微生物脱氮原理

3、 反硝化作用
• • • • • （1）概念 反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）条件 下，硝态氮、亚硝态氮及其其它氮氧化物被用作电子受体而还 原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。 （2）细菌 这个过程反硝化菌完成。 反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色 杆菌属等。它们多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化 菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子 态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+ 作为电子受体。O2-作为受氢体生成H2O和OH- 碱度，有机物 则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定。 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同 化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2- 和NO3还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是N2。而同化作用是 反硝化菌将NO2- 和NO3- 还原成为NH3-N供新细胞合成之用， 氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化。
硝 化 过 程 中 氮 的 氧 化 还 原 态
氮的价态变化 –3 -1 1 3 5
氮的转化 氨离子NH4+ ↓ 羟胺NH2OH ↓ 硝酰基NOH ↓ 亚硝酸根NO2↓ 硝酸根NO3-
• 硝化过程总反应过程如下 ：
• 该式包括了第一阶段、第二阶段的合成及氧化，由总反 应式可知，反应物中的N大部分被硝化为NO3-，只有 2.1%的N合成为生物体，硝化菌的产量很低，且主要在 第一阶段产生（占1/55）。若不考虑分子态以外的氧合 成细胞本身，光从分子态氧来计量，只有1.1%的分子 态氧进入细胞体内,因此细胞的合成几乎不需要分子态 的氧。 • 硝化过程总氧化式为：
• 在厌氧条件或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱 氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。 •
• 2、 硝化作用 • （1）概念 • 硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的 生物化学反应， • （2）细菌 • 这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。 • 亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和 亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。 亚硝酸菌和硝化菌统称为硝化菌。
• 1、 氨化作用 • （1）概念 • 氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为矿化作用。 • （2）细菌 • 参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性 的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。 • （3）降解方式（分好氧和厌氧） • 在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸 生成酮酸和氨： • • • • 丙氨酸 亚氨基丙酸 丙酮酸 另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细 菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们式好氧菌，其反 应式如下：
• 2、 反硝化反应影响因素 • （1）温度 • 反硝化细菌对温度变化虽不如硝化细菌那样敏感，但反硝化效果也会随温度变化而 变化。温度越高，硝化速率也越高，在30～35℃时增至最大。当低于15℃时，反硝化 速率将明显降低；至5℃时，反硝化将趋于停止。 • （2）pH值 • pH值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化最适宜的pH值是6.5～7.5，在这个 pH值的条件下，反硝化速率最高，当pH值高于8或者低于6时，反硝化速率将大为下降。 • （3）外加碳源 • 反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌，在厌氧的条件下以NOx-N为电子受体，以有机 物（有机碳）为电子供体。由此可见，碳源是反硝化过程中不可少的一种物质，进水的 C/N直接影响生物脱氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN＝3～5，有机物越充分， 反应速度越快，当废水中BOD/TKN小于4时，需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。 因此碳源对反硝化效果影响很大。反硝化的碳源来源主要分三类：一是废水本身的组成 物，如各种有机酸、淀粉、碳水化合物等；二是废水处理过程中添加碳源，一般可以添 加附近一些工业副产物，如乙酸、丙酸和甲醇等；三是活性污泥自身死亡自溶释放的碳 源，称为内源碳。 • （4）溶解氧 • 反硝化菌是兼性菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸。含碳有机物好氧生物氧化 时所产生的能量高于厌氧硝化时所产生的能量，这表明，当同时存在分子态氧和硝酸盐 时，优先进行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有机物而抑制了硝酸盐的还原。所以，为了 保证反硝化过程的顺利进行，必须保持严格的缺氧状态。微生物从有氧呼吸转变为无氧 呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶，而分子态氧的存在会抑制这类酶的合成及其活性。由 于这两方面的原因，溶解氧化对反硝化过程有很大的抑制作用。一般认为，系统中溶解 氧保持在0.5mg/L 以下时，反硝化反应才能正常进行。但在附着生长系统中，由于生物 膜对氧传递的阻力较大，可以容许较• 一、生物脱氮原理 • 污（废）水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在， 通常是只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的 氮，在未经处理的污水中，氮有可溶性的氮，也有 非溶性的氮。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的 形式存在；一部分非溶性有机氮在初沉池中可以去 除。在生物处理过程中，大部分的可溶性有机氮转 化成氨氮和其他无机氮，却不能有效地去除氮。废 水生物脱氮的基本原理就在于，在有机氮转化为氨 氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、 硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从 水中逸出，从而达到除去氮的目的。即完整的生物 脱氮反应共分成三个步骤：有机氮氨化反应——硝 化反应——反硝化反应。
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• （4）溶解氧 • 氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得 进程。在活性污泥法系统中，大多数学者认为溶解氧应该控制在1.5～2.0mg/L 内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前，有许多学者认为在低DO （1.5mg/L）下可出现SND现象。 在DO＞2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程 影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解 过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过 高，过量能耗，在经济上也是不适宜的。 • （5）C/N 比 • 在活性污泥系统中，硝化菌只占活性污泥微生物的5%左右，这是因为与异养 型细菌相比，硝化菌的产率低、比增长速率小。而BOD5/TKN值的不同，将会 影响到活性污泥系统中异养菌与硝化菌对底物和溶解氧的竞争，从而影响脱氮 效果。一般认为处理系统的BOD负荷低于0.15kgBOD5/(kgMLSS· d)，处理系 统的硝化反应才能正常进行。 • （6）生物固体平均停留时间（污泥龄） • 为保证连续流反应器中存活并维持一定数量和性能稳定的硝化菌，微生物在 反应器的停留时间。即污泥龄应大于硝化菌的最小世代时间，硝化菌的最小世 代时间是其最大比增长速率的倒数。脱氮工艺的污泥龄主要由亚硝酸菌的世代 时间控制，因此污泥龄应根据亚硝酸菌的世代来确定。实际运行中，一般应取 系统的污泥龄为硝化菌最小世代时间的三倍以上，并不得小于3~5d，为保证硝 化反应的充分进行，污泥龄应大于10d。 • （7）重金属及有毒物质 • 除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高浓 度硝酸盐有机物及络合阳离子等。据研究，当污水中氨氮浓度小于200mg/L， 亚硝态氮浓度小于100mg/L 时， 对硝化作用没有影响。
微生物脱氮
基本概念
一、名词解释
• 1、 总氮(TN)：水中各种形态无机和有机氮的总量。包括 NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等 有机氮，以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营 养物质污染的程度。通常可以简单的理解为水体中各种形态 氮的总和。 • 2、总凯氏氮（TKN）：包括氨氮和能转化为铵盐而被测定的 有机氮化合物。此类有机氮化合物主要有蛋白质、氨基酸、 肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮为负三价形态的有机氮化 合物。通常可以简单的理解为水中氨氮和有机氮的总和。 • 3、 氨氮（NH3-N）：又名氨态氮，是指水中以游离氨 （NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。 • 4、 硝态氮：是指硝酸盐及亚硝酸盐中所含有的氮元素 • 以上四者之间的关系图如下：
• （3）反应过程 • 包括亚硝化反应和硝化反应两个阶段。该反应历程 为： • 1. 第一阶段： • 生化氧化： • 生化合成： • 则第一阶段的总反应式（包括氧化和合成）为： • 2. 第二阶段： • 生化氧化： • 生化合成： • 则第二阶段的总反应式为：
• 第一阶段反应放出能量多，该能量供给亚硝酸菌,将NH4+合成 NO2-，维持反应的持续进行，第二阶段反应放出的能量较小。 从NH4+→NO3-的反应历程如下表所示。
• 二、脱氮基本概念
• 废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以 氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异 养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经 硝化过程转化变为NO2-N 和NO3-N ，最后通过反硝化作用 使硝态氮转化成氮气，而逸入大气，从而降低废水中N的含 量。
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• （3）反硝化过程 • 反硝化反应式如下： •
• [H]可以是任何能提供电子，且能还原NO3―及 NO2―为的物质，包括有机物、硫化物、H+等。 • 反硝化反应历程如下：
二、生物脱氮过程的影响因素
• 1、 硝化反应影响因素 • （1）有机碳源 • 硝化菌是自养型细菌，有机物浓度不是它的生长限制因素，故在混合液中 的有机碳浓度不应过高，一般BOD 值应在20mg/L 以下。如果BOD 浓度过 高，就会使增殖速度较高的异养型细菌迅速繁殖，从而使自养型的硝化菌 得不到优势而不能成为优占种属，严重影响硝化反应的进行。 • （2）温度 • 在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在5～45℃的范 围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动，且随着温度的升高，硝化反应 的速率也增加。当废水温度低于15℃时或大于35℃，硝化速率会明显下降， 当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30℃时 的硝化硝化速率的25%，当温度低于5℃时，硝化菌的活性基本停止。尽管 温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大 量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于35℃。 • （3）pH值 • 硝化菌对pH 值的变化非常敏感，最佳pH 值范围内为7.5~8.5，当pH 值低 于7 时，硝化速率明显降低，低于6 和高于9.6 时,硝化反应将停止进行.。由 于硝化反应中每消耗1g 氨氮要消耗碱度7.14g，如果污水氨氮浓度为 20mg/L，则需消耗碱度143mg/L。一般地，污水对于硝化反应来说，碱度 往往是不够的，因此应投加必要的碱量，以维持适宜的pH 值，保证硝化反 应的正常进行。
• （4）特点 • 从上式可以看出硝化过程的三个重要特点： • ⑴NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.57gO2； • ⑵硝化过程细胞产率非常低，且难以维持较高胜物浓度，特别是在低温的 冬季； • ⑶硝化过程中产生大量的的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大 量的碱中和，其理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度7.14g(以CaCO3计)。