废水生物脱氮技术

废水生物脱氮技术东华大学环境学院主讲：杨波一、废水中氮存在的形式（四种）

有机氮例：己内酰胺C＝ONHNH(CH2)5CO(C2H5)xNHyNH2N谷氨酸

氨氮

亚硝酸盐氮二、水体中存在氮的危害

消耗DO

硝化菌是自养菌，硝化菌氧化过程中释放的能量少，生长缓慢。

促进藻类繁殖，使水富营养化促进藻类和其他水生物生长繁殖，使水体富营养化。

NH3对鱼有毒害作用

NH3-N在水中引起异味；当水中浓度高，婴儿会患变性血红蛋白症。三、硝化菌在硝化NH4+时的二个过程合成氧化

合成反应

总反应：亚硝化细菌【Nitrosomonas】的合成作用：硝化细菌【Nitrobacter】的合成作用：硝化菌利用NH4＋中的N和废水中CO2合成自己的新细胞，同时也把部分NH4＋氧化成NO3－，此过程不利用水中的DO。

氧化是指NH4＋和O2作用生成NO3－，是单纯氧化过程，同时放出能量。

氧化反应

氧化1mgNH3-N，需消耗4.6mg的氧，7.1mg的碱度。亚硝化菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属中的细菌。硝化菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌。

讨论：

1）怎样使亚硝酸菌NO2－产率系数比硝酸菌大，生长快，世代时间短？2）硝化菌从废水中NH3、NH4＋或NO2－氧化过程中获得△E，获得生命体所需N。利用水中无机碳CO32－HCO3－CO2作为碳源完成生命增殖过程。硝酸盐在缺氧（anoxic）条件下，被反硝化细菌还原为亚硝酸盐，再转化为氮气等，此过程称为反硝化。反硝化微生物多数为异养、兼性微生物，在缺氧条件下，利用NO2-和NO3-中的N作为电子受体，氧化有机物，并获得能量。四、反硝化菌的同化与异化作用反硝化细菌的异化作用：以CH3OH为碳源：硝态氮的反硝化作用产生OH-。反硝化同化作用：反硝化作用的异化和同化作用都需要碳源，前者为提供电子供体，后者提供有机碳源。一般假定合成作用消耗的碳源约为能耗碳源的30％。

以甲醇为例，为满足能耗的甲醇量如下（异化作用）：

Cm＝0.7D＋1.1Ni＋2Na

式中：Cm－甲醇浓度（mg/L）

D－溶解氧浓度（mg/L）

Ni－亚硝态氮浓度（mg/L）

Na－硝态氮浓度（mg/L）

以CH3OH为碳源时：因此，总的甲醇消耗量为：

Cm＝0.9D＋1.5Ni＋2.5Na

生物总量（同化作用）：⊿X=0.19D＋0.32Ni＋0.53Na[McCarty]

请思考：当碳源用BOD5表示时，总的BOD5消耗量为多少？

答案：[BOD5＝1.35D＋2.3Ni＋3.75Na]传统生物脱氮机理示意图：五、硝化作用的动力学与影响因素硝化作用以氨氮或亚硝态氮为单一利用基质，因此动力学模式更加接近Monod方程。硝化过程的特点：一般情况下，亚硝化速度大大小于硝化速度[(Umax)NS=0.4~0.5d-1；(Umax)NR=1d-1]，即亚硝化过程为整个硝化过程的限制步骤。由Monod方程：由于KN很小：影响硝化作用的因素1.温度（t）：对最大比增长速和饱和常数的影响2.pH值：硝化最佳pH值在7.2～8.8之间。3.碱度：硝化1g氨氮需要消耗7.1g碱度（以CaCO3计）。4.溶解氧：要求系统DO>2mg/L。5.抑制性物质：如重金属、游离氨等。当考虑到基质浓度、溶解氧和pH影响时，对Monod方程进行修正（双Monod方程＋pH值修正）对最小细胞平均停留时间的讨论：设计时，硝化作用的计算步骤：1.确定2.计算3.计算N（出水氨氮浓度）：4.计算t（HRT）六、反硝化动力学与影响因素一般情况下，废水系统中亚硝态氮不会存在累计，因此在反应动力学上可以将反硝化作用简化为一步反应。此时的Monod方程如下：影响因素1.温度：最适宜温度20～35℃，低于15℃反硝化速度明显降低，5℃以下时速度极低。2.pH值：适宜的pH值范围为7.0～8.5（小于7.3产物为N2，大于7.3产物为N2O）。3.有机物浓度和C/N比：有过量的有机物存在；BOD/TKN>（3~5）:1，可以满足不添加外源性碳源实现脱氮。4.DO与ORP：DO<0.2mg/L；ORP＝-50～-110mV。5.抑制性物质或有毒物质：较硝化作用的影响要小。七、新型生物脱氮机理与工艺（1）同时硝化－反硝化工艺（SND）机理：a.反应器在宏观上存在好氧区和缺氧区；b.反应器中活性污泥菌胶团或生物膜存在好氧、缺氧的微环境。如：固定化微生物单级脱氮工艺。（2）好氧反硝化机理：存在好氧反硝化细菌（同时属于异养硝化菌），在好氧条件下实现反硝化；好氧反硝化和硝化同时进行。（3）短程硝化－反硝化：机理：将硝化过程控制在亚硝化阶段，然后直接进行反硝化的过程。关键：如何控制硝化作用在亚硝化阶段？A.温度：硝化细菌在4～45℃均有活性，适宜温度：20～30℃。但是在12～14℃或超过30℃时，会出现NO2-累积。B.DO：浓度低时，硝化作用受抑制，会产生NO2-累积。C.pH：pH＝7.4～8.3时，容易出现NO2-累积。硝化细菌最适宜pH值在7附近，亚硝化细菌在8附近。D.NH3-N浓度：NH3-N浓度为0.6mg.L时即对硝化细菌产生抑制，而对亚硝化细菌的抑制浓度为5mg/L。E.泥龄：亚硝化细菌的时代时间较硝化细菌的时代时间短，可以通过泥龄的控制，淘汰硝化细菌，使亚硝化细菌为优势菌。（4）厌氧氨氧化NH4+作为电子供体、NO2-作为电子受体直接进行反硝化反应，并称之为厌氧氨氧化（AnaerobicAmmoniaOxidation简写为Anammox）。{NO2-+

[H]

NH2OH(羟氨

)

；NH2OH＋NH4+[N2H4]；[N2H4]

[N2H2]+[H]；[N2H2]N2+[H]}八、实例

F/O-A/B/C工艺实质

A2/O3工艺A1－水解酸化A2－反硝化O1－去碳O2－硝化O3－污泥消化BiofilmActivatedStadge

何为A/B/CA－高负荷区，异养菌占优势

B－一般负荷区，

C－低负荷区。(1)Fs-SVI关系控制污泥膨胀，保证：SV％下降。（2）曲线a-a’，b-b’，c-c’1)a-a’段2）b-b’段F/O-A/B/C染整废水广东河源纺织城－－广东省优质示范工程；世界银行贷款－－前综合污水厂；江阴飞宇集团染整废水处理工程－－河道；中国金轮集团反硝化菌－－兼性厌氧菌缺氧条件好氧条件生长速率小废水BiofilmAnaerobicBiofilmAnoxicActivatedSludgeABC二沉池厌缺硝化亚硝酸菌硝酸菌强烈好氧菌中性碱性自养型细菌不需有机养料

A、去碳硝化混和工艺－－BOD5、NH3氧化－－在一反应器内生长速率很高的异氧菌迅速繁殖

生长速率慢的硝化菌优势下降出水中NH3－N未能转化以降低Q提高T控制NH3－N

去碳、硝化分级异养好氧菌自养型硝化菌分别在两个独立反应器中进行可得到各自适宜生长环境，使反以速率有所提高。

生物反硝化－－反硝化菌－－兼性厌氧菌

（出水）好氧菌－－以氧作为电子受体－－能源ATP碳源反硝化菌－－以硝酸氮作为电子受体－－有机碳电子供体进行异化反硝化反应由上可见，在生物反硝化过程中氮化合物被还原有机碳得到氧化分解降低能量消耗

CH3OH资源－－剩余污泥例：水产品废水－－72小时生物降解

ATP－－高能磷酸化合物－－三磷酸腺苷（嘌呤）－O－P－O～P－O～P－OH＋H2O－O－P－O～P－OH＋HO－P－OH＋30514JOOOOOOHOHOHOHOH(ATP)OOH磷酸能量水解(ADP)能量渗透酶梯度逆浓度转移主动运输基因转移ATPPiADP实际废水处理案例：

含微量PA－6单体废水废水量污物量（BOD5、CODCr、NH3-N）

治理工艺（1）碳化工艺A、同化1Kg细胞物质需氮量0.122Kg，需P量0.023Kg。B、酸性条件下，NH3－N大气中去。（2）氨氮氧化硝化菌在硝化氧化合成二个过程。A、氧化过程a.亚硝化菌b.硝化菌B、