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 2.1 生物脱氮机理及生物学基础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
2、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 2.1.2 硝化反应与微生物硝化反应与微生物 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）亚硝酸细菌（氨氧化细菌）和硝酸细菌（亚硝酸硝酸细菌（亚硝酸盐氧化细菌）盐氧化细菌）两个亚群组成。自养型硝化菌都是一
3、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）l Nitrosomonas 自养、混养；l Nitrosococcus 自养、混养；l Nitrosospira 严格自养；l Nitrosovibrio 自养、混养；l Nitrosolobus 自养、混养；以氨
4、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。l Nitrobacter 自养、可异养，自养快于异养l Nitrococcus 严格自养l Nitrospina 严格自养l 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
5、 （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 NH33/2O2 NO2-H2OH NO2-1/2 O2 NO3-NH32O2 NO3-H2OH(一）硝化反应的化学反应式硝化反应 耗氧量：NH4NO3-4.57 g O2/g NH4-NNH4NO2-3.43 g O2/g NH4-N NO2-NO3-1.14 g O2/g NO2-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 NH2
6、OH H2O HNO24H 4 e-G0=+23 kJ/mol 0.5 O2+2H 2 e-H2O G0=-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 NH2OH0.5 O2 HNO22H 2 e-G0=-114 kJ/mol羟胺氧化所需的氧是由水提供的18NO2-H2O NO3-+2H+2e-G0=+83kJ/mol0.5O2+2H+2e-H2O G0=-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 NO2-0.5 O2 NO3-G0=-54 kJ/mol亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的19
7、（三）硝化反应的化学计量关系 第一步 1.00NH41.44O20.0496HCO3 0.99NO2-0.01 C5H7NO20.97H2O1.99H+第二步 1.00NO2-0.50O2 0.031CO2 0.00619NH40.124H2O 1.00NO3-+0.00619C5H7NO20.00619H+细胞物质：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：NH41.89O20.0805CO2 0.984NO3-0.0161C5H7NO20.952H2O1.98H+21 将1gNH3-N氧化为硝酸盐：消耗约 4.3
8、 gO2 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 完全氧化生成生成1gNO3-N，需消耗4.34gO222 代谢过程由多种酶催化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）。硝化反应代谢途径硝化反应代谢途径：NH4 NH2OH NO NO2-NO3-电子转移数：电子转移数：NH4氧化为NO2-，经历了多个步骤、多个步骤、6个电子个电子变化，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、步、2个电子个电子变化。
9、（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 2.1.3 反硝化反应反硝化反应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-H2O NO2-3H 1/2N2H2OOH 总：NO3-5H 1/2N22H2OO
10、H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NH3N，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异化反硝化（2）反硝化代谢途径气态271）硝酸盐还原酶 NO3-NO2-2）亚硝酸盐还原酶 NO2-NO3）NO还原酶 NO N2O4）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
11、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
12、、对反硝化菌的认识 反硝化菌是异养兼性厌氧菌u 反硝化菌的能源（1）化能型：l大多数为化能异养型 以有机物作为能源和碳源l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 2.2 生物脱氮反应动力学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 2.2.1 硝化反应动力学硝化反应动力学 2.2.2 反硝化反应动力学33
13、硝化反应更接近于莫诺特莫诺特（Monod）关系式关系式的基本条件。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，亚硝酸菌亚硝酸菌的增值速度控制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）亚硝酸菌比比增值速度莫诺特关系式式中N亚硝酸菌的比增殖速度，1/d；Nmax亚硝酸菌的最大比增殖速度；N-NH4+-N浓度浓度，mg/L；X亚硝酸菌浓度，mg/L；KSN饱和常数，mg/L；NKNdtdXXSNNTNmax)(1一、亚硝酸菌增值速度（2）亚硝酸
14、菌的增殖速度为：NKNXdtdXXSNNTNmax式中 亚硝酸菌增殖速度，mg/(Ld)35（3）NH4+-N氧化速度dtdNqXdtdNXqqNNH4+-N比氧化速度比氧化速度，1/d 可用下式表示：NH4+-N氧化速度氧化速度 mg/(Ld)式中 N-NH4+-N浓度浓度，mg/L；X亚硝酸菌浓度，mg/L；36（4）亚硝酸菌产率系数YN NTNNdXdtYdNqqdtNqYdtdNqNNNqY37二、NH4+-N氧化反应Monod 动力学关系maxNSNNXKNmaxNNSNNKNmax()NNSNNXqYKN NqYNNNqYmax()NNNSNNqYKN38由以上公式，NNNKYma
15、x令NSNKXNdNqdtKN NNSNdNK NdtqXKN 则NH4+-N氧化 Monod 动力学关系式如下：max()NNSNNXqYKNmax()NNNSNNqYKN最大氨氮氧化速度 NH4+-N氧化速度氧化速度 NH4+-N比氧化速度比氧化速度 39ETgdtdXdtdXdtdX 式中：gdtdX亚硝酸菌净净增殖速度；TdtdX亚硝酸菌合成速度；EdXdt亚硝酸菌自身分解自身分解速度。（1）亚硝酸菌的净增值速度dEdXK Xdt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：dTgKXdtdXXdtdXdNgK 式中：XdtdXgg 亚硝酸菌净比
16、增殖速度。或将上式代入公式得：XKdtdXdtdXdTggN41dNcK1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cmin必须满足：设计的固体停留时间cd 应为计算值的1.52.5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Nmaxd-10.60.80.61.00.60.8饱和常数KSNgNH4+-N/m30.30.70.81.20.30.7产率系数YNgVSS/gN0.100.120.050.070.150.20自身分解系数Kdd-10.030.060.030.060.0
17、30.06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 2.2.2 反硝化反应动力学反硝化反应动力学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特关系式二、NO3-N的还原反应莫诺特动力学公式三、反硝化菌的净增殖速度四、反硝化菌的污泥龄 在反硝化反应时，硝酸盐为单一的物质，所以反硝化反应符合莫诺特关系莫诺特关系。因此，用莫诺特（Monod）动力学方程来反映反硝化细菌的反应和生长过程。45DKDdtdXXSDDTDm
18、ax1D反硝化菌的比增殖速度，1/d；Dmax反硝化菌的最大比增殖速度，1/d；DNO3-N浓度，mg/L；X反硝化菌浓度，mg/L；KSD饱和常数，mg/L；一、反硝化菌比增值速度莫诺特关系式（1）反硝化菌比增值速度莫诺特关系式DKDXdtdXXSDDTDmax式中 反硝化菌的增殖速度，mg/(L.d)。（2）反硝化菌的增殖速度46dtdDqDdDqdtqXX NO3-N的还原速率 mg/(L.d)；NO3-N的比还原速率 1/d；（3）NO3-N的还原速度NO3-N的还原速度可用下式表示：DNO3-N浓度，mg/L；X反硝化菌浓度，mg/L；47TDDDdXdtYdDqqdt（4）反硝化菌
19、的产率系数：DqYdtdDqDDDqY48NO3-N的还原速度如下：DqYmax()DDDSDDXqYYKDmaxDSDDXKDDDDqYmaxDDSDDKDmax()DDDDDSDDqYYKD二、NO3-N的还原反应莫诺特动力学公式NO3-N 还原速率NO3-N 比还原速率49max()DDSDDXqYKDmax()DDDSDDqYKDmaxDDDKY令DSDK XDqKDDDSDK DqKD则，NO3-N还原反应莫诺特动力学公式如下：NO3-N还原速率NO3-N比还原速率50ETgdtdXdtdXdtdXgdtdX反硝化菌净净增殖速度；TdtdX反硝化菌总总增殖速度；三、反硝化菌的净增殖速
20、度EdtdX反硝化菌自身分解自身分解速度；dEdXK XdtdK反硝化菌自身分解系数，1/d。51dTgKXdtdXXdtdXdDgKXdtdXgg反硝化菌净比增殖速度。令：将上式带入净增殖速率公式，同时各项除以X，得反硝化菌净比净比增殖速度：52gc1得出dDcK1根据美国环保局提出，反硝化过程中反硝化菌自身分解系数Kd=0.04d-1。四、反硝化菌的污泥龄dDgK代入min1ccDdK最小污泥龄：53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 2.3 生物脱氮影响因素生物脱氮影响因素2.4 生物脱氮新理论 2.5 生物脱氮新工艺542
21、.3 生物脱氮影响因素 2.3.1 硝化反应的影响因素硝化反应的影响因素 2.3.2 反硝化反应的影响因素55（1）温度（2）溶解氧（3）pH（4）碱度（5）抑制性物质（6）污泥负荷（7）生物固体停留时间 2.3.1 硝化反应的影响因素5615098.015TNNTe（1）温度：一般认为，可在445范围内进行。但目前的试验结果表明，即使在0.54 下，仍发生硝化反应。硝化菌比增长速度与温度（T）的经验关系：202004.1TddTKK 硝化菌自身分解系数与温度（T）的经验关系：min11cgTNTdTK则污泥龄：57 亚硝酸菌的净比增殖速度（gT）与水温的关系：0.116(15)0.18TgT
22、e在水温T为20、15、10时，固体停留时间应分别大于3.1d、5.6d、9.9d。0.116(15)0.116(15)115.560.18TcTgTee58硝化菌各属生存温度范围细菌属名合适温度（）亚硝酸细菌亚硝化单胞菌属530亚硝化螺菌属1530亚硝化杆菌属240亚硝化球菌属240亚硝化叶状菌属1530亚硝化弧菌属-530硝酸细菌硝化杆菌属540硝化螺菌属2030硝化刺菌属2530硝化球菌属153059（2）溶解氧 DO 2mg/L（3）pH值 最佳 pH范围为 78（也有资料显示为89），当pH降到55.5以下时，硝化反应几乎停止。（4）碱度 对pH变化起缓冲作用，每氧化1g氨氮需消耗7
23、.14g 碱度（以CaCO3计）60（5）抑制性物质 重金属、酚、游离氨等 游离氨的抑制浓度：亚硝酸菌 10150 mg/L 硝酸菌 0.11 mg/L61 NaClO3在0.02mol的浓度下仅抑制硝酸细菌硝酸细菌对NO2-的氧化反应，在较短的时间内（30min），对其它生物反应基本不抑制；烯丙基硫脲烯丙基硫脲可以抑制亚硝酸菌亚硝酸菌的活性，在5mg/L的浓度下能完全抑制亚硝酸菌对氨氮的氧化反应。抑制剂硝化反应的抑制剂为 氯酸钠（NaClO3）：抑制NO2-的氧化。烯丙基硫脲（allylthiourea，简称ATU）：抑制氨氮的氧化。烯丙基硫脲：烯丙基硫脲：NH4 NO2-NaClO3：NO
24、2-NO3-抑制抑制抑制抑制62（6）污泥负荷：污泥有机负荷 kgBOD/(kgMLSS.d)污泥氨氮负荷 kgNH3-N/(kgMLSS.d)当处理高NH3-N水时，应采用氨氮负荷进行设计或校核。要达到较低的出水氨氮：0.07kg NH3-N/(kgMLSS.d)。63固体停留时间cd的经验公式:美国环境保护局（EPA）建议的cd公式：)15(098.013.25.2TcdeTcde0627.06.20)5.12.1(日本下水道协会建议的cd公式：（7）生物固体停留时间T 水温64 亚硝酸菌的净比增殖速度（gT）与水温的关系：0.116(15)0.18TgTe0.116(15)0.116(1
25、5)115.560.18TcTgTee水温T（）固体停留时间c（d）203.115 5.610 9.9652.3 生物脱氮影响因素 2.3.1 硝化反应的影响因素 2.3.2 反硝化反应的影响因素反硝化反应的影响因素662.3.2 反硝化反应的影响因素 碳源碳源：一是原废水中的有机物，当废水的BOD5/TKN大于35时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；pH：适宜的pH值是6.57.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降；溶解氧溶解氧：反硝化菌适于在缺氧条件缺氧条件下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行
26、，溶解氧应控制在0.5mg/L以下；温度：温度：最适宜温度温度为2040C，低于15C其反应速率将大为降低。67)20(20TTKK 式中TK温度为T时反硝化速度，gNO3-N/(gVSS.d)；20K温度为20时反硝化速度，gNO3-N/(gVSS.d)；T混合液温度，；温度修正系数，一般=1.031.15。温度对反硝化速度K的影响:68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 2.4 生物脱氮新理论生物脱氮新理论 2.5 生物脱氮新工艺692.4 生物脱氮新理论 亚硝酸菌电子受体与电子供体多样性正常时，以氧为
27、电子受体，氨为电子供体；低氧时，同时以氧和亚硝酸盐为电子受体；无氧时，以亚硝酸盐为电子受体；以亚硝酸盐为电子受体时，能利用氢、氨、有机物为电子供体；硝酸菌随环境条件变化而进行不同的呼吸正常时，以氧为电子受体、亚硝酸盐为电子供体进行好氧呼吸；无氧时，以硝酸盐为电子受体、有机物为电子供体进行厌氧呼吸。厌氧氨氧化菌的发现702.4 生物脱氮新理论 2.4.1 2.4.1 短程硝化短程硝化-反硝化反硝化 2.4.2 厌氧氨氧化（自养脱氮）71什么是短程？相对全程而言。为什么要短程？2.4.1 短程硝化-反硝化该原理仍符合传统的传统的硝化反硝化脱氮理论，只不过是少走了“一段路”。722.4.1 短程硝化
28、-反硝化 关键是控制硝化反应，使NO2-积累。如何控制？如何控制？改变pH，抑制亚硝酸盐的氧化。通过控制温度（30)和污泥龄，来淘汰硝酸菌。在絮体内创建缺氧条件，限制硝酸菌的生长。提高游离氨浓度，抑制硝酸菌。73短程硝化反硝化 优点：可节省氧供应量约 25%，降低能耗。节省反硝化所需碳源的 40%，减少污泥生成量可达 50%减少投碱量。缩短反应时间和减小反应器容积。742.4 生物脱氮新理论 2.4.1 短程硝化-反硝化 2.4.2 2.4.2 厌氧氨氧化（自养脱氮）厌氧氨氧化（自养脱氮）752.4.2 厌氧氨氧化一、什么是厌氧氨氧化？以亚硝酸盐为氧化剂将氨氧化为N2的生物反应。以氨为电子供体
29、将亚硝酸盐还原成N2的生物反应。厌氧氨氧化菌：自养型细菌。无O2条件，氨与亚硝酸盐同时存在。ANAMMOX ：anaerobic ammonia oxidation 由荷兰 Delft 大学的Gist Brocades 在试验中发现。NH4+NO2-N2+.76NH3NH2OHNO2-N2H4N2H2N2NO3-2H2HANAMMOX 工艺中N的转化途径二、厌氧氨氧化反应机理模式图772.4.2 厌氧氨氧化 厌氧条件下，每减少1mol NH3，消耗约1.3 mol NO3-，产生约0.2 molNO3-，产生约1.0 mol N2。三、厌氧氨氧化生物反应表达式及计量关系厌氧氨氧化反应化学计量关
30、系：NH4+1.31NO2-+0.0425CO2 1.045N2+0.22NO3+.78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 2.5 生物脱氮新工艺生物脱氮新工艺792.5 新型生物脱氮工艺 2.5.1 Sharon 工艺工艺 2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺 2.5.3 好氧脱氨工艺 2.5.4 Canon工艺 2.5.5 Oland 工艺基于短程硝化好氧自养脱氮80 Sharon（single reactor high activity ammonia removal
31、over nitrite)短程硝化-反硝化工艺2.5.1 Sharon 工艺一、工艺特点：在一个反应器中完成：短程硝化和反硝化；连续流，反应器内不持留活性污泥；采用较高的工作温度：3040；反硝化过程按传统反硝化反应进行。81 核心是实现短程硝化：硝化过程终止于亚硝酸盐阶段，同时促使氨氧化过程顺利进行。系统淘汰硝酸细菌或抑制其生长，保留亚硝酸菌并提高其生长速率。二、Sharon 工艺的技术要点（1）控制温度（2）控制pH（3）控制DO（4）控制污泥龄（5）控制基质浓度和负荷82三、SHARON 用于污水厂的改造消化液脱氮83SHARON甲醇贮罐84WWTPCapacity(MGD)SHARON
32、(kgN/day)OperationalUtrecht519001997Rotterdam608501999Zwolle264102003Beverwijk411.2002003Groningen382.4002005Den Haag551.3002005NYC Wards Island2505.7702007852.5 新型生物脱氮工艺 2.5.1 Sharon 工艺 2.5.2 厌氧氨氧化（厌氧氨氧化（Anammox）工艺）工艺 2.5.3 好氧脱氨工艺 2.5.4 Canon工艺 2.5.5 Oland 工艺86 碳源严重不足的高浓度氨氮废水 首先将部分氨氮氧化成NO2-与短程硝化反应器
33、组合：短程硝化 Anammox 脱氮工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）脱氮组合工艺87厌氧氨氧化脱氮组合工艺（一）高浓度氨氮废水 先利用Sharon工艺将部分氨氮转化为NO2-。SHARONANAMMOX氨氮约50%NO2-N2约50%NH4+HRT=1 dT=30-40 pH=6.6-7.088SHARON020040060080010001200140016001163146617691106121136151TIME(days)CONCENTRATION(mg N/l)NH4-N inNH4-N out NO2-N out图片来源于 TU Delft89厌氧氨氧化脱氮组合工艺（
34、二）先进行短程硝化，将氨氮转化为NO2-。短程硝化ANAMMOX氨氮NO2-氨氮N2902.5 新型生物脱氮工艺 2.5.1 Sharon 工艺 2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺 2.5.3 好氧脱氨工艺好氧脱氨工艺 2.5.4 Canon工艺 2.5.5 Oland 工艺91 Aerobic deammonification 1997年首先由德国Hannover大学提出，2.5.3 好氧脱氨工艺 理论依据：一些硝化细菌既能进行硝化作用，还能进行反硝化作用。一些反硝化细菌既能在无氧条件下进行正常反硝化，还能在有氧条件下进行反硝化（氧受限制时，同时以氧与硝酸盐为电子受体）一些细菌彼此
35、合作，进行序列反应，把氨转化为N2。特点：在一个好氧反应器中完成脱氮（氨）；生物膜表层发生好氧硝化反应；生物膜内层发生多种途径的NO2-还原反应。922.5 新型生物脱氮工艺 2.5.1 Sharon 工艺 2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺 2.5.3 好氧脱氨工艺 2.5.4 Canon工艺工艺 2.5.5 Oland 工艺93 Cannon（completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)2002年首先由荷兰Delft工业大学提出。2.5.4 Canon工艺 依据：亚硝酸细菌在有氧条件下把氨氧化成亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌在
36、无氧条件下把氨和亚硝酸盐转化成N2。利用亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协同作用（Cannon反应）。亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌均为自养型。无需外源有机物（可完全无机），低氧环境下运行。94 Canon 特点 自养型脱氮：由亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌协同完成亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌协同完成。一个曝气反应器中完成；控制DO，低氧状态；多采用生物膜法；生物膜表面发生短程硝化反应；生物膜内层发生厌氧氨氧化反应；952.5 新型生物脱氮工艺 2.5.1 Sharon 工艺 2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺 2.5.3 好氧脱氨工艺 2.5.4 Canon工艺 2.5.5 Oland 工艺工艺96 Oland
37、（Oxygen-limited autotrophic nitrificationdenitrification）氧限制自养型硝化-反硝化工艺 1998年首先由比利时Ghent大学提出。2.5.5 Oland 工艺 依据：在限制供氧的条件下，自养型的亚硝酸细菌将以氧为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸盐，然后，再以氨作为电子供体，把亚硝酸盐还原为N2。即氧限制自养型硝化-反硝化。特点：由亚硝酸菌单独作用完成脱氮亚硝酸菌单独作用完成脱氮。自养脱氮；一个曝气反应器中完成。97生物膜好氧短程脱氨（氮）反应模式 N2 NH4+NH4+N2 NH4+NO2-N2 NO2-+NH4+N2反硝化水相好氧层缺氧层
38、载体厌氧氨氧化98第 3 章 生物除磷机理及生物学基础3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论99GB 189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准（P）（mg/L）常规活性污泥法的微生物同化和吸附；污泥含磷量12%项 目进水排放标准/（mgL-1）一级 A一级 B2005 年12 月31 日前建设的5611.52006 年1 月1 日起建设的560.51 如何去除以达到排放标准？生物强化除磷；投加化学药剂除磷。3.1 概述一、磷的排放标准及去除方法100同化同化：微生物从水中摄取一定量的磷来满足其生理需要满足其生理
39、需要，从而去除部分磷。3.1 概述 如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。BOD:N:P=?生物强化除磷生物强化除磷 一类特殊的细菌聚磷细菌聚磷细菌，可以过量地、超出其生理超出其生理需要需要地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。生物除磷工艺仍以活性污泥法为主。系统排除的剩余污泥中磷含量占干重 5%6%。一、磷的排放标准及去除方法101二、生物除磷的发展历程1955年，Greenburg 发现活性污泥系统中磷消耗量超过细胞正常生长所需量，推断存在磷的过量吸收。1959年，Srinarh和Alarcon最先报道了污水厂污泥生物
40、除磷的现象。未能解释该现象。1965年，Levin和Shapiro指出磷的过量吸收与微生物代谢密切相关，发现一些细胞中形成异染颗粒，添加抑制剂后，磷的吸收停止。1967年，Levin和Shapiro发现了活性污泥在好氧下吸磷，厌氧条件下放磷。70年代，Arizona大学的一个研究组分离出了除磷菌，为揭示生物除磷机理奠定了基础。以后，生物除磷技术得到迅速发展。相继产生了一系列工艺。3.1 概述102第 3 章 生物除磷机理及生物学基础3.2 3.2 生物除磷生物除磷机理及生物学基础机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论103 生物除磷机
41、理及生物学基础一、生物除磷机理二、生物除磷的主要影响因素104一、生物除磷机理u 生物除磷的主体：一类聚磷菌（除磷菌、积磷菌）。u 什么是生物除磷:(:(定义）定义）首先让聚磷菌在厌氧条件下释放磷，然后在有（好）氧条件下过量过量吸收磷，使污水中的磷最终转移到污泥中排出。注意：两个过程需要的环境条件3.2 生物除磷原理（1）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件环境条件决定生化过程环境条件决定生化过程 必须经历必须经历 两个过程：两个过程：u聚磷菌释放磷：厌氧环境u聚磷菌过量摄取磷：好氧环境超出生理需要，摄取量大于释放量超出生理需要，摄取量大于释放量105聚磷菌厌氧释放磷聚磷菌厌氧释放磷：在厌氧条件厌氧
42、条件下，聚磷菌能分解体内的聚磷酸盐聚磷酸盐而产生能量，将废水中的易降解有机物摄入易降解有机物摄入细胞内，以聚聚-羟基丁酸（羟基丁酸（PHB）等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸盐磷酸盐排出体外（释放释放）。（1）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件 好氧条件下摄磷量好氧条件下摄磷量 厌氧条件下释磷量厌氧条件下释磷量。将富磷剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。聚磷菌好氧过量摄取磷聚磷菌好氧过量摄取磷：好氧条件好氧条件下，聚磷菌氧化分解体内贮存的聚聚-羟基丁酸羟基丁酸（PHB）并释放大量能量，用于细胞增殖和摄取摄取废水中的磷磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为
43、聚磷聚磷酸盐酸盐而贮存在细胞体内。3.2 生物除磷原理 对两个过程的描述对两个过程的描述106（2）生物除磷物质转化示意图HAcPO4GLYPHAPoly-PBulk liquidBiomassPoly-PPO4PHASettling phaseAerobic/AnoxicAnaerobicPHAPoly-PPO4HAcPHAPoly-PPO4CO2O2(NO3)Return slugeWaste slugeInfluentEffluentPO4HAcGLYAnaerobicAerobic/AnoxicPO4GLYPHASettling phase107第 3 章 生物除磷机理及生物学基础3.
44、2 生物除磷机理及生物学基础3.3 3.3 生物除磷反应动力学生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论1083.3 生物除磷反应动力学 3.3.1 生物除磷反应式 3.3.2 厌氧阶段厌氧阶段吸收乙酸动力学关系 3.3.3 好氧阶段好氧阶段磷酸盐的吸收动力学109在好氧好氧条件下，聚磷的积累可按下式表示：OHOHHPOCONOHCPOONHOHC232275342424244.144.0)(2.02.116.02.02.116.0聚磷）HPOOHCOHHPOOHC3()()(234222224242贮存有机物）聚磷）在厌氧厌氧条件下，聚磷的分解可按下式表示：3
45、.3.1 生物除磷反应式110HACPHACHACSHACHACSXqKKS式中 qHAC 乙酸的吸收速度，mg/(L.d)KHAC乙酸的最大吸收速度，1/d；SHAC乙酸浓度，mg/L；XP聚磷菌浓度，mg/L；KSHAC饱和常数，mg/L。厌氧阶段厌氧阶段，吸收乙酸动力学关系用Monod方程描述方程描述：3.3.2 厌氧阶段厌氧阶段吸收乙酸动力学关系111max()PPPPPPPPSPpSPPS XS XqKYKSKS 式中 qP磷酸盐吸收速度，mg/(L.d)SP磷酸盐浓度，mg/L。Pmax聚磷菌的最大比增殖速度，1/d；XP聚磷菌浓度；YP聚磷菌最大产率系数；KSP饱和常数，mg/L
46、。PPPYKmax磷酸盐的最大比吸收速度，1/d；好氧阶段好氧阶段，磷酸盐的吸收动力学用Monod方程描述方程描述：3.3.3 好氧阶段好氧阶段磷酸盐的吸收动力学1122020时生物除磷反应动力学常数时生物除磷反应动力学常数符 号单 位数 值聚磷菌最大比增殖速度Pmaxd-124聚磷菌产率系数YPkgSS/kgCOD(HAC)0.60.8聚磷菌产率系数YPkgP/kgCOD(HAC)0.070.1乙酸吸收的饱和常数KSHACgHAC/m326磷酸盐吸收的饱和常数KSPgP/m30.10.5乙酸吸收速度KHACkgCOD(HAC)/kgCOD(X).d0.52113第 3 章 生物除磷机理及生物
47、学基础3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 3.4 影响生物除磷的主要影响因素影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论114以下条件十分重要：a.厌氧/好氧的交替条件；b.厌氧段不能存在O2；c.厌氧阶段不存在硝酸盐（化合态氧）反硝化需要利用易降解有机碳，使易降解有机碳量减少。聚磷菌得不到充足的易降解有机碳，使磷的去除量减少，从而影响了聚磷菌的代谢,1molNO3-反硝化消耗1.26molHAc。d.充足的碳源：TBOD5/TP：15-20：1 e.温度：5 f.pH:6.5-8.03.4 影响生物除磷的主要影响因素115第 3 章 生物除磷机理及生物学基础
48、3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 3.5 生物除磷新理论生物除磷新理论116 一、概述 二、反硝化除磷原理 三、反硝化除磷优点 3.5 生物除磷新理论 反硝化除磷117一、概述 Vlekke（1987）和Takahiro（1992）等分别利用厌氧/缺氧交替SBR系统和固定生物膜反应器进行了试验研究。筛选出了以硝态氮作为电子受体的聚磷优势菌，硝态氮和氧气在除磷系统中起着相同作为电子受体的的作用，1993年，荷兰代尔夫特工业大学（TU Delft）Kuba也在试验中富集到一类兼有反硝化作用和除磷功能的兼性厌氧微生物，能利用O2或NO
49、3-为电子受体。同年，Kerrn-Jespersen通过试验研究，把聚磷菌分为两类，一类仅以O2电子受体，另一类可以O2或NO3-为电子受体。南非开普顿大学(UCT)研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一有生物摄摄/放放磷作用的菌种，兼性反硝化细菌也有着很强的生物摄/放磷现象。反硝化除磷菌，即DPB（denitrifying phosphorus removing bacteria）。118 反硝化聚磷菌的发现，为解决生物脱氮除磷中反硝化菌与聚磷菌对碳原的竞争找到了理论依据。119二、反硝化除磷原理 活性污泥中的一部分聚磷菌能以NO3-作为电子受体，在反硝化的同时完成过量吸磷，是一类兼有反硝化作
50、用和除磷作用“兼性厌氧反硝化除磷菌（DPB）。该类细菌能利用O2或NO3-作为电子受体，通过胞内PHB和糖原质的生物代谢作用来过量吸收磷，其代谢作用与PAO相似。OHNOHHPOCONOHCNOPONHOHC2242273334424296.048.04.1)(2.02.116.096.02.016.0聚磷）在缺氧缺氧条件下，聚磷的积累可按下式表示：利用反硝化聚磷菌厌氧释放磷，缺氧条件下，以NO3-作为电子受体吸收磷。120三、反硝化除磷优点（1）传统生物脱氮除磷工艺的缺点（2）反硝化除磷工艺的优点121（1 1）传统脱氮除磷工艺的缺陷与问题）传统脱氮除磷工艺的缺陷与问题氨氮有机物磷(p)好氧
