废水生物脱氮除磷原理

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“水华”和“赤潮”第一讲 废水生物脱氮除磷原理水体富营养化(eutrophication)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、海湾等缓流水体，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。 判定指标：氮0.2-0.3ppm；生化需氧量10ppm； 磷0.01-0.02ppm； pH值：7-9 的淡水中细菌总数每毫升超过10万个； 表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10mg/L。 排放标准：氨氮 15mg/L（TN

2、15 mg/L 或10mg/L ）； BOD 20mg/L ； TP 1mg/L ； 氮、磷的来源城市污水农肥农业废弃物1.1 废水生物脱氮机理氮有机氮（蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等）无机氮（氨氮、亚硝态氮、硝态氮）4060%5060%05%脱氮过程：生物氨化过程 生物硝化过程 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，氨基酸是羧酸分子中羟基上的氢原子被氨基(-NH2)取代后的生成物，可用通式RCHNH2COOH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。脱氨基作用反应式为 有氧条件下 RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+

3、NH3 （氧化脱氨基） 生物氨化过程1缺氧条件下 RCHNH2COOH+H2O RCH2OCOOH+NH3 （水解脱氨基） RCHNH2COOH+2H RCH2COOH+NH3 （还原脱氨基） CH2OHCHNH2COOH CH3COCOOH+NH3 （脱水脱氨基） RCHNH2COOH+RCHNH2COOH+H2O RCOCOOH+ RCH2COOH+2NH3 （氧化还原脱氨基）CO(NH2)2+2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2NH3+CO2+H2O尿素：其中含氮约为47%，分解过程：尿素酶氨化生物相好氧: 荧光假单胞菌，灵杆菌兼性: 变形杆菌厌氧: 腐败梭菌生物硝化过程

4、2亚硝化反应（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）硝化反应（硝酸菌: 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，均是化能自养菌。这类菌利用无机碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作为碳源，从NH4+或NO2-的氧化反应中获取能量。两项反应均需在好氧条件下进行。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C5H7NO2表示，对于氨氮的氧化的反应式为: 15CO2 + 13NH4+

5、10NO2- + 3C5H7NO2 + 23H+ + 4H2O (1.3)对于亚硝酸盐的氧化的反应式为: 5CO2 + NH4+ + 10NO2- + 2H2O 10NO3- + C5H7NO2 + H+ (1.4)同时在水体中，CO2存在以下平衡关系: CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- (1.5) 方程式(1.1)、(1.3)、(1.4)均有H+生成，平衡左移，水中pH值下降。综合考虑方程式(1.5)，则方程式(1.1)、(1.3)、(1.4)分别变为：NH4+ + 1.5O2 + 2HCO3- NO2- + 2H2CO3 + H2O (1.6)13NH4+ + 23HC

6、O3- 8H2CO3 + 10NO2- + 3C5H7NO2 +19H2O (1.7)NH4+ + 10NO2- + 4H2CO3 +HCO3- 10NO3- + C5H7NO2 + 3H2O （1.8)已知：亚硝化细菌产率系数 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： 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1gNH4+-N为NO2-N耗氧3.43 g，氧化1g NO2-N为NO3-N耗氧1.14g，所以氧化1gNH4+-N为NO3-N共耗氧4.57g 。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7.14

7、gCaCO3/gNH4+-N。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Monod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45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长速率之间的关系可以表示为qN氨氮的比氧化速率，g

8、NH4+-N/(gVSS.d)qN，max氨氮最大的比氧化速率， gNH4+-N/(gVSS.d)YN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数量，因此，泥龄与微生物增长速率的关系可以表示为：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。

9、一般认为处理系统的BOD污泥(MLSS)负荷低于0.15 g(gd)时，处理系统的硝化反应才能正常进行。 1C/N比 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5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BOD5TKN比值的关系可用下式表示，即式中 fN 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，kgVSSkgBOD5； YN亚硝化细菌产率系数，gVSSgNH4+-N。2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，亚硝化菌最佳生长温度为35，硝化菌的最佳生长温度为3542。下

10、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以表示为亚硝酸菌 硝酸菌硝化菌的内源代谢分解系数bN与温度的关系可表示为3溶解氧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0.152.0mg/L范围内。4pH值 在硝化反应中，每氧化1 g氨氮需要7.14 g碱度

11、(以CaCO3计)，如果不补充碱度，就会使pH值下降。硝化菌对pH值变化十分明显，硝化反应的最佳pH值范围为7.58.5，当pH值低于7时，硝化速率明显降低，低于6和高于10.6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。 Hultmon提出的，pH值对硝化菌生长速率的影响可表示为式中 运行条件下亚硝酸菌的比增长速率，d-1； 最佳pH值条件下，亚硝酸菌的生长速率，d-1； pH0最佳pH值，一般亚硝酸菌增殖最佳范围在8.08.4； pH运行条件下的pH值。 Downing提出，当pH值低于7.2时，亚硝酸

12、菌比增长速率与pH值关系式为5抑制物质 对硝化反应有抑制作用的物质有：过高浓度的NH3-N、重金属、有毒物质以及有机物。 对硝化反应的抑制作用主要有两个方面：一是干扰细胞的新陈代谢，这种影响需长时间才能显示出来；二是破坏细菌最初的氧化能力，这在短时间里即会显示出来。一般来说同样毒物对亚硝酸菌的影响较对硝酸菌的影响强烈。生物反硝化过程3生物反硝化反应是在缺氧(不存在分子态溶解氧)条件下，将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮(N2)或N2O、NO的过程。生物相：反硝化菌（异养型），包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等。反硝化过程异化反硝化过程：将NO2-和NO3-还原为N

13、O、N2O、N2等 气体物质，主要是N2。同化反硝化过程：将NO2-和NO3- 还原成NH3-N供新细胞 合成之用，氮成为细胞质的成分。反硝化反应中氮元素的转化及其生物化学过程可表示为：由上式可知：每转化1 g NO2-N为N2时，需有机物(以BOD表示)1.7l g。 (316 (214)=1.71)； 每转化1 g NO3-N为N2时，需有机物(以BOD表示)2.86 g。 同时产生3.57 g碱度(以CaCO3计)(100(214)=3.57)。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化进行完全，所需碳源有机物(以BOD表示)总量的计算式为如果污水中碳源有机物不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有

14、机物。以甲醇为例，则： 合成细胞用甲醇的反应为： 反硝化总反应式(反硝化+合成)为：如果水中含有NO2-N，则发生的反应为： 由以上两式可以计算：每还原NO2-N 需要甲醇1.53 g(0.673214=1.53)； 每还原NO3-N 需要甲醇2.47 g(1.083214=2.47)； 同时，产生3.57 g碱量(以CaCO3计)(5014=3.57) 和 0.45 g新细胞(0.05611314=0.45)。当考虑水中有溶解氧存在时，为使反硝化过程进行完全所需投加甲醇的总用量为：生物反硝化反应动力学 在反硝化过程中反硝化菌增长速率和硝酸盐浓度的关系同样也可以用Monod方程来表示，即式中

15、反硝化菌的比增长速率，d-1； 反硝化菌的最大比增长速率，d-1； DNO3-N的质量浓度，mg/L； KD相对于NO3-N的饱和常数，mg/L 。 对于反硝化过程，泥龄和反硝化菌净比增长速率之间的关系为 反硝化菌的比增长速率与一般的好氧异养菌的比增长速率相近，比硝化菌的比增长速率大得多，因此生物反硝化反应器所需的泥龄比硝化反应小得多。 把硝酸盐的去除速率与反硝化菌的比增长速率联系起来，硝酸盐的去除率可以表示为式中 NO3-N去除速率，g NO3-N/(gVSS.d) ； 反硝化菌的表观产率系数， gVSS / gNO3-N ； 最大NO3-N的去除速率，g NO3-N/(gVSS.d) ；

16、考虑到反硝化菌的内源代谢使反硝化菌的净增长速率低于表观增长速率，泥龄与NO3-N去除速率的关系可以表示为式中 bD反硝化菌的内源代谢分解系数，d-1。美国环境署建议bD=0.04 d-1，表观产率系数YD=0.61.2 gVSSgNO3-N。 Barnard等在处理城市污水的研究中发现，根据不同的有机碳源，反硝化过程存在三种不同的反应速率： 第一阶段：反应开始515min，反硝化菌利用挥发性脂肪酸和醇类等易被降解的厌氧发酵产物作为碳源，因而其反应速率较快，速率：50mg/（L.h）； 第二阶段：自第一阶段结束一直延续至所有外部碳源利用完止，此阶段反硝化菌利用不溶或复杂的可溶性有机物作碳源，速率

17、：16mg/（L.h）； 第三阶段：由于外碳源的耗尽，反硝化菌便通过内源呼吸作用进行反硝化反应，此时反应速率更低，速率：5.4mg/（L.h）； Ekama和Marais给出了上述三个阶段反硝化速率qD(n)的计算公式为 由此可见，当废水中的BOD浓度较高时，且多为易降解的有机物基质时，反硝化过程可利用第一类基质，此时反硝化速率较快，其水力停留时间在0.51.0 h即可；如果废水中的第一类基质浓度较低或BOD浓度较低，则为维持一定的反硝化速率，反硝化菌便要利用第二类基质进行反硝化，此时的水力停留时间需要23 h。生物反硝化反应过程环境影响因素碳源有机物 反硝化菌在反硝化过程中在溶解氧浓度极低的

18、条件下利用硝酸盐中的氧作用电子受体，有机物作碳源及电子供体。碳源物质不同，反硝化速率也不同。12温度 最佳温度范围：3545 温度对反硝化过程的影响与对好氧异养过程的影响相似，反硝化速率与温度的关系遵循Arrheius方程，可以表示为式中 qD，T 温度为T时，NO3-N反硝化速率，g(gVSSd)； qD,20 20时NO3-N反硝化速率，g(gVSSd)； 温度系数，1.031.15，设计时可采用1.09。溶解氧3 溶解氧会抑制反硝化作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供体，热力学数据表明，含碳有机物好氧生物氧化时产生的能量高于厌氧硝化时产生的能量，以反硝化菌在同时存在分子态氧和硝酸盐时

19、，优先进行有氧呼吸降解含碳有机物而抑制了硝酸盐的还原。同时，反硝化菌是兼性菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸，当微生物从有氧呼吸转化为无氧呼吸时，分子态的氧会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。这表明生物反硝化需要保持严格的缺氧条件。一般认为：DO0.5mg/LpH值47.0 7.5有毒物质 反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低得多。 6 在生物反硝化过程中，反硝化菌利用污水中的含碳有机物作为电子供体，理论上将1g NO3-N还原为N2需要碳源有机物(以BOD5表示)2.86 g。一般认为，当反硝化反应器污水的BOD5TKN值大于46时，可以认为碳源充足。 在单级活性污泥系统单一缺氧池前置反硝

20、化(AO)城市污水处理工艺中，由于城市污水中成分复杂，常常只有一部分快速生物降解的BOD可以利用作为反硝化的碳源物，CN需求可高达8。 如果以甲醇作为碳源物，甲醇与NO3-N比例为3即可达到充分反硝化(95 NO3-N还原为N2)。 附着生长系统比悬浮生长系统所需的甲醇投加量要低，这是因为在附着生长系统泥龄较长使内源代谢作用高于悬浮生长系统。C/N比51.2 废水生物除磷机理磷溶解性磷颗粒性磷70%生物除磷过程：厌氧释放磷 好氧聚磷正磷酸盐有机磷酸盐70%物理特性化学特性聚合磷酸盐聚磷菌聚磷菌的厌氧释磷作用1厌氧释放磷是好氧吸收磷和最终除磷的前提条件。厌氧区（无DO和硝态氧）兼性菌溶解性BOD

21、低分子发酵产物挥发性脂肪酸(VFAS)聚磷菌细胞中聚磷酸盐溶解性的磷酸盐能量原污水的VFAS聚磷菌的好氧聚磷作用2 当污水及污泥刚进入好氧段时，聚磷菌的活力将得到充分的恢复，由于其体内贮存有大量的PHB，而聚磷酸盐含量较低，污水中无机磷酸盐含量则很丰富。聚磷菌在好氧段中以O2作为电子受体，利用胞内PHB作为碳源及能源进行正常的好氧代谢，从废水中大量摄取溶解态的正磷酸盐，在聚磷菌细胞内合成多聚磷酸盐。最新研究 聚磷菌可分为两大类，一类只利用氧气作氧化剂，另一类不仅能利用氧气还能利用硝酸盐作为氧化剂。 因此，在好氧条件下的吸磷比缺氧条件下的吸磷要迅速得多，这意味着消耗PHB及内源碳的同时过量吸磷的现象不仅发生在好氧条件下，也发生在有NO3-N存在条