N需氧4.57g，需消耗碱度7.1g（以CaCO3）计

11）反硝化反应还原1gNOx--N将放出2.6g氧，生成3.75g碱度（以CaCO3计），并消耗1.72BOD5

12）需氧量?

与A/O工艺计算方法相同

13）PH?

好氧池PH=7.0～8.0

缺氧池PH=6.5～7.5

厌氧池PH=6～8

14）水温?

13～25℃微生物生长较稳定

15）污泥中含磷比率2.5%

②　A2/O存在问题

A2/O工艺在去除有机污染物的同时，具有一定脱氮除磷效果，为污水回用和实现资源化开辟了新途径，产生污泥量少。

但该工艺要求同时取得脱氧除磷的高效果是困难的。

其原因是：

硝化反应要求低的有机物负荷，高的回流污泥比，但高的回流比将大量NO3-带回厌氧池，反硝化的进行影响聚磷菌对磷的释放，因为聚磷菌生长要求高有机物负荷，低污泥龄和低的污泥回流比，并在低NO3-浓度的厌氧条件下，聚磷菌释放磷，才能为在好氧池聚磷菌吸收磷提供条件，所以工艺流程中将污泥回流分别回流到厌氧池和缺氧池，即污泥在厌氧池的回流率为10%，以利于聚磷菌在厌氧池中良好繁殖，将磷从污泥中释放出来；90%污泥回流至缺氧池，以利于NO3--N在缺氧池进行反硝化，减少因NO3-的反硝化作用对聚磷菌的抑制。

10．5．5  VIP工艺（VirginiaInitiativePlant）

  VIP是美国Virginia州HamptonRoads公共卫生区与CHZMHILL公司开发的，并获得了专利。

该工艺流程如下：

  VIP工艺反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式反应格（池）串联在一起，这种形式形成了有机物的梯度分布，充公发挥了聚磷菌的作用，提高了厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速度。

因而比单个体积的完全混合式反应池是有更高的除磷效果。

缺氧反应池的分格使大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，这样在缺氧池的最后一格硝酸盐的量极少，甚至基本上没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧池，保证了厌氧池严格的厌氧环境。