缺氧反硝化反應(yīng)

1、關(guān)于缺氧反硝化反應(yīng)第一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月提 綱反硝化的作用機(jī)理缺氧反硝化的影響因素反硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)缺氧反硝化在生物處理工藝脫氮中的典型應(yīng)用外加碳源除氮缺氧反硝化對(duì)難降解有機(jī)物的去除第二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月有機(jī)物在不同生化環(huán)境下的降解 O2 H2O，CO2 N2，CO2 Fe(II), CO2 H2S, CO2 CH4, CO2有機(jī)物CnHmNO3-Fe(III)SO42-第三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、反硝化的作用機(jī)理第四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化作用的定義生物反硝化過(guò)程是指在無(wú)氧或低

2、氧條件下，微生物將硝酸鹽氮（NO3-N）和亞硝酸鹽氮（NO2-N）還原成氣態(tài)氮的過(guò)程。參與這一過(guò)程的微生物稱(chēng)為反硝化菌，是一類(lèi)兼性厭氧微生物。第五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化菌反硝化菌在環(huán)境中存在于土壤、沉積物、地表水、地下水中大部分反硝化菌以有機(jī)物為電子供體，是異養(yǎng)菌；部分反硝化菌可以H2和還原態(tài)硫?yàn)殡娮庸w，是自養(yǎng)菌。第六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化反應(yīng)中氮的轉(zhuǎn)化 NO3- + 2e- + 2H+ = NO2- + H2O NO2- + e- + 2H+ = NO + H2O2NO + 2e- + 2H+ = N2O + H2O N2O + 2e-

3、+ 2H+ = N2 + H2O第七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同化反硝化 （當(dāng)NO3-是氮的唯一可被利用形式時(shí)進(jìn)行） 異化反硝化氮的氧化還原態(tài)-氨氮（供細(xì)胞合成）- 羥胺NH2OH 0 氣態(tài)氮N2+ 硝?；鵑OH 笑氣N2O+ （NO）+ 亞硝酸鹽NO2-+ 硝酸鹽NO3-反硝化反應(yīng)中氮的轉(zhuǎn)化 第八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化反應(yīng)方程式（異養(yǎng)反硝化菌,以甲醇為碳源） 總方程式為： 第九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化反應(yīng)方程式（自養(yǎng)反硝化菌） ： 第十張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、缺氧反硝化的影響因素第十一張，PPT共七十九頁(yè)

4、，創(chuàng)作于2022年6月反硝化工藝的影響因素 影響因素影響作用說(shuō)明硝酸鹽濃度 相對(duì)在好氧條件下進(jìn)行的生化反應(yīng)過(guò)程而言，反硝化菌的生長(zhǎng)速率較小，因而反硝化速率比較慢。觀察表明硝酸鹽濃度會(huì)影響反硝化菌的最大生長(zhǎng)速率，其影響可用下式表示：碳源 一般認(rèn)為當(dāng)廢水中的BOD5/TKN大于35時(shí)，可無(wú)需外加碳源，否則需另外投加有機(jī)碳源。外加碳源大多投加甲醇，因它被氧化分解后的產(chǎn)物為CO2和H2O，不留下任何難以分解的中間產(chǎn)物，而且能獲得最大的反硝化速率，一般來(lái)說(shuō)，該速率為無(wú)外加碳源時(shí)的四倍。以甲醇為碳源時(shí)，碳源濃度對(duì)反硝化的影響可用Monod 公式進(jìn)行模擬。溫度 溫度對(duì)脫氮處理工藝具有顯著的影響。對(duì)于反硝化作

5、用來(lái)說(shuō)，最適宜的運(yùn)行溫度是2040。低于15時(shí)，反硝化速率將明顯下降，而在5以下，反硝化雖能進(jìn)行，但速率極低。pH值 對(duì)反硝化菌的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，其最佳pH值范圍為7.08.0。溶解氧 反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，它需要在缺氧條件下生活。如果反應(yīng)器中的溶解氧過(guò)多，將會(huì)阻抑硝酸鹽還原酶的形成，或充當(dāng)電子受體，從而競(jìng)爭(zhēng)性地阻礙了硝酸鹽氮的還原。一般地，在懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，反硝化段溶解氧控制在0.5mg/L以下，而在生物膜反硝化系統(tǒng)中，由于菌體周?chē)h(huán)境的氧分壓與溶液大環(huán)境的不同，溶解氧控制在1.0 mg/L以下時(shí)，亦不致影響反硝化的正常進(jìn)行。第十二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月溶解氧濃度的影響溶

6、解氧以?xún)煞N方式影響反硝化抑制氮還原酶的基因（DO大于2.5-5mg/L時(shí)）抑制氮還原酶活性（ DO大于n/10 mg/L時(shí)）當(dāng)DO大于零時(shí)反硝化可以發(fā)生第十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化中間產(chǎn)物的積累較低濃度電子供體；較高濃度DO（較高濃度DO對(duì)亞硝酸還原酶和氧化氮還原酶的抑制作用大于對(duì)硝酸還原酶的抑制作用）最適7pH8，當(dāng)pH低于6.0一6.5時(shí)，最終產(chǎn)物中N 2O占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)pH大于8時(shí),會(huì)出現(xiàn)NO2-的積累，并且pH愈高，NO2-的積累愈嚴(yán)重原因是高pH值抑制了亞硝酸鹽還原酶的活性。第十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月硝酸鹽對(duì)亞硝酸鹽還原酶有抑制作用第十五張

7、，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月NO和N2O的還原NO和N2O的還原一般較快；但在有些情況會(huì)有N2O的積累，如低溫、高濃度有毒物質(zhì)存在等不利條件下。第十六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月N2O的溫室效應(yīng)大氣中的三種主要溫室氣體：CO2、CH4、N2O；N2O對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)是CH4的2.5倍，等摩爾濃度N2O的增溫潛勢(shì)是CO2的150倍，其在大氣中的濃度增加一倍，將導(dǎo)致全球升溫0.3。目前大氣中N2O的濃度為619g/L，并正以每年0.25%0.31%的速度增長(zhǎng)。第十七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化過(guò)程中N2O的逸出N2O還原酶的合成滯后于NO3-還原酶，因

8、此反硝化初期， N2O不能及時(shí)還原為氮?dú)?，而擴(kuò)散到大氣中；N2O還原酶競(jìng)爭(zhēng)電子的能力弱，因此當(dāng)電子供體不足時(shí)，引起N2O積累而逸出；有些特殊的反硝化菌反硝化的最終產(chǎn)物就是N2O。第十八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、反硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué) 以甲醇為電子供體： 以乙酸為電子供體： 以氫為電子供體： 第十九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)電子供體fs電子供體的電子當(dāng)量消耗的NO3-（mol)fe甲醇0.26710.15610.733乙酸0.34210.14380.658氫0.13810.17730.862第二十張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

9、反硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)電子供體gOD/g NO3-Ng alk as CaCO3/g NO3-Ng VSS/g NO3-Ng VSS/g OD(=Yn)甲醇3.663.570.4900.135乙酸3.973.570.6850.172氫3.223.570.2240.0696第二十一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化所需碳源量bsCODrbsCODsyn+bsCODobsCODr : 被利用的溶解性可生物降解CODbsCODsyn：用于細(xì)胞合成的溶解性可生物降解CODbsCODo ：被氧化的溶解性可生物降解COD第二十二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化所需碳源量由于

10、bsCODsyn1.42Yn*bsCODrbsCODrbsCODsyn+bsCODo故 bsCODr1.42Yn bsCODr+bsCODo推出 bsCODo(1-1.42Yn) bsCODr第二十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化所需碳源量由于 bsCODo 2.86NOx NOx: 被還原的NO3N所以 2.86 NO3-N (1-1.42Yn) bsCODr 推出 第二十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)異養(yǎng)反硝化菌與好氧異養(yǎng)菌有相似的動(dòng)力學(xué)特征；氧呼吸從O2轉(zhuǎn)為NO3-或NO2-,電子供體用于細(xì)胞合成的比例fs和產(chǎn)率系數(shù)Y的降低程度均不大

11、，因此，在有機(jī)物去除方面，反硝化與好氧過(guò)程類(lèi)似。第二十五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)許多研究表明,當(dāng)有機(jī)碳源充足時(shí)，反硝化速率與硝酸鹽濃度呈零級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)、即反硝化速率與硝酸鹽濃度無(wú)關(guān)關(guān)（一般認(rèn)為，NO3-N超過(guò)0.1mg/L時(shí)，對(duì)反硝化速率無(wú)影響）而只與反硝化細(xì)菌的數(shù)量有關(guān)。因此碳源無(wú)限制時(shí)，在缺氧池中NO3-的去除可表達(dá)為；(NO3-)i一(NO3)e(RDN)(Xv)(t) 式中 (NO3-)i進(jìn)水NO3-N濃度mg/L； (NO3-)e出水NO3-N濃度，mg/L；RDN反硝化速率，g（NO3N）g（VSS）d;XV揮發(fā)性污泥濃度，mg/L。第二十六

12、張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月不同碳源對(duì)反硝化速率和耗碳速率的影響碳源反硝化速率（mg NO3N/mgVSSd）耗碳速率（mg C/mgVSSd）表觀C/N混合VFA0.7541.7922.37乙酸0.6031.2362.05丙酸0.3620.5051.40丁酸0.5190.9281.79戊酸0.4870.9291.91甲醇（20）0.289乙醇0.3490.6011.72消化污泥上清液0.5751.2122.12內(nèi)源反硝化0.084第二十七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月城市污水的反硝化速率 第一階段反硝化速率最快，為50mg(NO3N)/Lh，共持續(xù)515min，第二

13、階段反硝化速率為16 mg(NO3N)/Lh，直至全部碳源耗光，第三階段是內(nèi)源呼吸反硝化速率，為5.4 mg(NO3N)/Lh。第二十八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反硝化速率與溫度和溶解氧的關(guān)系RDN（T）= RDN（20）K（T-20）（1-DO）式中： K反硝化的溫度系數(shù)，取值范圍：1.031.1，通常取1.09。第二十九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月pH對(duì)反硝化速率的影響第三十張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月pH對(duì)反硝化速率的影響反硝化的最佳pH在中性和微堿性之間，當(dāng)環(huán)境中pH值偏離這一最佳值時(shí)，反硝化速率逐漸下降，pH與反硝化速率的關(guān)系可用Timme

14、rman提出的方程式表達(dá)：RDN=（ RDN，max）/（1+K1I） 式中：K1常數(shù)； I抑制濃度； I=10（pHmax-pH）-1 RDN，max最適宜pH值時(shí)的反硝化速率第三十一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、硝化反硝化合并脫氮例：以甲醇為碳源硝化：NH4+2O22H+NO3-+H2O反硝化：總反應(yīng)：1）需氧量為只去除氨氮的需氧量，因此硝化/反硝化合并可節(jié)約氧和能量2）去除氨只產(chǎn)生一半的酸度第三十二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月硝化和反硝化的參數(shù)條件與參數(shù)硝化反硝化C源CO2有機(jī)物電子供體NH3有機(jī)物電子受體O2NO3-, NO2-, N2O環(huán)境好氧缺氧Y0.

15、33g vss/NH4+-N0.083 g vss/NO2-N0.26g vss/g BODLfs00.14 (氨氧化）0.10(亞硝酸鹽氧化）0.52堿度效應(yīng)消耗7.14產(chǎn)生3.57第三十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月缺氧反硝化在生物處理工藝脫氮中的典型應(yīng)用生物量衰減（內(nèi)源反硝化）預(yù)缺氧A/O法脫氮同時(shí)硝化反硝化第三十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月用于生物量衰減 發(fā)生污泥作為電子供體的反硝化反應(yīng) 廢水 曝氣池 缺氧池 二沉池 出水 污泥回流 剩余污泥出水BOD、NO3-較低、但NH4+高第三十五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月用于生物量衰減特點(diǎn)：是去除生

16、物量的簡(jiǎn)單而有效的方法。但較少單獨(dú)應(yīng)用原因：1.內(nèi)源呼吸速率很慢（反硝化衰減系數(shù)為0.051/d），因此需要較高的污泥濃度和較長(zhǎng)的HRT，導(dǎo)致較高的費(fèi)用以及二沉池的沉降性能問(wèn)題；2.生物量衰減放出氨氮，降低了系統(tǒng)的氮去除率。第三十六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月預(yù)缺氧A/O工藝脫氮 混合液回流廢水 缺氧段(A) 好氧段(O) 二沉池 出水 污泥回流 剩余污泥出水BOD、 NH4+ 較低、但有部分NO3-第三十七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月預(yù)缺氧A/O工藝脫氮特點(diǎn)：直接以進(jìn)水中BOD為碳源進(jìn)行反硝化，減少曝氣池除碳負(fù)荷；與生物量衰減法相比，有較快的速率氨氮去除率高需較高

17、的內(nèi)回流（反硝化去除的氮Qr2/(Q+Qr2)；通常Qr2/Q：100%400%）第三十八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同時(shí)硝化反硝化 廢水 反應(yīng)器 二沉池 出水 污泥回流 剩余污泥出水BOD、 NH4+ 、 NO3-均較低第三十九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同時(shí)硝化反硝化DO通常低于1.0mg/L三個(gè)因素可保證硝化、反硝化、有機(jī)物去除同時(shí)發(fā)生（1）只有當(dāng)DO高于1.0mg/L時(shí)各種氮還原酶才能被抑制；（2）當(dāng)DO低于1.0mg/L時(shí)各種氮還原酶被抑制程度較輕；（3）污泥絮體內(nèi)部DO較低，因此只要電子供體能夠進(jìn)入絮體內(nèi)部，則可發(fā)生反硝化。第四十張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)

18、作于2022年6月同時(shí)硝化反硝化NH4+ NO2-微生物eO2 H2ONO2- N2第四十一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同時(shí)硝化反硝化據(jù)報(bào)道可達(dá)到100%的去除率；但由于至今不知可靠的SRT、HRT、DO的最佳組合，因此影響了其實(shí)現(xiàn)。第四十二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三種工藝的共同特征硝化菌所需SRT較長(zhǎng)，一般大于15dHRT相應(yīng)較長(zhǎng)（對(duì)生活污水至少10d）沉淀池設(shè)計(jì)類(lèi)似于延時(shí)曝氣法中沉淀池的設(shè)計(jì)第四十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月典型生物脫氮工藝的定量計(jì)算計(jì)算基礎(chǔ)：出于保守設(shè)計(jì)的考慮，應(yīng)用以下三個(gè)反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。硝化有機(jī)物好氧氧化反硝化

19、及有機(jī)物缺氧氧化第四十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A/O工藝脫氮第四十五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月缺氧反應(yīng)器假定缺氧反應(yīng)器發(fā)生最大程度的反硝化當(dāng)廢水作為電子供體，則其半反應(yīng)：硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾陌敕磻?yīng)合成半反應(yīng)（氨氮為氮源）第四十六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月缺氧反應(yīng)器fs0：電子供體用于細(xì)胞合成的比例fe0：電子供體用于提供能量的比例fs：電子供體用于細(xì)胞合成的比例（考慮細(xì)胞衰減, 凈產(chǎn)率）fe：電子供體用于提供能量的比例（考慮細(xì)胞衰減）fs0+fe0=1， fs+fe=1， fs fe0 第四十七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月缺氧反應(yīng)

20、器凈產(chǎn)率：fd：可生物降解的活細(xì)胞占總細(xì)胞的產(chǎn)率（即相當(dāng)于細(xì)胞衰減后XS/(XS+Xp)因此第四十八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)合有機(jī)物（廢水）反硝化化學(xué)計(jì)量參數(shù)一覽表x/dfsfeYngVSS/gBODLgNO3-N/gBODLgBODL/gNO3-NgN2/gBODLgNH4+-N/gBODL50.440.560.310.205.070.20-0.003100.380.620.270.224.620.220.002140.350.650.250.234.390.230.004200.310.690.220.244.150.240.008250.290.710.200.254

21、.020.250.010300.270.730.190.263.920.260.011400.240.760.170.273.770.270.014500.220.780.160.273.680.270.016fs00.52，b0.05/d，fd0.8第四十九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧反應(yīng)器硝化反應(yīng)電子供體半反應(yīng)：電子受體半反應(yīng)合成半反應(yīng)第五十張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧反應(yīng)器硝化反應(yīng)典型fs00.127; b0.05/d第五十一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧反應(yīng)器碳氧化反應(yīng)電子供體半反應(yīng)：電子受體半反應(yīng)合成半反應(yīng)第五十二張，PPT共七十九

22、頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧反應(yīng)器碳氧化反應(yīng)典型fs00.6; b0.15/d第五十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物增長(zhǎng)速率硝化菌好氧異養(yǎng)菌反硝化菌第五十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物增長(zhǎng)速率總生物增長(zhǎng)量第五十五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧池出水硝酸鹽一般R2為4-6時(shí)，可達(dá)到80-86%的總氮去除率第五十六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月缺氧池出水BODL1第五十七張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月水力停留時(shí)間或MLVSSHRT或MLVSS之一已知。第五十八張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月回流污泥濃度與剩余污泥排

23、放率（通過(guò)對(duì)二沉池進(jìn)行物料衡算得出）第五十九張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氮?dú)馍伤俾实诹畯垼琍PT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月需氧量第六十一張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月典型生活污水AO工藝設(shè)計(jì)舉例BODL0=300 mg/L; TKN=50 mg/L; Xi0=30 mg/L; R2=6; R1=0.25; MLVSS=2000 mg/L; Xvr=10000 mg/L反硝化的fs00.52, b0.05d-1好氧氧化的fs00.60, b0.15d-1硝化的fs00.11, b0.11d-1第六十二張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月示例計(jì)算結(jié)果x/d

24、Yn(den)gVSS/gBODL(Xv/Qt)den/mg VSS/LgNO3-N/gBODLBODL rem by den/gBODL/LYn(nit)gVSS/gNH4+-N(Xv/Q t)nit/mg VSS/L150.24250.351030.188.8300.19190.38970.146.8500.16150.41940.115.7x/dYn(aer)gVSS/gBOD(Xv/Q t)aer/mg VSS/L(Xv/Qt)tot/mg VSS/L(NO3)2/mgN/L(O2 /Qt)tot/mgO2/L/h150.19371015.720118300.1530856.02463

25、1500.1226766.127346第六十三張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月六、外加碳源除氮 適用于水中含有較多硝態(tài)氮，但電子供體很少的情形受氮肥污染的農(nóng)業(yè)徑流含有較高濃度硝酸鹽，但電子供體較少的飲用水源廢水處理曝氣池出水 可用活性污泥法或生物膜法。第六十四張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月七、新工藝：厭氧氨氧化（ANAMMOX：Anaerobic Ammonium Oxidation）不需碳的硝化-反硝化：NH4+NO2- N22H2O 該過(guò)程要求NH4+和NO2- 的比例為1：12M的DO會(huì)抑制該過(guò)程菌種（Planctomycetes)NH4+NO2-NH2OHN2H4N2H2N22H2H第六十五張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月好氧與厭氧氨氧化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較參數(shù)好氧硝化厭氧氨氧化Gr （kJ/mol）275357Y(g vss/g N)0.330.12好氧：g N/g vss d)260厭氧：g N/g vss d)0.02(微氧）0.6max（1/d)10.07Doubling time (d)0.711K, NH4+（ M）5-26005K, NO2（ M）N/A5K, O2（ M）10-50N/A第六十六張，PPT共七十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第六十七張，PPT共七十九頁(yè)，