微生物脱氮原理

微生物脱氮基本概念一、名词解释•1、总氮(TN)：水中各种形态无机和有机氮的总量。包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营养物质污染的程度。通常可以简单的理解为水体中各种形态氮的总和。•2、总凯氏氮（TKN）：包括氨氮和能转化为铵盐而被测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要有蛋白质、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮为负三价形态的有机氮化合物。通常可以简单的理解为水中氨氮和有机氮的总和。•3、氨氮（NH3-N）：又名氨态氮，是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。•4、硝态氮：是指硝酸盐及亚硝酸盐中所含有的氮元素•以上四者之间的关系图如下：•二、脱氮基本概念•废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO2-N和NO3-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气，从而降低废水中N的含量。脱氮原理及影响脱氮的因素•一、生物脱氮原理•污（废）水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在，通常是只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮，在未经处理的污水中，氮有可溶性的氮，也有非溶性的氮。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在；一部分非溶性有机氮在初沉池中可以去除。在生物处理过程中，大部分的可溶性有机氮转化成氨氮和其他无机氮，却不能有效地去除氮。废水生物脱氮的基本原理就在于，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出，从而达到除去氮的目的。即完整的生物脱氮反应共分成三个步骤：有机氮氨化反应——硝化反应——反硝化反应。•1、氨化作用•（1）概念•氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为矿化作用。•（2）细菌•参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。•（3）降解方式（分好氧和厌氧）•在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨：••丙氨酸亚氨基丙酸丙酮酸•另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们式好氧菌，其反应式如下：••在厌氧条件或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。••2、硝化作用•（1）概念•硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的生物化学反应，•（2）细菌•这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。•亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。亚硝酸菌和硝化菌统称为硝化菌。•（3）反应过程•包括亚硝化反应和硝化反应两个阶段。该反应历程为：•1.第一阶段：•生化氧化：•生化合成：•则第一阶段的总反应式（包括氧化和合成）为：•2.第二阶段：•生化氧化：•生化合成：•则第二阶段的总反应式为：•第一阶段反应放出能量多，该能量供给亚硝酸菌,将NH4+合成NO2-，维持反应的持续进行，第二阶段反应放出的能量较小。从NH4+→NO3-的反应历程如下表所示。硝化过程中氮的氧化还原态氮的价态变化氮的转化–3氨离子NH4+↓-1羟胺NH2OH↓1硝酰基NOH↓3亚硝酸根NO2-↓5硝酸根NO3-•硝化过程总反应过程如下：•该式包括了第一阶段、第二阶段的合成及氧化，由总反应式可知，反应物中的N大部分被硝化为NO3-，只有2.1%的N合成为生物体，硝化菌的产量很低，且主要在第一阶段产生（占1/55）。若不考虑分子态以外的氧合成细胞本身，光从分子态氧来计量，只有1.1%的分子态氧进入细胞体内,因此细胞的合成几乎不需要分子态的氧。•硝化过程总氧化式为：•（4）特点•从上式可以看出硝化过程的三个重要特点：•⑴NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.57gO2；•⑵硝化过程细胞产率非常低，且难以维持较高胜物浓度，特别是在低温的冬季；•⑶硝化过程中产生大量的的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，其理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度7.14g(以CaCO3计)。3、反硝化作用•（1）概念•反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.3-0.5mg/L）条件下，硝态氮、亚硝态氮及其其它氮氧化物被用作电子受体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。•（2）细菌•这个过程反硝化菌完成。•反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等。它们多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+作为电子受体。O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定。•反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2-和NO3-还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是N2。而同化作用是反硝化菌将NO2-和NO3-还原成为NH3-N供新细胞合成之用，氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化。•（3）反硝化过程•反硝化反应式如下：••[H]可以是任何能提供电子，且能还原NO3―及NO2―为的物质，包括有机物、硫化物、H+等。•反硝化反应历程如下：二、生物脱氮过程的影响因素•1、硝化反应影响因素•（1）有机碳源•硝化菌是自养型细菌，有机物浓度不是它的生长限制因素，故在混合液中的有机碳浓度不应过高，一般BOD值应在20mg/L以下。如果BOD浓度过高，就会使增殖速度较高的异养型细菌迅速繁殖，从而使自养型的硝化菌得不到优势而不能成为优占种属，严重影响硝化反应的进行。•（2）温度•在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在5～45℃的范围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动，且随着温度的升高，硝化反应的速率也增加。当废水温度低于15℃时或大于35℃，硝化速率会明显下降，当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30℃时的硝化硝化速率的25%，当温度低于5℃时，硝化菌的活性基本停止。尽管温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于35℃。•（3）pH值•硝化菌对pH值的变化非常敏感，最佳pH值范围内为7.5~8.5，当pH值低于7时，硝化速率明显降低，低于6和高于9.6时,硝化反应将停止进行.。由于硝化反应中每消耗1g氨氮要消耗碱度7.14g，如果污水氨氮浓度为20mg/L，则需消耗碱度143mg/L。一般地，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。•（4）溶解氧•氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得进程。在活性污泥法系统中，大多数学者认为溶解氧应该控制在1.5～2.0mg/L内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前，有许多学者认为在低DO（1.5mg/L）下可出现SND现象。在DO＞2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过高，过量能耗，在经济上也是不适宜的。•（5）C/N比•在活性污泥系统中，硝化菌只占活性污泥微生物的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。而BOD5/TKN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，从而影响脱氮效果。一般认为处理系统的BOD负荷低于0.15kgBOD5/(kgMLSS·d)，处理系统的硝化反应才能正常进行。•（6）生物固体平均停留时间（污泥龄）•为保证连续流反应器中存活并维持一定数量和性能稳定的硝化菌，微生物在反应器的停留时间。即污泥龄应大于硝化菌的最小世代时间，硝化菌的最小世代时间是其最大比增长速率的倒数。脱氮工艺的污泥龄主要由亚硝酸菌的世代时间控制，因此污泥龄应根据亚硝酸菌的世代来确定。实际运行中，一般应取系统的污泥龄为硝化菌最小世代时间的三倍以上，并不得小于3~5d，为保证硝化反应的充分进行，污泥龄应大于10d。•（7）重金属及有毒物质•除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。据研究，当污水中氨氮浓度小于200mg/L，亚硝态氮浓度小于100mg/L时，对硝化作用没有影响。•2、反硝化反应影响因素•（1）温度•反硝化细菌对温度变化虽不如硝化细菌那样敏感，但反硝化效果也会随温度变化而变化。温度越高，硝化速率也越高，在30～35℃时增至最大。当低于15℃时，反硝化速率将明显降低；至5℃时，反硝化将趋于停止。•（2）pH值•pH值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化最适宜的pH值是6.5～7.5，在这个pH值的条件下，反硝化速率最高，当pH值高于8或者低于6时，反硝化速率将大为下降。•（3）外加碳源•反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌，在厌氧的条件下以NOx-N为电子受体，以有机物（有机碳）为电子供体。由此可见，碳源是反硝化过程中不可少的一种物质，进水的C/N直接影响生物脱氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN＝3～5，有机物越充分，反应速度越快，当废水中BOD/TKN小于4时，需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。因此碳源对反硝化效果影响很大。反硝化的碳源来源主要分三类：一是废水本身的组成物，如各种有机酸、淀粉、碳水化合物等；二是废水处理过程中添加碳源，一般可以添加附近一些工业副产物，如乙酸、丙酸和甲醇等；三是活性污泥自身死亡自溶释放的碳源，称为内源碳。•（4）溶解氧•反硝化菌是兼性菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸。含碳有机物好氧生物氧化时所产生的能量高于厌氧硝化时所产生的能量，这表明，当同时存在分子态氧和硝酸盐时，优先进行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有机物而抑制了硝酸盐的还原。所以，为了保证反硝化过程的顺利进行，必须保持严格的缺氧状态。微生物从有氧呼吸转变为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶，而分子态氧的存在会抑制这类酶的合成及其活性。由于这两方面的原因，溶解氧化对反硝化过程有很大的抑制作用。一般认为，系统中溶解氧保持在0.5mg/L以下时，反硝化反应才能正常进行。但在附着生长系统中，由于生物膜对氧传递的阻力较大，可以容许较高的溶解氧浓度。谢谢！