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1、生 物 脱 氮 讲 义（内部稿）目录一、基本概念一、基本概念.3二、脱氮原理及影响脱氮的因素二、脱氮原理及影响脱氮的因素.4（一）生物脱氮原理（一）生物脱氮原理.4（二）生物脱氮过程的影响因素（二）生物脱氮过程的影响因素.9三、主要生物脱氮工艺介绍三、主要生物脱氮工艺介绍.121、生物脱氮传统工艺、生物脱氮传统工艺.122、缺氧、缺氧/好氧（好氧（A1/O）脱氮工艺）脱氮工艺.13四、生物脱氮新工艺及其技术原理介绍四、生物脱氮新工艺及其技术原理介绍.19（一）半硝化工艺（一）半硝化工艺（SHARON）.19（二）厌氧氨氧化工艺（二）厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）.20（三）半硝化（三）半硝化
2、-厌氧氨氧化工艺（厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX）.22（四）生物膜内自养脱氮工艺 （四）生物膜内自养脱氮工艺 （ CANON）.23一、基本概念一、基本概念1、名词解释、名词解释1.1 总氮(TN)：水中各种形态无机和有机氮的总量。包括 NO3-、NO2-和 NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营养物质污染的程度。 通常可以简单的理解为水体中各种形态氮的总和。1.2 总凯氏氮（TKN）：包括氨氮和能转化为铵盐而被测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要有蛋白质、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮为负三价形态的有机氮化
3、合物。通常可以简单的理解为水中氨氮和有机氮的总和。1.3 氨氮（NH3-N）：又名氨态氮，是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。1.4 硝态氮：是指硝酸盐及亚硝酸盐中所含有的氮元素以上四者之间的关系图如下：2、脱氮基本概念、脱氮基本概念废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为 NO3-N 和 NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气，从而降低废水中 N 的含量。二、脱氮原理及影响脱氮的因素二、脱氮原理及影响脱氮的因素（一）
4、生物脱氮原理（一）生物脱氮原理污（废）水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在，通常是只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮，在未经处理的污水中，氮有可溶性的氮，也有非溶性的氮。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在；一部分非溶性有机氮在初沉池中可以去除。在生物处理过程中，大部分的非溶性有机氮转化成氨氮和其他无机氮，却不能有效地去除氮。废水生物脱氮的基本原理就在于，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出，从而达到除去氮的目的。1、 氨化作用、 氨化作用（1）概念）概念氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为
5、矿化作用。（2）细菌）细菌参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。（3）降解方式（分好氧和厌氧）降解方式（分好氧和厌氧）在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨：丙氨酸亚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脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们式好氧菌，其反应式如下：在厌氧条件或缺氧的条件下， 厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进 行 还 原 脱 氨 、 水 解 脱 氨 和 脱 水
6、脱 氨 三 种 途 径 的 氨 化 反 应 。2、 硝化作用、 硝化作用（1）概念）概念硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的生物化学反应，（2）细菌）细菌这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。亚硝酸菌和硝化菌统称为硝化菌。（3）反应过程）反应过程包括亚硝化反应和硝化反应两个阶段。该反应历程为：1. 第一阶段：生化氧化：生化合成：则第一阶段的总反应式（包括氧化和合成）为：2. 第二阶段：生化氧化：生化合成：则第二阶段的总反应式为：第一阶段反应放出能量多，该能量供给亚硝酸菌,将NH4+合成NO2-，维持反应
7、的持续进行，第二阶段反应放出的能量较小。从NH4+NO3-的反应历程如下表所示。硝 化 过 程 中 氮 的 氧 化 还 原 态氮的价态变化氮的转化3氨离子 NH4+-1羟胺 NH2OH+1硝酰基 NOH+3亚硝酸根 NO2-+5硝酸根 NO3-硝化过程总反应过程如下该式包括了第一阶段、第二阶段的合成及氧化，由总反应式可知，反应物中的 N 大部分被硝化为 NO3-，只有 2.1%的 N 合成为生物体，硝化菌的产量很低，且主要在第一阶段产生（占 1/55）。若不考虑分子态以外的氧合成细胞本身，光从分子态氧来计量，只有 1.1%的分子态氧进入细胞体内,因此细胞的合成几乎不需要分子态的氧。硝化过程总氧
8、化式为：（4）特点）特点从上式可以看出硝化过程的三个重要特点：NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除 1g 的 NH3-N 需要 4.2gO2；硝化过程细胞产率非常低，且难以维持较高胜物浓度，特别是在低温的冬季；硝化过程中产生大量的的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，其理论上大约为每氧化 1g 的 NH3-N 需要碱度 7.14g(以 CaCO3计)。3、 反硝化作用、 反硝化作用（1）概念）概念反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.5gN/L)较高的废水生物脱氮,反应常在3035内进行。在碱度足够的条件下，废水中50%的NH3-N被亚硝化细菌氧化为NO2-N。NH4+ H
9、CO3-+ 0.75 O20.5NH4+ 0.5NO2-+ CO2+ 1.5H2O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。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
10、是反硝化阶段： NO3-经过反硝化细菌作用最终转化成N2。（二）厌氧氨氧化工艺（二）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就做出了自然界应该存在反硝化氨氧化菌（denitrifyingammonia 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
11、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100
12、mg/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。（三）半硝化（三）半硝化-厌氧氨氧化工艺（厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX）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
13、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NH3-N废水和有机碳含量低的高NH3-N浓度工业废水。出水NH3-N 可达到6.7mg/L、TN为24mg/L。SHARON 工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。较之传统的硝化-反硝化工艺，该工艺耗氧量由4.6kg O2 /kg N降到1.9 kg O2 /kgN，降低了耗氧60%，且不需要添加碳源。产生的剩余污泥量很少。（四）生物膜内自养脱氮工艺 （四）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
