13-新型生物脱氮工艺

内循环（硝化液回流）
氮气
碱
原 废 水
反硝化反应器 （反硝化反应） 缺氧（A）
硝化反应器（去 除有机物、 硝化反应） 好氧（O）
污泥回流
沉淀池
处理水
污水 污 泥 回 流
剩余污泥 COD BOD5 NH4+-N NO3--N NH4+-N A段 反硝化 O段 有机物降解、硝化 时间 COD BOD5 内循环
研究背景
短程硝化反硝化
NH4+-N 氨氧化菌 NO2--N
亚硝酸型反硝化菌
N2
NO3--N反硝化菌 NO2--N
全程硝化反硝化
近十年 1997年 节省 1986 年 25%供氧量 1975年
Votes等首次提 出了短程硝化反 硝化生物脱氮的 概念
40%~60% 荷兰Delft工业大 Sutherson 等证 有机碳需求量 学成功开发 实了经 NO2-途径 反应器容积 30%~40% Sharon工艺 进行生物脱氮的 反硝化速率提高1.5~2倍 可行性
0 2 4
TOC/N=4
NO2 -N (mg/L)
100 80
脱氮速率(mg· L-1h-1)
30 25 20 15
6
8
10
TOC/N
1.4
40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1.0 0.8 0.6
10 5 0 15
0.4 0.2 0.0 45
Time(d)
亚硝酸型反硝化功能菌的驯化流程及过程
160 140 120 100 80 60 40 20 15 20 25 30 35 40 45
Specific ammonium oxidization rate ( mgNH4+-N g-1VSS d-1)
T=35℃
Alk/N=8.3
100
80
60
40
短程硝化功能菌的形态
0 10 20 30 40 50
Specific ammonium oxidation rate ( mgNH4+-N g-1VSS d-1)
（mgNH4 -N g-1VSS d-1）
+
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
pH
120
180
Specific ammonium oxidation rate ( mgNH4+-N g-1VSS d-1)
2.3 MBR-PBBR 系统不同HRT下的运行性能
不同HRT下的反应器操作参数
实验阶段 运行时间 HRT (h) 进水 NH4+-N (mg/L) MBR 中 TSS (g/L) MBR 中 VSS (g/L) 温度(° C) 启动期 1-22 28 200-400 1.58± 0.13 1.37± 0.1 28± 1.5 Ⅰ-1 23-42 28 400± 20 1.69± 0.12 1.45± 0.09 30± 0.1 Ⅰ-2 43-63 24 400± 20 1.78± 0.1 1.50± 0.07 30± 0.1 Ⅰ-3 64-84 20 400± 20 1.82± 0.08 1.51± 0.08 30± 0.1 Ⅰ-4 85-105 28 500± 20 1.88± 0.08 1.55± 0.07 30± 0.1
短程硝化功能菌的驯化筛选过程
140
Specific ammonium oxidation rate
CNH4+-N =400 mg/L
140 120 100 80 60 40 20 0 6.0
pH=8.5
120
100 80 60 40 20 0 0 200 400 600 800 1000
+ NH4 -N(mg/L)
20
25
30
35
40
0.30 0.25
温度(℃)
比脱氮速率( h-1)
0.141 0.219 0.646 0.137 0.003 0.001 0.002
0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
pH=9
6
7
8
pH 值
9
10
11
12
菌生长速率(mg· L-1h-1)
60
T=30℃
-
1.2
亚硝酸型反硝化菌属于兼氧菌：在有氧气的条件下，利用氧气作为电子受体进行 好氧呼吸；在缺氧条件下，利用亚硝氮作为电子受体，发生反硝化作用。
+ NH4 -N NO2 -N NO3 -N
400
Concentration (mg/L)
300
80
100 120 140 160 180 200
Phase I
200
II
III
800 700
Time (h)
普通活性污泥
+ NH4 -N NO2 -N NO3 -N
Concentration (mg/L)
100
600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60
0
0
10
20
30
无NO2--N 全部NO3--N
40 50 60 70 Time (d) 大量NO2--N 全部NO2--N 少量NO3--N 无NO3--N
80
100
120
140
160
180
200
Time (h)
短程硝化功能菌
Eff. NO2-N Eff. NO3-N
Nitrogen concentration (mg/L)
500
Eff. NH4-N
+ eff. NH4 -N 300 eff. NO2 -N eff. NO3 -N
eff. TN
Inf. NH4 -N
+
200
100
0 120
Removal rate (%)
功能菌的驯化及特性
启动期MBR短程硝化性能达到稳定 PBBR反硝化性能稳定 MBR-PBBR捷径生物脱氮工艺启动成功
400
Ammonium oxidation rate/ Nitrogen concentration (mg/L) nitrite accumulation rate (%)
400 300 200 100 0 120 100 80 60 40 20 0 0 5
NH4+
短程硝化功能菌
NO2-
亚硝酸型反硝化功能菌
N2
膜生物反应器(MBR)
填料床生物膜反应器(PBBR)
MBR-PBBR短程生物脱氮工艺
改变工艺参数
工艺的短程脱氮性能 及稳定性
生物强化实现短程硝 化反硝化的可行性 工艺的宏观运行性能与微生 物微观结构之间的内在联系
微生物群落结 构及动态变化
短程硝化功能菌
大多数异养菌 （对比）
好氧 O 自养 （需CO2）
好氧 O 异养 （需有机碳）
营养 类型
最适 生长pH 世代 时间
5.0-9.0
------产碱
7.5-8.0
8-36 h 0.02-0.09 h-1 产酸
7.0-8.0
8-59 h 0.01-0.06 h-1 不变
7.0-8.5
---------------产碱
Nitrosomonas (N.europha, N. europaea) Nitrosococcus (N.mobilis) Nitrosospira 好氧 O 自养 （需CO2）
Paracoccus (P.denitrificans) Alcaligenes Pseudomonas (P.aureofaciens) Listeria 缺氧/兼氧 A 异养 （需有机碳）
实验进水成分
进水成分 化合物 (NH4)2SO4 KH2PO4 MgSO4· 7H2O NaCl NaHCO3 Traces solution 浓度(g/L) 1.0-2.5 0.7 0.05 1.2 1.0 2 mL/L 化合物 EDTA ZnSO4· 7H2O CoCl2· 6H2O MnCl2· 4H2O CuSO 4· 5H2O (NH4)6Mo7O24· 4H2O CaCl2· 2H2O FeSO4· 7H2O KOH 痕量元素 浓度(g/L) 50 2.2 1.61 5.06 1.57 1.1 5.54 4.99 To pH 6.0
6.5-8.5
2.3-8.7 h 0.08-0.3 h-1 不变
最大增 长速率
pH变化
传统生物脱氮工艺
（1wk.baidu.com三级活性污泥脱氮工艺
研究背景
去除有机物 有机氮氨化
NH4+ NO2- NO3-
NO3-
N2
优点：有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌在各自的反应器内生长繁殖， 反应速度快且彻底
传统生物脱氮工艺
（2）前置反硝化工艺（A/O）
菌株 JY4
生理生化特征 形态特征 16S rDNA序列分析 Pseudomonas mendocina
短程硝化功能菌
亚硝酸型反硝化功能菌
真空表 泵 空气 出口
泵 外加碳源池
P
泵
碱池 出水 泵 沉淀池
F
流量计 空气泵 进水槽
陶瓷 粒载体
MBR-PBBR捷径生物脱氮工艺装置图
2.2 MBR-PBBR 启动
优点：流程简单、装置少、建设费用低 NO3--N 无需外加碳源，利用原水有机物进行异养反硝化 减少碱消耗，利用反硝化产碱中和硝化产的酸
A/O脱氮工艺特性曲线
新型生物脱氮技术
1.短程硝化反硝化 2.好氧反硝化 3.同步硝化反硝化（SND） 4.厌氧氨氧化
短程硝化反硝化工艺及理论研究进展
硝化阶段 反硝化阶段
生物膜和活性污 泥体系中亚氮积 累的原因及机理 研究
短程硝化反硝化工艺及理论研究进展
NH4+
控制因素 游离氨 温度 溶解氧 pH 抑制剂 污泥龄 AOB
NO2-
NOB
NO3控制机理
选择抑制 理论
控制条件 大于6 mg/L 25～35℃ 0.5～1.5 mg/L 7.8～8.5
FA对AOB和NOB的抑制浓度不同，NOB对 FA更敏感 不同温度下AOB和NOB的动力学常数不同 AOB和NOB对DO亲和力不同，低DO抑制 NOB的生长 pH不但是生物生长限制条件，而且影响FA
重金属、氯化物等 NOB比AOB对环境更敏感，可添加抑制剂， 促进亚氮积累 介于AOB和NOB 控制污泥龄，使系统中的NOB被逐渐淘洗掉 最小停留时间之间 （Sharon）
短程硝化反硝化的关键问题
很难实现持久稳定的高浓度亚硝氮积累！
生物强化的MBR-PBBR短程脱氮工艺可行性分析
从微生物角度出发 分别驯化和富集培养两类功能菌
10
20
30
40
50
60
70
时间(h)
时间(h)
(a) 好氧
(b) 缺氧
亚硝酸型反硝化功能菌在好氧和缺氧条件下的生长和亚硝氮降解曲线
pH
采用平板涂布法从 菌群中分离纯化出 优势菌株JY4 亚硝酸型反硝化功能菌
菌株JY4的生理生化特性
试验项目 革兰氏染色 细胞形状 与氧的关系 氧化酶反应 反硝化 明胶水解 淀粉水解 41℃生长 结果 阴性 杆状 好氧 + + 弱 + 试验项目 碳源利用 柠檬酸三钠 丁二酸钠 酒石酸钠 酒石酸钾钠 乙酸钠 乙醇 葡萄糖 L-脯氨酸 + + + + + + + + 结果 试验项目 碳源利用 丙二醇 乙基乙二醇 甘露醇 乳糖 蔗糖 DL-精氨酸 β-苯丙氨酸 + + + + 结果
传统生物脱氮过程的生化反应及微生物
R-NH2
氨化 反硝化
氨化菌
NH4
+
NO2 NO3氨氧化菌 亚硝酸氧化菌
Nitrobacter Nitrococcus Nitrospira
氨氧化
-
亚硝酸氧化
NO2反硝化菌
N2
Pseudomonas (P. fluorescens) Bacillus 主要细 (B. subtilis) 菌种类 Bacillus (B. septicus) 氧类型 好氧/厌氧 O/A 异养 （需有机碳）
有机碳源 柠檬酸三钠 乙酸钠 丁二酸钠 半乳糖 正丁醇 乙醇 酒石酸钾钠 甲醇 生长速率 rg mg/L· h 1.134 0.730 0.953 0.581 0.329 0.280 0.330 0.001 有机碳源 草酸钠 甘油 果糖 蔗糖 葡萄糖 酒石酸钠 海藻酸钠 乳糖 生长速率 rg mg/L· h 0.425
真空表 泵 空气 出口
亚硝酸型反 硝化功能菌
泵 外加碳源池 泵
P
碱池 出水 泵 沉淀池
F
流量计 空气泵 进水槽
陶瓷 粒载体
MBR-PBBR短程生物脱氮工艺装置图
500
NH -N
4
+
NO2 -N
-
NO3 -N
Concentration (mg/L)
-
800 700 600 500 400 300 200 100 0 -20 0 20 40 60
50
20
Temperature ( ℃)
Alk/N
FISH分析
短程硝化功能菌的最佳氨氧化条件
Nitrosomonas-like
DAPI 染色
Nsm156探针杂交
0.30
功能菌的驯化及特性
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
比脱氮速率q ( h-1)
160 140 120
最佳TOC/N
350 300 250
12
120 100 80 60 40 20
12 10
菌体浓度 NO -N浓度
2
10
pH
浓度 (mg/L)
浓度 (mg/L)
稳定期 对数生长期
8 6
200 150 100 50 0 0
稳定期
菌体浓度 NO -N浓度
2
8 6 4 2 0
pH
4 2 0
pH
对数生长期
0 0 10 20 30 40 50 60 70
100 80 60 40 20 0
Nitrie accumulatioin rate Ammonium oxidation rate
10 15 20 25
TN removal rate + NH4 -N removal rate
Time (d)
0
5
10
Time (d)
15
20
25
启动期MBR出水
启动期MBR-PBBR工艺出水