(5.2.1)--5.2.1氮磷污染物的生物降解-1.pdf

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1、一、氮污染物的生物降解（一）氮污染物的生物降解过程生物降解厌氧过程（厌氧过程（anaerobic process）：厌氧处理是在厌氧或者缺氧条件下，利用厌氧性微生物使有机物分解成甲烷、二氧化碳、硫化氢、氮及水等的过程。好氧过程（好氧过程（aerobic process）：好氧处理是在有充分溶解氧的条件下，利用好氧性微生物使有机物分解成二氧化碳、氨及水等的过程。一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理固氮反硝化氮具有复杂的形态及生物地球化学过程硝 化NH4+N2 N2O NO NO2-NO2 NO3-固氮：将气态氮转化为铵根离子硝化：由铵根离子转化为硝酸盐反硝化：由硝酸盐经亚硝酸盐转化为

2、氮气一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理水土环境中无机氮主要形态分布水土环境中无机氮主要形态分布pE 7时，NO3-是主要形态。一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理1.氮的转化：氮的转化：当有机物被生物降解时，有机氮转化为氨氮，然后由硝化细菌将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用）；然后再由反硝化细菌将硝酸盐转化为氮气（反硝化作用）。氨化反应 未经处理的城市污水中氮存在主要形式是有机氮化合物(蛋白质和氨基酸)和氨氮等。在氨化菌作用下，有机氮被分解转化为氨态氮，这一过程称为氨化过程，氨化过程很容易进行。例如，氨基酸的氨化反应为式：一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理1.

3、氮的转化：氮的转化：22RCHNH COOHO23RCOOHCONH氨化菌硝化反应 硝化反应由好氧自养型微生物完成，在有氧状态下，利用无机碳为碳源将NH4氧化成NO2-，然后再氧化成NO3-的过程。硝化过程可以分成两个阶段。第一阶段是由亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐(NO2-)，第二阶段由硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。NH4+1.5O2 NO2+2H+H2O (（亚硝化亚硝化）NO2+0.5O2 NO3 (硝化硝化)一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理1.氮的转化：氮的转化：反硝化反应 反硝化反应是在缺氧状态下，反硝化菌将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮（N2）的过程。反硝化菌为异养

4、型微生物，多属于兼性细菌，在缺氧状态时，中利用硝酸盐的氧作为电子受体，以有机物（污水中的BOD成分）作为电子供体，提供能量并被氧化稳定。反硝化过程：6NO3+5C 3N2+6OH+H2O+5CO2 NO3 NO2 NO N2O N2异化NO3+C+H+C5H7O2N+H2ONO3 NO2 有机含有机含N物质物质同化一、氮污染物的生物降解（二）氮污染物生物降解原理1.氮的转化：氮的转化：NH4+-N+O2NO3-N+2H+H2O （硝化）NO3-N+有机碳 N2 +2CO2+N2O（反硝化）传统脱氮工艺硝化过程需氧量大、曝气能耗高反硝化过程消耗有机物作为有机碳源和电子供体产生温室气体一、氮污染物

5、的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点1.硝化条件及特点硝化条件及特点一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点2.反硝化条件及特点反硝化条件及特点 厌氧环境，环境中氧分压越低，越易于反硝化进行 pH一般中性至微碱性环境条件，pH小于6时，亚硝化菌易受抑制 适宜温度在25度左右、硝酸盐作为氮源、无机物及有机物作为碳源123一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点NH4+-NNO2-NNO3-N NO2-NN2 硝化反硝化NH4+-NNO2-NN2 短程脱氮一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点 实现短程反硝化的关键在于将NH4+氧化控制在NO2阶段，阻止N

6、O2的进一步氧化，因此，如何持久稳定地维持较高浓度的NO2的积累及影响NO2积累的因素。因为影响N 积累的控制因素比较复杂，并且硝化菌能够迅速地将NO2转化为NO3，所以要将NH4+的氧化成功地控制在亚硝酸盐阶段并非易事.。一、氮污染物的生物降解NH4+-N+2O2NO3-N+2H+N2O NH4+-N+3/2O2NO2-N+2H+N2O 6NO3-N+5CH4O+3CO2 3N2+6HCO3-+7H2O6NO3-N+3CH4O+3CO2 3N2+6HCO3-+3H2O节省25%曝气能耗节省40%有机碳源一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点短程硝化反硝化优势短程硝化反硝化优势节

7、省能耗及有机碳源添加量缩短反应时间降低污泥产量一、氮污染物的生物降解反应方程式 厌氧条件,利用厌氧氨氧化菌,以亚硝氮为电子受体,氨氮为电子供体,将氨氮与亚硝氮转化为氮气的生物过程NH4+1.146NO2+0.071HCO3+0.057H+0.986N2+0.161NO3+0.071CH1.74O0.31N0.20+2.002H2O+-传统的硝化反硝化工艺传统的硝化反硝化工艺总氮去处负荷总氮去处负荷（NRR）污泥产量污泥产量成本成本9.5(kg-Nm-d-1)0.230.5(kg-Nm-d-1)低低高高0.75 kg-N-125 kg-N-1新型脱氮工艺一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的

8、条件及特点厌氧氨氧化的条件厌氧氨氧化的条件(1)严格厌氧条件(2)中性及微碱性环境条件(3)适宜温度在35度左右(4)进水基质严格为氨氮及亚硝氮一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点工艺特点：(1)无需外加有机物作电子供体,既可节省费用,又可防止二次污染；(2)硝化反应每氧化lmolNH4+耗氧2mol,厌氧氨氧化每氧化lmol NH4+只需要0.75mol氧,耗氧下降62.5,能耗低；(3)硝化反应氧化lmol NH4+可产生2molH+,反硝化产生lmol OH-,而氨厌氧氧化的生物产酸量降低1/2,产碱量降至为零;(4)在厌氧条件下直接利用NH4+作电子供体,无需供氧,无需

9、外加有机碳源维持反硝化,无需额外投加酸碱中和试剂,故降低了能耗,节约了运行费用,用时还避免了因投加中和试剂有可能造成的二次污染问题.一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点(亚亚)硝化硝化:(1)溶解氧,需要好氧的条件,DO2,每mol氨经过亚硝化需1.5mol O2,硝化需0.5mol O2(2)酸碱,中性或弱碱性(亚硝化产生酸),最宜在pH 8.0-8.4左右.(3)温度,20-30最佳(15迅速降低,5反应停止)(4)C/N比，BOD低才能维持硝化菌生长(异养微生物竞争,BOD越高硝化菌比例越小)亚硝化菌和硝化菌均为化能自养菌.一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及

10、特点反硝化反硝化:(1)碳源(外加,利用污水有机物,或内源呼吸)(2)酸碱,pH最宜在 6.5-7.5(3)溶解氧,需少的DO或间歇有氧缺氧,DO 0.5mg/L,DO过高则直接以好氧呼吸(4)温度,20-40,低于15反应迅速降低 由于硝化菌和反硝化菌世代时间长,所以反应器内生物停留时间要长,即污泥龄要长 反硝化菌是异养菌,兼性厌氧菌.一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点生物脱氮的过程比较生物脱氮的过程比较过程过程氨化氨化亚硝化亚硝化硝化硝化反硝化反硝化(异化异化)能源能源有机物有机物NH4+NO2碳源碳源H受体受体O2O2O2NO3,NO2DO范围宽范围宽好氧好氧好氧好氧缺

11、氧缺氧,0.5碱度变化碱度变化 产生产生NH31MNH4+产生产生2M H+不变不变1M NO3 产生产生1M OH需氧情况需氧情况 1g BOD需需1.5gO2氧化氧化1MNH4+需需1.5M O2氧化氧化1M NO2需需0.5M O2需需NO2或或NO3一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点同步硝化反硝化同步硝化反硝化 微环境理论认为,由于氧扩散的限制,在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度,即微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高,深入絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗,产生缺氧区,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境.宏观环境论认为，由于氧气扩散速率的限制，曝气池

12、内形成局部缺氧/厌氧环境,随时间分布厌氧/缺氧环境.微生物学研究发现,存在好氧反硝化细菌和异养反硝化细菌(硝化),低DO下，一些硝化菌可以进行反硝化作用。打破了传统理论的硝化反应只能由自养细菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点.一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点同步硝化反硝化同步硝化反硝化一、氮污染物的生物降解（三）硝化与反硝化的条件及特点同步硝化反硝化同步硝化反硝化科学期刊郑平、徐向阳、胡宝兰、新型生物脱氮理论与技术.北京科学出版社.2郑平、冯孝善 废物生物处理理论和技术 浙江教育出版社戴树桂 环境化学 高等教育出版社4张锡辉 高等环境化学与微生物学原理及应用 化工出版社中国环境科学J.Hazard.Mater.Chem.Eng.J.7Environ.Sci.Technol.环境科学学报8Water Res.