缺氧反硝化反应

1、关于缺氧反硝化反应第一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月提 纲反硝化的作用机理缺氧反硝化的影响因素反硝化反应的化学计量学反硝化的反应动力学缺氧反硝化在生物处理工艺脱氮中的典型应用外加碳源除氮缺氧反硝化对难降解有机物的去除第二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月有机物在不同生化环境下的降解 O2 H2O，CO2 N2，CO2 Fe(II), CO2 H2S, CO2 CH4, CO2有机物CnHmNO3-Fe(III)SO42-第三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月一、反硝化的作用机理第四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化作用的定义生物反硝化过程是指在无氧或低

2、氧条件下，微生物将硝酸盐氮（NO3-N）和亚硝酸盐氮（NO2-N）还原成气态氮的过程。参与这一过程的微生物称为反硝化菌，是一类兼性厌氧微生物。第五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化菌反硝化菌在环境中存在于土壤、沉积物、地表水、地下水中大部分反硝化菌以有机物为电子供体，是异养菌；部分反硝化菌可以H2和还原态硫为电子供体，是自养菌。第六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化反应中氮的转化 NO3- + 2e- + 2H+ = NO2- + H2O NO2- + e- + 2H+ = NO + H2O2NO + 2e- + 2H+ = N2O + H2O N2O + 2e-

3、+ 2H+ = N2 + H2O第七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月同化反硝化 （当NO3-是氮的唯一可被利用形式时进行） 异化反硝化氮的氧化还原态-氨氮（供细胞合成）- 羟胺NH2OH 0 气态氮N2+ 硝酰基NOH 笑气N2O+ （NO）+ 亚硝酸盐NO2-+ 硝酸盐NO3-反硝化反应中氮的转化 第八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化反应方程式（异养反硝化菌,以甲醇为碳源） 总方程式为： 第九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化反应方程式（自养反硝化菌） ： 第十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月二、缺氧反硝化的影响因素第十一张，PPT共七十九页

4、，创作于2022年6月反硝化工艺的影响因素 影响因素影响作用说明硝酸盐浓度 相对在好氧条件下进行的生化反应过程而言，反硝化菌的生长速率较小，因而反硝化速率比较慢。观察表明硝酸盐浓度会影响反硝化菌的最大生长速率，其影响可用下式表示：碳源 一般认为当废水中的BOD5/TKN大于35时，可无需外加碳源，否则需另外投加有机碳源。外加碳源大多投加甲醇，因它被氧化分解后的产物为CO2和H2O，不留下任何难以分解的中间产物，而且能获得最大的反硝化速率，一般来说，该速率为无外加碳源时的四倍。以甲醇为碳源时，碳源浓度对反硝化的影响可用Monod 公式进行模拟。温度 温度对脱氮处理工艺具有显著的影响。对于反硝化作

5、用来说，最适宜的运行温度是2040。低于15时，反硝化速率将明显下降，而在5以下，反硝化虽能进行，但速率极低。pH值 对反硝化菌的生长来说，其最佳pH值范围为7.08.0。溶解氧 反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，它需要在缺氧条件下生活。如果反应器中的溶解氧过多，将会阻抑硝酸盐还原酶的形成，或充当电子受体，从而竞争性地阻碍了硝酸盐氮的还原。一般地，在悬浮生长系统，反硝化段溶解氧控制在0.5mg/L以下，而在生物膜反硝化系统中，由于菌体周围微环境的氧分压与溶液大环境的不同，溶解氧控制在1.0 mg/L以下时，亦不致影响反硝化的正常进行。第十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月溶解氧浓度的影响溶

6、解氧以两种方式影响反硝化抑制氮还原酶的基因（DO大于2.5-5mg/L时）抑制氮还原酶活性（ DO大于n/10 mg/L时）当DO大于零时反硝化可以发生第十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化中间产物的积累较低浓度电子供体；较高浓度DO（较高浓度DO对亚硝酸还原酶和氧化氮还原酶的抑制作用大于对硝酸还原酶的抑制作用）最适7pH8，当pH低于6.0一6.5时，最终产物中N 2O占优势。当pH大于8时,会出现NO2-的积累，并且pH愈高，NO2-的积累愈严重原因是高pH值抑制了亚硝酸盐还原酶的活性。第十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月硝酸盐对亚硝酸盐还原酶有抑制作用第十五张

7、，PPT共七十九页，创作于2022年6月NO和N2O的还原NO和N2O的还原一般较快；但在有些情况会有N2O的积累，如低温、高浓度有毒物质存在等不利条件下。第十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月N2O的温室效应大气中的三种主要温室气体：CO2、CH4、N2O；N2O对温室效应的贡献是CH4的2.5倍，等摩尔浓度N2O的增温潜势是CO2的150倍，其在大气中的浓度增加一倍，将导致全球升温0.3。目前大气中N2O的浓度为619g/L，并正以每年0.25%0.31%的速度增长。第十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化过程中N2O的逸出N2O还原酶的合成滞后于NO3-还原酶，因

8、此反硝化初期， N2O不能及时还原为氮气，而扩散到大气中；N2O还原酶竞争电子的能力弱，因此当电子供体不足时，引起N2O积累而逸出；有些特殊的反硝化菌反硝化的最终产物就是N2O。第十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月三、反硝化反应的化学计量学 以甲醇为电子供体： 以乙酸为电子供体： 以氢为电子供体： 第十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化反应的化学计量学电子供体fs电子供体的电子当量消耗的NO3-（mol)fe甲醇0.26710.15610.733乙酸0.34210.14380.658氢0.13810.17730.862第二十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月

9、反硝化反应的化学计量学电子供体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氢3.223.570.2240.0696第二十一张，PPT共七十九页，创作于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：用于细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第二十二张，PPT共七十九页，创作于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第二十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化所需碳源量由于 bsCODo 2.86NOx NOx: 被还原的NO3N所以 2.86 NO3-N (1-1.42Yn) bsCODr 推出 第二十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月四、反硝化的反应动力学异养反硝化菌与好氧异养菌有相似的动力学特征；氧呼吸从O2转为NO3-或NO2-,电子供体用于细胞合成的比例fs和产率系数Y的降低程度均不大

11、，因此，在有机物去除方面，反硝化与好氧过程类似。第二十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月四、反硝化的反应动力学许多研究表明,当有机碳源充足时，反硝化速率与硝酸盐浓度呈零级动力学反应、即反硝化速率与硝酸盐浓度无关关（一般认为，NO3-N超过0.1mg/L时，对反硝化速率无影响）而只与反硝化细菌的数量有关。因此碳源无限制时，在缺氧池中NO3-的去除可表达为；(NO3-)i一(NO3)e(RDN)(Xv)(t) 式中 (NO3-)i进水NO3-N浓度mg/L； (NO3-)e出水NO3-N浓度，mg/L；RDN反硝化速率，g（NO3N）g（VSS）d;XV挥发性污泥浓度，mg/L。第二十六

12、张，PPT共七十九页，创作于2022年6月不同碳源对反硝化速率和耗碳速率的影响碳源反硝化速率（mg NO3N/mgVSSd）耗碳速率（mg C/mgVSSd）表观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内源反硝化0.084第二十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月城市污水的反硝化速率 第一阶段反硝化速率最快，为50mg(NO3N)/Lh，共持续515min，第二

13、阶段反硝化速率为16 mg(NO3N)/Lh，直至全部碳源耗光，第三阶段是内源呼吸反硝化速率，为5.4 mg(NO3N)/Lh。第二十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月反硝化速率与温度和溶解氧的关系RDN（T）= RDN（20）K（T-20）（1-DO）式中： K反硝化的温度系数，取值范围：1.031.1，通常取1.09。第二十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月pH对反硝化速率的影响第三十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月pH对反硝化速率的影响反硝化的最佳pH在中性和微碱性之间，当环境中pH值偏离这一最佳值时，反硝化速率逐渐下降，pH与反硝化速率的关系可用Timme

14、rman提出的方程式表达：RDN=（ RDN，max）/（1+K1I） 式中：K1常数； I抑制浓度； I=10（pHmax-pH）-1 RDN，max最适宜pH值时的反硝化速率第三十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月五、硝化反硝化合并脱氮例：以甲醇为碳源硝化：NH4+2O22H+NO3-+H2O反硝化：总反应：1）需氧量为只去除氨氮的需氧量，因此硝化/反硝化合并可节约氧和能量2）去除氨只产生一半的酸度第三十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月硝化和反硝化的参数条件与参数硝化反硝化C源CO2有机物电子供体NH3有机物电子受体O2NO3-, NO2-, N2O环境好氧缺氧Y0.

15、33g vss/NH4+-N0.083 g vss/NO2-N0.26g vss/g BODLfs00.14 (氨氧化）0.10(亚硝酸盐氧化）0.52碱度效应消耗7.14产生3.57第三十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月缺氧反硝化在生物处理工艺脱氮中的典型应用生物量衰减（内源反硝化）预缺氧A/O法脱氮同时硝化反硝化第三十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月用于生物量衰减 发生污泥作为电子供体的反硝化反应 废水 曝气池 缺氧池 二沉池 出水 污泥回流 剩余污泥出水BOD、NO3-较低、但NH4+高第三十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月用于生物量衰减特点：是去除生

16、物量的简单而有效的方法。但较少单独应用原因：1.内源呼吸速率很慢（反硝化衰减系数为0.051/d），因此需要较高的污泥浓度和较长的HRT，导致较高的费用以及二沉池的沉降性能问题；2.生物量衰减放出氨氮，降低了系统的氮去除率。第三十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月预缺氧A/O工艺脱氮 混合液回流废水 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+ 较低、但有部分NO3-第三十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月预缺氧A/O工艺脱氮特点：直接以进水中BOD为碳源进行反硝化，减少曝气池除碳负荷；与生物量衰减法相比，有较快的速率氨氮去除率高需较高

17、的内回流（反硝化去除的氮Qr2/(Q+Qr2)；通常Qr2/Q：100%400%）第三十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月同时硝化反硝化 废水 反应器 二沉池 出水 污泥回流 剩余污泥出水BOD、 NH4+ 、 NO3-均较低第三十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月同时硝化反硝化DO通常低于1.0mg/L三个因素可保证硝化、反硝化、有机物去除同时发生（1）只有当DO高于1.0mg/L时各种氮还原酶才能被抑制；（2）当DO低于1.0mg/L时各种氮还原酶被抑制程度较轻；（3）污泥絮体内部DO较低，因此只要电子供体能够进入絮体内部，则可发生反硝化。第四十张，PPT共七十九页，创

18、作于2022年6月同时硝化反硝化NH4+ NO2-微生物eO2 H2ONO2- N2第四十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月同时硝化反硝化据报道可达到100%的去除率；但由于至今不知可靠的SRT、HRT、DO的最佳组合，因此影响了其实现。第四十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月三种工艺的共同特征硝化菌所需SRT较长，一般大于15dHRT相应较长（对生活污水至少10d）沉淀池设计类似于延时曝气法中沉淀池的设计第四十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月典型生物脱氮工艺的定量计算计算基础：出于保守设计的考虑，应用以下三个反应的化学计量学来进行计算。硝化有机物好氧氧化反硝化

19、及有机物缺氧氧化第四十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月A/O工艺脱氮第四十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月缺氧反应器假定缺氧反应器发生最大程度的反硝化当废水作为电子供体，则其半反应：硝酸盐转化为氮气的半反应合成半反应（氨氮为氮源）第四十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月缺氧反应器fs0：电子供体用于细胞合成的比例fe0：电子供体用于提供能量的比例fs：电子供体用于细胞合成的比例（考虑细胞衰减, 净产率）fe：电子供体用于提供能量的比例（考虑细胞衰减）fs0+fe0=1， fs+fe=1， fs fe0 第四十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月缺氧反应

20、器净产率：fd：可生物降解的活细胞占总细胞的产率（即相当于细胞衰减后XS/(XS+Xp)因此第四十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月复合有机物（废水）反硝化化学计量参数一览表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第四十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月好氧反应器硝化反应电子供体半反应：电子受体半反应合成半反应第五十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月好氧反应器硝化反应典型fs00.127; b0.05/d第五十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月好氧反应器碳氧化反应电子供体半反应：电子受体半反应合成半反应第五十二张，PPT共七十九

22、页，创作于2022年6月好氧反应器碳氧化反应典型fs00.6; b0.15/d第五十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月生物增长速率硝化菌好氧异养菌反硝化菌第五十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月生物增长速率总生物增长量第五十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月好氧池出水硝酸盐一般R2为4-6时，可达到80-86%的总氮去除率第五十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月缺氧池出水BODL1第五十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月水力停留时间或MLVSSHRT或MLVSS之一已知。第五十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月回流污泥浓度与剩余污泥排

23、放率（通过对二沉池进行物料衡算得出）第五十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月氮气生成速率第六十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月需氧量第六十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月典型生活污水AO工艺设计举例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第六十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月示例计算结果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第六十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月六、外加碳源除氮 适用于水中含有较多硝态氮，但电子供体很少的情形受氮肥污染的农业径流含有较高浓度硝酸盐，但电子供体较少的饮用水源废水处理曝气池出水 可用活性污泥法或生物膜法。第六十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月七、新工艺：厌氧氨氧化（ANAMMOX：Anaerobic Ammonium Oxidation）不需碳的硝化-反硝化：NH4+NO2- N22H2O 该过程要求NH4+和NO2- 的比例为1：12M的DO会抑制该过程菌种（Planctomycetes)NH4+NO2-NH2OHN2H4N2H2N22H2H第六十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月好氧与厌氧氨氧化的动力学参数比较参数好氧硝化厌氧氨氧化Gr （kJ/mol）275357Y(g vss/g N)0.330.12好氧：g N/g vss d)260厌氧：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第六十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月第六十七张，PPT共七十九页，