硝化原理

污水生物脱氮原理——生物硝化内容提要二、生物硝化基本概念与生物硝化过程三、生物硝化过程环境影响因素一、水环境中氮的循环及转化过程一、水环境中氮的循环及转化过程1、氮循环指氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一。大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中。植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。在无氧（低氧）条件下，厌氧细菌最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。这一过程即为氮循环。氮的循环过程是氮素不断进行生物、生物化学、化学、物理、物理化学变化的过程，也是不断进行氮素形态变化的过程。一、水环境中氮的循环及转化过程一、水环境中氮的循环及转化过程在地面水环境中，各种形式的氮（氨氮、硝态氮和有机氮）可以通过大气降尘、降水、地表径流、浅层地下水、城市污水与工业废水的直接排放而进入地面水体，另外大气中的氮也可以通过蓝绿藻和某些细菌的生物固氮作用进入地面水体。在水体和沉积层中，氨氮、硝态氮和有机氮通过生物氨化、生物合成、生物硝化和生物反硝化等形式进行相互转化的同时，还以沉积、溶解和扩散等方式进行迁移和交换。反硝化过程产生的氮气重新返回到大气中。一、水环境中氮的循环及转化过程2、污水中氮的来源自然过程：大气降水降尘、非市区径流和生物固氮作用等。例如闪电和火山活动产生的氮氧化物，动植物残体腐败释放出的氨。天然固氮包括生物固氮和大气中的闪电两种方式。人类活动：未处理或处理过的城市和工业废水、各种侵染液、大气沉降和地表径流等。人工合成的化学肥料是水体中氮营养元素的主要来源，大量未被农作物利用的氮化合物绝大部分被农业排水和地表径流带入地下水和地表水中。城市污水中氮的一个重要来源是工业生产中排放的污水，特别是化肥、焦化、洗毛、制革、印染、食品、肉类加工、石油精炼及煤加工工业废水，含氮量较高。城市生活污水中含有有机氮和氨氮。一、水环境中氮的循环及转化过程2、氮的转化1）氨化作用由氨化细菌和真菌的作用将有机氮（氨基酸和核酸）分解成为氨和氨化物，氨溶于水即成为，可为植物所直接利用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。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。4NH一、水环境中氮的循环及转化过程a、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。丙氨酸亚氨基丙氨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，其反应式如下：b、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、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。一、水环境中氮的循环及转化过程2）硝化作用氨氮可以在有氧存在的情况下被微生物氧化为亚硝酸盐并进一步被氧化为硝酸盐。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。一、水环境中氮的循环及转化过程3）反硝化作用硝酸盐可以被微生物作为最终电子受体，通过生物异化还原转化成气态氮（），从水中逸出，或通过生物同化还原转化为氨氮进入生物合成过程。硝酸盐的这种还原过程称为反硝化作用。2N一、水环境中氮的循环及转化过程4）同化作用在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分。微生物细胞中氮的含量约为12.5％，虽然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞和内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中通过泥水分离而从污水中去除。一、水环境中氮的循环及转化过程3、氮的去除废水生物脱氮技术是70年代中期美国和南非等国的水处理专家们在对化学、催化和生物处理方法研究的基础上，提出的一种经济有效的处理技术同化脱氮废水生物脱氮异化脱氮一、水环境中氮的循环及转化过程a、同化脱氮是指微生物的合成代谢利用水体中的氮素合成自身物质，从而将水体中的氮转化为细胞成分而使之从废水中分离。b、废水生物脱氮利用自然界氮素循环的原理，在水处理构筑物中营造出适宜于不同微生物种群生长的环境，通过人工措施，提高生物硝化反硝化速率，达到废水中氮素去除的目的。废水脱氮一般由三种作用组成：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。二、生物硝化基本概念与生物硝化过程1、硝化作用硝化作用是指将氧化为的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：NNH4NNOx二、生物硝化基本概念与生物硝化过程发生硝化反应时细菌分别从氧化和的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如、、等。假定细胞的组成为，则氨氮氧化和新细胞合成的反应式可表示为：在综合考虑后，实际应用中的硝化反应总方程式为：NNH4NNO-223CO3HCO2CO275NOHC323227532388.198.004.102.098.083.1COHNOOHNOHCHCOONH二、生物硝化基本概念与生物硝化过程二、生物硝化基本概念与生物硝化过程由上式可以看出硝化过程的三个重要特征：⑴的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的需要3.43g，每氧化1g耗氧1.14g，因此氧化共耗氧4.57g⑵硝化过程细胞产率非常低，难以维持较高物质浓度，特别是在低温的冬季；⑶硝化过程中产生大量的质子（），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，理论上大约为每氧化1g需要碱度7.14g(以计)。3NHNNH42OHNNH43COCaNNO2NNH4二、生物硝化基本概念与生物硝化过程2、生物硝化动力学二、生物硝化基本概念与生物硝化过程二、生物硝化基本概念与生物硝化过程氨氮氧化速率直接与亚硝氮菌的增长速率有关。而亚硝酸菌的增长速率又与亚硝酸菌的产率系数有关。氨氮硝化速率与亚硝酸菌增长速率之间的关系可以表示为：二、生物硝化基本概念与生物硝化过程由于硝化菌的增值速率很低，在活性污泥系统中为了充分地进行硝化反应必须有足够大的泥龄。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值的数量，泥龄与微生物增长速率的关系可以表示为：硝化菌的最大比增长速率的变化很大，这与污水的成分有关，在城市污水和工业废水的硝化处理中应通过试验确定。三、生物硝化过程环境影响因素1、溶解氧2、温度3、酸碱度4、C/N5、其他抑制性物质6、污泥龄7、污泥负荷8、回流比三、生物硝化过程环境影响因素1、溶解氧（DO）硝化反应的微生物均是严格好氧菌。在好氧条件下硝化反应才能进行，溶解氧浓度不但影响硝化反应速率，而且影响其代谢产物。为满足正常的硝化反应，在活性污泥中，溶解氧的浓度至少要有2mg/L，一般应在2～3mg/L，生物膜法则应大于3mg/L。当溶解氧的浓度低于0.5～0.7mg/L时，硝化反应过程将受到限制。而溶解氧的存在对反硝化过程有很大影响。因此就常规的生物脱氮工艺来说，往往是将大量的消化液内回流至缺氧反应器中，回流液的溶解氧含量直接影响缺氧反应器中的溶解氧浓度。因此，如何协调好曝气池末端和缺氧反应器中的溶解氧浓度，是生物脱氮工艺控制过程极为重要的因素之一。三、生物硝化过程环境影响因素氧化还原电位（ORP）在理论上，缺氧段和厌氧段的DO均为零，因此很难用DO描述。据研究，厌氧段ORP值一般在－160～－200mV之间，好氧段ORP值一般在+180mV坐右，缺氧段的ORP值在－50～－110mV之间，因此可以用ORP作为脱氮运行的控制参数。三、生物硝化过程环境影响因素2、温度（T）硝化反应适宜的温度范围为4～45℃，亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的最佳生长温度为35～42℃。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。在5～30℃范围内，反应速度随温度升高而加快。当温度超过30℃时，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性；温度小于15℃时，硝化菌活动受到抑制，反应速度会迅速降低，出现亚硝氮积累，当低于4℃时，硝化菌生命活动几乎停止。三、生物硝化过程环境影响因素3、酸碱度（pH值）硝化过程消耗废水中的碱度会使废水的pH值下降（每氧化1g将消耗7.14g碱度，以计）。相反，反硝化过程则会产生一定量的碱度使pH值上升（每反硝化1g将产生3.57g碱度，以计）但是由于硝化反应和反硝化过程是序列进行的，也就是说反硝化阶段产生的碱度并不能弥补硝化阶段所消耗的碱度。因此，为使脱氮系统处于最佳状态，应及时调整pH值。大量研究表明，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的适宜的pH分别为7.0～8.5和6.0～7.5。在硝化反应中PH的适宜范围为7.0～8.0。3COCa3COCaNNH4三、生物硝化过程环境影响因素4、碳氮比（C/N）硝化过程中，由于亚硝酸盐和硝化菌均为自养菌，增值速度慢，因此当废水中存在有机物量很高时，将使增值速度高的异养菌迅速增值，从而使硝化菌不能成为优占种属。所以污水中的COD/TN越小，即COD的浓度越低硝化菌所占的比例越大，硝化反应越容易进行。硝化反应的一般要求是COD/TN为10～15。三、生物硝化过程环境影响因素5、其他抑制性物质游离氨的抑制允许浓度：亚硝酸为10～150mg/l，硝酸盐为0.1～1mg/l。氨氮是硝化作用的主要基质，应保持一定的浓度，但氨氮浓度超过100～200mg/l时，会对硝化反应起抑制作用，其抑制程度随着氨氮浓度的增加而增加。某些有机物和一些重金属、氰化物、硫及衍生物、游离氨等有害物质在达到一定浓度时会抑制硝化反应的正常进行。有机物抑制硝化反应的主要原因：一是有机物浓度过高时，硝化过程中的异养微生物浓度会大大超过硝化菌的浓度，从而使硝化菌不能获得足够的氧而影响硝化速率；二是某些有机物对硝化菌具有直接的毒害或抑制作用。三、生物硝化过程环境影响因素6、污泥龄（SRT）污泥龄（生物固体的停留时间）是废水硝化管理的控制目标。为了使硝化菌菌群能在连续流的系统中生存下来，系统的SRT必须大于自养型硝化菌的比生长速率，泥龄过短会导致硝化细菌的流失或硝化速率的降低。污泥龄较长可以增加微生物的硝化能力，减轻有毒物质的抑制作用，但也会降低污泥活性，并且对反硝化不利。脱氮工艺的泥龄主要由硝化菌的世代期控制，因此系统的泥龄应根据硝化菌确定。在实际的脱氮工程中，一般选用的污泥龄应大于实际的SRT。有研究表明，对于活性污泥法脱氮，污泥龄一般10～15d。三、生物硝化过程环境影响因素7、污泥负荷污泥负荷过小可能造成微生物正常生长代谢所需营养物质供给不足，负荷过大造成硝化进行不完全，影响脱氮效率。一般认为处理系统的BOD负荷小于0.15BOD/gMLSS*d时，处理系统的硝化反应才能正常进行。三、生物硝化过程环境影响因素8、回流比消化液回流量决定了进入缺氧区的消化液量，为反硝化提供电子受体，控制消化液回流对提高工艺的脱氮效率与节省运行费用具有重要作用。内回流量过低会造成缺氧区的反硝化不完全，同时部分碳源进入好氧区，增大系统耗氧量。内回流比较大，好氧区污泥流失严重，大部分回流至缺氧区，影响氨氮的去除。三、生物硝化过程环境影响因素若能利用亚硝化菌世代期较硝化菌短，生长速率高，产率系数大等特点，将硝化控制在亚硝化阶段，则也可缩短生物脱氮的历程。因此，众多研究者从这两条思路着手，通过实验研究，对生物脱氮过程有了许多新的发现三、生物硝化过程环境影响因素a、短程硝化—反硝化传统的脱氮工艺是将氨氮氧化为亚硝氮，然后氧化为硝态氮，然而亚硝化过程产生的能量比硝化过程产生的多，并且反应速度比后者更快，氨氧化细菌的世代周期短，生长较快，可以通过控制硝化反应条件，使硝化反应只进行到亚硝态氮阶段，然后直接进行反硝化，可以大大缩短水力停留时间，提高污水处理效率。224NHNONH三、生物硝化过程环境影响因素b、厌氧氨氧化有些研究者在试验中观察到在厌氧反应器中氨氮减少的现象，引起了人们对这一现象发生机理的探索。最近的研究表明，厌氧条件下氨的氧化实际上是含氮化合物之间发生歧化反应所致。其中亚硝酸盐是一个关键的电子受体