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1、水污染控制原理学习内容：1、废水生物脱氮除磷原理2、化学动力学3、反应器4、活性污泥反应动力学水体富营养化水体富营养化“水华”和“赤潮”第一讲 废水生物脱氮除磷原理水体富营养化水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。判定指标：判定指标：氮氮0.
2、2-0.3ppm；生化需氧量；生化需氧量10ppm；磷磷0.01-0.02ppm；pH值：值：7-9 的淡水中细菌总数每毫升超过的淡水中细菌总数每毫升超过10万个；万个；表征藻类数量的叶绿素表征藻类数量的叶绿素-a含量大于含量大于10mg/L。排放标准：排放标准：氨氮氨氮 15mg/L（TN 15 mg/L 或或10mg/L）；）；BOD 20mg/L；TP 1mg/L；氮、磷的来源氮、磷的来源城市污水城市污水农肥农肥农业废弃物农业废弃物1.1 废水生物脱氮机理氮氮有机氮（蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等）有机氮（蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等）无机氮（氨氮、亚硝态氮、硝态氮）无机氮（氨氮、亚硝态氮
3、、硝态氮）4060%5060%05%脱氮过程：脱氮过程：生物氨化过程生物氨化过程 生物硝化过程生物硝化过程 生物反硝化过程生物反硝化过程 蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物，蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物，氨基酸氨基酸是是羧酸分子中羟基上的氢原子被氨基羧酸分子中羟基上的氢原子被氨基(-NH2)取代后的生成物，可取代后的生成物，可用通式用通式RCHNH2COOH表示。在脱氨基酶作用下，脱氨基后的表示。在脱氨基酶作用下，脱氨基后的氨基酸可以进入三羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢。氨基酸可以进入三羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢。脱氨基作用反应式为脱氨基作用反应式为 有氧条件
4、下有氧条件下 RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3 （氧化脱氨基）（氧化脱氨基）生物氨化过程1缺氧条件下缺氧条件下 RCHNH2COOH+H2O RCH2OCOOH+NH3 （水解脱氨基）水解脱氨基）RCHNH2COOH+2H RCH2COOH+NH3 （还原脱氨基）（还原脱氨基）CH2OHCHNH2COOH CH3COCOOH+NH3 （脱水脱氨基）（脱水脱氨基）RCHNH2COOH+RCHNH2COOH+H2O RCOCOOH+RCH2COOH+2NH3 （氧化还原脱氨基）（氧化还原脱氨基）CO(NH2)2+2H2O (NH4)2CO3(NH4)2CO3 2NH3+CO2
5、+H2O尿素：其中含氮约为尿素：其中含氮约为47%，分解过程：，分解过程：尿素酶尿素酶氨化生物相氨化生物相好氧好氧:荧光假单胞菌，灵杆菌荧光假单胞菌，灵杆菌兼性兼性:变形杆菌变形杆菌厌氧厌氧:腐败梭菌腐败梭菌生物硝化过程2亚硝化反应亚硝化反应（亚硝酸菌：亚硝酸单胞菌属、亚硝（亚硝酸菌：亚硝酸单胞菌属、亚硝 酸螺旋杆菌属和亚硝化球菌属）酸螺旋杆菌属和亚硝化球菌属）硝化反应硝化反应（硝酸菌（硝酸菌:硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属）硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属）亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝酸菌，均是亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝酸菌，均是化能自养菌化能自养菌。这类菌利用。这类菌利用无机碳化合物如无机碳化合物如CO3
6、2-、HCO3-和和CO2作作为碳源，从为碳源，从NH4+或或NO2-的氧化的氧化反应中获取能量。两项反应均需在反应中获取能量。两项反应均需在好氧条件好氧条件下进行。下进行。硝化反应硝化反应:NH4+1.5O2 NO2-+2H+H2O+(240350kJ/mol)(1.1)NO2-+0.5O2 NO3-+(6590kJ/mol)(1.2)硝化菌细胞的化学组成用硝化菌细胞的化学组成用C5H7NO2表示，对于氨氮的氧化的反应式为表示，对于氨氮的氧化的反应式为:15CO2+13NH4+10NO2-+3C5H7NO2+23H+4H2O (1.3)对于亚硝酸盐的氧化的反应式为对于亚硝酸盐的氧化的反应式为
7、:5CO2+NH4+10NO2-+2H2O 10NO3-+C5H7NO2+H+(1.4)同时在水体中，同时在水体中，CO2存在以下平衡关系存在以下平衡关系:CO2+H2O H2CO3 H+HCO3-(1.5)方程式方程式(1.1)、(1.3)、(1.4)均有均有H+生成，平衡左移，水中生成，平衡左移，水中pH值下降。综合值下降。综合考虑方程式考虑方程式(1.5)，则方程式，则方程式(1.1)、(1.3)、(1.4)分别变为：分别变为：NH4+1.5O2+2HCO3-NO2-+2H2CO3+H2O (1.6)13NH4+23HCO3-8H2CO3+10NO2-+3C5H7NO2+19H2O (1
8、.7)NH4+10NO2-+4H2CO3+HCO3-10NO3-+C5H7NO2+3H2O（1.8)已知：亚硝化细菌产率系数已知：亚硝化细菌产率系数 硝化细菌产率系数硝化细菌产率系数则根据上述方程得出氨氮氧化、亚硝酸盐氧化和新细胞合成的总反应式为：则根据上述方程得出氨氮氧化、亚硝酸盐氧化和新细胞合成的总反应式为：若不考虑硝化过程中硝化菌的增值，通过对上述反应过程的物料衡算，可若不考虑硝化过程中硝化菌的增值，通过对上述反应过程的物料衡算，可以计算出氧化以计算出氧化1gNH4+-N为为NO2-N耗氧耗氧3.43 g，氧化，氧化1g NO2-N为为NO3-N耗氧耗氧1.14g，所以氧化，所以氧化1g
9、NH4+-N为为NO3-N共耗氧共耗氧4.57g。亚硝化反应和硝化反应还。亚硝化反应和硝化反应还会消耗水中的重碳酸盐碱度，约合会消耗水中的重碳酸盐碱度，约合7.14gCaCO3/gNH4+-N。将上两式合并得出硝化反应的总方程式为：将上两式合并得出硝化反应的总方程式为：生物硝化反应动力学硝化反应中自养细菌的增殖和底物的去除可用硝化反应中自养细菌的增殖和底物的去除可用Monod方程来描述，即方程来描述，即:由于亚硝化过程所产生的能量是硝化过程所产生能量的由于亚硝化过程所产生的能量是硝化过程所产生能量的45倍，要想获倍，要想获得相同的能量，硝化细菌所氧化的亚硝态氮必须相当于亚硝化细菌所氧得相同的能
10、量，硝化细菌所氧化的亚硝态氮必须相当于亚硝化细菌所氧化氨氮量的化氨氮量的45倍，所以在稳态条件下，生物处理系统中一般不会产生亚倍，所以在稳态条件下，生物处理系统中一般不会产生亚硝酸盐的积累。因此，在整个硝化过程中的限速步骤为亚硝化过程，硝硝酸盐的积累。因此，在整个硝化过程中的限速步骤为亚硝化过程，硝化反应可以表示为化反应可以表示为NH4+-N氧化速率直接与亚硝酸菌的增长速率有关，而亚硝酸菌的增长氧化速率直接与亚硝酸菌的增长速率有关，而亚硝酸菌的增长速率又与亚硝酸菌的产率系数有关。速率又与亚硝酸菌的产率系数有关。NH4+-N硝化速率与亚硝酸菌增硝化速率与亚硝酸菌增长速率之间的关系可以表示为长速率
11、之间的关系可以表示为qN氨氮的比氧化速率，氨氮的比氧化速率，gNH4+-N/(gVSS.d)qN，max氨氮最大的比氧化速率，氨氮最大的比氧化速率，gNH4+-N/(gVSS.d)YN亚硝化细菌产率系数，亚硝化细菌产率系数，gVSS/gNH4+-N在稳态运行情况下，系统中每日排出生物固体量等于微生物增殖的在稳态运行情况下，系统中每日排出生物固体量等于微生物增殖的数量，因此，数量，因此，泥龄与微生物增长速率的关系泥龄与微生物增长速率的关系可以表示为：可以表示为：硝化菌净比增长速率，d-；硝化菌内源代谢分解速率，d-。值要比 值小得多，因此在泥龄的计算上可以忽略 。生物硝化过程的环境因素 污水中含
12、碳有机物与未氧化含氮物质的浓度比值一般较高污水中含碳有机物与未氧化含氮物质的浓度比值一般较高(CODTKN=1015)。其值的不同，将会影响到活性污泥系统中异。其值的不同，将会影响到活性污泥系统中异养菌与硝化菌对底物和溶解氧的竞争。由于硝化菌比增长速率低，养菌与硝化菌对底物和溶解氧的竞争。由于硝化菌比增长速率低，世代期长，使硝化菌的生长受到抑制。一般认为处理系统的世代期长，使硝化菌的生长受到抑制。一般认为处理系统的BOD污污泥泥(MLSS)负荷低于负荷低于0.15 g(gd)时，处理系统的硝化反应才能正常时，处理系统的硝化反应才能正常进行。进行。1C/N比比 在活性污泥系统中，硝化菌占活性污泥
13、微生物中的比例很小，在活性污泥系统中，硝化菌占活性污泥微生物中的比例很小，约占约占5左右，这是因为与异养型细菌相比，硝化菌的产率低、比左右，这是因为与异养型细菌相比，硝化菌的产率低、比增长速率小。硝化菌产生量与活性微生物产生量的比值与城市污水增长速率小。硝化菌产生量与活性微生物产生量的比值与城市污水BOD5TKN比值的关系可用下式表示，即比值的关系可用下式表示，即式中式中 fN 硝化菌产生量与活性微生物产生量的比值；硝化菌产生量与活性微生物产生量的比值；YH异氧微生物产率系数，异氧微生物产率系数，kgVSSkgBOD5；YN亚硝化细菌产率系数，亚硝化细菌产率系数，gVSSgNH4+-N。2温度
14、温度 温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性，亚温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性，亚硝化菌最佳生长温度为硝化菌最佳生长温度为35，硝化菌的最佳生长温度为，硝化菌的最佳生长温度为3542。下表列举了亚硝化菌在不同温度条件下的最大比增长速率。下表列举了亚硝化菌在不同温度条件下的最大比增长速率。在硝化反应中，温度对亚硝酸菌的最大比增长速率值的影响可表示为在硝化反应中，温度对亚硝酸菌的最大比增长速率值的影响可表示为温度对亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数的影响可以表示为温度对亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数的影响可以表示为在在530温度范围，亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数与温度关系还可
15、以表示为温度范围，亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数与温度关系还可以表示为亚硝酸菌亚硝酸菌 硝酸菌硝酸菌硝化菌的内源代谢分解系数硝化菌的内源代谢分解系数bN与温度的关系可表示为与温度的关系可表示为3溶解氧溶解氧硝化菌可以忍受溶解氧质量浓度的极限为硝化菌可以忍受溶解氧质量浓度的极限为0.50.7mg/L，一般建议大于一般建议大于2 mgL。在硝化反应中，硝酸菌最大比增长速率与溶解氧浓度的关系可表示为在硝化反应中，硝酸菌最大比增长速率与溶解氧浓度的关系可表示为运行条件下硝酸菌的比增长速率，运行条件下硝酸菌的比增长速率，d-1；相对于溶解氧的饱和常数，其值一般在相对于溶解氧的饱和常数，其值一般在0.152.
16、0mg/L范围内。范围内。4pH值值 在硝化反应中，在硝化反应中，每氧化每氧化1 g氨氮需要氨氮需要7.14 g碱度碱度(以以CaCO3计计)，如果不补充碱如果不补充碱度，就会使度，就会使pH值下降。硝化菌对值下降。硝化菌对pH值变化十分明显，硝化反应的最佳值变化十分明显，硝化反应的最佳pH值范值范围为围为7.58.5，当，当pH值低于值低于7时，硝化速率明显降低，低于时，硝化速率明显降低，低于6和高于和高于10.6时，硝化时，硝化反应将停止进行。一般污水对于硝化反应来说，碱度往往是不够的，因此应投反应将停止进行。一般污水对于硝化反应来说，碱度往往是不够的，因此应投加必要的碱量以维持适宜的加必要的碱量以维持适宜的pH值，保证硝化反应的正常进行。值，保证硝化反应的正常进行。Hultmon提出的，提出的，pH值对硝化菌生长速率的影响可表示为值对硝化菌生长速率的影响可表示为式中式中 运行条件下亚硝酸菌的比增长速率，运行条件下亚硝酸菌的比增长速率，d-1；最佳最佳pH值条件下，亚硝酸菌的生长速率，值条件下，亚硝酸菌的生长速率，d-1；pH0最佳最佳pH值，一般亚硝酸菌增殖最佳范围在值，一般亚硝
