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1、 反硝化在废水处理中的作用 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 有机物在不同生化环境下的降解 O2H2O CO2N2 CO2Fe II CO2H2S CO2CH4 CO2 有机物CnHm NO3 Fe III SO42 一 反硝化的作用机理 反硝化作用的定义 生物反硝化过程是指在无氧或低氧条件下 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 反硝化菌 反硝化菌在环境中存在于土壤 沉
2、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 反硝化反应中氮的转化 NO3 2e 2H NO2 H2ONO2 e 2H NO H2O2NO 2e 2H N2O H2ON2O 2e 2H N2 H2O 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 反硝化反应中氮的转化 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 反硝化反应方程式 自养反硝化菌 二 缺氧反硝化的影响因素 反硝化工艺的影响因素 溶解氧浓度的影响 溶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
3、酶活性 DO大于n 10mg L时 当DO大于零时反硝化可以发生 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7 pH 8 当pH低于6 0一6 5时 最终产物中N2O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 硝酸盐对亚硝酸盐还原酶有抑制作用 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 N2O的温室效应 大气中的三种主要温室气体 CO2 CH4 N2
4、O 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619 g L 并正以每年0 25 0 31 的速度增长 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 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 反硝化反应的化学计量学 反硝化反应的化学计量学 反硝化
5、所需碳源量 bsCODr bsCODsyn 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 反硝化所需碳源量 由于bsCODsyn 1 42Yn bsCODrbsCODr bsCODsyn bsCODo故bsCODr 1 42YnbsCODr bsCODo推出bsCODo 1 1 42Yn bsCODr 反硝化所需碳源量 由于bsCODo 2 86NOxNOx 被还原的NO3 N所以2 86NO3 N 1 1 42Yn bsCODr推出 四 反硝化的反应动力学 异养反硝化菌与好氧异养菌有
6、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 因此 在有机物去除方面 反硝化与好氧过程类似 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 NO3 N g
7、 VSS d XV 挥发性污泥浓度 mg L 不同碳源对反硝化速率和耗碳速率的影响 城市污水的反硝化速率 第一阶段反硝化速率最快 为50mg NO3 N L h 共持续5 15min 第二阶段反硝化速率为16mg NO3 N L h 直至全部碳源耗光 第三阶段是内源呼吸反硝化速率 为5 4mg NO3 N L h 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 03 1 1 通常取1 09 pH对反硝化速率的影响 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
8、下降 pH与反硝化速率的关系可用Timmerman提出的方程式表达 RDN RDN max 1 K1 I 式中 K1 常数 I 抑制浓度 I 10 pHmax pH 1RDN max 最适宜pH值时的反硝化速率 五 硝化 反硝化合并脱氮 例 以甲醇为碳源硝化 NH4 2O2 2H 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 硝化和反硝化的参数 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 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
9、水污泥回流剩余污泥出水BOD NO3 较低 但NH4 高 用于生物量衰减 特点 是去除生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 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 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的内回流 反硝化去除的氮
10、 Qr2 Q Qr2 通常Qr2 Q 100 400 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 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 同时硝化反硝化 NH4 NO2 微生物 e O2H2O NO2 N2 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
11、了其实现 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 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及有机物缺氧氧化 A O工艺脱氮 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 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
12、虑细胞衰减 fs0 fe0 1 fs fe 1 fsfe0 缺氧反应器 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 复合有机物 废水 反硝化化学计量参数一览表 fs0 0 52 b 0 05 d fd 0 8 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 好氧反应器 硝化反应典型fs0 0 127 b 0 05 d 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 好氧反应器 碳氧化反应典型fs0 0 6 b 0 15 d 生物增长速率 硝化菌好氧异养菌反硝化菌 生物增长速率 总生物增长量 好氧池出水硝酸盐 一般R2为
13、4 6时 可达到80 86 的总氮去除率 缺氧池出水BODL1 水力停留时间或MLVSS HRT或MLVSS之一已知 回流污泥浓度与剩余污泥排放率 通过对二沉池进行物料衡算得出 氮气生成速率 需氧量 典型生活污水AO工艺设计举例 BODL0 300mg L TKN 50mg L Xi0 30mg L R2 6 R1 0 25 MLVSS 2000mg L Xvr 10000mg L反硝化的fs0 0 52 b 0 05d 1好氧氧化的fs0 0 60 b 0 15d 1硝化的fs0 0 11 b 0 11d 1 示例计算结果 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
14、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 七 新工艺 厌氧氨氧化 ANAMMOX AnaerobicAmmoniumOxidation 不需碳的硝化 反硝化 NH4 NO2 N2 2H2O该过程要求NH4 和NO2 的比例为1 12 M的DO会抑制该过程菌种 Planctomycetes NH4 NO2 NH2OH N2H4 N2H2 N2 2 H 2 H 好氧与厌氧氨氧化的动力学参数比较 ANAMMOX工程化的限制 ANAMMOX技术所针对的是高NH3 低COD的污 废 水ANAMMOX技术需要苛刻的中温 30 左右 运行条件作支
15、撑反应器启动时间长 厌氧氨氧化菌倍增时间长 现有的培养技术还不能直接应用于实际废水处理工程 八 反硝化过程对难降解有机物的去除 焦化废水中有机物在A2 O和A O生物膜系统中的降解 HRT 37 9h 混合液回流比 4 吡啶的好氧降解曲线 吡啶的厌氧降解曲线 吡啶的缺氧降解曲线 喹啉的厌氧降解曲线 喹啉的缺氧降解曲线 吡啶和喹啉混合后的缺氧降解 吡啶和喹啉混合缺氧降解时 吡啶和喹啉存在拮抗作用 且喹啉受到的影响远大于吡啶受到的影响 芳香烃和卤代烃 一般认为 在绝对厌氧的产甲烷状态下 大多数卤代烃可以降解 芳香烃则不一定能降解 在缺氧反硝化条件下 芳香烃和卤代烃可以被微生物降解 芳香烃和卤代烃在缺氧反硝化条件下的降解性和降解速率还受到环境中其它有机物存在的影响 当环境中有低浓度的 简单的 易被微生物利用的有机物存在时 有利于芳香烃的缺氧反硝化作用
