生物脱氮除磷课件(1)

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
✓ 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：
✓ NO2- ＋H2O→ NO3-+ 2H++2eΔG0= +83kJ/mol
• 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
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
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
百度文库NH4+
亚硝 酸菌
NO2-
硝酸 菌
同化作用
有机氮
（产生细胞物质）
厌氧氨氧化
BOD 碱度
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
• 第二步 1.00NO2-＋ 0.50O2＋ 0.031CO2＋ 0.00619NH4＋＋0. 124H2O
→1.00NO3-+0.00619C5H7NO2＋0.00619H+
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+
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
亚硝酸盐 氧还酶
NH3 → NH2OH → NO → NO2- → NO3-
（1）氨氧化为羟氨： ✓ NH3 + O2 → NH2OH
(二）硝化反应的生化反应式 （2）羟胺氧化为亚硝酸盐：分两步，中间产物为NO
✓ NH2OH＋ H2O → HNO2＋4H＋ ＋ 4 eΔG0= +23 kJ/mol
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
2.1.2 硝化反应与微生物
✓ 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
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
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
（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：
→ 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。
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-）。
✓ 0.5O2+ 2H++2e- → H2O ΔG0= -137kJ/mol
➢ NO2-＋0.5 O2→ NO3ΔG0= -54 kJ/mol
（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+
• 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
2.1.2 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 自养、混养；
Nitrosococcus 自养、混养；
Nitrosospira 严格自养； Nitrosovibrio 自养、混养； Nitrosolobus 自养、混养；