1、廢水生物脫氮技術東華大學環境學院主講：楊波一、廢水中氮存在的形式（四種） 有機氮例：己內酰胺CONHNH(CH2)5CO(C2H5)xNHyNH2N谷氨酸COOHHHCCHOOC422NH|ClCHNHC 33CH|3CH|2512十二烷基三甲基氯化銨COOCHNHCCHCH2|25123|3 十二烷基甜菜堿 氨氮)NNH(3等。，實際上是無機氨氮 NH ClNH CO)NH( 34324 亞硝酸鹽氮)NNO( )NNO(32硝酸鹽氮。占和；占；有機氮占在生活污水中：50 6050N-NH 6040 323NNONNO二、水體中存在氮的危害 消耗 DO 硝化菌是自養菌，硝化菌氧化過程中釋放的能

2、量少，生長緩慢。 促進藻類繁殖，使水富營養化一起，PN促進藻類和其他水生物生長繁殖，使水體富營養化。 NH3對魚有毒害作用 HNH34NHOHNH23OHNH4OHNH4。對魚類毒害較大，限值存在。形式主要以方向進行；反應向生成形式存在；主要以在水中0.02mg/LNH NH NH 12pH NH 7 NH 7 33334pHpH NH3-N在水中引起異味；當水中NNO3濃度高，嬰兒會患變性血紅蛋白癥。三、硝化菌在硝化NH4+時的二個過程 合 成 氧 化 合成反應 )亞硝酸菌( NOH3COH4H23NO10151327522合成24CONH) (NOHCHNO10251027532224硝酸

3、菌合成OHCONONH總反應：總反應：2752324NOH2COHH12NO5107合成CONH亞硝化細菌亞硝化細菌【Nitrosomonas】的合成作用：的合成作用：硝化細菌硝化細菌【Nitrobacter】的合成作用：的合成作用：硝化菌利用NH4中的N和廢水中CO2合成自己的新細胞，同時也把部分NH4氧化成NO3，此過程不利用水中的DO。 氧化是指NH4和O2作用生成NO3，是單純氧化過程，同時放出能量。 氧化反應 )(42232_224亞硝化細菌HOHNOONH)(22_322硝化細菌NOONOEHOHNOONH222_324總反應： 氧化1mgNH3-N，需消耗4.6mg的氧，7.1m

4、g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菌。 討論： 1）怎樣使亞硝酸菌NO2產率系數比硝酸菌大，生長快，世代時間短？ 2）硝化菌從廢水中NH3、NH4或NO2氧化過程中獲得E ，獲得生命體所需N。利用水中無機碳CO32HCO3CO2作為碳源完成生命增殖過程。硝酸鹽在缺氧（anoxic）條件下，被反硝化細菌還原為亞硝酸鹽，再轉化為氮氣等，此過程稱為反硝化。反硝化微生物多數為異養、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，氧化有機物，并獲得能量。四、反硝化菌的同化與異化作

5、用反硝化細菌的異化作用： 2COOH4NO6262223OHCHNO3OHHCOOHCHNO6033N33622232 6OH735562223OHNCOOHCHNO3總反應：以CH3OH為碳源：硝態氮的反硝化作用產生OH-。反硝化同化作用：OH33143227523NOHCHCOOHCHNO3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）： Cm0.7D1.1Ni2Na式中：Cm甲醇濃度（mg/L） D溶解氧濃度（mg/L） Ni亞硝態氮濃度（mg/L） Na硝態氮濃度（

6、mg/L）以CH3OH為碳源時：因此，總的甲醇消耗量為： Cm0.9D1.5Ni2.5Na生物總量（同化作用）：X=0.19D0.32Ni0.53Na McCarty請思考：當碳源用BOD5表示時，總的BOD5消耗量為多少？ 答案： BOD51.35D2.3Ni3.75Na傳統生物脫氮機理示意圖：五、硝化作用的動力學與影響因素硝化作用以氨氮或亞硝態氮為單一利用基質，因此動力學模式更加接近Monod方程。硝化過程的特點：一般情況下，亞硝化速度大大小于硝化速度(Umax)NS=0.40.5d-1； (Umax)NR=1d-1，即亞硝化過程為整個硝化過程的限制步驟。由Monod方程：max11max

7、0()/1d()dmg /150.4mg /NSNSNNSNSCNSNUNUKNdXdtUUXUNLKCL式中：亞硝化細菌的比增長速率（）亞硝化細菌的最大比增長速率（）氨氮的濃度（）飽和常數（時為）。由于KN很小：是零級反應。即：硝化反應可以認為NSNNSNSUNKNUU)()(maxmax影響硝化作用的因素1.溫度（t）：對最大比增長速和飽和常數的影響158. 1015. 01max0)15(098. 00maxmax10d47. 0)(15)15()()(tNNStNSNSKUCeCUU可取時，2.pH值：硝化最佳pH值在7.28.8之間。3.堿度：硝化1g氨氮需要消耗7.1g堿度（以Ca

8、CO3計）。4.溶解氧：要求系統DO2mg/L。5.抑制性物質：如重金屬、游離氨等。當考慮到基質濃度、溶解氧和當考慮到基質濃度、溶解氧和pH影響時，對影響時，對Monod方程進行修正（雙方程進行修正（雙Monod方程方程pH值修值修正）正）)2 . 7(833. 01 47. 0)()2 . 7(833. 01 )(22)15(098. 0max22max22pHOKOeUpHOKONKNUUOtNSONNSNS式中：對最小細胞平均停留時間的討論：NSMCCNNSNSUNKNXdtdXNKNUU)(11/)(maxmax，又設計時，42,KKMCdC硝化作用的計算步驟：1.確定2.計算3.計算

9、N（出水氨氮濃度）：。和dCMC20t1NS10NS44NSsdc05. 1d05. 0) t (dd05. 020d)mg/mg2 . 0(mg/mg3 . 005. 0d)(1）（）（）（一般取式中：）（KCKNNHVSSNNHVSSYKUYNSNSNSNSU）（s：理論產率】：表觀產率；【）（）式中：（）（0dc00maxmaxmaxs)d(1)()/()(YYKYYYUVNKNVUNSNSNSNSNSNSNNSNS4.計算t（HRT）。，常取，一般小于污泥中硝化細菌的含量），污泥濃度（進水中氨氮濃度，式中：08. 01 . 0/mg/mg)(t00PLMLVSSXLNPXUNNNSS六

10、、反硝化動力學與影響因素一般情況下，廢水系統中亞硝態氮不會存在累計，因此在反應動力學上可以將反硝化作用簡化為一步反應。此時的Monod方程如下：計算步驟同硝化。，常取：；，常取：）：參數（反硝化菌的其它動力學力學。即：反硝化遵循零級動）（很小，）。，常取時約為飽和常數（）硝態氮的濃度（。時約為），比增長速率（反硝化細菌的最大）長速率（反硝化細菌的比增式中：）（11d330max0a1101max1aamaxd04. 0d08. 004. 0mg/mg8 . 0mg/mg9 . 04 . 020/mg1 . 0/mg2 . 006. 020/mgd9 . 03 . 0d3 . 020d)(1/d

11、KNOVSSNOVSSYCUUKLLCKLNCUXdtdXUUNKNUUDNDNDNDNDNDNCDNDNDNDNDN影響因素1.溫度：最適宜溫度2035，低于15 反硝化速度明顯降低，5 以下時速度極低。2.pH值：適宜的pH值范圍為7.08.5（小于7.3產物為N2，大于7.3產物為N2O）。3.有機物濃度和C/N比：有過量的有機物存在；BOD/TKN（35）:1，可以滿足不添加外源性碳源實現脫氮。4.DO與ORP：DO0.2mg/L；ORP-50-110mV。5.抑制性物質或有毒物質：較硝化作用的影響要小。七、新型生物脫氮機理與工藝（1）同時硝化反硝化工藝（SND）機理：a.反應器在宏觀

12、上存在好氧區和缺氧區；b.反應器中活性污泥菌膠團或生物膜存在好氧、缺氧的微環境。如：固定化微生物單級脫氮工藝。（2）好氧反硝化機理：存在好氧反硝化細菌（同時屬于異養硝化菌），在好氧條件下實現反硝化；好氧反硝化和硝化同時進行。（3）短程硝化反硝化：）短程硝化反硝化：機理：將硝化過程控制在亞硝化階段，然后直接進行反硝化的過程。關鍵：如何控制硝化作用在亞硝化階段？A.溫度：硝化細菌在445均有活性，適宜溫度：2030 。但是在1214或超過30時，會出現NO2-累積。B.DO：濃度低時，硝化作用受抑制，會產生NO2-累積。C.pH：pH7.48.3時，容易出現NO2-累積。硝化細菌最適宜pH值在7附

13、近，亞硝化細菌在8附近。D.NH3-N濃度： NH3-N濃度為0.6mg.L時即對硝化細菌產生抑制，而對亞硝化細菌的抑制濃度為5mg/L。E.泥齡：亞硝化細菌的時代時間較硝化細菌的時代時間短，可以通過泥齡的控制，淘汰硝化細菌，使亞硝化細菌為優勢菌。（4）厭氧氨氧化NH4+作為電子供體、NO2-作為電子受體直接進行反硝化反應，并稱之為厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonia Oxidation簡寫為Anammox）。NO2- + H NH2OH(羥氨 ) ； NH2OHNH4+ N2H4； N2H4 N2H2+H； N2H2 N2+H八、實例 F/O-A/B/C工藝實質 A2/O3工藝A1

14、水解酸化A2反硝化O1去碳O2硝化O3污泥消化BiofilmActivated Stadge 何為A/B/C A高負荷區，異養菌占優勢 B一般負荷區， C低負荷區。 (1)Fs-SVI關系dtdxdtds控制污泥膨脹，保證：SV下降。dtdxdtds22Skdtds（2）曲線a-a，b-b，c-c 1) a-a段)00(/4551 . 01600050006001 . 0/3600/5000/1000/6000)1 (0 . 2/5000105 . 25 . 1/5 . 25 . 1200365的話若進水中）（濃度XSSLmgQQXQXXRdmQRLmgXLmgSadmQXQXRQXQQSaL

15、mgSVIXMicrobeFooddMLSSKgKgBODFsSVIRRRAARRRARRR2）b-b段dmXQSaQXQMLmgXMFQSaFSVIdMLSSKgKgBODFsRRRRR/600050002 . 0100060002 . 0/50002 . 0/200/2 . 035F/O-A/B/C染整廢水 廣東河源紡織城廣東省優質示范工程；世界銀行貸款前綜合污水廠；江陰飛宇集團染整廢水處理工程河道；中國金輪集團反硝化菌兼性厭氧菌缺氧條件好氧條件生長速率小QV ,NN)dtdN(XK)dtdN(DNe0DNDN廢水BiofilmAnaerobicBiofilmAnoxicActivated

16、 SludgeABC二沉池厭缺硝化亞硝酸菌硝酸菌強烈好氧菌中性堿性自養型細菌不需有機養料 A、去碳硝化混和工藝BOD5、NH3氧化在一反應器內 生長速率很高的異氧菌迅速繁殖 生長速率慢的硝化菌優勢下降出水中NH3N未能轉化以降低 Q提 高 T控制NH3N 去碳、硝化分級異養好氧菌自養型硝化菌分別在兩個獨立反應器中進行可得到各自適宜生長環境，使反以速率有所提高。 生物反硝化反硝化菌兼性厭氧菌 NNO3（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碳電子供體進行異化反硝化反應由上可見，在生物反硝化過程中氮化合物被還原有機碳得到氧化分解降低能量消耗 CH3OH資源剩余污

17、泥例：水產品廢水72小時生物降解 ATP高能磷酸化合物三磷酸腺苷（嘌呤）OPOPOPOHH2OOPOPOHHOPOH30514JOOOOOOHOHOHOHOH(ATP)OOH磷酸能量水解(ADP)能量滲透酶梯度逆濃度轉移主動運輸基因轉移ATPPiADP實際廢水處理案例： 含微量 PA6單體廢水 廢水量 污物量（BOD5、CODCr、NH3-N） 治理工藝 （1）碳化工藝。，需，產生分解碳化工藝中：236-AN-3NH5BOD3222116molO8molNH1Pmol1M3020 9817 8 .113 NNHOH4CO6O8ONHCA、同化1Kg細胞物質需氮量0.122Kg，需P量0.023

18、Kg。B、酸性條件下，NH3N大氣中去。（2）氨氮氧化 硝化菌在硝化時4NH氧化合成二個過程。A、氧化過程 a.亞硝化菌 b.硝化菌能。，是單純氧化過程，放作用與特點：324NOONHB、合成過程 a.亞硝酸菌 b.硝化菌。，不消耗水中的氧化成把部分合成新細胞物質。和廢水中中利用學合成過程，氧化同時，細菌生命化特點：234244ONONH b. COHNNH NH a. 治理工藝 A、去碳硝化混和工藝 單級 B、去碳硝化分級工藝 C、A/B/C工藝的改進脫氮反應動力學 D、TN去除生物反硝化銨的氧化速率。產率系數；亞硝酸菌增長速率；NSNNSNSNNS)dtdN(Y )dtdX()dtdN(Y)dtdX(反硝化菌濃度。反應常數；XKXK)dtdN(DN Reactor完全混合反應器 hmQmVN-NONeNQV NN)dtdN(33DN30DNe0DN。設計流量，；反硝化器容積，）濃度；（入流、出流硝酸氮，反硝化速率： 1.06(