生物脱氮除磷课件(1)

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。
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2.1 生物脱氮机理及生物学基础
• 2.1.1 • 2.1.2 • 2.1.3
生物脱氮反应过程 硝化反应与微生物 反硝化反应
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ห้องสมุดไป่ตู้
2.1.3
反硝化反应
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(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- ＋H2O→ NO3-+ 2H++2eΔG0= +83kJ/mol
0.5O2+ 2H++2e- → H2O
NO2-＋0.5 O2→ NO3-
ΔG0= -137kJ/mol
ΔG0= -54 kJ/mol
亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的
• 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
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（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→ NO3-
NO3 BOD N 2 CO2 H 2O OH 新细胞
有机物为供氢体
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（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。
NH2OH NH3 同化反硝化， 合成细胞
二、NH4+-N氧化反应Monod 动力学关系
q
NX K SN N

YN
N N max
qN
N K SN N
N
YN
N max
q
N max NX
YN ( K SN N )
qN
N max N
YN ( K SN N )
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由以上公式， 令
N max
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
1.44H2O + HO 完全还原 1gNO3-→ N2
• 约消耗 2.47g甲醇， • 产生 0.45gVSS，
• 产生 3.57g碱度
（假设水中无NH3）
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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。
（2）亚硝酸菌的增殖速度为 ：
NX dX N X N max K SN N dt T
式中 μ——亚硝酸菌增殖速度，mg/(L•d)
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（3）NH4+-N氧化速度
可用下式表示：
NH4+-N氧化速度
dN q dt
mg/(L﹒d)
NH4+-N比氧化速度，
（2）第二步再由硝酸菌将NO2-氧化成硝酸盐（NO3-）。
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2.1.2 硝化反应与微生物
（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 Nitrosococcus Nitrosospira Nitrosovibrio Nitrosolobus
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一、亚硝酸菌增值速度 （1）亚硝酸菌比增值速度———莫诺特关系式
式中 • 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；
1 dX N N ( ) T N max X dt K SN N
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
dN q qN dt X X
1/d
式中 • N—— NH4+-N浓度，mg/L； • X——亚硝酸菌浓度，mg/L；
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（4）亚硝酸菌产率系数YN
dX dt T N YN dN q qN dt
dN q dt
q

YN
qN
N
YN
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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
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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－
YN
N max NX
KN
最大氨氮氧化速度
则NH4+-N氧化 Monod 动力学关系式如下： NH4+-N 氧化速度
q
YN ( K SN N )
K N XN dN q dt K SN N
dN dt K N N qN X K SN N
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NH4+-N 比氧化速度
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。
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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
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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
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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• NH4＋→NO2• NO2-→NO3-
4.57 g O2/g NH4＋-N 3.43 g O2/g NH4＋-N 1.14 g O2/g NO2--N
→1.00NO3-+0.00619C5H7NO2＋0.00619H+ 细胞物质： C5H7NO2
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硝化生物合成总反应式： NH4＋＋1.89O2＋0.0805CO2→ 0.984NO3-＋ 0.0161C5H7NO2＋0.952H2O＋1.98H+
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（2）硝化反应的化学计量关系 将1gNH3-N氧化为硝酸盐：
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（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
O2 碱度
硝酸 菌 NO3-
BOD
碱度
反硝化菌
N2、NxO
3
第2章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
生物脱氮机理及生物学基础
生物脱氮机理及生物学基础 生物脱氮反应动力学 生物脱氮影响因素 生物脱氮新理论 生物脱氮新工艺
4
2.1 生物脱氮机理及生物学基础
• 2.1.1 • 2.1.2 • 2.1.3
——亚硝酸菌合成速度；

黑暗条件，化能异养生长。
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第2章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
生物脱氮机理及生物学基础
生物脱氮机理及生物学基础 生物脱氮反应动力学 生物脱氮影响因素 生物脱氮新理论 生物脱氮新工艺
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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
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2.2.1
NO3-
NO2NO → N2O 气态 N2 异化反硝化
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（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
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（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： NO3- + 5/6CH3OH → 5/6CO2 + 1/2N2 + 7/6H2O + HO 完全还原 1gNO3-→ N2