生物脱氮除磷的原理与工艺设计

污水生物脱氮除磷的原理与工艺设计Biologicalnutrientremovalfromwastewater:principlesandtechniques2011.5生物脱氮基本原理氮在水体中的存在形态有机氮无机氮蛋白质(C,O,N,H,N=15~18%)多肽氨基酸尿素[CO(NH2)2]其他(硝基、胺及铵类化合物)COOHHRCNH2氨氮(NH3-N,NH4+-N)亚硝态氮(NO2--N)硝态氮(NO3--N)生物脱氮基本原理氮在水体中的存在形态氨氮(NH3-N,NH4+-N)亚硝态氮(NO2--N)硝态氮(NO3--N)总氮(TN)有机氮无机氮凯氏氮(TKN)=有机氮+氨氮水污染控制中经常提到的几个术语TN=TKN+NOx-N生物脱氮基本原理有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N(氨化作用)氨化菌NH4+-N(亚硝化作用)NO2--N亚硝酸菌+O2(亚硝化作用)NO2--N亚硝酸菌+O2硝酸菌+O2(硝化作用)NO3--N硝酸菌+O2(硝化作用)NO3--N反硝化菌+有机碳(反硝化作用)N2反硝化菌+有机碳(反硝化作用)N2生物脱氮基本原理氨化作用(Ammonification)氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。有机氮(氨化作用)氨化菌NH4+-N生物脱氮基本原理硝化作用(Nitrification)氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：55NH4++76O2+109HCO3-C5H7NO2+54NO2-+57H2O+104H2CO3400NO2-+NH4++4H2CO3+HCO3-+195O2C5H7NO2+3H2O+400NO3-NH4++1.83O2+1.98HCO3-0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3生物脱氮基本原理硝化作用(Nitrification)氨氮和亚硝酸盐氮的生物转化和细胞合成的反应式：NH4++1.83O2+1.98HCO3-0.02C5H7NO2+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为：245.1ONHHOHNO222(1-4)225.0ONO3NO(1-5)总反应式为：242ONHOHHNO232(1-6)亚硝酸菌硝酸菌硝化细菌生物脱氮基本原理硝化作用(Nitrification)1.每氧化1gNH4+-N为NO3−-N需要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)(100/14=7.14)注：每氧化14gNH4+-N为NO3−-N，产生2molH+，需要1mol的CaCO3(分子量为100)来中和。2.不计细菌增值，每氧化1gNH4+-N为NO3--N，共需氧4.57g。245.1ONHHOHNO222(1-4)225.0ONO3NO(1-5)总反应式为：242ONHOHHNO232(1-6)亚硝酸菌硝酸菌硝化细菌》碱度是指水中能够接受H+离子的物质含量，即CO32-、HCO3-、OH-及弱酸盐类的总和。亚硝酸菌和硝酸菌项目亚硝酸菌硝酸菌异养菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸1.0~1.5μm0.5~1.0μm革兰氏染色阴性阴性世代周期(h)8~3612~592.31~8.69自养性专性专性异养需氧性严格好氧严格好氧最大比生长速率μm(h-1)0.04~0.080.02~0.060.08~0.3产率系数Y(mg细胞/mg基质)0.04~0.130.02~0.070.4~0.8饱和常数KS(mg/L)0.6~3.60.3~1.725~1001gNH4+-N1gNO3−-N消耗碱度7.14g(以CaCO3计)需要氧4.57g生物脱氮基本原理硝化作用(Nitrification)2019年11月9日生物脱氮基本原理缺氧反硝化过程NO3--NNO2--NNON2ON2通常反硝化菌群优先选择分子氧而不是硝酸盐为电子受体，但如果无分子态氧存在，则利用硝酸盐进行无氧呼吸。反硝化细菌大量存在于污水处理系统中。反硝化细菌是兼性细菌2019年11月9日生物脱氮基本原理缺氧反硝化过程NO2-+3H(电子供体有机物)0.5N2+H2O+OH-(1-7)NO3-+5H(电子供体有机物)0.5N2+H2O+OH-(1-8)生物反硝化的总反应式如下：由第一式计算，转化1gNO2−-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)1.71g[3×16/(2×14)=1.71]。由第二式计算，转化1gNO3−-N为N2时，需要有机物(以BOD表示)2.86g[5×16/(2×14)=2.86]。还原1gNO2−-N或NO3−-N均可产生3.57g碱度(以CaCO3计)(50/14)，硝化过程中消耗的碱度有近50%得到回收。2H+OH2O1molH=0.5molO(以BOD表示)生物除磷基本原理聚磷酸是一种高能化合物，水解时能放出能量。因此，在厌氧池中聚磷菌利用这部分能量摄取有机物并放出水解产生的磷酸，结果厌氧池中的磷浓度上升。同时，废水中的有机物因被聚磷菌摄取而减少。但聚磷酸水解放出的能量还达不到菌体增殖所需的能量，所以摄取的有机物只能变成细胞内暂时贮存积蓄物质。到了好氧池，聚磷菌将体内积蓄的有机物通过好氧呼吸氧化分解，合成ATP，用这部分能量进行菌体的增殖和合成聚磷酸。由于其摄取合成聚磷酸的磷量比厌氧时放出的多，因此废水中的磷被不断净化。生物除磷基本原理有试验资料表明，厌氧状态下每释放1mg磷，进入好氧状态后就可吸收2.0一2.4mg磷。细胞内吸收了大量磷的高磷污泥最后以剩余污泥的形式排出系统，从而完成除磷过程。厌氧条件下，因废水中没有DO和缺乏硝态氮，一般无聚磷能力的好氧菌及反硝化细菌不能产生ATP，故这类细菌不能摄取细胞外的有机物合成菌体。聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms，PAOs)——是指具有聚磷能力的一类细菌生物除磷基本原理聚磷菌厌氧释磷过程简单有机底物+ADP+磷酸盐+能量ATP分解多聚磷酸盐聚磷菌细胞合成胞内碳源PHB大分子有机物发酵聚磷菌细胞分解聚磷菌好氧吸磷过程简单有机底物胞内碳源PHB＋O2CO2+H2O+生物氧化能量＋磷酸盐ATP＋核酸＋多聚磷酸盐聚磷菌细胞合成TCA循环生物除磷基本原理GlycogenPoly-PPO43−ATPNADH2PHBHAcGlycogenPoly-PPHBATPNADH2PHBPPGlyPO43−H2O/N2O2/NO3−增长厌氧条件(释磷)好氧(缺氧)条件(吸磷)Hac－乙酸(COD)；Glycogen或Gly－糖原；Poly-P或PP－多聚磷酸盐；PHB－聚β-羟基丁酸盐；ATP－三磷酸腺苷；NADH2－烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶)生物除磷就是利用PAOs，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷(luxuryuptake)，并将其以聚合形态贮存在体内，形成高磷污泥而排出系统，以达到污水除磷的效果。kJOHHNOONH61922322223kJHNOOHNO20122322(1)(2)参与(1)的主要为亚硝酸单胞菌属；参与(2)的主要是硝化杆菌属；在生理浓度条件下，NH4+氧化为NO2−产生的能量为242.8~351.7kJ/mol，所产生的能量亚硝酸菌可以利用5%~14%。NO2−氧化为NO3−产能量为64.5~87.5kJ/mol，硝酸菌的能量利用率为5%~10%。有硝化功能的活性污泥法由于硝化反应释能少，为了合成细胞物质，细菌不得不大量氧化氨，试验测得的异化反应消耗的N与同化合成的N之比约为460:1。正是由于这个原因，硝化菌的增殖与其它细菌相比是非常缓慢的，需要较长的污泥龄。有硝化功能的活性污泥法kJOHCOOOHC28766662226126好氧微生物每氧化分解1mol葡萄糖分子可生成38molATP，共有38×31.4=1193kJ的能量转变为ATP。好氧微生物能量的利用率为：1193/2876=41.5%硝化过程一般出现在泥龄较长的活性污泥系统中，硝酸盐是这类活性污泥系统出水中的主要形式。曝气池类型BOD污泥负荷(kgBOD5/kgMLVSSd)污泥龄(d)污泥浓度(mg/L)污泥回流比(%)曝气时间(d)符号NsθcMLSSMLVSSRt传统推流式0.2～0.45～151500～30001200～24000.25～0.504～8阶段曝气式0.2～0.45～152000～35001600～28000.25～0.753～5吸附－再生式0.2～0.65～15吸附池1000～3000再生池4000～10000吸附池800～2400再生池3200～80000.25～1.0吸附池0.5～1.0再生池3～6.0延时曝气式0.05～0.1520～303000～60002400～48000.75～1.5020～36～48传统完全混合式0.2～0.65～153000～60002400～48000.25～1.0——高负荷活性污泥过程1.5～5.00.2～2.5200～500160～4000.05～0.151.5～3.0深井曝气式1.0～1.255000～100000.5纯氧曝气式0.4～0.85～15————————有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学式中：μn——硝化菌比生长速率，d－1；μnm一硝化菌最大比生长速率，d－1；Na——氨氮的浓度，g／m3；Kn——硝化作用中半速率常数，g／m3；ananmnNKN20℃时：μnm＝0.25～0.77d－1；Kn=0.5~2.0g／m3；为何Na是氨氮的浓度，而不是亚硝酸盐的浓度？生物硝化反应的动力学模型可用Monod公式表示:有硝化功能的活性污泥法kJOHHNOONH61922322223kJHNOOHNO20122322(1)(2)由于NH4+-N氧化为NO2−-N时产生的能量，大约为NO2−-N氧化为NO3−-N时所产生能量的4~5倍。因此要想获得相同的能量，所氧化的NO2−-N也必须相当于氧化NH4+-N的4~5倍。所以，在稳态条件下，生物处理系统内不会产生NO2−-N的积累。由于亚硝化反应和硝化反应Monod方程中的饱和常数KN都小于1mg/L(温度20℃)，所以硝化反应中的速度限制步骤是亚硝化菌将NH4+-N氧化为NO2−-N的过程。有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学1970s，Downing提出：ananmnNKN)15(098.0)(47.0TTnme0.47—15℃时，亚硝酸菌最大比生长速率（d-1）环境因素对动力学的影响(1)温度：158.1051.0)(10TTnK有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学ananmnNKN环境因素对动力学的影响(1)温度：(2)pH：1970s，Downing提出，当pH值小于7.2时：)]2.7(833.01[)(maxpHnn有硝化功能的活性污泥法环境因素对动力学的影响(1)温度：(2)pH：(3)DO：大多数研究者认为，利用Monod关系式能够充分表达氧对硝化率的影响OOOnnSKSmax)(SO—DO（mg/L）KO—氧的半速常数（mg/L）KO=0.25~2.46mg/L，美国EPA建议取1.3mg/L。有硝化功能的活性污泥法硝化反应动力学ananmnNKN)]2.7(833.01[1047.0158.1051.0)15(098.0pHSKSNNeOOOaTaTnpH7.2时：pH=7.2时：OOOaTaTnSKSNNe158.1051.0)15(098.01047.0硝化反应动力学ananmnNKN硝化反应动力学有硝化功能的活性污泥法ducKXdtdSY/1XKd