微生物脫氮原理

關(guān)于微生物脫氮原理第一頁，共十八頁，2022年，8月28日基本概念第二頁，共十八頁，2022年，8月28日一、名詞解釋1、總氮(TN)：水中各種形態(tài)無機(jī)和有機(jī)氮的總量。包括NO3-、NO2-和NH4+等無機(jī)氮和蛋白質(zhì)、氨基酸和有機(jī)胺等有機(jī)氮，以每升水含氮毫克數(shù)計(jì)算。常被用來表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度。通?？梢院唵蔚睦斫鉃樗w中各種形態(tài)氮的總和。2、總凱氏氮（TKN）：包括氨氮和能轉(zhuǎn)化為銨鹽而被測定的有機(jī)氮化合物。此類有機(jī)氮化合物主要有蛋白質(zhì)、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮為負(fù)三價(jià)形態(tài)的有機(jī)氮化合物。通?？梢院唵蔚睦斫鉃樗邪钡陀袡C(jī)氮的總和。3、氨氮（NH3-N）：又名氨態(tài)氮，是指水中以游離氨（NH3）和銨離子（NH4+）形式存在的氮。4、硝態(tài)氮：是指硝酸鹽及亞硝酸鹽中所含有的氮元素以上四者之間的關(guān)系圖如下：第三頁，共十八頁，2022年，8月28日二、脫氮基本概念廢水中存在著有機(jī)氮、氨氮、硝態(tài)氮等形式的氮，而其中以氨氮和有機(jī)氮為主要形式。在生物處理過程中，有機(jī)氮被異養(yǎng)微生物氧化分解，即通過氨化作用轉(zhuǎn)化為成氨氮，而后經(jīng)硝化過程轉(zhuǎn)化變?yōu)镹O2-N和NO3-N，最后通過反硝化作用使硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，而逸入大氣，從而降低廢水中N的含量。第四頁，共十八頁，2022年，8月28日脫氮原理及影響脫氮的因素第五頁，共十八頁，2022年，8月28日一、生物脫氮原理污（廢）水中的氮一般以氨氮和有機(jī)氮的形式存在，通常是只含有少量或不含亞硝酸鹽和硝酸鹽形態(tài)的氮，在未經(jīng)處理的污水中，氮有可溶性的氮，也有非溶性的氮。可溶性有機(jī)氮主要以尿素和氨基酸的形式存在；一部分非溶性有機(jī)氮在初沉池中可以去除。在生物處理過程中，大部分的可溶性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮和其他無機(jī)氮，卻不能有效地去除氮。廢水生物脫氮的基本原理就在于，在有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的基礎(chǔ)上，通過硝化反應(yīng)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，再通過反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴乃幸莩觯瑥亩_(dá)到除去氮的目的。即完整的生物脫氮反應(yīng)共分成三個(gè)步驟：有機(jī)氮氨化反應(yīng)——硝化反應(yīng)——反硝化反應(yīng)。第六頁，共十八頁，2022年，8月28日1、氨化作用

（1）概念氨化作用是指將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程，也稱為礦化作用。

（2）細(xì)菌參與氨化作用的細(xì)菌成為氨化細(xì)菌。在自然界中，它們的種類很多，主要有好氧性的熒光假單胞菌和靈桿菌，兼性的變形桿菌和厭氧的腐敗梭菌等。

（3）降解方式（分好氧和厭氧）在好氧條件下，主要有兩種降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脫氨。例如氨基酸生成酮酸和氨：

丙氨酸

亞氨基丙酸

丙酮酸另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脫氮反應(yīng)。例如尿素能被許多細(xì)菌水解產(chǎn)生氨，分解尿素的細(xì)菌有尿八聯(lián)球菌和尿素芽孢桿菌等，它們式好氧菌，其反應(yīng)式如下：

在厭氧條件或缺氧的條件下，厭氧微生物和兼性厭氧微生物對有機(jī)氮化合物進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應(yīng)。

第七頁，共十八頁，2022年，8月28日2、硝化作用（1）概念硝化作用是指將氨氮氧化為亞硝酸氮和硝態(tài)氮的生物化學(xué)反應(yīng)，（2）細(xì)菌這個(gè)過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成。亞硝化菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。硝酸菌有硝化桿菌屬、硝化球菌屬。亞硝酸菌和硝化菌統(tǒng)稱為硝化菌。第八頁，共十八頁，2022年，8月28日（3）反應(yīng)過程包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個(gè)階段。該反應(yīng)歷程為：1.第一階段：生化氧化：生化合成：則第一階段的總反應(yīng)式（包括氧化和合成）為：2.第二階段：生化氧化：生化合成：則第二階段的總反應(yīng)式為：第九頁，共十八頁，2022年，8月28日第一階段反應(yīng)放出能量多，該能量供給亞硝酸菌,將NH4+合成NO2-，維持反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，第二階段反應(yīng)放出的能量較小。從NH4+→NO3-的反應(yīng)歷程如下表所示。第十頁，共十八頁，2022年，8月28日硝化過程總反應(yīng)過程如下：該式包括了第一階段、第二階段的合成及氧化，由總反應(yīng)式可知，反應(yīng)物中的N大部分被硝化為NO3-，只有2.1%的N合成為生物體，硝化菌的產(chǎn)量很低，且主要在第一階段產(chǎn)生（占1/55）。若不考慮分子態(tài)以外的氧合成細(xì)胞本身，光從分子態(tài)氧來計(jì)量，只有1.1%的分子態(tài)氧進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi),因此細(xì)胞的合成幾乎不需要分子態(tài)的氧。硝化過程總氧化式為：第十一頁，共十八頁，2022年，8月28日（4）特點(diǎn)從上式可以看出硝化過程的三個(gè)重要特點(diǎn)：⑴NH3的生物氧化需要大量的氧，大約每去除1g的NH3-N需要4.57gO2；⑵硝化過程細(xì)胞產(chǎn)率非常低，且難以維持較高勝物濃度，特別是在低溫的冬季；⑶硝化過程中產(chǎn)生大量的的質(zhì)子（H+），為了使反應(yīng)能順利進(jìn)行，需要大量的堿中和，其理論上大約為每氧化1g的NH3-N需要堿度7.14g(以CaCO3計(jì))。第十二頁，共十八頁，2022年，8月28日3、反硝化作用（1）概念反硝化作用是指在厭氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）條件下，硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及其其它氮氧化物被用作電子受體而還原為氮?dú)饣虻钠渌鼩鈶B(tài)氧化物的生物學(xué)反應(yīng)。（2）細(xì)菌這個(gè)過程反硝化菌完成。反硝化細(xì)菌包括假單胞菌屬、反硝化桿菌屬、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。它們多數(shù)是兼性細(xì)菌，有分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體。在無分子態(tài)氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N5+和N3+作為電子受體。O2-作為受氫體生成H2O和OH-堿度，有機(jī)物則作為碳源及電子供體提供能量，并得到氧化穩(wěn)定。反硝化過程中亞硝酸鹽和硝酸鹽的轉(zhuǎn)化是通過反硝化細(xì)菌的同化作用和異化作用來完成的。異化作用就是將NO2-和NO3-還原為NO、N2O、N2等氣體物質(zhì)，主要是N2。而同化作用是反硝化菌將NO2-和NO3-還原成為NH3-N供新細(xì)胞合成之用，氮成為細(xì)胞質(zhì)的成分，此過程可稱為同化反硝化。第十三頁，共十八頁，2022年，8月28日（3）反硝化過程反硝化反應(yīng)式如下：

[H]可以是任何能提供電子，且能還原NO3―及NO2―為的物質(zhì)，包括有機(jī)物、硫化物、H+等。反硝化反應(yīng)歷程如下：第十四頁，共十八頁，2022年，8月28日二、生物脫氮過程的影響因素1、硝化反應(yīng)影響因素（1）有機(jī)碳源硝化菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，有機(jī)物濃度不是它的生長限制因素，故在混合液中的有機(jī)碳濃度不應(yīng)過高，一般BOD值應(yīng)在20mg/L以下。如果BOD濃度過高，就會(huì)使增殖速度較高的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速繁殖，從而使自養(yǎng)型的硝化菌得不到優(yōu)勢而不能成為優(yōu)占種屬，嚴(yán)重影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行。（2）溫度在生物硝化系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌對溫度的變化非常敏感，在5～45℃的范圍內(nèi)，硝化菌能進(jìn)行正常的生理代謝活動(dòng)，且隨著溫度的升高，硝化反應(yīng)的速率也增加。當(dāng)廢水溫度低于15℃時(shí)或大于35℃，硝化速率會(huì)明顯下降，當(dāng)溫度低于10℃時(shí)已啟動(dòng)的硝化系統(tǒng)可以勉強(qiáng)維持，硝化速率只有30℃時(shí)的硝化硝化速率的25%，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化菌的活性基本停止。盡管溫度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但溫度過高將使硝化菌大量死亡，實(shí)際運(yùn)行中要求硝化反應(yīng)溫度低于35℃。（3）pH值硝化菌對pH值的變化非常敏感，最佳pH值范圍內(nèi)為7.5~8.5，當(dāng)pH值低于7時(shí)，硝化速率明顯降低，低于6和高于9.6時(shí),硝化反應(yīng)將停止進(jìn)行.。由于硝化反應(yīng)中每消耗1g氨氮要消耗堿度7.14g，如果污水氨氮濃度為20mg/L，則需消耗堿度143mg/L。一般地，污水對于硝化反應(yīng)來說，堿度往往是不夠的，因此應(yīng)投加必要的堿量，以維持適宜的pH值，保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。第十五頁，共十八頁，2022年，8月28日（4）溶解氧氧是硝化反應(yīng)過程中的電子受體，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧高低，必將影響硝化反應(yīng)得進(jìn)程。在活性污泥法系統(tǒng)中，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng)該控制在1.5～2.0mg/L內(nèi)，低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。當(dāng)前，有許多學(xué)者認(rèn)為在低DO（1.5mg/L）下可出現(xiàn)SND現(xiàn)象。在DO＞2.0mg/L，溶解氧濃度對硝化過程影響可不予考慮。但DO濃度不宜太高，因?yàn)槿芙庋踹^高能夠?qū)е掠袡C(jī)物分解過快，從而使微生物缺乏營養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。此外溶解氧過高，過量能耗，在經(jīng)濟(jì)上也是不適宜的。（5）C/N比在活性污泥系統(tǒng)中，硝化菌只占活性污泥微生物的5%左右，這是因?yàn)榕c異養(yǎng)型細(xì)菌相比，硝化菌的產(chǎn)率低、比增長速率小。而BOD5/TKN值的不同，將會(huì)影響到活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌與硝化菌對底物和溶解氧的競爭，從而影響脫氮效果。一般認(rèn)為處理系統(tǒng)的BOD負(fù)荷低于0.15kgBOD5/(kgMLSS·d)，處理系統(tǒng)的硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。（6）生物固體平均停留時(shí)間（污泥齡）為保證連續(xù)流反應(yīng)器中存活并維持一定數(shù)量和性能穩(wěn)定的硝化菌，微生物在反應(yīng)器的停留時(shí)間。即污泥齡應(yīng)大于硝化菌的最小世代時(shí)間，硝化菌的最小世代時(shí)間是其最大比增長速率的倒數(shù)。脫氮工藝的污泥齡主要由亞硝酸菌的世代時(shí)間控制，因此污泥齡應(yīng)根據(jù)亞硝酸菌的世代來確定。實(shí)際運(yùn)行中，一般應(yīng)取系統(tǒng)的污泥齡為硝化菌最小世代時(shí)間的三倍以上，并不得小于3~5d，為保證硝化反應(yīng)的充分進(jìn)行，污泥齡應(yīng)大于10d。（7）重金屬及有毒物質(zhì)除了重金屬外，對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有：高濃度氨氮、高濃度硝酸鹽有機(jī)物及絡(luò)合陽離子等。據(jù)研究，當(dāng)污水中氨氮濃度小于200mg/L，亞硝態(tài)氮濃度小于100mg/L時(shí)，對硝化作用沒有影響。第十六頁，共十八頁，2022年，8月28日2、反硝化反應(yīng)影響因素（1）溫度反硝化細(xì)菌對溫度變化雖不如硝化細(xì)菌那樣敏感，但反硝化效果也會(huì)隨溫度變化而變化。溫度越高，硝化速率也越高，在30～35℃時(shí)增至最大。當(dāng)?shù)陀?5℃時(shí)，反硝化速率將明顯降低；至5℃時(shí)，反硝化將趨于停止。（2）pH值pH值是反硝化反應(yīng)的重要影響因素，對反硝化最適宜的pH值是6.5～7.5，在這個(gè)pH值的條件下，反硝化速率最高，當(dāng)pH值高于8或者低于6時(shí)，反硝化速率將大為下降。（3）外加碳源反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在厭氧的條件下以NOx-N為電子受體，以有機(jī)物（有機(jī)碳）為電子供體。由此可見，碳源是反硝化過程中不可少的一種物質(zhì)，進(jìn)水的C/N直接影響生物脫氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN＝3～5，有機(jī)物越充分，反應(yīng)速度越快，當(dāng)廢水中BOD/TKN小于4時(shí)，需要外加碳源才能達(dá)到理想的脫氮目的。因此碳源對反硝化效果影響很大。反硝化的碳源來源主要分三類：一是廢水本身的組成物，如各種有機(jī)酸、淀粉、碳水化合物等；二是廢水處理過程中添加碳源，一般可以添加附近一些工業(yè)副產(chǎn)物，如乙酸、丙酸和甲醇等；三是活性污泥自身死亡自溶釋放的碳源，稱為內(nèi)源碳。（4）溶解氧反硝化菌是兼性菌，既能進(jìn)行有氧呼吸，也能進(jìn)行無氧呼吸。含碳有機(jī)物好氧生物氧化時(shí)所產(chǎn)生的能量高于厭氧硝化時(shí)所產(chǎn)生的能量，這表明，當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有機(jī)