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1、污水生物脱氮除磷的原理与工艺设计,Biological nutrient removal from wastewater: principles and techniques,2011.5,生物脱氮基本原理,氮在水体中的存在形态,有机氮,无机氮,蛋白质 (C, O, N, H, N=1518%),多肽,氨基酸,尿素CO(NH2)2,其他(硝基、胺及铵类化合物),氨氮(NH3-N, NH4+-N),亚硝态氮(NO2- -N),硝态氮(NO3-N),生物脱氮基本原理,氮在水体中的存在形态,氨氮(NH3-N, NH4+-N),亚硝态氮(NO2- -N),硝态氮(NO3-N),总氮 (TN),有机氮,
2、无机氮,凯氏氮 (TKN) = 有机氮 + 氨氮,水污染控制中经常提到的几个术语,TN = TKN + NOx-N,生物脱氮基本原理,生物脱氮基本原理,氨化作用(Ammonification),氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。,有机氮,(氨化作用),氨化菌,NH4+-N,生物脱氮基本原理,硝化作用(Nitrification),氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：,55NH4+76O2+109HCO3- C5H7NO2+54NO2-+57H2O+104H2CO3,400NO2-+NH4+4H2CO3+HCO3-+
3、195O2 C5H7NO2+3H2O+400NO3-,NH4+1.83O2+1.98HCO3- 0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3,生物脱氮基本原理,硝化作用(Nitrification),氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：,NH4+1.83O2+1.98HCO3- 0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3,如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为：,生物脱氮基本原理,硝化作用(Nitrification),1.每氧化1gNH4+-N为NO3-N需要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)
4、(100/14=7.14),注：每氧化14gNH4+-N为NO3-N，产生2molH+，需要1mol的CaCO3(分子量为100)来中和。,2.不计细菌增值，每氧化1gNH4+-N为NO3-N，共需氧4.57g。,碱度是指水中能够接受H+离子的物质含量，即CO32-、HCO3-、OH-及弱酸盐类的总和。,亚硝酸菌和硝酸菌,1gNH4+-N,1gNO3-N,消耗碱度7.14g (以CaCO3计),需要氧4.57g,生物脱氮基本原理,硝化作用(Nitrification),2018年9月14日,生物脱氮基本原理,缺氧反硝化过程,NO3-N,NO2-N,NO,N2O,N2,通常反硝化菌群优先选择分子
5、氧而不是硝酸盐为电子受体，但如果无分子态氧存在，则利用硝酸盐进行无氧呼吸。,反硝化细菌大量存在于污水处理系统中。 反硝化细菌是兼性细菌,2018年9月14日,生物脱氮基本原理,缺氧反硝化过程,生物反硝化的总反应式如下：,由第一式计算，转化1g NO2-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)1.71g 316/(214)=1.71。 由第二式计算，转化1g NO3-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)2.86g 516/(214)=2.86。 还原1gNO2-N或NO3-N均可产生3.57g碱度(以CaCO3计) (50/14)，硝化过程中消耗的碱度有近50%得到回收。,生物除磷基本原理,聚磷
6、酸是一种高能化合物，水解时能放出能量。因此，在厌氧池中聚磷菌利用这部分能量摄取有机物并放出水解产生的磷酸，结果厌氧池中的磷浓度上升。同时，废水中的有机物因被聚磷菌摄取而减少。但聚磷酸水解放出的能量还达不到菌体增殖所需的能量，所以摄取的有机物只能变成细胞内暂时贮存积蓄物质。 到了好氧池，聚磷菌将体内积蓄的有机物通过好氧呼吸氧化分解，合成ATP，用这部分能量进行菌体的增殖和合成聚磷酸。由于其摄取合成聚磷酸的磷量比厌氧时放出的多，因此废水中的磷被不断净化。,生物除磷基本原理,有试验资料表明，厌氧状态下每释放1mg磷，进入好氧状态后就可吸收2.0一2.4mg磷。细胞内吸收了大量磷的高磷污泥最后以剩余污
7、泥的形式排出系统，从而完成除磷过程。,厌氧条件下，因废水中没有DO和缺乏硝态氮，一般无聚磷能力的好氧菌及反硝化细菌不能产生ATP，故这类细菌不能摄取细胞外的有机物合成菌体。,聚磷菌(polyphosphate accumulation organisms，PAOs),是指具有聚磷能力的一类细菌,生物除磷基本原理,聚磷菌厌氧释磷过程,简单有 机底物,+,ADP+磷酸盐+ 能量,ATP,分解,多聚磷酸盐,聚磷菌细胞,合成,胞内碳源 PHB,大分子有机物,发酵,聚磷菌细胞,分解,聚磷菌好氧吸磷过程,简单有机底物,胞内碳源PHB,O2,CO2+H2O+,生物氧化,能量,磷酸盐,ATP核酸 多聚磷酸盐,
8、聚磷菌细胞,合成,TCA循环,生物除磷基本原理,厌氧条件(释磷) 好氧(缺氧)条件(吸磷) Hac乙酸(COD)；Glycogen或Gly糖原；Poly-P或PP多聚磷酸盐； PHB聚-羟基丁酸盐；ATP三磷酸腺苷；NADH2烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶),生物除磷就是利用PAOs，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷(luxury uptake)，并将其以聚合形态贮存在体内，形成高磷污泥而排出系统，以达到污水除磷的效果。,参与(1)的主要为亚硝酸单胞菌属； 参与(2)的主要是硝化杆菌属；,在生理浓度条件下，NH4+氧化为NO2产生的能量为242.8351.7kJ/mol，所产生的能量亚硝酸菌可
9、以利用5%14%。NO2氧化为NO3产能量为64.587.5kJ/mol，硝酸菌的能量利用率为5%10% 。,有硝化功能的活性污泥法,由于硝化反应释能少，为了合成细胞物质，细菌不得不大量氧化氨，试验测得的异化反应消耗的N与同化合成的N之比约为460:1。正是由于这个原因，硝化菌的增殖与其它细菌相比是非常缓慢的，需要较长的污泥龄。,有硝化功能的活性污泥法,硝化过程一般出现在泥龄较长的活性污泥系统中，硝酸盐是这类活性污泥系统出水中的主要形式。,有硝化功能的活性污泥法,硝化反应动力学,式中：n硝化菌比生长速率，d1； nm一硝化菌最大比生长速率，d1； Na氨氮的浓度，gm3； Kn硝化作用中半速率
10、常数，gm3；,20时： nm0.250.77d1； Kn = 0.52.0gm3；,为何Na是氨氮的浓度，而不是亚硝酸盐的浓度？,生物硝化反应的动力学模型可用Monod公式表示:,有硝化功能的活性污泥法,由于NH4+-N氧化为NO2-N时产生的能量，大约为NO2-N氧化为NO3-N时所产生能量的45倍。因此要想获得相同的能量，所氧化的NO2-N也必须相当于氧化NH4+-N的45倍。所以，在稳态条件下，生物处理系统内不会产生NO2-N的积累。由于亚硝化反应和硝化反应Monod方程中的饱和常数KN都小于1mg/L(温度20)，所以硝化反应中的速度限制步骤是亚硝化菌将NH4+-N氧化为NO2-N的
11、过程。,有硝化功能的活性污泥法,硝化反应动力学,1970s，Downing提出：,0.4715时，亚硝酸菌最大比生长速率（d-1）,环境因素对动力学的影响,(1)温度：,有硝化功能的活性污泥法,硝化反应动力学,环境因素对动力学的影响,(1)温度：,(2)pH：,1970s，Downing提出，当pH值小于7.2时 ：,有硝化功能的活性污泥法,环境因素对动力学的影响,(1)温度：,(2)pH：,(3)DO：,大多数研究者认为，利用Monod关系式能够充分表达氧对硝化率的影响,SODO（mg/L） KO氧的半速常数（mg/L）,KO=0.252.46mg/L，美国EPA建议取1.3mg/L。,有硝
12、化功能的活性污泥法,硝化反应动力学,pH7.2时：,pH=7.2时：,硝化反应动力学,硝化反应动力学,有硝化功能的活性污泥法,微生物增长基本方程,有硝化功能的活性污泥法,硝化反应动力学,异养菌的细胞产量要比硝化菌高得多。这样，如果异养菌的生长率（h）比硝化菌的生长率（n）高得多的话，硝化菌就会从系统中冲洗出去。因此，要想维持一个硝化系统，就必须使：,有硝化功能的活性污泥法，设计污泥停留时间：,cd设计污泥停留时间（d）,cm在设计环境条件下硝化所需最小污泥停留时间（d）,有硝化功能的活性污泥法,有硝化功能的活性污泥法，设计污泥停留时间：,cd到底如何取值？,劳伦斯麦卡蒂(Lawrence-Mc
13、 Carty)在硝化系统的设计中使用了安全系数（S.F.）这个概念，安全系数的确定方法是：,安全系数（S.F.）一般取1.53,有硝化功能的活性污泥法,硝化反应动力学应用实例,设计每天能处理3785m3污水的氧化沟，污水水质如下：,例题1,BOD5160mgL，TSS200 mgL，TKN30mg/L， 碱度350 mgL（以CaCO3计），最低温度14,BOD520mgL，TSS20mgL，NH3-N=8mg/L；,要求出水水质,有硝化功能的活性污泥法,例题1 ,在进行这一设计时，要作某些假设： (1)忽略用于合成的那一部分总氮，假设去除的总氮都被氧化。 (2)假设安全系数为3.0，以应付高
14、峰流量。 (3)假设氧化沟中的溶解氧为2.0mg/L。,第一步： 首先要检查是否存在着足以维持pH值的碱度。 假设全部进水的总氮（TKN）都被氧化，则所需碱度为：,所需碱度30mg（TKN）L7.14214mg/L(CaCO3),残余碱度=350mgL-214mgL136mgL(CaCO3),一般地，残余碱度在100mg/L（以CaCO3 计）时，可使pH维持在7.2以上。,例题1 ,第二步： 计算14、DO2.0mg/L，且pH7.2时的亚硝化单胞菌的n：,根据出水水质要求Na=8.0mg/L，取KO=1.3,假定好氧区(池)混合液进入二次沉淀池后不发生硝化反应，则好氧区(池)氨氮浓度与二次
15、沉淀池出水氨氮浓度相等。,例题1,第三步： 计算设计污泥龄：,安全系数为3.0,第四步： 计算曝气池体积V：,影响硝化反应的环境因素,(1)温度,在535范围内，随着温度的升高，硝化反应速率增加。温度低于15即发现硝化速度急剧下降。低温运行时，延长泥龄，并将好氧池的DO维持在4.0mg/L，系统也可达到较好的硝化效果 。,(2) DO,一般建议硝化反应中DO浓度大于2mg/L。,影响硝化反应的环境因素,有硝化功能的活性污泥法,(3) pH,影响硝化反应的环境因素,在pH值 7.08.0范围内，pH值变化对活性污泥硝化速率的影响甚少。当pH值降到5.05.5时，硝化反应几乎停止。生物脱氮的硝化阶段，通常控制pH值为7.28.0。,(4) C/N,研究表明，有机物对于硝化菌的影响并非是具有毒害作用，更为可能的是有机物的存在刺激了异养菌迅速生长，从而与硝化菌争夺DO、氨氮和微量营养物质，使得硝化菌群生长受到限制，而有机物本身并不直接影响硝化菌的生长和硝化作用,一般认为处理系统的BOD负荷小于0.15gBOD5/gMLSSd时，处理系统的硝化反应才能正常进行。,硝化段中含碳有机基质浓度与总氮(TKN)的比例将直接影响活性污泥中硝化菌所占的比例.,BOD5/TKN与活性污泥中硝化细菌含量的关系,摘自马文漪、杨柳燕,环境微生物工程.南京大学出版社,1998年,影响硝化反应的环境因素,
