生物脱氮除磷.ppt

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1、污水的生物脱氮除磷技术,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,NH4+,NO2-,NO3-,N2、NxO,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,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,2.1 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 反硝化反应,2.1.1 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

2、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。,2.1 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 反硝化反应,2.1.2 硝化反应与微生物,一、硝化反应微生物 二、硝化反应式,2.1.2 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,2.1.2 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）和硝酸细菌（亚硝酸盐氧化细菌）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

3、将氨氮（NH4和NH3）转化成亚硝酸盐(NO2-)；（2）第二步再由硝酸菌将NO2-氧化成硝酸盐（NO3-）。,（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）Nitrosomonas 自养、混养；Nitrosococcus 自养、混养；Nitrosospira 严格自养；Nitrosovibrio 自养、混养；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,（二）对硝化细菌的新认识 硝

4、酸细菌：自养型，有些可混养生长，某些菌株能异养生长。Nitrobacter 自养、可异养，自养快于异养 Nitrococcus 严格自养 Nitrospina 严格自养 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,2.1.2 硝化反应与微生物,一、硝化反应微生物 二、硝化反应式,2.1.2 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,二、硝化反应式,NH33/2O2 NO2-H2OHNO2-1/

5、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-NNH4NO2-3.43 g O2/g NH4-N NO2-NO3-1.14 g O2/g NO2-N,二、硝化反应式,NH3+O2 NH2OH,(二）硝化反应的生化反应,（1）氨氧化为羟氨：氨单加氧酶,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,NH2OH H2O HNO24H 4 e-G0=+23 kJ/mol0.5 O2+2H 2 e-H2O G0=-137kJ/mol,(二）硝化反应的生化反应

6、式,（2）羟胺氧化为亚硝酸盐：羟胺氧还酶 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,NO2-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）亚硝酸氧化为硝化盐：亚硝酸盐氧还酶,NO2-0.5 O2 NO3-G0=-54 kJ/mol,亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的,（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.

7、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：,硝化生物合成总反应式：NH41.89O20.0805CO2 0.984NO3-0.0161C5H7NO20.952H2O1.98H+,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

8、，需消耗4.25gO2 完全氧化生成1gNO3-N，需消耗4.34gO2,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）硝化反应代谢途径与电子转移数,2.1 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 反硝化反应,2.1.3 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

9、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,2.1.3 反硝化反应,（1）原理与反应 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,一、反硝化原理,有机物为供氢体,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-,NH2OH,NH3,NO N2O,N2,同化反硝化，合成细胞,异化反

10、硝化,（2）反硝化代谢途径,气态,1）硝酸盐还原酶 NO3-NO2-2）亚硝酸盐还原酶 NO2-NO3）NO还原酶 NO N2O4）N2O还原酶 N2O N2,（3）参与反硝化代谢的酶,（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NO3-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：,（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

11、.57g碱度（假设水中无NH3）,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-,二、对反硝化菌的认识,反硝化菌是异养兼性厌氧菌 反硝化菌的能源（1）化能型：大多数为化能异养型 以有机物作为能源和碳源少数化能自养，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。,第2章 生物

12、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,2.2 生物脱氮反应动力学,2.2.1 硝化反应动力学2.2.2 反硝化反应动力学,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,（1）亚硝酸菌比增值速度莫诺特关系式,式中N亚硝酸菌的

13、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；,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),（3）NH4+-N氧化速度,NH4+-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；,（4）亚硝酸菌产率系数YN,二、NH4+-N氧化反应Monod 动力学关系,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,NH

14、4+-N比氧化速度,式中：,亚硝酸菌净增殖速度；,亚硝酸菌合成速度；,亚硝酸菌自身分解速度。,（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,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：,g,N,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,硝化反应的动力学常数（20）,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,2.2 生物脱氮反应动力学,2.2

15、.1 硝化反应动力学2.2.2 反硝化反应动力学,2.2.2 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。,D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）

16、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,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；,（4）反硝化菌的产率系数：,NO3-N的还原速度如下：,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,令,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,反硝化菌净增殖速度；,反硝化菌总增殖速度；,三、反硝化菌的净增殖

17、速度,反硝化菌自身分解速度；,反硝化菌自身分解系数，1/d。,反硝化菌净比增殖速度。,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：,得出,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,代入,最小污泥龄：,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,2.3 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,（1）温度（2）溶解氧（3）pH（4）碱度（5）抑制性物质（

18、6）污泥负荷（7）生物固体停留时间,2.3.1 硝化反应的影响因素,（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：,硝化菌自身分解系数与温度（T）的经验关系：,则污泥龄：,亚硝酸菌的净比增殖速度（gT）与水温的关系：,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。,硝化菌各属生存温度范围,（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

19、化1g氨氮需消耗7.14g 碱度（以CaCO3计）,（5）抑制性物质,重金属、酚、游离氨等 游离氨的抑制浓度：亚硝酸菌 10150 mg/L 硝酸菌 0.11 mg/L,NaClO3在0.02mol的浓度下仅抑制硝酸细菌对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；烯丙基硫脲可以抑制亚硝酸菌的活性，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：NH4 NO2-NaClO3：NO2-NO3-,抑制,

20、抑制,（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。要达到较低的出水氨氮：0.07kg NH3-N/(kgMLSS.d)。,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：,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,亚硝酸菌的净比增殖速度（gT）与水温的关系：,2.3 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,2.3.2 反硝化反应的影响因素,碳源：一是原废水中的有机物，当废水的BOD5/

21、TKN大于35时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；pH：适宜的pH值是6.57.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降；溶解氧：反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行，溶解氧应控制在0.5mg/L以下；温度：最适宜温度为2040C，低于15C其反应速率将大为降低。,式中,温度为T时反硝化速度，gNO3-N/(gVSS.d)；,温度为20时反硝化速度，gNO3-N/(gVSS.d)；T混合液温度，；,温度修正系数，一般,=1.031.15。,温度对反硝化速度K的影响:,第2章 生物

22、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,2.4 生物脱氮新理论,亚硝酸菌电子受体与电子供体多样性正常时，以氧为电子受体，氨为电子供体；低氧时，同时以氧和亚硝酸盐为电子受体；无氧时，以亚硝酸盐为电子受体；以亚硝酸盐为电子受体时，能利用氢、氨、有机物为电子供体；,硝酸菌随环境条件变化而进行不同的呼吸正常时，以氧为电子受体、亚硝酸盐为电子供体进行好氧呼吸；无氧时，以硝酸盐为电子受体、有机物为电子供体进行厌氧呼吸。,厌氧氨氧化菌的发现,2.4 生物脱氮新理论,2.4.1 短程硝化-反硝化2.

23、4.2 厌氧氨氧化（自养脱氮）,什么是短程？相对全程而言。为什么要短程？,2.4.1 短程硝化-反硝化,该原理仍符合传统的硝化反硝化脱氮理论，只不过是少走了“一段路”。,2.4.1 短程硝化-反硝化,关键是控制硝化反应，使NO2-积累。如何控制？,改变pH，抑制亚硝酸盐的氧化。通过控制温度（30)和污泥龄，来淘汰硝酸菌。在絮体内创建缺氧条件，限制硝酸菌的生长。提高游离氨浓度，抑制硝酸菌。,短程硝化反硝化 优点：,可节省氧供应量约 25%，降低能耗。节省反硝化所需碳源的 40%，减少污泥生成量可达 50%减少投碱量。缩短反应时间和减小反应器容积。,2.4 生物脱氮新理论,2.4.1 短程硝化-反

24、硝化2.4.2 厌氧氨氧化（自养脱氮）,2.4.2 厌氧氨氧化,一、什么是厌氧氨氧化？以亚硝酸盐为氧化剂将氨氧化为N2的生物反应。以氨为电子供体将亚硝酸盐还原成N2的生物反应。厌氧氨氧化菌：自养型细菌。无O2条件，氨与亚硝酸盐同时存在。,ANAMMOX：anaerobic ammonia oxidation 由荷兰 Delft 大学的Gist Brocades 在试验中发现。,NH4+NO2-N2+.,NH3,NH2OH,NO2-,N2H4,N2H2,N2,NO3-,2H,2H,ANAMMOX 工艺中N的转化途径,二、厌氧氨氧化反应机理模式图,2.4.2 厌氧氨氧化,厌氧条件下，每减少1mol

25、 NH3，消耗约1.3 mol NO3-，产生约0.2 molNO3-，产生约1.0 mol N2。,三、厌氧氨氧化生物反应表达式及计量关系,厌氧氨氧化反应化学计量关系：,NH4+1.31NO2-+0.0425CO2 1.045N2+0.22NO3+.,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,2.5 新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon 工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺2.5.3 好氧脱氨工艺2.5.4 Canon工艺2.5.5 Oland 工艺,基

26、于短程硝化,好氧自养脱氮,Sharon（single reactor high activity ammonia removal over nitrite)短程硝化-反硝化工艺,2.5.1 Sharon 工艺,一、工艺特点：在一个反应器中完成：短程硝化和反硝化；连续流，反应器内不持留活性污泥；采用较高的工作温度：3040；反硝化过程按传统反硝化反应进行。,核心是实现短程硝化：硝化过程终止于亚硝酸盐阶段，同时促使氨氧化过程顺利进行。系统淘汰硝酸细菌或抑制其生长，保留亚硝酸菌并提高其生长速率。,二、Sharon 工艺的技术要点,（1）控制温度（2）控制pH（3）控制DO（4）控制污泥龄（5）控制基

27、质浓度和负荷,三、SHARON 用于污水厂的改造,消化液脱氮,SHARON,甲醇贮罐,2.5 新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon 工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺2.5.3 好氧脱氨工艺2.5.4 Canon工艺2.5.5 Oland 工艺,碳源严重不足的高浓度氨氮废水首先将部分氨氮氧化成NO2-与短程硝化反应器组合：短程硝化 Anammox 脱氮工艺,2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）脱氮组合工艺,厌氧氨氧化脱氮组合工艺（一）,高浓度氨氮废水先利用Sharon工艺将部分氨氮转化为NO2-。,SHARON,ANAMMOX,氨氮,约50%NO2-,N2,约50%NH

28、4+,HRT=1 dT=30-40,SHARON,图片来源于 TU Delft,厌氧氨氧化脱氮组合工艺（二）,先进行短程硝化，将氨氮转化为NO2-。,2.5 新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon 工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺2.5.3 好氧脱氨工艺2.5.4 Canon工艺2.5.5 Oland 工艺,Aerobic deammonification 1997年首先由德国Hannover大学提出，,2.5.3 好氧脱氨工艺,理论依据：一些硝化细菌既能进行硝化作用，还能进行反硝化作用。一些反硝化细菌既能在无氧条件下进行正常反硝化，还能在有氧条件下进行反硝化（氧受限制时，

29、同时以氧与硝酸盐为电子受体）一些细菌彼此合作，进行序列反应，把氨转化为N2。,特点：在一个好氧反应器中完成脱氮（氨）；生物膜表层发生好氧硝化反应；生物膜内层发生多种途径的NO2-还原反应。,2.5 新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon 工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺2.5.3 好氧脱氨工艺2.5.4 Canon工艺2.5.5 Oland 工艺,Cannon（completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)2002年首先由荷兰Delft工业大学提出。,2.5.4 Canon工艺,依据：亚硝酸细菌在有氧条件下把氨氧化

30、成亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌在无氧条件下把氨和亚硝酸盐转化成N2。利用亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协同作用（Cannon反应）。亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌均为自养型。无需外源有机物（可完全无机），低氧环境下运行。,Canon 特点,自养型脱氮：由亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌协同完成。一个曝气反应器中完成；控制DO，低氧状态；多采用生物膜法；生物膜表面发生短程硝化反应；生物膜内层发生厌氧氨氧化反应；,2.5 新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon 工艺2.5.2 厌氧氨氧化（Anammox）工艺2.5.3 好氧脱氨工艺2.5.4 Canon工艺2.5.5 Oland 工艺,Oland（Oxygen-limit

31、ed autotrophic nitrificationdenitrification）氧限制自养型硝化-反硝化工艺1998年首先由比利时Ghent大学提出。,2.5.5 Oland 工艺,依据：在限制供氧的条件下，自养型的亚硝酸细菌将以氧为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸盐，然后，再以氨作为电子供体，把亚硝酸盐还原为N2。即氧限制自养型硝化-反硝化。特点：由亚硝酸菌单独作用完成脱氮。,自养脱氮；一个曝气反应器中完成。,生物膜好氧短程脱氨（氮）反应模式,N2 NH4+NH4+N2,NH4+NO2-,N2 NO2-+NH4+N2,反硝化,水相,好氧层,缺氧层,载体,厌氧氨氧化,第 3 章 生物除磷

32、机理及生物学基础,3.1 概述3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论,GB 189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准（P）（mg/L）,常规活性污泥法的微生物同化和吸附；污泥含磷量12%,如何去除以达到排放标准？,生物强化除磷；,投加化学药剂除磷。,3.1 概述,一、磷的排放标准及去除方法,同化：微生物从水中摄取一定量的磷来满足其生理需要，从而去除部分磷。,3.1 概述,如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。,BOD:N:P=?,生物强化除磷 一类特殊的细菌聚磷细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄

33、取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。生物除磷工艺仍以活性污泥法为主。系统排除的剩余污泥中磷含量占干重 5%6%。,一、磷的排放标准及去除方法,二、生物除磷的发展历程,1955年，Greenburg 发现活性污泥系统中磷消耗量超过细胞正常生长所需量，推断存在磷的过量吸收。1959年，Srinarh和Alarcon最先报道了污水厂污泥生物除磷的现象。未能解释该现象。1965年，Levin和Shapiro指出磷的过量吸收与微生物代谢密切相关，发现一些细胞中形成异染颗粒，添加抑制剂后，磷的吸收停止。1967年，Levin和Shapiro发现了活性

34、污泥在好氧下吸磷，厌氧条件下放磷。70年代，Arizona大学的一个研究组分离出了除磷菌，为揭示生物除磷机理奠定了基础。以后，生物除磷技术得到迅速发展。相继产生了一系列工艺。,3.1 概述,第 3 章 生物除磷机理及生物学基础,3.1 概述3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论,3.2 生物除磷机理及生物学基础,一、生物除磷机理二、生物除磷的主要影响因素,一、生物除磷机理,生物除磷的主体：一类聚磷菌（除磷菌、积磷菌）。什么是生物除磷:(定义）首先让聚磷菌在厌氧条件下释放磷，然后在有（好）氧条件下过量吸收磷，使污水中的磷

35、最终转移到污泥中排出。,注意：两个过程需要的环境条件,3.2 生物除磷原理,（1）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件,环境条件决定生化过程,必须经历 两个过程：聚磷菌释放磷：厌氧环境聚磷菌过量摄取磷：好氧环境,超出生理需要，摄取量大于释放量,聚磷菌厌氧释放磷：在厌氧条件下，聚磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生能量，将废水中的易降解有机物摄入细胞内，以聚-羟基丁酸（PHB）等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸盐排出体外（释放）。,（1）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件,好氧条件下摄磷量 厌氧条件下释磷量。,将富磷剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。,聚磷菌好氧过量摄取磷：好氧条件下

36、，聚磷菌氧化分解体内贮存的聚-羟基丁酸（PHB）并释放大量能量，用于细胞增殖和摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内。,3.2 生物除磷原理,对两个过程的描述,（2）生物除磷物质转化示意图,第 3 章 生物除磷机理及生物学基础,3.1 概述3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论,3.3 生物除磷反应动力学,3.3.1 生物除磷反应式3.3.2 厌氧阶段吸收乙酸动力学关系3.3.3 好氧阶段磷酸盐的吸收动力学,在好氧条件下，聚磷的积累可按下式表示：,在厌氧条件下，聚磷

37、的分解可按下式表示：,3.3.1 生物除磷反应式,式中 qHAC 乙酸的吸收速度，mg/(L.d)KHAC乙酸的最大吸收速度，1/d；SHAC乙酸浓度，mg/L；XP聚磷菌浓度，mg/L；KSHAC饱和常数，mg/L。,厌氧阶段，吸收乙酸动力学关系用Monod方程描述：,3.3.2 厌氧阶段吸收乙酸动力学关系,式中 qP磷酸盐吸收速度，mg/(L.d)SP磷酸盐浓度，mg/L。Pmax聚磷菌的最大比增殖速度，1/d；XP聚磷菌浓度；YP聚磷菌最大产率系数；KSP饱和常数，mg/L。,磷酸盐的最大比吸收速度，1/d；,好氧阶段，磷酸盐的吸收动力学用Monod方程描述：,3.3.3 好氧阶段磷酸盐

38、的吸收动力学,20时生物除磷反应动力学常数,第 3 章 生物除磷机理及生物学基础,3.1 概述3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论,以下条件十分重要：a.厌氧/好氧的交替条件；b.厌氧段不能存在O2；c.厌氧阶段不存在硝酸盐（化合态氧）反硝化需要利用易降解有机碳，使易降解有机碳量减少。聚磷菌得不到充足的易降解有机碳，使磷的去除量减少，从而影响了聚磷菌的代谢,1molNO3-反硝化消耗1.26molHAc。d.充足的碳源：TBOD5/TP：15-20：1 e.温度：5,3.4 影响生物除磷的主要影响因素,第 3 章 生

39、物除磷机理及生物学基础,3.1 概述3.2 生物除磷机理及生物学基础3.3 生物除磷反应动力学3.4 影响生物除磷的主要影响因素3.5 生物除磷新理论,一、概述二、反硝化除磷原理三、反硝化除磷优点,3.5 生物除磷新理论 反硝化除磷,一、概述,Vlekke（1987）和Takahiro（1992）等分别利用厌氧/缺氧交替SBR系统和固定生物膜反应器进行了试验研究。筛选出了以硝态氮作为电子受体的聚磷优势菌，硝态氮和氧气在除磷系统中起着相同作为电子受体的的作用，,1993年，荷兰代尔夫特工业大学（TU Delft）Kuba也在试验中富集到一类兼有反硝化作用和除磷功能的兼性厌氧微生物，能利用O2或N

40、O3-为电子受体。同年，Kerrn-Jespersen通过试验研究，把聚磷菌分为两类，一类仅以O2电子受体，另一类可以O2或NO3-为电子受体。,南非开普顿大学(UCT)研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一有生物摄/放磷作用的菌种，兼性反硝化细菌也有着很强的生物摄/放磷现象。,反硝化除磷菌，即DPB（denitrifying phosphorus removing bacteria）。,反硝化聚磷菌的发现，为解决生物脱氮除磷中反硝化菌与聚磷菌对碳原的竞争找到了理论依据。,二、反硝化除磷原理,活性污泥中的一部分聚磷菌能以NO3-作为电子受体，在反硝化的同时完成过量吸磷，是一类兼有反硝化作用和除磷

41、作用“兼性厌氧反硝化除磷菌（DPB）。该类细菌能利用O2或NO3-作为电子受体，通过胞内PHB和糖原质的生物代谢作用来过量吸收磷，其代谢作用与PAO相似。,在缺氧条件下，聚磷的积累可按下式表示：,利用反硝化聚磷菌厌氧释放磷，缺氧条件下，以NO3-作为电子受体吸收磷。,三、反硝化除磷优点,（1）传统生物脱氮除磷工艺的缺点（2）反硝化除磷工艺的优点,（1）传统脱氮除磷工艺的缺陷与问题,氨氮有机物磷(p),好氧异养菌,硝化菌,除磷菌,硝酸盐,反硝化菌,N2,CO2+H2O,传统生物脱氮除磷系统中四类细菌混合在一起，出现两对矛盾,矛盾之一：反硝化菌与除磷菌争抢有机物（食物）。食物短缺！矛盾之二：硝化菌与除磷菌的世代期（繁殖一代的时间）不可调和。,结果：除磷效果差，脱氮效果不好！,新工艺中矛盾解决：双污泥，“一菌两能”,氨氮 有机物 磷,硝化菌,NOX-,反硝化除磷菌,N2CO2H2O,反硝化细菌,（2）反硝化除磷工艺的优点,新型双污泥工艺中矛盾解决！,两类菌成一类菌：不争有机物 解决了第一个矛盾 硝化菌与除磷菌分开：世代期无关 解决了第二个矛盾,结果：除磷脱氮效率提高,双污泥反硝化除磷工艺（间歇式）,污泥系统1,污泥系统2,双污泥反硝化除磷工艺（连续流）,生物膜硝化,