生物脱氮除磷课件(1)

1第1章概述第2章生物脱氮机理及生物学基础第3章生物除磷机理及生物学基础第4章生物脱氮除磷工艺污水的生物脱氮除磷技术2第1章概述•1.1我国氮磷的污染状况•1.2氮磷对水体的危害3NH4+NO2-NO3-N2、NxO水解亚硝酸菌硝酸菌O2碱度O2碱度BOD碱度有机氮反硝化菌有机氮（产生细胞物质）同化作用厌氧氨氧化4第2章生物脱氮机理及生物学基础2.1生物脱氮机理及生物学基础2.2生物脱氮反应动力学2.3生物脱氮影响因素2.4生物脱氮新理论2.5生物脱氮新工艺52.1生物脱氮机理及生物学基础•2.1.1生物脱氮反应过程•2.1.2硝化反应与微生物•2.1.3反硝化反应62.1.1生物脱氮反应过程1）氨化反应：将有机氮转化为氨。2）硝化反应：将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。3）反硝化反应：将亚硝酸盐和硝酸盐还原为N2。72.1生物脱氮机理及生物学基础•2.1.1生物脱氮反应过程•2.1.2硝化反应与微生物•2.1.3反硝化反应82.1.2硝化反应与微生物一、硝化反应微生物二、硝化反应式92.1.2硝化反应与微生物一、硝化反应与微生物（一）硝化过程（二）对硝化细菌的新认识102.1.2硝化反应与微生物一、硝化反应与微生物（一）硝化过程与微生物硝化菌由亚硝酸细菌（氨氧化细菌）和硝酸细菌（亚硝酸盐氧化细菌）两个亚群组成。自养型硝化菌都是一些革兰氏阴性菌，硝化时它们以氧作为最终的电子受体，属于严格的好氧菌。（1）第一步由亚硝酸菌将氨氮（NH4＋和NH3）转化成亚硝酸盐(NO2-)；（2）第二步再由硝酸菌将NO2-氧化成硝酸盐（NO3-）。11（二）对硝化细菌的新认识•硝化细菌属自养型细菌，碳源是CO2。有些自养型硝化细菌能混养（混合营养）生长（以CO2、有机物为碳源）,少数可异养生长。亚硝酸细菌（五个属）Nitrosomonas自养、混养；Nitrosococcus自养、混养；Nitrosospira严格自养；Nitrosovibrio自养、混养；Nitrosolobus自养、混养；以氨为唯一能源，自养生长时，以CO2为唯一碳源；混养时，可同化有机物。2.1.2硝化反应与微生物12（二）对硝化细菌的新认识硝酸细菌：自养型，有些可混养生长，某些菌株能异养生长。Nitrobacter自养、可异养，自养快于异养Nitrococcus严格自养Nitrospina严格自养Nitrospira自养、混养以NO2-为唯一能源，自养生长时，以CO2为唯一碳源；混养时，可同化有机物。2.1.2硝化反应与微生物132.1.2硝化反应与微生物一、硝化反应微生物二、硝化反应式142.1.2硝化反应与微生物二、硝化反应式（一）硝化反应的理论反应式（二）硝化反应的生化反应式（三）硝化反应的化学计量关系（四）硝化反应代谢途径与电子转移数15二、硝化反应式NH3＋3/2O2→NO2-＋H2O＋H＋NO2-＋1/2O2→NO3-NH3＋2O2→NO3-＋H2O＋H＋(一）硝化反应的化学反应式硝化反应耗氧量：•NH4＋→NO3-4.57gO2/gNH4＋-N•NH4＋→NO2-3.43gO2/gNH4＋-N•NO2-→NO3-1.14gO2/gNO2--N16二、硝化反应式NH3+O2→NH2OH(二）硝化反应的生化反应（1）氨氧化为羟氨：氨单加氧酶NH3→NH2OH→NO→NO2-→NO3-氨单加氧酶羟胺氧还酶羟胺氧还酶亚硝酸盐氧还酶17NH2OH＋H2O→HNO2＋4H＋＋4e-ΔG0=+23kJ/mol0.5O2+2H＋＋2e-→H2OΔG0=-137kJ/mol(二）硝化反应的生化反应式（2）羟胺氧化为亚硝酸盐：羟胺氧还酶分两步，中间产物为NONH2OH＋0.5O2→HNO2＋2H＋＋2e-ΔG0=-114kJ/mol羟胺氧化所需的氧是由水提供的18NO2-＋H2O→NO3-+2H++2e-ΔG0=+83kJ/mol0.5O2+2H++2e-→H2OΔG0=-137kJ/mol(二）硝化反应的生化反应式（3）亚硝酸氧化为硝化盐：亚硝酸盐氧还酶NO2-＋0.5O2→NO3-ΔG0=-54kJ/mol亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的19（三）硝化反应的化学计量关系•第一步1.00NH4＋＋1.44O2＋0.0496HCO3－→0.99NO2-＋0.01C5H7NO2＋0.97H2O＋1.99H+•第二步1.00NO2-＋0.50O2＋0.031CO2＋0.00619NH4＋＋0.124H2O→1.00NO3-+0.00619C5H7NO2＋0.00619H+细胞物质：C5H7NO2（1）硝化反应生物合成反应式：若考虑硝化细菌新细胞的合成，则反应式为：20硝化生物合成总反应式：NH4＋＋1.89O2＋0.0805CO2→0.984NO3-＋0.0161C5H7NO2＋0.952H2O＋1.98H+21将1gNH3-N氧化为硝酸盐：•消耗约4.3gO2•中和7.14g碱度•利用0.08g无机碳•产生0.15g新细胞（2）硝化反应的化学计量关系消耗氧的计量关系：完全氧化1gNH4+-N，需消耗4.25gO2完全氧化生成1gNO3--N，需消耗4.34gO222代谢过程由多种酶催化氨单加氧酶（AMO）、羟胺氧还酶（HAO）、亚硝酸盐氧还酶（NOR）。硝化反应代谢途径：NH4＋→NH2OH→NO→NO2-→NO3-电子转移数：•NH4＋氧化为NO2-，经历了多个步骤、6个电子变化，说明亚硝酸菌的酶系统十分复杂。•亚硝酸氧化反应只经历了1步、2个电子变化。（四）硝化反应代谢途径与电子转移数232.1生物脱氮机理及生物学基础•2.1.1生物脱氮反应过程•2.1.2硝化反应与微生物•2.1.3反硝化反应242.1.3反硝化反应一、反硝化原理（1）原理与反应（2）反硝化代谢途径（3）参与反硝化代谢的酶（4）反硝化反应化学计量关系二、对反硝化菌的新认识252.1.3反硝化反应（1）原理与反应生物反硝化是指污水中的硝态氮NO3-和亚硝态氮NO2-，在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的过程。反应式如下：NO3-＋2H→NO2-＋H2ONO2-＋3H→1/2N2＋H2O＋OH－总：NO3-＋5H→1/2N2＋2H2O＋OH－新细胞OHOHCONBODNO2223一、反硝化原理有机物为供氢体26•反硝化过程中NO2-和NO3-的转化是通过反硝化细菌的异化作用完成的，被还原成N2。•同化作用是NO2-和NO3-被还原成NH3－N，用于新细胞的合成。NO3-NO2-NH2OHNH3NO→N2ON2同化反硝化，合成细胞异化反硝化（2）反硝化代谢途径气态271）硝酸盐还原酶NO3-→NO2-2）亚硝酸盐还原酶NO2-→NO3）NO还原酶NO→N2O4）N2O还原酶N2O→N2（3）参与反硝化代谢的酶28（4）反硝化反应化学计量关系完全还原1gNO3-→N2•相当于提供了2.86gO2，•产生0.45gVSS，•产生3.57g碱度当NO3--N浓度为1mg/L以上时，可认为反应速率为零级反应NO3-+5/6CH3OH→5/6CO2+1/2N2+7/6H2O+HO-以甲醇为电子供体的反硝化反应式：29（4）反硝化反应化学计量关系完全还原1gNO3-→N2•约消耗2.47g甲醇，•产生0.45gVSS，•产生3.57g碱度（假设水中无NH3）NO3-+5/6CH3OH→1/2N2+5/6CO2+7/6H2O+HO-以甲醇为电子供体的反硝化反应式：考虑细胞合成，以甲醇为电子供体的反硝化反应式：NO3-+1.08CH3OH→0.47N2+0.056C5H7NO2+0.76CO2+1.44H2O+HO-30二、对反硝化菌的认识•反硝化菌是异养兼性厌氧菌反硝化菌的能源（1）化能型：大多数为化能异养型以有机物作为能源和碳源少数化能自养，以氢、氨、硫、硫化氢等无机物为能源；S+NO3-+H2O→SO42-+N2+H+（2）光能型（光合细菌）：有光时，光能异养生长。黑暗条件，化能异养生长。31第2章生物脱氮机理及生物学基础2.1生物脱氮机理及生物学基础2.2生物脱氮反应动力学2.3生物脱氮影响因素2.4生物脱氮新理论2.5生物脱氮新工艺322.2生物脱氮反应动力学•2.2.1硝化反应动力学•2.2.2反硝化反应动力学33•硝化反应更接近于莫诺特（Monod）关系式的基本条件。因此，常用莫诺特动力学方程来反映硝化细菌的反应和生长过程。•硝化反应中，亚硝酸菌的增值速度控制硝化的总反应速度。一、亚硝酸菌增值速率二、NH4+-N氧化反应速率Monod动力学关系三、亚硝酸菌的净增值速度四、硝化的最小污泥龄2.2.1硝化反应动力学34（1）亚硝酸菌比增值速度———莫诺特关系式式中•μN——亚硝酸菌的比增殖速度，1/d；•μNmax——亚硝酸菌的最大比增殖速度；•N——NH4+-N浓度，mg/L；•X——亚硝酸菌浓度，mg/L；•KSN——饱和常数，mg/L；NKNdtdXXSNNTNmax)(1一、亚硝酸菌增值速度（2）亚硝酸菌的增殖速度为：NKNXdtdXXSNNTNmax式中μ——亚硝酸菌增殖速度，mg/(L•d)35（3）NH4+-N氧化速度dtdNqXdtdNXqqNNH4+-N比氧化速度，1/d可用下式表示：NH4+-N氧化速度mg/(L﹒d)式中•N——NH4+-N浓度，mg/L；•X——亚硝酸菌浓度，mg/L；36（4）亚硝酸菌产率系数YNNTNNdXdtYdNqqdtNqYdtdNqNNNqY37二、NH4+-N氧化反应Monod动力学关系maxNSNNXKNmaxNNSNNKNmax()NNSNNXqYKNNqYNNNqYmax()NNNSNNqYKN38由以上公式，NNNKYmax令NSNKXNdNqdtKNNNSNdNKNdtqXKN则NH4+-N氧化Monod动力学关系式如下：max()NNSNNXqYKNmax()NNNSNNqYKN最大氨氮氧化速度NH4+-N氧化速度NH4+-N比氧化速度39ETgdtdXdtdXdtdX式中：gdtdX——亚硝酸菌净增殖速度；TdtdX——亚硝酸菌合成速度；EdXdt——亚硝酸菌自身分解速度。（1）亚硝酸菌的净增值速度dEdXKXdt式中Kd——亚硝酸菌自身分解系数，1/d。三、硝化的最小污泥龄40上式各项除X得：dTgKXdtdXXdtdXdNgK式中：XdtdXgg——亚硝酸菌净比增殖速度。或将上式代入公式得：XKdtdXdtdXdTgμgμN41dNcK1污泥龄与净比增值速率的关系：1cg得：dNgK代入min1cNdK为了维持硝化菌的数量，设计最小污泥龄θcmin必须满足：设计的固体停留时间θcd应为计算值的1.5~2.5倍。（2）硝化的最小污泥龄42硝化反应的动力学常数（20℃）常数符号单位数值亚硝酸菌硝酸菌总最大比增长速度μNmaxd-10.6~0.80.6~1.00.6~0.8饱和常数KSNgNH4+-N/m30.3~0.70.8~1.20.3~0.7产率系数YNgVSS/gN0.10~0.120.05~0.070.15~0.20自身分解系数Kdd-10.03~0.060.03~0.060.03~0.06对于污水处理来说，出水氨氮一般较高，可认为是零级反应。25℃，亚硝酸菌生长速率硝酸菌432.2生物脱氮反应动力学•2.2.1硝化反应动力学•2.2.2反硝化反应动力学442.2.2反硝化反应动力学当NO3--N浓度为1mg/L以上时，可认为反应速率为零级反应一、反硝化菌比增值速度——莫诺