不同工艺的短程硝化反硝化过程研究

不同工艺的短程硝化反硝化过程研究小组成员：李檬孟露涂佳敏杨艳玲赵晴刘航氨（NH3、NH4+）硝酸盐（NO3—）亚硝酸盐（NO2—）氮气（N2）亚硝化硝化反硝化反硝化短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节。不同工艺的短程硝化反硝化过程研究图1-1传统生物脱氮途径短程硝化反硝化具有很大的优势缩短反应历程，节省50%的反硝化池容积。节省25%氧供应量，降低能耗。1减少40%的碳源，在Ｃ/Ｎ较低的情况下实现反硝化脱氮。2降低污泥产量，硝化过程可少产污泥33%~35%左右，反硝化阶段少产污泥55%左右。34不同工艺的短程硝化反硝化过程研究序批式活性污泥工艺（SBR）缺氧-厌氧-微氧-好氧工艺（A2O2）曝气生物滤池（BAF）短程硝化反硝化不同工艺的短程硝化反硝化过程研究几点假设：–进水水质水量恒定–进水过程是瞬时的（不考虑进水过程氮的去除）–完全混合式反应–AOB(氨氧化菌或亚硝酸盐菌)不会处于内源代谢且代谢特性保持稳定–模型基于Monod方程序批式活性污泥工艺(SBR)1、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究1、硝化过程模型构建及参数测定•氨氮降解总方程•亚硝化平衡方程不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•Monod方程表达式•AOB产率•最大比生长速率1、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•氨降解方程用总MLSS代替1、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究1、硝化过程模型构建及参数测定氨降解方程其中积分得不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•第一步：控制KA,OSO»SO/KA,O+SO≈1»A≈（μA/YA）·M·X可确定μA/YA故YA=0.26μA=0.0193h-1A=0.317C=139.55KA,NH=1.35mg/L-1另测得，M=5%X=5.106gSS/L-11、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•第二步：控制DO较低水平A=1/YA·μA·M·X·SO/(KA,O+SO)可确定KA,OA=0.1962SO/KA,O+SO=0.1962/0.317KA,O=0.307•试验得方程：1、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究相关性系数R=0.99021、硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究2、反硝化过程模型构建及参数测定几点假设：–进水水质水量恒定–进水过程是瞬时的（不考虑进水过程氮的去除）–完全混合式反应–DNB(反硝化菌)不会处于内源代谢且代谢特性保持稳定–模型基于Monod方程不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•亚硝酸盐降解总方程•反硝化平衡方程2、反硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•亚硝盐降解方程•整理得2、反硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究•第一步：控制KNOSNO;KSS»SNO/(KNO+SNO)≈1;S/(KS+S)≈1»(-1)/XH·dSNO/dt=qN可确定qN•第二步：控制KNOSNO»SNO/(KNO+SNO)≈1»(-1)/XH·dSNO/dt=qN·S/(KS+S)可确定Ks•第三步：控制KSS»S/(KS+S)≈1»(-1)/XH·dSNO/dt=qN·SNO/(KNO+SNO)可确定KNO•试验得方程2、反硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究2、反硝化过程模型构建及参数测定不同工艺的短程硝化反硝化过程研究缺氧-厌氧-微氧-好氧工艺(A2O2)图3-1A2/O2工艺流程框图及物料平衡图不同工艺的短程硝化反硝化过程研究1、设计进出水水质不同工艺的短程硝化反硝化过程研究考虑DO影响考虑pH的影响2、运行情况及动力学分析（1）短程硝化过程的动力学参数的计算不同工艺的短程硝化反硝化过程研究微氧池中pH和DO浓度基本稳定，因此上式简化为：即带入微氧区物料平衡方程得取倒数（1）（2）（3）2、运行情况及动力学分析（1）短程硝化过程的动力学参数的计算不同工艺的短程硝化反硝化过程研究以为横坐标，以为纵坐标，对式（3）进行线性拟合，结果如图3-2所示，直线的截距为，斜率为。图3-2短程硝化动力学模型参数分析据图求得：Vmax=1.20mgNH4+-N/(gVSS·h)KS=5.25mgNH4+-N/L2、运行情况及动力学分析（1）短程硝化过程的动力学参数的计算不同工艺的短程硝化反硝化过程研究反硝化过程受双重基质的限制，在短程反硝化过程中，基质降解受NO2-浓度和有机物浓度的限制，假设反硝化过程符合Monod方程，因此用双重Monod模型方程来描述:带入缺氧区物料平衡方程得取倒数2、运行情况及动力学分析（2）短程反硝化过程动力学参数的计算（4）（5）（6）不同工艺的短程硝化反硝化过程研究以为横坐标，以为纵坐标，对式（6）进行线性拟合，结果如图3-3所示，直线的截距为，斜率为。图3-3短程反硝化动力学模型参数分析据图求得：Vmax=0.00066mgNO2--N/(mgVSS·h)KSSN+SSN+KNKS=66.1572、运行情况及动力学分析（2）短程反硝化过程动力学参数的计算不同工艺的短程硝化反硝化过程研究带入缺氧区物料平衡方程得取倒数2、运行情况及动力学分析（2）短程反硝化过程动力学参数的计算若不考虑有机物对反硝化过程的限制，则反硝化动力学方程可表示为：（7）（8）（9）不同工艺的短程硝化反硝化过程研究对式（9）进行线性拟合，结果如图3-4所示，直线的截距=1305.6，斜率=1665.6。2、运行情况及动力学分析（2）短程反硝化过程动力学参数的计算据图求得：Vmax=0.00076mgNO2--N/(mgVSS·h)KN=1.28mg/L将KN代入下式KSSN+SSN+KNKS=66.157可得KS=41.2mg/L图3-4短程反硝化动力学模型参数分析不同工艺的短程硝化反硝化过程研究短程硝化动力学模型可用Monod方程表示：，经试验获得模型参数vmax为1.20mg/(mgVSS·h)，KS为5.25mgNH4+-N/L。短程反硝化过程受亚硝酸盐浓度和有机物的双重限制，因此短程反硝化动力学模型用双基质的Monod方程来描述：根据试验数据求得vmax=0.00066mgNＯ2--N/(mgVSS·h)，KN为1.28mg/L，KS为41.2mg/L。2、运行情况及动力学分析不同工艺的短程硝化反硝化过程研究曝气生物滤池将生物氧化过程与固液分离集于一体，使碳源去除、固体过滤和硝化过程在同一个单元反应器中完成，经池结构改进后增加了厌氧区的曝气生物滤池还可以进行反硝化脱氮及除磷。曝气生物滤池的基本原理在于在一级强化的基础上，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内去除。曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤器的设计原理，省却了二次沉淀设备。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。曝气生物滤池(BiologicalAerationFilter，BAF)图4-1BAF反应器结构图不同工艺的短程硝化反硝化过程研究废水采用人工配水，NH4+_N浓度为50mg/L时，主要组分见下表。废水中的COD用葡萄糖进行配制。1、废水水质及实验内容组分（NH4）2SO4KH2PO4KClMgSO4微量元素含量（mg/L）5030110500.4mL/L废水实验内容：（1）测定不同NO2--N浓度条件下的亚硝酸盐氮的反硝化速率；（2）测定不同有机物浓度条件下的亚硝酸盐氮的反硝化速率；（3）推导短程反硝化的动力学模型：假设反硝化符合Monod模型，推导出相关参数；不同工艺的短程硝化反硝化过程研究假设反硝化过程仍然符合Monod动力学方程，反硝化系统中NO2--N与有机电子供体间的限制类似于好氧系统中氧与有机物间的限制，因此，可以用下述方程来描述反硝化过程:2、运行情况及动力学分析式中：YH,N—反硝化菌产率系数；u—反硝化菌最大比增殖速率，h-1；KN—亚硝酸盐氮的半饱和常数，mg·L-1；SN—BAF反硝化过程中不同时刻亚硝酸盐氮浓度，mg·L-1；S—投加碳源浓度（COD），mg·L-1；KS—有机物的半饱和常数，mg·L-1；X—BAF反应器的当量生物膜的量，mg·L-1；（0）不同工艺的短程硝化反硝化过程研究在忽略反硝化菌同化作用吸收氮的条件下，可以认为反应器内亚硝酸盐氮的减少完全是由反硝化作用而引起的，又因为亚硝酸盐的反硝化速率等于单位生物膜亚硝酸盐氮浓度变化的负值，因此，根据Monod方程对亚硝酸盐氮比还原速率的表达形式，得出亚硝酸盐氮随时间变化的非稳态间歇反应动力学方程：（1）2、运行情况及动力学分析不同工艺的短程硝化反硝化过程研究试验采用较高的亚硝酸盐氮和有机物浓度，使系统中亚硝酸盐氮和有机物浓度远远大于它们各自的半饱和参数（此时COD=100mg/l，NO2--N＝100mg/l），这种条件下反硝化反应呈零级反应，即反硝化速率不随亚硝酸盐氮和有机物浓度的变化而变化，据此，可以求出亚硝酸盐氮最大比还原速率q反硝化max。在式（1）中，当SNKN，SKS时，有把（2）带入（1）得：（2）（3）2、运行情况及动力学分析（1）q反硝化max的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究由于温度对反硝化动力学的影响很大，因此试验中控制反应器的温度为30℃，用4次间歇试验得到的数据，经（3）式计算得：q反硝化max=0.0167h-1试验测得的亚硝酸盐氮最大比还原速率q反硝化max与传统反硝化中q反硝化max=0.0083~0.0333h-1有较好的一致性，说明当反应器内亚硝酸盐氮浓度很高时，短程反硝化与传统反硝化的比还原速率是相同的。2、运行情况及动力学分析（1）q反硝化max的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究在已知q反硝化max的前提下，增加反应体系中有机物的浓度，使其远远大于其半饱和常数（此时取COD＝100mg/l），而亚硝酸盐氮浓度维持正常水平，则反硝化速率仅随亚硝酸盐氮浓度的变化而变化，因而可以求出亚硝酸盐氮的半饱和常数KN。在（1）式中，当SKS时，有：把（4）式代入（1）式得到只考虑亚硝酸盐氮对反硝化影响的间歇反应动力学方程：（4）（5）2、运行情况及动力学分析（2）亚硝酸盐氮半饱和常数KN的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究（5）式方程两边各取倒数得：当时，，以对作图，得到一直线，直线与横轴的截距即为，如图4-2。2、运行情况及动力学分析（2）亚硝酸盐氮半饱和常数KN的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究（6）图4-2亚硝酸盐氮半饱和系数KN的测定2、运行情况及动力学分析（2）亚硝酸盐氮半饱和常数KN的求出据图求得：KN=1.40mg/L不同工艺的短程硝化反硝化过程研究在已知q反硝化max的前提下，增加反应体系中的亚硝酸盐氮浓度（此时取NO2--N=100mg/L），使其远远大于其半饱和常数，而有机物浓度维持正常水平，则反硝化速率仅随有机物浓度的变化而变化，因而可以求出有机物的半饱和常数KS。在（1）式中，当SNKN时，有把（7）式代入（1）式得到只考虑有机物对反硝化影响的间歇反应动力学方程：（7）（8）2、运行情况及动力学分析（3）有机物半饱和常数KS的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究（8）式方程两边各取倒数得：当时，，以对作图，得到一直线，直线与横轴的截距即为，如图4-3。（9）2、运行情况及动力学分析（3）有机物半饱和常数KS的求出不同工艺的短程硝化反硝化过程研究图4-3有机物半饱和常数Ks的测定2、运行情况及动力学分析（3）有机物半饱和常数KS的求出据图求得：KS=6.21mg/L不同工艺的短程硝化反硝化过程研究（4）将求出的动力学参数q反硝化max、KN、KS代入方程（0）