廢水生物脫氮技術(shù)

廢水生物脫氮技術(shù)東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院主講：楊波一、廢水中氮存在的形式（四種）

有機(jī)氮例：己內(nèi)酰胺C＝ONHNH(CH2)5CO(C2H5)xNHyNH2N谷氨酸

氨氮

亞硝酸鹽氮二、水體中存在氮的危害

消耗DO

硝化菌是自養(yǎng)菌，硝化菌氧化過(guò)程中釋放的能量少，生長(zhǎng)緩慢。

促進(jìn)藻類繁殖，使水富營(yíng)養(yǎng)化促進(jìn)藻類和其他水生物生長(zhǎng)繁殖，使水體富營(yíng)養(yǎng)化。

NH3對(duì)魚有毒害作用

NH3-N在水中引起異味；當(dāng)水中濃度高，嬰兒會(huì)患變性血紅蛋白癥。三、硝化菌在硝化NH4+時(shí)的二個(gè)過(guò)程合成氧化

合成反應(yīng)

總反應(yīng)：亞硝化細(xì)菌【Nitrosomonas】的合成作用：硝化細(xì)菌【Nitrobacter】的合成作用：硝化菌利用NH4＋中的N和廢水中CO2合成自己的新細(xì)胞，同時(shí)也把部分NH4＋氧化成NO3－，此過(guò)程不利用水中的DO。

氧化是指NH4＋和O2作用生成NO3－，是單純氧化過(guò)程，同時(shí)放出能量。

氧化反應(yīng)

氧化1mgNH3-N，需消耗4.6mg的氧，7.1mg的堿度。亞硝化菌包括亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化螺菌屬和亞硝化葉菌屬中的細(xì)菌。硝化菌包括硝化桿菌屬、硝化球菌屬和硝化囊菌屬中的細(xì)菌。

討論：

1）怎樣使亞硝酸菌NO2－產(chǎn)率系數(shù)比硝酸菌大，生長(zhǎng)快，世代時(shí)間短？2）硝化菌從廢水中NH3、NH4＋或NO2－氧化過(guò)程中獲得△E，獲得生命體所需N。利用水中無(wú)機(jī)碳CO32－HCO3－CO2作為碳源完成生命增殖過(guò)程。硝酸鹽在缺氧（anoxic）條件下，被反硝化細(xì)菌還原為亞硝酸鹽，再轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾?，此過(guò)程稱為反硝化。反硝化微生物多數(shù)為異養(yǎng)、兼性微生物，在缺氧條件下，利用NO2-和NO3-中的N作為電子受體，氧化有機(jī)物，并獲得能量。四、反硝化菌的同化與異化作用反硝化細(xì)菌的異化作用：以CH3OH為碳源：硝態(tài)氮的反硝化作用產(chǎn)生OH-。反硝化同化作用：反硝化作用的異化和同化作用都需要碳源，前者為提供電子供體，后者提供有機(jī)碳源。一般假定合成作用消耗的碳源約為能耗碳源的30％。

以甲醇為例，為滿足能耗的甲醇量如下（異化作用）：

Cm＝0.7D＋1.1Ni＋2Na

式中：Cm－甲醇濃度（mg/L）

D－溶解氧濃度（mg/L）

Ni－亞硝態(tài)氮濃度（mg/L）

Na－硝態(tài)氮濃度（mg/L）

以CH3OH為碳源時(shí)：因此，總的甲醇消耗量為：

Cm＝0.9D＋1.5Ni＋2.5Na

生物總量（同化作用）：⊿X=0.19D＋0.32Ni＋0.53Na[McCarty]

請(qǐng)思考：當(dāng)碳源用BOD5表示時(shí)，總的BOD5消耗量為多少？

答案：[BOD5＝1.35D＋2.3Ni＋3.75Na]傳統(tǒng)生物脫氮機(jī)理示意圖：五、硝化作用的動(dòng)力學(xué)與影響因素硝化作用以氨氮或亞硝態(tài)氮為單一利用基質(zhì)，因此動(dòng)力學(xué)模式更加接近Monod方程。硝化過(guò)程的特點(diǎn)：一般情況下，亞硝化速度大大小于硝化速度[(Umax)NS=0.4~0.5d-1；(Umax)NR=1d-1]，即亞硝化過(guò)程為整個(gè)硝化過(guò)程的限制步驟。由Monod方程：由于KN很?。河绊懴趸饔玫囊蛩?.溫度（t）：對(duì)最大比增長(zhǎng)速和飽和常數(shù)的影響2.pH值：硝化最佳pH值在7.2～8.8之間。3.堿度：硝化1g氨氮需要消耗7.1g堿度（以CaCO3計(jì)）。4.溶解氧：要求系統(tǒng)DO>2mg/L。5.抑制性物質(zhì)：如重金屬、游離氨等。當(dāng)考慮到基質(zhì)濃度、溶解氧和pH影響時(shí)，對(duì)Monod方程進(jìn)行修正（雙Monod方程＋pH值修正）對(duì)最小細(xì)胞平均停留時(shí)間的討論：設(shè)計(jì)時(shí)，硝化作用的計(jì)算步驟：1.確定2.計(jì)算3.計(jì)算N（出水氨氮濃度）：4.計(jì)算t（HRT）六、反硝化動(dòng)力學(xué)與影響因素一般情況下，廢水系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮不會(huì)存在累計(jì)，因此在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上可以將反硝化作用簡(jiǎn)化為一步反應(yīng)。此時(shí)的Monod方程如下：影響因素1.溫度：最適宜溫度20～35℃，低于15℃反硝化速度明顯降低，5℃以下時(shí)速度極低。2.pH值：適宜的pH值范圍為7.0～8.5（小于7.3產(chǎn)物為N2，大于7.3產(chǎn)物為N2O）。3.有機(jī)物濃度和C/N比：有過(guò)量的有機(jī)物存在；BOD/TKN>（3~5）:1，可以滿足不添加外源性碳源實(shí)現(xiàn)脫氮。4.DO與ORP：DO<0.2mg/L；ORP＝-50～-110mV。5.抑制性物質(zhì)或有毒物質(zhì)：較硝化作用的影響要小。七、新型生物脫氮機(jī)理與工藝（1）同時(shí)硝化－反硝化工藝（SND）機(jī)理：a.反應(yīng)器在宏觀上存在好氧區(qū)和缺氧區(qū)；b.反應(yīng)器中活性污泥菌膠團(tuán)或生物膜存在好氧、缺氧的微環(huán)境。如：固定化微生物單級(jí)脫氮工藝。（2）好氧反硝化機(jī)理：存在好氧反硝化細(xì)菌（同時(shí)屬于異養(yǎng)硝化菌），在好氧條件下實(shí)現(xiàn)反硝化；好氧反硝化和硝化同時(shí)進(jìn)行。（3）短程硝化－反硝化：機(jī)理：將硝化過(guò)程控制在亞硝化階段，然后直接進(jìn)行反硝化的過(guò)程。關(guān)鍵：如何控制硝化作用在亞硝化階段？A.溫度：硝化細(xì)菌在4～45℃均有活性，適宜溫度：20～30℃。但是在12～14℃或超過(guò)30℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)NO2-累積。B.DO：濃度低時(shí)，硝化作用受抑制，會(huì)產(chǎn)生NO2-累積。C.pH：pH＝7.4～8.3時(shí)，容易出現(xiàn)NO2-累積。硝化細(xì)菌最適宜pH值在7附近，亞硝化細(xì)菌在8附近。D.NH3-N濃度：NH3-N濃度為0.6mg.L時(shí)即對(duì)硝化細(xì)菌產(chǎn)生抑制，而對(duì)亞硝化細(xì)菌的抑制濃度為5mg/L。E.泥齡：亞硝化細(xì)菌的時(shí)代時(shí)間較硝化細(xì)菌的時(shí)代時(shí)間短，可以通過(guò)泥齡的控制，淘汰硝化細(xì)菌，使亞硝化細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌。（4）厭氧氨氧化NH4+作為電子供體、NO2-作為電子受體直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)，并稱之為厭氧氨氧化（AnaerobicAmmoniaOxidation簡(jiǎn)寫為Anammox）。{NO2-+

[H]

NH2OH(羥氨

)

；NH2OH＋NH4+[N2H4]；[N2H4]

[N2H2]+[H]；[N2H2]N2+[H]}八、實(shí)例

F/O-A/B/C工藝實(shí)質(zhì)

A2/O3工藝A1－水解酸化A2－反硝化O1－去碳O2－硝化O3－污泥消化BiofilmActivatedStadge

何為A/B/CA－高負(fù)荷區(qū)，異養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì)

B－一般負(fù)荷區(qū)，

C－低負(fù)荷區(qū)。(1)Fs-SVI關(guān)系控制污泥膨脹，保證：SV％下降。（2）曲線a-a’，b-b’，c-c’1)a-a’段2）b-b’段F/O-A/B/C染整廢水廣東河源紡織城－－廣東省優(yōu)質(zhì)示范工程；世界銀行貸款－－前綜合污水廠；江陰飛宇集團(tuán)染整廢水處理工程－－河道；中國(guó)金輪集團(tuán)反硝化菌－－兼性厭氧菌缺氧條件好氧條件生長(zhǎng)速率小廢水BiofilmAnaerobicBiofilmAnoxicActivatedSludgeABC二沉池厭缺硝化亞硝酸菌硝酸菌強(qiáng)烈好氧菌中性堿性自養(yǎng)型細(xì)菌不需有機(jī)養(yǎng)料

A、去碳硝化混和工藝－－BOD5、NH3氧化－－在一反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)速率很高的異氧菌迅速繁殖

生長(zhǎng)速率慢的硝化菌優(yōu)勢(shì)下降出水中NH3－N未能轉(zhuǎn)化以降低Q提高T控制NH3－N

去碳、硝化分級(jí)異養(yǎng)好氧菌自養(yǎng)型硝化菌分別在兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)器中進(jìn)行可得到各自適宜生長(zhǎng)環(huán)境，使反以速率有所提高。

生物反硝化－－反硝化菌－－兼性厭氧菌

（出水）好氧菌－－以氧作為電子受體－－能源ATP碳源反硝化菌－－以硝酸氮作為電子受體－－有機(jī)碳電子供體進(jìn)行異化反硝化反應(yīng)由上可見(jiàn)，在生物反硝化過(guò)程中氮化合物被還原有機(jī)碳得到氧化分解降低能量消耗

CH3OH資源－－剩余污泥例：水產(chǎn)品廢水－－72小時(shí)生物降解

ATP－－高能磷酸化合物－－三磷酸腺苷（嘌呤）－O－P－O～P－O～P－OH＋H2O－O－P－O～P－OH＋HO－P－OH＋30514JOOOOOOHOHOHOHOH(ATP)OOH磷酸能量水解(ADP)能量滲透酶梯度逆濃度轉(zhuǎn)移主動(dòng)運(yùn)輸基因轉(zhuǎn)移ATPPiADP實(shí)際廢水處理案例：

含微量PA－6單體廢水廢水量污物量（BOD5、CODCr、NH3-N）

治理工藝（1）碳化工藝A、同化1Kg細(xì)胞物質(zhì)需氮量0.122Kg，需P量0.023Kg。B、酸性條件下，NH3－N大氣中去。（2）氨氮氧化硝化菌在硝化氧化合成二個(gè)過(guò)程。A、氧化過(guò)程a.亞硝化菌b.硝化菌B、