生物脱氮除磷课件.ppt

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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1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2NH4+NO2NO3N2、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3第2章生物脱氮机理及生物学基础2.12.1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42.1生物脱氮机理及生物学基础2.1.12.1.1生物脱氮反应过程生物脱氮反应过程2.1.2硝化反应与微生物2.1.3反硝化反应52.1.1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。

62.1生物脱氮机理及生物学基础2.1.1生物脱氮反应过程2.1.22.1.2硝化反应与微生物硝化反应与微生物2.1.3反硝化反应72.1.2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82.1.2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）。

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（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）lNitrosomonas自养、混养；lNitrosococcus自养、混养；lNitrosospira严格自养；lNitrosovibrio自养、混养；lNitrosolobus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11

（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。

lNitrobacter自养、可异养，自养快于异养lNitrococcus严格自养lNitrospina严格自养lNitrospira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122.1.2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132.1.2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14二、硝化反应式NH33/2O2NO2H2OHNO21/2O2NO3NH32O2NO3H2OH

（一）硝化反应的化学反应式硝化反应耗氧量：

NH4NO34.57gO2/gNH4NNH4NO23.43gO2/gNH4NNO2NO31.14gO2/gNO2N15二、硝化反应式NH3+O2NH2OH

（二）硝化反应的生化反应

（1）氨氧化为羟氨：

氨单加氧酶NH3NH2OHNONO2NO3氨单加氧酶羟胺氧还酶羟胺氧还酶亚硝酸盐氧还酶16NH2OHH2OHNO24H4eG0=+23kJ/mol0.5O2+2H2eH2OG0=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NONH2OH0.5O2HNO22H2eG0=114kJ/mol羟胺氧化所需的氧是由水提供的17NO2H2ONO3+2H+2eG0=+83kJ/mol0.5O2+2H+2eH2OG0=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NO20.5O2NO3G0=54kJ/mol亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的18（三）硝化反应的化学计量关系第一步1.00NH41.44O20.0496HCO30.99NO20.01C5H7NO20.97H2O1.99H+第二步1.00NO20.50O20.031CO20.00619NH40.124H2O1.00NO3+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：

19硝化生物合成总反应式：

NH41.89O20.0805CO20.984NO30.0161C5H7NO20.952H2O1.98H+20将1gNH3N氧化为硝酸盐：

消耗约4.3gO2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4.34gO221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：

NH4NH2OHNONO2-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。

（四）硝化反应代谢途径与电子转移数222.1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2.1.32.1.3反硝化反应反硝化反应232.1.3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242.1.3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：

NO32HNO2H2ONO23H1/2N2H2OOH总：

NO35H1/2N22H2OOH一、反硝化原理有机物为供氢体25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。

NO3NO2NH2OHNH3NON2ON2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261）硝酸盐还原酶NO3NO22）亚硝酸盐还原酶NO2NO3）NO还原酶NON2O4）N2O还原酶N2ON2（3）参与反硝化代谢的酶27（4）反硝化反应化学计量关系完全还原1gNO3N2相当于提供了2.86gO2，产生0.45gVSS，产生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+5/6CH3OH5/6CO2+1/2N2+7/6H2O+HO以甲醇为电子供体的反硝化反应式：

28（4）反硝化反应化学计量关系完全还原1gNO3N2约消耗2.47g甲醇，产生0.45gVSS，产生3.57g碱度（假设水中无NH3）NO3+5/6CH3OH1/2N2+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+1.08CH3OH0.47N2+0.056C5H7NO2+0.76CO2+1.44H2O+HO29二、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+H2OSO42+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。

30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2.22.2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312.2生物脱氮反应动力学2.2.12.2.1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32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33

（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；NNH4+-N浓度浓度，mg/L；X亚硝酸菌浓度，mg/L；KSN饱和常数，mg/L；一、亚硝酸菌增值速度

（2）亚硝酸菌的增殖速度为：

式中亚硝酸菌增殖速度，mg/（Ld）34（3）NH4+N氧化速度NH4+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NNH4+-N浓度浓度，mg/L；X亚硝酸菌浓度，mg/L；35（4）亚硝酸菌产率系数YN36二、NH4+N氧化反应Monod动力学关系37由以上公式，令则NH4+-N氧化Monod动力学关系式如下：

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38式中：

亚硝酸菌净净增殖速度；亚硝酸菌合成速度；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式中Kd亚硝酸菌自身分解系数，1/d。

三、硝化的最小污泥龄39上式各项除X得：

式中：

亚硝酸菌净比增殖速度。

或将上式代入公式得：

gN40污泥龄与净比增值速率的关系：

得：

代入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41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Nmaxd10.60.80.61.00.60.8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Kdd10.030.060.030.060.030.06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422.2生物脱氮反应动力学2.2.1硝化反应动力学2.2.22.2.2反硝化反应动力学反硝化反应动力学432.2.2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。

44D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式中反硝化菌的增殖速度，mg/（L.d）。

（2）反硝化菌的增殖速度45NO3N的还原速率mg/（L.d）；NO3N的比还原速率1/d；（3）NO3N的还原速度NO3N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；46