1、小组成员：杜晓娜 霍进彦 刘世泽 任艳婷 王越 王真真反硝化脱氮机理反硝化动力学运用动力学分析影响反硝化的因素反硝化脱氮机理反硝化脱氮机理 反硝化过程是指在缺氧条件下以有机碳源作为电子供体、硝态氮作为电子受体,在无氧或低氧条件下,微生物将亚硝酸盐氮或硝酸盐氮还原为气态氮,实现氮去除的过程。在反硝化代谢过程中,硝酸盐氮的代谢途径有同化和异化反硝化两种。反硝化的具体途径是：同化反硝化是利用硝酸盐还原产物进行微生物的细胞合成,转化成有机氮化合物而成为细菌体的一部分:异化反硝化是将硝酸盐氮转化为氮气,这是污水处理中去除硝酸盐的理论基础:反硝化脱氮机理废水生物处理数学模型废水生物处理数学模型 1942年
2、，Monod提出Monod方程，指出微生物的生长速率与微生物浓度及某些限制性底物浓度之间的关系；20世纪5060年代，国外一些学者以 Monod 方程为基础引入化工领域的反应器理论及微生物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的关系用数学关系来做定量描述，建立了各自的活性污泥法静态数学模型；如今，以Monod方程为基础的活性污泥数学模型已得到广泛使用，反硝化动力学便是其中重要的一部分。反硝化动力学反硝化动力学不同的反硝化动力学模型：双Monod模型 单一底物Monod模型 零级反应模型反硝化动力学反硝化动力学 一般情况下，以 Monod 方程为基础的污染物质降解动力学模型原则上需
3、要满足的三个条件：1.微生物以单一污染物质作为基质；2.微生物处于平衡生长状态；3.在降解和生长过程中没有毒性存在。双双 Monod 模型模型 反硝化过程受双底物限制，即有机物、硝态氮两者都可能成为微生物增殖率的限制因素。在生物脱氮中，假如碳源不足，反硝化就不完全，去氮不彻底。相反，若碳源过多，过剩的碳便会随出水流失，会降低出水水质和增加处理成本。这样就需要有机物的投加量适当。对于有两种低于饱和浓度底物存在的反应，这两种底物必将都影响微生物的总比增殖率。双双 Monod 模型模型V比降解速率(d-1)；Vmax最大比降解速率(d-1)；K有机物饱和常数(mg/L)；S有机物浓度(mg/L)；K
4、N硝态氮的饱和常数(mg/L)；SN硝态氮浓度(mg/L).)(maxNNNSKSKSSVV单一底物单一底物 Monod 模型模型 一般在实践中，有机物往往是过量投加的，即有机物含量一般不会成为脱氮反应的速率限制性因素，这样脱氮的生物动力学模型便简化成单一底物限制的模型。单一底物单一底物 Monod 模型模型V硝态氮的比降解速率(d-1)；Vmax硝态氮的最大比降解速率(d-1)；SN硝态氮浓度(mg/L)；t反应时间(d)；KN饱和常数，其值为 V=0.5Vmax时的硝态氮浓 度(mg/L)；X t 时刻微生物浓度(mgMLVSS/L).NNNNSKSVdtdSXVmax1单一底物单一底物
5、Monod 模型模型在实际运用中，Monod 公式可表示为：两边取倒数，得：SN1t1时刻废水中的基质浓度(mg/L)；SN2t2时刻废水中的基质浓度(mg/L)；t为 t1、t2时刻之间的时间间隔(d)；SNt1和 t2时刻基质的平均浓度(mg/L).NNNNNSKSVtXSSVmax21maxmax21111VSVKSStXVNNNN单一底物单一底物 Monod 模型模型 常用方法：以 1/SN对 1/V 进行线性回归，分别得到斜率 b 和截距a，其中a=1/Vmax,b=KN/Vmax 从而得出动力学参数：abKaVN1max零级反应模型零级反应模型 当有机碳源充分时，硝态氮浓度比较高，
6、反硝化速率和硝酸氮呈零级反应。即反硝化速率和硝态氮浓度无关。一般认为，硝酸氮浓度只要超过 0.1mg/L时，即对反硝化速率无大的影响，只和反硝化菌浓度有关，即：(dN/dt)DN反硝化速率(mgNO3-N/(Ld-1)；K常数(1/d)；X反硝化菌浓度(mgMLVSS/L).XKdtdNDN影响反硝化的几个因素影响反硝化的几个因素 温度 pH反应装置反应装置 采用SBR反应器注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析温度对动力学的影响温度对动力学的影响 温度对反硝化作用的影响比其它废水生物处理过程的影响要大，通常控制其范围为1535，低于10时反硝化速率明显下降。实验数据反硝化硝态氮
7、实验数据如下：15的反硝化实验数据的反硝化实验数据20的反硝化实验数据的反硝化实验数据25的反硝化实验数据的反硝化实验数据30的反硝化实验数据的反硝化实验数据注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析数据处理211NNSStXV2121NNNSSS SN1t1时刻废水中的基质浓度(mg/L)；SN2t2时刻废水中的基质浓度(mg/L)；t为 t1、t2时刻之间的时间间隔(d)；SNt1和 t2时刻基质的平均浓度(mg/L)；X t 时刻微生物浓度(mgMLVSS/L).其中，SN1、SN1 与t可由实验数据得到，X的值为60 mgMLVSS/L。动力学参数计算动力学参数计算结果如下：
8、15的动力学参数计算表的动力学参数计算表20的动力学参数计算表的动力学参数计算表25的动力学参数计算表的动力学参数计算表30的动力学参数计算表的动力学参数计算表注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析拟合曲线拟合曲线15 的 1/V1/SN曲线30 的 1/V1/SN曲线20 的 1/V1/SN曲线25 的 1/V1/SN曲线9663.02R7006.02R8649.02R2673.02R拟合结果 温度温度 15 15 20 20 25 25 30 30 以 1/SN对 1/V 进行线性回归，分别得到斜率 b 和截距a，其中a=1/Vmax,b=KN/Vmax，从而得出动力学参数：
9、Vmax=1/a,KN=b/a。拟合结果)(1maxdV)/(lmgKN 随着温度的增高，最大比基质去除速率逐渐变大。而KN的规律并不明显。温度和动力学参数的关系 在废水生物处理中，阿伦尼乌斯定律被广泛用来描述温度对反应速率的关系，简化阿伦尼乌斯定律方程通常表达为：其中：T时的基质最大比速率（)基准温度时的最大比速率（)实际温度，基准温度（）温度系数阿伦尼乌斯定律方程应用以20为基准温度计算温度系数，即：令 T020，则对阿伦尼乌斯方程两边取倒数可得：以 lgVmax(T)对(T-20)作图并进行回归，从而求出和 Vmax(T0)。其中 Vmax(T)可由之前Monod方程拟合得出。拟合结果l
10、gVmaxT 图于是有：阿伦尼乌斯定律方程：回归方程：pH值对动力学参数的影响 生物反硝化脱氮过程中，pH 值是一个重要的影响因素。不同的学者以不同的反硝化细菌和不同的碳源作实验，所得的最适宜的 pH 值范围也略有不同，一般在中性或微碱性之间。当偏离适宜 pH 值时反硝化速率逐渐下降，同时会出NO2的积累。pH 值为 6.5 的反硝化实验时间（时间（h）0.04.08.012.016.0硝酸氮（mg/l）475.4177455.8329412.9426387.0594356.8041转化率（%）0.04.1213.1418.5924.95时间（h）20.024.028.032.0硝酸氮(mg/
11、l)335.821298.6666273.0472253.16转化率（%）29.3637.1842.5746.75实验条件：T=201；MLVSS=32mg/L；pH=6.5；DO=0.35mg/L注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析pH 值为 7.0 的反硝化实验时间（时间（h）0.04.08.012.016.0硝酸氮（mg/l）477.3737440.827388.4793336.4871269.9291转化率（%）0.07.6618.6229.5143.46时间（h）20.024.028.032.0硝酸氮(mg/l)201.2516167.4695111.083472.4
12、7转化率（%）57.8464.9276.7384.82实验条件：T=201；MLVSS=32mg/L；pH=7.0；DO=0.35mg/L注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析 pH 值为 7.5 的反硝化实验时间（时间（h）0.04.08.012.016.0硝酸氮（mg/l）458.6329378.4625309.6344234.9391174.3602转化率（%）0.017.4832.4948.7761.98时间（h）20.024.028.032.0硝酸氮(mg/l)112.362274.056936.487112.10转化率（%）75.5083.8592.0497.36实验
13、条件：T=201；MLVSS=32mg/L；pH=7.5；DO=0.35mg/L注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析 pH 值为 8.0 的反硝化实验时间（时间（h）0.04.08.012.016.0硝酸氮（mg/l）452.3215401.2478346.3436284.0975242.2809转化率（%）0.011.2923.4337.1946.44时间（h）20.024.028.032.0硝酸氮(mg/l)180.0348134.387779.483551.223转化率（%）60.2070.2982.4388.68实验条件：T=201；MLVSS=32mg/L；pH=8.
14、0；DO=0.35mg/L注：王丽丽.高效反硝化菌的实验研究及其脱氮动力学分析数据处理211NNSStXV2121NNNSSS SN1t1时刻废水中的基质浓度(mg/L)；SN2t2时刻废水中的基质浓度(mg/L)；t为 t1、t2时刻之间的时间间隔(d)；SNt1和 t2时刻基质的平均浓度(mg/L)；X t 时刻微生物浓度(mgMLVSS/L).其中，SN1、SN1 与t可由实验数据得到，X的值为32mgMLVSS/L。数据处理pH=6.5pH=7.0数据处理pH=8.0pH=7.5拟合曲线PH值为6.5的1/V1/SN曲线PH值为7.0的1/V1/SN曲线PH值为7.5的1/V1/SN曲线PH值为8.0的1/V1/SN曲线拟合结果拟合结果当pH值为7.5 时，其最大比基质去除速率最大，当pH值为8.0时次之。而 KN的规律并不明显。且pH 对动力学参数的影响规律服从 Monod 方程。(d-1)(mg/L)结论 温度：运用单一底物Monod模型，得出实验范围内，温度越高，反硝化速率越大，30时速率最大；pH：运用单一底物Monod模型，得出当pH值为7.5时，其最大比基质去除速率最大，pH为8.0时次之。
