新型生物脱氮技术

1、生物脱氮概述生物脱氮概述组长：组长： 徐守强徐守强组员：组员： 温晓东、曲宏斌、陈温晓东、曲宏斌、陈 傲蕾傲蕾 李泽欣、柴玉峰李泽欣、柴玉峰生物脱氮生物脱氮氮及其化合物介绍氮及其化合物介绍脱氮原理脱氮原理传统脱氮工艺传统脱氮工艺 脱氮新发展脱氮新发展氮及其化合物介绍氮及其化合物介绍总氮总氮（TN）：）：四种含氮化合物的总量四种含氮化合物的总量。凯氏氮凯氏氮（KN）：）：是有机氮与氨氮之和。是有机氮与氨氮之和。凯氏氮指标可以用来判断污水在进行生物法处理时，氮营养是否凯氏氮指标可以用来判断污水在进行生物法处理时，氮营养是否充足的依据。生活污水中凯氏氮含量约为充足的依据。生活污水中凯氏氮含量约为40

2、mg/L,（其中有机氮（其中有机氮15，氨氮约，氨氮约25）污水中污水中以氨氮和有机氮为主要形式以氨氮和有机氮为主要形式。含氮化合物：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。含氮化合物：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。水体中氮的来源：水体中氮的来源：1) 城市生活污水中的氮城市生活污水中的氮。（主要是有机氮和氨氮。（主要是有机氮和氨氮。 城市垃圾渗滤液）城市垃圾渗滤液）2) 工业废水中的氮工业废水中的氮。（主要是合成氨厂、化肥厂、石化厂、（主要是合成氨厂、化肥厂、石化厂、 硝酸生产厂、炼焦厂、屠宰厂等）硝酸生产厂、炼焦厂、屠宰厂等）3) 农业污水的中的氮农业污水的中的氮。（氮肥、有机氮农药、家

3、畜废弃物、（氮肥、有机氮农药、家畜废弃物、 排泄物）排泄物）氮及其化合物介绍氮及其化合物介绍地表水环境质量标准地表水环境质量标准 GB 3838 2002单位（单位（mg/L）类类类类类类类类类类氨氮 0.150.51.01.52.0总氮0.20.51.01.52.0污水综合排放标准污水综合排放标准 GB 8978 1996单位（单位（mg/L）一级标准一级标准二级标准二级标准三级标准三级标准 氨氮 医药原料、染料、石油化工工业1550其他排污单位1525城镇污水处理厂污染物排放标准城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918 2002单位（单位（mg/L)一级标准一级标准二级标准二级标准三

4、级标准三级标准 A B氨氮5（8）8（15） 25（30） 总氮 15 20 注：括号外数值为水温120C 时的控制指标，括号内数值为水温120C 时的控制指标。水体中氮的危害：水体中氮的危害：1) 造成水体的富营养化现象。造成水体的富营养化现象。2) 消耗水体中的氧气。消耗水体中的氧气。3) 增加给水处理的困难。增加给水处理的困难。4) 对人及生物具有毒害作用。对人及生物具有毒害作用。一、传统生物脱氮简介一、传统生物脱氮简介将废水中的有机氮转化为氨氮，通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，再通过将废水中的有机氮转化为氨氮，通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮还原为氮气从水中逸出

5、，从而实现生物脱氮的目的。反硝化作用将硝态氮还原为氮气从水中逸出，从而实现生物脱氮的目的。有机氮有机氮NH4+NO2- -NO3 3- -N2好氧或厌氧好氧或厌氧氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用NO2- -1、脱氮原理、脱氮原理废水中的有机氮化合物在微生物（氨化细菌）的作用下，分解成氨的过程成废水中的有机氮化合物在微生物（氨化细菌）的作用下，分解成氨的过程成为脱氨基作用，简称氨化反应。为脱氨基作用，简称氨化反应。以氨基酸为例，其反应式为：以氨基酸为例，其反应式为：（1）氨化作用）氨化作用RCHNH2 COOH + O2 氨化菌氨化菌RCOOH + CO2 + NH3 氨化菌

6、：好氧菌和兼性菌（异养微生物），如芽孢杆菌、节杆菌、木霉、曲霉、青霉等氨化菌：好氧菌和兼性菌（异养微生物），如芽孢杆菌、节杆菌、木霉、曲霉、青霉等在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，就此分两个阶段进行，首先在亚硝在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，就此分两个阶段进行，首先在亚硝酸菌的作用下，使氨转化为亚硝酸氮，反应式为：酸菌的作用下，使氨转化为亚硝酸氮，反应式为：整个硝化过程：整个硝化过程：O O2 2为电子供体为电子供体NHNH4 4+ + 1.5 O1.5 O2 2NONO2 2- - + 2H2H+ + + 2H2H2 2O ONONO2 2- - + 0.5 O 0.5 O2

7、2NONO3 3- -（2）硝化作用）硝化作用亚硝酸菌亚硝酸菌继而，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化成硝酸氮，其反应式为：继而，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化成硝酸氮，其反应式为：硝酸菌硝酸菌硝化菌：化能自养型细菌，革兰氏染色阴性。这类细菌不需要有机硝化菌：化能自养型细菌，革兰氏染色阴性。这类细菌不需要有机 性营养物性营养物质，从二氧化碳中获取碳源，从无机物氧化中获取能量。质，从二氧化碳中获取碳源，从无机物氧化中获取能量。所需环境条件：所需环境条件：1) 好氧条件（好氧条件（2mg/L），并保持一定），并保持一定碱度碱度。2) 混合液中有机物不应该过高，混合液中有机物不应该过高，BO

8、D值应在值应在1520mg/L以下以下。3) 温度控制：温度控制：2030。4) pH值控制：值控制： 88.45) 污泥龄，安全系数应大于污泥龄，安全系数应大于2.。6) 重金属及有害物质的抑制作用。重金属及有害物质的抑制作用。 反硝化反应是指硝酸根和亚硝酸根在反硝化菌的作用下，被还原成气态氮反硝化反应是指硝酸根和亚硝酸根在反硝化菌的作用下，被还原成气态氮（ N N2 2 ）的过程。）的过程。反硝化过程：有机物（甲醇、乙醇、乙酸等）为电子供体反硝化过程：有机物（甲醇、乙醇、乙酸等）为电子供体2 NO2 NO3 3- - + 10H10H+ + + 10e-10e-N N2 2 + 2OH2O

9、H+ + + 4H4H2 2O O2 NO2 NO2 2- - + 6H6H+ + + 6e-6e-N N2 2 + 2OH2OH+ + + 4H4H2 2O O（3）反硝化作用）反硝化作用硝化菌：异样型兼性厌氧菌。在厌氧条件下，营厌氧呼吸，以硝酸氮为电子受硝化菌：异样型兼性厌氧菌。在厌氧条件下，营厌氧呼吸，以硝酸氮为电子受体，以有机碳为电子供体。体，以有机碳为电子供体。所需环境条件：所需环境条件：1) 厌氧条件（无分子态氧），溶解氧控制在厌氧条件（无分子态氧），溶解氧控制在0.5mg/L以下。以下。2) 温度控制：温度控制：2040。3) pH值控制：值控制： 6.57.54) 充足碳源。当

10、污水中充足碳源。当污水中BOD5 /T-N值值35，即为碳源充足；，即为碳源充足； 当不足时需外加当不足时需外加 碳源，通常加甲醇。碳源，通常加甲醇。2、传统脱氮工艺、传统脱氮工艺a a 、传统三级生物脱氮工艺传统三级生物脱氮工艺：将含碳有机物的去除和氨化、硝化及反硝化：将含碳有机物的去除和氨化、硝化及反硝化在三个池中独立进行。在三个池中独立进行。曝气池曝气池沉淀池沉淀池硝化池硝化池二沉池二沉池反硝化池反硝化池终沉池终沉池甲醇甲醇污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流污泥回流进水进水出水出水优点：有良好的优点：有良好的BODBOD去除和脱氮效果。去除和脱氮效果。缺点：流程长，构筑物多，碳源等

11、的加入增加出水缺点：流程长，构筑物多，碳源等的加入增加出水BODBOD，污泥回流能耗大。，污泥回流能耗大。b b 、A/OA/O工艺工艺：前置反硝化，单级活性污泥脱氮工艺。废水经缺氧池，再经：前置反硝化，单级活性污泥脱氮工艺。废水经缺氧池，再经过好氧池，并将好氧池出水和沉淀池污泥回流至厌氧池。过好氧池，并将好氧池出水和沉淀池污泥回流至厌氧池。缺氧池缺氧池好氧池好氧池沉淀池沉淀池进水进水出水出水回流回流污泥回流污泥回流缺氧池：进行反硝化。缺氧池：进行反硝化。好氧池：好氧池：BOD去除，硝化反应。去除，硝化反应。内回流：硝化液回流，进行反硝化。内回流：硝化液回流，进行反硝化。污泥回流：补充生物量污

12、泥回流：补充生物量优点：优点：1.1.流程简单，构筑物少，占地面积少，运行费用低。流程简单，构筑物少，占地面积少，运行费用低。 2. 2.以原污水的含碳有机物为碳源，节省的外加碳源的费用。以原污水的含碳有机物为碳源，节省的外加碳源的费用。 3. 3.好氧池在缺氧池之后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物。好氧池在缺氧池之后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物。 4. 4.缺氧池前置，减轻好氧池的有机负荷，也可改善活性污泥沉降性能，有缺氧池前置，减轻好氧池的有机负荷，也可改善活性污泥沉降性能，有 利于控制污泥膨胀。反消化过程产生的碱度可以补偿过程对碱度利于控制污泥膨胀。反消化过程产生的碱度可以补

13、偿过程对碱度 的消耗。的消耗。缺点：缺点： 1. 1.处理水中含有一定浓度的硝酸盐，进入沉淀池也会发生反硝化，使水质恶化。处理水中含有一定浓度的硝酸盐，进入沉淀池也会发生反硝化，使水质恶化。 2. 2.脱氮率不高。脱氮率不高。c、BardenphoBardenpho工艺工艺缺氧池缺氧池好氧池好氧池缺氧池缺氧池曝气池曝气池沉淀池沉淀池混合液回流混合液回流污泥回流污泥回流进水进水优点：从回流液中获取大量的硝化液；从回流污泥中获取大量的反硝化菌。优点：从回流液中获取大量的硝化液；从回流污泥中获取大量的反硝化菌。 反应更彻底，脱氮效果高。反应更彻底，脱氮效果高。缺点：流程长，构筑物多，回流能耗大，建设

14、费用高。缺点：流程长，构筑物多，回流能耗大，建设费用高。处理水处理水其他脱氮工艺：其他脱氮工艺：1. A2 /O工艺，是在工艺，是在A/O工艺的基础上开发的，最前端增加了一个厌氧池。工艺的基础上开发的，最前端增加了一个厌氧池。2. Phoredox工艺，是在工艺，是在Bardenpha工艺上改进的。工艺上改进的。3. UCT工艺、工艺、VIP工艺工艺 4. SBR的改进工艺：的改进工艺：ICEAS工艺、工艺、DAT-IAT工艺、工艺、CASS工艺、工艺、MSBR 工艺工艺5. 氧化沟、生物膜法等等。氧化沟、生物膜法等等。二、新型生物脱氮技术二、新型生物脱氮技术传统的生物脱氮工艺存在着不少问题：

15、1、工艺流程长，占地面积大（传统工艺认为硝化、反硝化不能同时进行）。2、硝化菌群繁殖速度慢，且难以维持较高浓度，需要较大曝气池，费用高。3、需进行污泥和硝化液回流，动力成本高。4、系统抗冲击能力弱，高浓度NH3-N和NO2-会抑制硝化菌生长。5、硝化过程产酸，需投加碱中和。近年来，许多研究表明：硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件下进行；许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌（Thiosphaera pantotropha），能把NH4+氧化成NO2-后直接进行反硝化。新型生物脱氮技术新型生物脱氮技术1、短程硝化反硝化技术（、

16、短程硝化反硝化技术（SHARON）3、厌氧氨氧化技术（、厌氧氨氧化技术（ANAMMOX工艺、工艺、CANON工艺、工艺、 OLAND工艺）工艺）4、电极生物膜反硝化技术、电极生物膜反硝化技术生物脱氮技术的发展，突破了传统理论的认识，产生了一些新型生物生物脱氮技术的发展，突破了传统理论的认识，产生了一些新型生物脱氮技术。下面几种主要的新型脱氮工艺脱氮技术。下面几种主要的新型脱氮工艺2、同时硝化反硝化技术（、同时硝化反硝化技术（SND）1、短程硝化反硝化技术（SHARON工艺）SHARON（single reactor system for high ammonia removal over ni

17、trite)是由荷兰的Delft大学开发的一种新型生物脱氮工艺 。 该工艺可以采用CSTR（连续搅拌反应器），适用NH4+-N浓度（0.5gN/L)较高的废水生物脱氮,反应常在3035内进行。氨氮的氧化是酸化的过程，因此水体的pH是影响硝化反应的重要因子。在碱度足够的条件下，废水中50%的NH4+-N被亚硝化细菌氧化为NO2N。NH4+ + HCO3- + 0.75 O20.5NH4+ + 0.5NO2- + CO2 + 1.5H2O半硝化工艺除了要有足够的HCO3-碱度外，还要求较高的温度。当温度高于25时：亚硝化菌群的世代时间比硝化菌群世代时间短。为使硝化反应停留在亚硝化阶段，可以控制泥龄

18、将硝化菌群清洗出反应器，留下亚硝化菌群。出水对NH4+要求高时，可在缺氧条件下，用有机物作为电子供体，将亚硝酸盐反硝化成N2脱去。半硝化工艺的硝化、反硝化代谢过程如下：1-4是NH4+的硝化阶段：包括亚硝化阶段， NH4+经氧化形成羟胺（NH2OH），再 经过2、3、4氧化成NO3-.5-8是反硝化阶段： NO3-经过反硝化细菌作用最终转化成N2。2、同时硝化反硝化技术、同时硝化反硝化技术SNDSND（simultaneous nitrification and denitrification)simultaneous nitrification and denitrification)在一些

19、污水处理系统（如氧化沟、在一些污水处理系统（如氧化沟、SBRSBR）中，硝化反应和反硝化反应往）中，硝化反应和反硝化反应往往在同样的处理条件及同一处理空间中发生的现象。往在同样的处理条件及同一处理空间中发生的现象。 作用机理：作用机理：1.1.宏观环境理论宏观环境理论2.2.微环境理论微环境理论3.3.微生物理论微生物理论3、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）是有荷兰Delft 大学在20世纪90年代开发的一种新型脱氮工艺。指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，将NH4+、 NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。早在1977年，Broda就做出了自

20、然界应该存在反硝化氨氧化菌（denitrifying ammonia oxidizers）的预言。1994年Kuenen发现某些细菌在硝化、反硝化中利用NO2-或NO3-作电子受体，将NH4+氧化成N2和气态氮化物。1995年Mulder等发现了氨氮的厌氧生物氧化现象。Straous M.等用生物固定床和流化床反应器研究了厌氧氨氧化污泥，表明氨氮和硝态氮去除率分别高达82%和99%。进一步的研究揭示：在缺氧条件下，氨氧化菌可以利用NH4+或NH2OH作为电子供体将NO3-或NO2-还原，NH2OH、NH2NH2、NO和N2O等为重要的中间产物。氨氧化菌在厌氧条件下，利用CO2作碳源，无需外加有

21、机碳源、无需供氧，以NH4+作电子供体，NO3-或NO2-为电子受体，将水体中的氮转变成N2。发生的反应为：该工艺可将NH3-N 从1100mg/L降到560mg/L。在NH3-N和NO3- 浓度为1000mg/L时不会受到抑制。但在100mg/L 的NO2-条件下，厌氧氨氧化过程会受到抑制。厌氧氨氧化过程是在自养菌作用下完成，这种自养菌生成速度慢，泥龄长，但产生的剩余污泥量较少。厌氧氨氧化的化学计量方程式：厌氧氨氧化的代谢途径：1：NH4+与羟胺氧化成联胺，联胺经过两次脱氢氧化（2、3），最终生成N2。生成的联胺与NO2-反应生成羟胺。 半硝化-厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX

22、）将前面两种工艺联合起来，在反应系统中，进水总NH4+的50%在半硝化反应器内发生如下反应：半硝化反应器的出水（含有NH4+和NO2-）作为厌氧氨氧化反应器的进水。在厌氧氨氧化反应器内发生厌氧反应，有95%的氮转变成 N2，另外，还有少量的NO3-随出水排出。半硝化-厌氧氨氧化工艺适合处理高浓度NH4+-N废水和有机碳含量低的高NH4+-N浓度工业废水。出水NH4+-N 可达到6.7mg/L、TN为24mg/L。较之传统的硝化-反硝化工艺，该工艺耗氧量由4.6kg O2 /kg N2降到1.9 kg O2 /kg N2，降低了耗氧60%，且不需要添加碳源。产生的剩余污泥量很少。SHARON 工

23、艺可采用完全混合式好氧连续反应器；ANAMMOX 工艺可采用生物膜法和生物流化床。生物膜内自养脱氮工艺 （ CANON）在限氧的条件下，利用完全自养性微生物将氨氮和亚硝酸盐同时去除的一种方法 。该工艺可用以低有机物浓度的废水生物脱氮，可以采用单一反应器或生物膜反应器。反应器内进行部分硝化和氨的厌氧氧化。在限氧条件下，系统中有两类自养微生物：好氧硝化细菌和厌氧氨氧化细菌。自养菌经过NO2-中间体直接将NH4+转变为N2。在限氧条件下，好氧硝化细菌将NH4+氧化成 NO2-。反应如下：然后，厌氧氨氧化细菌将NH4+和NO2-转变成N2和少量的NO3-。反应如下：总的脱氮反应式为：从上面反应式中看出

24、，大部分的N都转变成N2，也有少量的N转变为NO3-。当反应器里的溶解氧（DO）浓度达到0.5mg/L时，氨化作用不受影响，但亚硝化作用受到强烈抑制。生物膜内自养脱氮工艺适用于污水生物脱氮尤其是低有机物高氮废水。由于该工艺过程微生物是完全自养的，所以不需要外加碳源。另外，在整个脱氮过程中也不需要通风曝气，节约能耗。相对于传统脱氮工艺，该工艺的耗氧量降低63%。三、其他生物脱氮新技术简介1、De-ammonification（反氨化)工艺一种适用于处理高浓度含氮废水的新工艺。通过控制供氧，使该工艺中氨转化为氮气的过程不需要按化学计量式来消耗电子供体。这一过程被称为好氧反氨化工艺（aerobic de-ammonification）。Binswangrer等报道利用生物转盘反应器，通过硝化-反硝化工艺去除高浓度NH4+废水中的氮，结果表明：当表面负荷率为2.05gN/(m2.d)时，去除速率达90250gN/(m2.d)。不需添加任何可生物降解的有机碳化合物。总的来说， De-ammoni