[教学]生物脱氮除磷课件-1.ppt
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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 2.1.1 生物脱氮反应过程生物脱氮反应过程 2.1.2 硝
2、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 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
3、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、
4、混养;l Nitrosospira 严格自养;l Nitrosovibrio 自养、混养;l 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。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
5、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 (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-N NH4NO2-3.43 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
6、生化反应(1)氨氧化为羟氨: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 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: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
7、化盐:NO2-0.5 O2 NO3-G0=-54 kJ/mol19(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: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 0.984NO3-0.0161C5H7NO20.952H2O1.9
8、8H+21 将1gNH3-N氧化为硝酸盐:消耗约 4.3 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
9、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 1/2N22H2OOH新细胞OHOHCON
10、BODNO2223一、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-NH2OHNH3NO2-NO 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N
11、O3-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
12、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 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 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
13、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,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)亚硝酸菌的增殖速度为:NKNXdtdXXSNNTNmax式中 亚硝酸菌增殖速度,mg/(Ld
14、)35(3)NH4+-N氧化速度dtdNqXdtdNXqqNNH4+-N比氧化速度,1/d 可用下式表示:NH4+-N氧化速度 mg/(Ld)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YN NTNNdXdtYdNqqdtNqYdtdNqNNNqY37二、NH4+-N氧化反应Monod 动力学关系maxNSNNXKNmaxNNSNNKNmax()NNSNNXqYKN NqYNNNqYmax()NNNSNNqYKN38由以上公式,NNNKYmax令NSNKXNdNqdtKN NNSNdNK NdtqXKN 则NH4+-N氧化 Monod 动力学关系式
15、如下:max()NNSNNXqYKNmax()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min1cN
16、dK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-10.030.060.030.060.030.06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
17、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。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。45DKDdtdXXSDDTDmax1D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
18、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)反硝化菌的产率系数:DqYdtdDqDDDqY48NO3-N的还原速度如下:DqYmax()DDDSDDXqYYKDmaxDSDDXKDDDDqYmaxD
19、DSDDKDmax()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反硝化菌净增殖速度;TdtdX反硝化菌总增殖速度;三、反硝化菌的净增殖速度EdtdX反硝化菌自身分解速度;dEdXK XdtdK反硝化菌自身分解系数,1/d。51dTgKXdtdXXdtdXdDgKXdtdXgg反硝化菌净
20、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 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542.3 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
21、)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)0.18TgTe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
22、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7.14g 碱度(以CaCO3计)60(5)抑制性物质 重金属、酚、游离氨等 游离氨的抑制容许浓度:亚硝酸菌 10150 mg/L 硝酸菌 0.11 mg/L61 NaClO3在0.02mo
23、l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:抑制 NH4NO2-NaClO3:抑制 NO2-NO3-62(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
24、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(15)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
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