生物脱氮除磷

→ NO3-
• 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。
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
NXd dX tTNmaK xSN N N X
式中 μ——亚硝酸菌增殖速度，mg/(L•d)
（3）NH4+-N氧化速度 可用下式表示： NH4+-N氧化速度
NH4+-N比氧化速度，
q mg/(L﹒d)
dN dt
dN
qN
q1/d X
dt X
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
dX
YN
dt T dN
q
N
qN
dt
q
YN
qN
N YN
q dN dt
二、NH4+-N氧化反应Monod 动力学关系
q YN
Nmax
NX KSN N
qN
N YN
N
Nmax
N KSN N
q NmaxNX
YN (KSN N)
qN
NmaxN
YN(KSN N)
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
2.1.2 硝化反应与微生物
二、硝化反应式 (一）硝化反应的化学反应式
✓ NH3＋3/2O2→ NO2-＋H2O＋H＋ ✓ NO2-＋1/2 O2→ NO3➢ NH3＋2O2→ NO3-＋H2O＋H＋
硝化反应 耗氧量：
• NH4＋→NO3- 4.57 g O2/g NH4＋-N • NH4＋→NO2- 3.43 g O2/g NH4＋-N • NO2-→NO3- 1.14 g O2/g NO2--N
✓ NO2- ＋H2O→ NO3-+ 2H++2eΔG0= +83kJ/mol
✓ 0.5O2+ 2H++2e- → H2O ΔG0= -137kJ/mol
➢ NO2-＋0.5 O2→ NO3ΔG0= -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 （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： • 第一步 1.00NH4＋＋1.44O2＋0.0496HCO3－→ 0.99NO2-＋0.01 C5H7NO2＋0.97H2O＋1.99H+ • 第二步 1.00NO2-＋ 0.50O2＋ 0.031CO2＋ 0.00619NH4＋＋0. 124H2O →1.00NO3-+0.00619C5H7NO2＋0.00619H+
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
2.1.3 反硝化反应 一、反硝化原理 （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→ 1/2N2＋H2O＋OH－ 总： NO3-＋5H→ 1/2N2＋2H2O＋OH－
✓ NH2OH＋ H2O → HNO2＋4H＋ ＋ 4 eΔG0= +23 kJ/mol
✓ 0.5 O2 + 2H＋ ＋ 2 e-→ H2O ΔG0= -137kJ/mol
✓ NH2OH＋0.5 O2 → HNO2＋2H＋ ＋ 2 eΔG0= -114 kJ/mol
羟胺氧化所需的氧是由水提供的
(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
黑暗条件，化能异养生长。
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
2.2 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
2.2.1 硝化反应动力学
NO3- + 5/6CH3OH → 1/2N2 + 5/6CO2 + 7/6H2O + HO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-
➢ 完全还原 1gNO3-→ N2
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-）。
细胞物质： C5H7NO2
硝化生物合成总反应式：
NH4＋＋1.89O2＋0.0805CO2→ 0.984NO3-＋ 0.0161C5H7NO2＋0.952H2O＋1.98H+
（2）硝化反应的化学计量关系
➢ 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
➢ 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1gNO3--N，需消耗4.34gO2
（四）硝化反应代谢途径与电子转移数
✓ 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✓ 电子转移数：
• 约消耗 2.47g甲醇， • 产生 0.45gVSS， • 产生 3.57g碱度
（假设水中无NH3）
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。
（1）亚硝酸菌比增值速度———莫诺特关系式
式中
NX 1(d dX )tTNmaK xSN N N
• μN——亚硝酸菌的比增殖速度，1/d； • μNmax——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；
（2）亚硝酸菌的增殖速度为 ：
生物脱氮除磷
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
O2 碱度 O2 碱度
有机氮 水解
NH4+ 亚硝酸 菌
NO2硝酸菌
同化作用 厌氧氨氧化
BOD
碱度
有机氮 （产生细胞物质）
NO3-
反硝化菌
N2、NxO
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
2.1.2 硝化反应与微生物
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
一、硝化反应微生物 ➢ 二、硝化反应式
➢ 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
dX dtg
dX dtT
KdX
上式各项除 X 得： μg
μN
dX dt g
X
dX dt T
X
Kd
或
g NKd
式中：
dX
g
dt X
g
——亚硝酸菌净比增殖速度。
（2）硝化的最小污泥龄 污泥龄与净比增值速率的关系：
代入
c
1 g
g NKd
பைடு நூலகம்
得：
c
N
1 Kd
为了维持硝化菌的数量，设计最小污泥龄θcmin必须满足：
• 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
一、亚硝酸菌增值速度
N3 O BO N D 2 C2 O H 2 O O H 新细胞
有机物为供氢体
（2）反硝化代谢途径 • 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NH3－N，用于新细胞的合成。
NO3-
NO2-
NH2OH
NH3
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。
（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。 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
cmin
N
1 Kd
设计的固体停留时间θcd 应为计算值的1.5~2.5倍。
硝化反应的动力学常数（20℃）
常数
符号
单位
亚硝酸菌
最大比增长速度
μNmax
d-1
0.6~0.8
饱和常数
KSN
产率系数
YN
自身分解系数
同化反硝化，合成细胞
NO → N2O 气态
N2
异化反硝化
（3）参与反硝化代谢的酶
✓ 1）硝酸盐还原酶 NO3- →NO2-
✓ 2）亚硝酸盐还原酶 NO2- →NO
✓ 3）NO还原酶 NO → N2O
✓ 4）N2O还原酶 N2O→ N2
（4）反硝化反应化学计量关系 以甲醇为电子供体的反硝化反应式：
（1）亚硝酸菌的净增值速度
式中：
dX dt g
dX dX dX dtg dtT dtE
——亚硝酸菌净增殖速度；
dX ——亚硝酸菌合成速度； dt T
dX d t
E
——亚硝酸菌自身分解速度。
dX dt
E
Kd
X
式中 Kd ——亚硝酸菌自身分解系数，1/d。
将上式代入公式得：
二、硝化反应式 (二）硝化反应的生化反应
氨单加氧酶
羟胺氧还酶
羟胺氧还酶
NH3 → NH2OH → NO → NO2- → NO3-
亚硝酸盐氧还 酶
（1）氨氧化为羟氨：氨单加氧酶 ✓ NH3 + O2 → NH2OH
(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NO
（二） 对硝化细菌的新认识
2.1.2 硝化反应与微生物
• 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；
• 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
NO3- + 5/6CH3OH → 5/6CO2 + 1/2N2 + 7/6H2O + HO-
➢ 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
（4）反硝化反应化学计量关系 以甲醇为电子供体的反硝化反应式：
由以上公式， 令
N max
YN
KN
则NH4+-N氧化 Monod 动力学关系式如下：
NH4+-N氧化速度
q NmaxNX
YN (KSN N)
最大氨氮氧化速度
qdN KNXN dt KSN N
NH4+-N 比氧化速度
qN
NmaxN
YN(KSN N)
dN
qN
dt X
KN N KSN N
三、硝化的最小污泥龄