廢水生物脫氮技術(shù)

1、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(shí)際上是無機(jī)氨氮 NH ClNH CO)NH( 34324 亞硝酸鹽氮)NNO( )NNO(32硝酸鹽氮。占和；占；有機(jī)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(yǎng)菌，硝化菌氧化過程中釋放的能

2、量少，生長緩慢。 促進(jìn)藻類繁殖，使水富營養(yǎng)化一起，PN促進(jìn)藻類和其他水生物生長繁殖，使水體富營養(yǎng)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(jìn)行；反應(yīng)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(dāng)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(shí)的二個(gè)過程 合 成 氧 化 合成反應(yīng) )亞硝酸菌( NOH3COH4H23NO10151327522合成24CONH) (NOHCHNO10251027532224硝酸

3、菌合成OHCONONH總反應(yīng)：總反應(yīng)：2752324NOH2COHH12NO5107合成CONH亞硝化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌【Nitrosomonas】的合成作用：的合成作用：硝化細(xì)菌硝化細(xì)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(xì)胞，同時(shí)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(shí)放出能量。 氧化反應(yīng) )(42232_224亞硝化細(xì)菌HOHNOONH)(22_322硝化細(xì)菌NOONOEHOHNOONH222_324總反應(yīng)： 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(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，生長快，世代時(shí)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(jī)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(xì)菌還原為亞硝酸鹽，再轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾?，此過程稱為反硝化。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

5、用反硝化細(xì)菌的異化作用： 2COOH4NO6262223OHCHNO3OHHCOOHCHNO6033N33622232 6OH735562223OHNCOOHCHNO3總反應(yīng)：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：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(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）： Cm0.7D1.1Ni2Na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（

6、mg/L）以CH3OH為碳源時(shí)：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(dāng)碳源用BOD5表示時(shí)，總的BOD5消耗量為多少？ 答案： BOD51.35D2.3Ni3.75Na傳統(tǒng)生物脫氮機(jī)理示意圖：五、硝化作用的動力學(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)，因此動力學(xué)模式更加接近Monod方程。硝化過程的特點(diǎn)：一般情況下，亞硝化速度大大小于硝化速度(Umax)NS=0.40.5d-1； (Umax)NR=1d-1，即亞硝化過程為整個(gè)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(xì)菌的比增長速率（）亞硝化細(xì)菌的最大比增長速率（）氨氮的濃度（）飽和常數(shù)（時(shí)為）。由于KN很?。菏橇慵壏磻?yīng)。即：硝化反應(yīng)可以認(rèn)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(shù)的影響158. 1015. 01max0)15(098. 00maxmax10d47. 0)(15)15()()(tNNStNSNSKUCeCUU可取時(shí)，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(jì)）。4.溶解氧：要求系統(tǒng)DO2mg/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、溶解氧和當(dāng)考慮到基質(zhì)濃度、溶解氧和pH影響時(shí)，對影響時(shí)，對Monod方程進(jìn)行修正（雙方程進(jìn)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(xì)胞平均停留時(shí)間的討論：NSMCCNNSNSUNKNXdtdXNKNUU)(11/)(maxmax，又設(shè)計(jì)時(shí)，42,KKMCdC硝化作用的計(jì)算步驟：1.確定2.計(jì)算3.計(jì)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(chǎn)率】：表觀產(chǎn)率；【）（）式中：（）（0dc00maxmaxmaxs)d(1)()/()(YYKYYYUVNKNVUNSNSNSNSNSNSNNSNS4.計(jì)算t（HRT）。，常取，一般小于污泥中硝化細(xì)菌的含量），污泥濃度（進(jìn)水中氨氮濃度，式中：08. 01 . 0/mg/mg)(t00PLMLVSSXLNPXUNNNSS六

10、、反硝化動力學(xué)與影響因素一般情況下，廢水系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮不會存在累計(jì)，因此在反應(yīng)動力學(xué)上可以將反硝化作用簡化為一步反應(yīng)。此時(shí)的Monod方程如下：計(jì)算步驟同硝化。，常?。海?，常?。海簠?shù)（反硝化菌的其它動力學(xué)力學(xué)。即：反硝化遵循零級動）（很小，）。，常取時(shí)約為飽和常數(shù)（）硝態(tài)氮的濃度（。時(shí)約為），比增長速率（反硝化細(xì)菌的最大）長速率（反硝化細(xì)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(shí)速度極低。2.pH值：適宜的pH值范圍為7.08.5（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：有過量的有機(jī)物存在；BOD/TKN（35）:1，可以滿足不添加外源性碳源實(shí)現(xiàn)脫氮。4.DO與ORP：DO0.2mg/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

12、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：）短程硝化反硝化：機(jī)理：將硝化過程控制在亞硝化階段，然后直接進(jìn)行反硝化的過程。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445均有活性，適宜溫度：2030 。但是在1214或超過30時(shí)，會出現(xiàn)NO2-累積。B.DO：濃度低時(shí)，硝化作用受抑制，會產(chǎn)生NO2-累積。C.pH：pH7.48.3時(shí)，容易出現(xiàn)NO2-累積。硝化細(xì)菌最適宜pH值在7附

13、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)即對硝化細(xì)菌產(chǎn)生抑制，而對亞硝化細(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，可以通過泥齡的控制，淘汰硝化細(xì)菌，使亞硝化細(xì)菌為優(yōu)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(jìn)行反硝化反應(yīng)，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(shí)例 F/O-A/B/C工藝實(shí)質(zhì) 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(fù)荷區(qū)，異養(yǎng)菌占優(yōu)勢 B一般負(fù)荷區(qū)， C低負(fù)荷區(qū)。 (1)Fs-SVI關(guān)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(jìn)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(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；中國金輪集團(tuán)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(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) 生長速率很高的異氧菌迅速繁殖 生長速率慢的硝化菌優(yōu)勢下降出水中NH3N未能轉(zhuǎn)化以降低 Q提 高 T控制NH3N 去碳、硝化分級異養(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 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(jī)碳電子供體進(jìn)行異化反硝化反應(yīng)由上可見，在生物反硝化過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

17、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）OPOPOPOHH2OOPOPOHHOPOH30514JOOOOOOHOHOHOHOH(ATP)OOH磷酸能量水解(ADP)能量滲透酶梯度逆濃度轉(zhuǎn)移主動運(yùn)輸基因轉(zhuǎn)移ATPPiADP實(shí)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(chǎn)生分解碳化工藝中：236-AN-3NH5BOD3222116molO8molNH1Pmol1M3020 9817 8 .113 NNHOH4CO6O8ONHCA、同化1Kg細(xì)胞物質(zhì)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(shí)4NH氧化合成二個(gè)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(diǎn)：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(xì)胞物質(zhì)。和廢水中中利用學(xué)合成過程，氧化同時(shí)，細(xì)菌生命化特點(diǎn)：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(jìn)脫氮反應(yīng)動力學(xué) D、TN去除生物反硝化銨的氧化速率。產(chǎn)率系數(shù)；亞硝酸菌增長速率；NSNNSNSNNS)dtdN(Y )dtdX()dtdN(Y)dtdX(反硝化菌濃度。反應(yīng)常數(shù)；XKXK)dtdN(DN Reactor完全混合反應(yīng)器 hmQmVN-NONeNQV NN)dtdN(33DN30DNe0DN。設(shè)計(jì)流量，；反硝化器容積，）濃度；（入流、出流硝酸氮，反硝化速率： 1.06(