生物脱氮除磷1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 概述,第,2,章 生物脱氮机理及生物学基础,第,3,章 生物除磷机理及生物学基础,第,4,章 生物脱氮除磷工艺,污水的生物脱氮除磷技术,1,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,2,NH,4,+,NO,2,-,NO,3,-,N,2,、,N,x,O,水解,亚硝酸菌,硝酸菌,O,2,碱度,O,2,碱度,BOD,碱度,有机氮,反硝化菌,有机氮,（产生细胞物质）,同化作用,厌氧氨氧化,3,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,4,2.1,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,5,2.1.1,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,N,2,。,6,2.1.2,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,9,2.1.2,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,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（,NH,4,和,NH,3,）转化成亚硝酸盐,(NO,2,-,),；,（,2,）第二步再由,硝酸菌,将,NO,2,-,氧化成硝酸盐（,NO,3,-,）。,10,（二）对硝化细菌的新认识,硝化细菌属自养型细菌，碳源是,CO,2,。,有些自养型硝化细菌能混养（混合营养）生长（以,CO,2,、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；,以氨为唯一能源，自养生长时，以,CO,2,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,11,（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,以,NO,2,-,为唯一能源，自养生长时，以,CO,2,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,12,2.1.2,硝化反应与微生物,一、硝化反应微生物,二、硝化反应式,13,2.1.2,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,14,二、硝化反应式,NH,3,3/2O,2,NO,2,-,H,2,O,H,NO,2,-,1/2 O,2,NO,3,-,NH,3,2O,2,NO,3,-,H,2,O,H,(,一）硝化反应的化学反应式,硝化反应 耗氧量：,NH,4,NO,3,-,4.57 g O,2,/g NH,4,-N,NH,4,NO,2,-,3.43 g O,2,/g NH,4,-N,NO,2,-,NO,3,-,1.14 g O,2,/g NO,2,-,-N,15,二、硝化反应式,NH,3,+O,2,NH,2,OH,(,二）硝化反应的生化反应,（,1,）氨氧化为羟氨：,氨单加氧酶,NH,3,NH,2,OH NO NO,2,-,NO,3,-,氨单加氧酶,羟胺氧还酶,羟胺氧还酶,亚硝酸盐氧还酶,16,NH,2,OH,H,2,O,HNO,2,4H,4 e,-,G,0,=+23 kJ/mol,0.5 O,2,+2H,2 e,-,H,2,O,G,0,=-137kJ/mol,(,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,NH,2,OH,0.5 O,2,HNO,2,2H,2 e,-,G,0,=-114 kJ/mol,羟胺氧化所需的氧是由水提供的,17,NO,2,-,H,2,O NO,3,-,+2H,+,+2e,-,G,0,=+83kJ/mol,0.5O,2,+2H,+,+2e,-,H,2,O,G,0,=-137kJ/mol,(,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,NO,2,-,0.5 O,2,NO,3,-,G,0,=-54 kJ/mol,亚硝酸盐氧化所需的氧是由水提供的,18,（三）硝化反应的化学计量关系,第一步,1.00NH,4,1.44O,2,0.0496HCO,3,0.99NO,2,-,0.01 C,5,H,7,NO,2,0.97H,2,O,1.99H,+,第二步,1.00NO,2,-,0.50O,2,0.031CO,2,0.00619NH,4,0.124H,2,O,1.00NO,3,-,+0.00619C,5,H,7,NO,2,0.00619H,+,细胞物质：,C,5,H,7,NO,2,（,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：,19,硝化生物合成总反应式：,NH,4,1.89O,2,0.0805CO,2,0.984NO,3,-,0.0161C,5,H,7,NO,2,0.952H,2,O,1.98H,+,20,将,1gNH,3,-N,氧化为硝酸盐：,消耗约,4.3 gO,2,中和,7.14g,碱度,利用,0.08g,无机碳,产生,0.15g,新细胞,（,2,）硝化反应的化学计量关系,消耗氧的计量关系：,完全氧化,1gNH,4,+,-N,，,需消耗,4.25gO,2,完全氧化,生成,1gNO,3,-,-N,，,需消耗,4.34gO,2,21,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,：,NH,4,NH,2,OH NO,NO,2,-,NO,3,-,电子转移数：,NH,4,氧化为,NO,2,-,，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。,（四）硝化反应代谢途径与电子转移数,22,2.1,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,23,2.1.3,反硝化反应,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,24,2.1.3,反硝化反应,（,1,）原理与反应,生物反硝化,是指污水中的硝态氮,NO,3,-,和亚硝态氮,NO,2,-,，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：,NO,3,-,2H NO,2,-,H,2,O NO,2,-,3H 1/2N,2,H,2,O,OH,总：,NO,3,-,5H 1/2N,2,2H,2,O,OH,一、反硝化原理,有机物为供氢体,25,反硝化过程中,NO,2,-,和,NO,3,-,的转化是通过反硝化细菌的异化作用完成的，被还原成,N,2,。,同化作用是,NO,2,-,和,NO,3,-,被还原成,NH,3,N,，用于新细胞的合成。,NO,3,-,NO,2,-,NH,2,OH,NH,3,NO,N,2,O,N,2,同化反硝化，合成细胞,异化反硝化,（,2,）反硝化代谢途径,气态,26,1,）硝酸盐还原酶,NO,3,-,NO,2,-,2,）亚硝酸盐还原酶,NO,2,-,NO,3,）,NO,还原酶,NO N,2,O,4,）,N,2,O,还原酶,N,2,O N,2,（,3,）参与反硝化代谢的酶,27,（,4,）反硝化反应化学计量关系,完全还原,1gNO,3,-,N,2,相当于提供了,2.86gO,2,，,产生,0.45gVSS,，,产生,3.57g,碱度,当,NO,3,-,-N,浓度为,1mg/L,以上时，可认为反应速率为零级反应,NO,3,-,+5/6CH,3,OH,5/6CO,2,+1/2N,2,+7/6H,2,O+HO,-,以甲醇为电子供体的反硝化反应式：,28,（,4,）反硝化反应化学计量关系,完全还原,1gNO,3,-,N,2,约消耗,2.47g,甲醇，,产生,0.45gVSS,，,产生,3.57g,碱度 （假设水中无,NH,3,）,NO,3,-,+5/6CH,3,OH,1/2N,2,+5/6CO,2,+7/6H,2,O+HO,-,以甲醇为电子供体的反硝化反应式：,考虑细胞合成，以甲醇为电子供体的反硝化反应式：,NO,3,-,+1.08CH,3,OH,0.47N,2,+0.056C,5,H,7,NO,2,+0.76CO,2,+,1.44H,2,O+HO,-,29,二、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+NO,3,-,+H,2,O,SO,4,2-,+N,2,+H,+,（,2,）光能型（光合细菌）：有光时，光能异养生长。,黑暗条件，化能异养生长。,30,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,31,2.2,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,32,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、,NH,4,+,-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,2.2.1,硝化反应动力学,33,（,1,）亚硝酸菌,比,增值速度,莫诺特关系式,式中,N,亚硝酸菌的比增殖速度，,1/d,；,Nmax,亚硝酸菌的最大比增殖速度；,N,NH,4,+,-N,浓度,，,mg/L,；,X,亚硝酸菌浓度，,mg/L,；,K,SN,饱和常数，,mg/L,；,一、亚硝酸菌增值速度,（,2,）亚硝酸菌的增殖速度为：,式中,亚硝酸菌增殖速度，,mg/(Ld),34,（,3,）,NH,4,+,-N,氧化速度,NH,4,+,-N,比氧化速度,，,1/d,可用下式表示：,NH,4,+,-N,氧化速度,mg/(Ld),式中,N,NH,4,+,-N,浓度,，,mg/L,；,X,亚硝酸菌浓度，,mg/L,；,35,（,4,）亚硝酸菌产率系数,Y,N,36,二、,NH,4,+,-N,氧化反应,Monod,动力学关系,37,由以上公式，,令,则,NH,4,+,-N,氧化,Monod,动力学关系式如下：,最大氨氮氧化速度,NH,4,+,-N,氧化速度,NH,4,+,-N,比氧化速度,38,式中：,亚硝酸菌,净,增殖速度；,亚硝酸菌合成速度；,亚硝酸菌,自身分解,速度。,（,1,）亚硝酸菌的净增值速度,式中,K,d,亚硝酸菌自身分解系数，,1/d,。,三、硝化的最小污泥龄,39,上式各项除,X,得：,式中：,亚硝酸菌净比增殖速度。,或,将上式代入公式得：,g,N,40,污泥龄与净比增值速率的关系：,得：,代入,为了维持硝化菌的数量，设计最小污泥龄,cmin,必须满足：,设计的固体停留时间,cd,应为计算值的,1.52.5,倍。,（,2,）硝化的最小污泥龄,41,硝化反应的动力学常数（,20,）,常数,符号,单位,数值,亚硝酸菌,硝酸菌,总,最大比增长速度,Nmax,d,-1,0.60.8,0.61.0,0.60.8,饱和常数,K,SN,gNH,4,+,-N/m,3,0.30.7,0.81.2,0.30.7,产率系数,Y,N,gVSS/gN,0.100.12,0.050.07,0.150.20,自身分解系数,K,d,d,-1,0.030.06,0.030.06,0.030.06,对于污水处理来说，出水氨氮一般较高，可认为是零级反应。,25,，亚硝酸菌生长速率,硝酸菌,42,2.2,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,43,2.2.2,反硝化反应动力学,当,NO,3,-,-N,浓度为,1mg/L,以上时，可认为反应速率为零级反应,一、反硝化菌比增值速度,莫诺特关系式,二、,NO,3,-,-N,的还原反应,莫诺特动力学公式,三、反硝化菌的净增殖速度,四、反硝化菌的污泥龄,在反硝化反应时，硝酸盐为单一的物质，所以反硝化反应符合,莫诺特关系,。因此，用莫诺特（,Monod,）动力学方程来反映反硝化细菌的反应和生长过程。,44,D,反硝化菌的比增殖速度，,1/d,；,Dmax,反硝化菌的最大比增殖速度，,1/d,；,D,NO,3,-,-N,浓度，,mg/L,；,X,反硝化菌浓度，,mg/L,；,K,SD,饱和常数，,mg/L,；,一、反硝化菌比增值速度,莫诺特关系式,（,1,）反硝化菌比增值速度,莫诺特关系式,式中,反硝化菌的增殖速度，,mg/(L.d),。,（,2,）反硝化菌的增殖速度,45,NO,3,-,-N,的还原速率,mg/(L.d),；,NO,3,-,-N,的比还原速率,1/d,；,（,3,）,NO,3,-,-N,的还原速度,NO,3,-,-N,的还原速度可用下式表示：,D,NO,3,-,-N,浓度，,mg/L,；,X,反硝化菌浓度，,mg/L,；,46,（,4,）反硝化菌的产率系数：,47,NO,3,-,-N,的还原速度如下：,二、,NO,3,-,-N,的还原反应莫诺特动力学公式,NO,3,-,-N,还原速率,NO,3,-,-N,比还原速率,48,令,则，,NO,3,-,-N,还原反应莫诺特动力学公式如下：,NO,3,-,-N,还原速率,NO,3,-,-N,比还原速率,49,反硝化菌,净,增殖速度；,反硝化菌,总,增殖速度；,三、反硝化菌的净增殖速度,反硝化菌,自身分解,速度；,反硝化菌自身分解系数，,1/d,。,50,反硝化菌净比增殖速度。,令：,将上式带入净增殖速率公式，同时各项除以,X,，,得反硝化菌,净比,增殖速度：,51,得出,根据,美国环保局提出，反硝化过程中反硝化菌自身分解系数,K,d,=0.04d,-1,。,四、反硝化菌的污泥龄,代入,最小污泥龄：,52,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,53,2.3,生物脱氮影响因素,2.3.1,硝化反应的影响因素,2.3.2,反硝化反应的影响因素,54,（,1,）温度（,2,）溶解氧（,3,）,pH,（,4,）碱度（,5,）抑制性物质（,6,）污泥负荷（,7,）生物固体停留时间,2.3.1,硝化反应的影响因素,55,（,1,）温度：,一般认为，可在,445,范围内进行。但目前的试验结果表明，即使在,0.54,下，仍发生硝化反应。,硝化菌比增长速度与温度（,T,）,的经验关系：,硝化菌自身分解系数与温度（,T,）,的经验关系：,则污泥龄：,56,亚硝酸菌的净比增殖速度（,gT,）与水温的关系：,在水温,T,为,20,、,15,、,10,时，固体停留时间应分别大于,3.1d,、,5.6d,、,9.9d,。,57,硝化菌各属生存温度范围,细菌属名,合适温度（,）,亚,硝,酸,细,菌,亚硝化单胞菌属,530,亚硝化螺菌属,1530,亚硝化杆菌属,240,亚硝化球菌属,240,亚硝化叶状菌属,1530,亚硝化弧菌属,-530,硝,酸,细,菌,硝化杆菌属,540,硝化螺菌属,2030,硝化刺菌属,2530,硝化球菌属,1530,58,（,2,）溶解氧,DO 2mg/L,（,3,）,pH,值,最佳,pH,范围为,78,（也有资料显示为,89,），当,pH,降到,55.5,以下时，硝化反应几乎停止。,（,4,）碱度,对,pH,变化起缓冲作用，每氧化,1g,氨氮需消耗,7.14g,碱度（以,CaCO,3,计）,59,（,5,）抑制性物质,重金属、酚、游离氨等,游离氨,的抑制浓度：,亚硝酸菌,10150 mg/L,硝酸菌,0.11 mg/L,60,NaClO,3,在,0.02mol,的浓度下仅抑制,硝酸细菌,对,NO,2,-,的氧化反应，在较短的时间内（,30min,），对其它生物反应基本不抑制；,烯丙基硫脲,可以抑制,亚硝酸菌,的活性，在,5mg/L,的浓度下能完全抑制亚硝酸菌对氨氮的氧化反应。,抑制剂,硝化反应的抑制剂为,氯酸钠（,NaClO,3,）：抑制,NO,2,-,的氧化。,烯丙基硫脲（,allylthiourea,，简称,ATU,）：抑制氨氮的氧化。,烯丙基硫脲：,NH,4,NO,2,-,NaClO,3,：,NO,2,-,NO,3,-,抑制,抑制,61,（,6,）污泥负荷：,污泥有机负荷,kgBOD/(kgMLSS.d),污泥氨氮负荷,kgNH,3,-N/(kgMLSS.d),当处理高,NH,3,-N,水时，应采用氨氮负荷进行设计或校核。要达到较低的出水氨氮：,0.07kg NH,3,-N/(kgMLSS.d),。,62,固体停留时间,cd,的经验公式,:,美国环境保护局（,EPA,）建议的,cd,公式：,日本下水道协会建议的,cd,公式：,（,7,）生物固体停留时间,T ,水温,63,亚硝酸菌的净比增殖速度（,gT,）与水温的关系：,水温,T,（,）,固体停留时间,c,（,d,）,20,3.1,15,5.6,10,9.9,64,2.3,生物脱氮影响因素,2.3.1,硝化反应的影响因素,2.3.2,反硝化反应的影响因素,65,2.3.2,反硝化反应的影响因素,碳源,：一是原废水中的有机物，当废水的,BOD,5,/TKN,大于,35,时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；,pH,：,适宜的,pH,值是,6.57.5,，,pH,值高于,8,或低于,6,，反硝化速率将大大下降；,溶解氧,：反硝化菌适于在,缺氧条件,下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行，溶解氧应控制在,0.5mg/L,以下；,温度：,最适宜,温度,为,2040,C,，低于,15,C,其反应速率将大为降低。,66,式中,温度为,T,时反硝化速度，,gNO,3,-,N/(gVSS.d),；,温度为,20,时反硝化速度，,gNO,3,-,N/(gVSS.d),；,T,混合液温度，,；,温度修正系数，一般,=1.03,1.15,。,温度对反硝化速度,K,的影响,:,67,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,68,2.4,生物脱氮新理论,亚硝酸菌电子受体与电子供体多样性,正常时，以氧为电子受体，氨为电子供体；,低氧时，同时以氧和亚硝酸盐为电子受体；,无氧时，以亚硝酸盐为电子受体；,以亚硝酸盐为电子受体时，能利用氢、氨、有机物为电子供体；,硝酸菌随环境条件变化而进行不同的呼吸,正常时，以氧为电子受体、亚硝酸盐为电子供体进行好氧呼吸；,无氧时，以硝酸盐为电子受体、有机物为电子供体进行厌氧呼吸。,厌氧氨氧化菌的发现,69,2.4,生物脱氮新理论,2.4.1,短程硝化,-,反硝化,2.4.2,厌氧氨氧化（自养脱氮）,70,什么是短程？相对全程而言。为什么要短程？,2.4.1,短程硝化,-,反硝化,该原理仍符合,传统的,硝化,反硝化脱氮理论，只不过是少走了“一段路”。,71,2.4.1,短程硝化,-,反硝化,关键是控制硝化反应，使,NO,2,-,积累。,如何控制？,改变,pH,，抑制亚硝酸盐的氧化。,通过控制温度（,30),和污泥龄，来淘汰硝酸菌。,在絮体内创建缺氧条件，限制硝酸菌的生长。,提高游离氨浓度，抑制硝酸菌。,72,短程硝化,反硝化 优点：,可节省氧供应量约,25%,，降低能耗。,节省反硝化所需碳源的,40%,，,减少污泥生成量可达,50%,减少投碱量。,缩短反应时间和减小反应器容积。,73,2.4,生物脱氮新理论,2.4.1,短程硝化,-,反硝化,2.4.2,厌氧氨氧化（自养脱氮）,74,2.4.2,厌氧氨氧化,一、什么是,厌氧氨氧化？,以亚硝酸盐为氧化剂将氨氧化为,N,2,的生物反应。,以氨为电子供体将亚硝酸盐还原成,N,2,的生物反应。,厌氧氨氧化菌：自养型细菌。,无,O,2,条件，氨与亚硝酸盐同时存在。,ANAMMOX,：,an,aerobic,amm,onia,ox,idation,由荷兰,Delft,大学的,Gist Brocades,在试验中发现。,NH,4,+,+NO,2,-,N,2,+,.,75,NH,3,NH,2,OH,NO,2,-,N,2,H,4,N,2,H,2,N,2,NO,3,-,2H,2H,ANAMMOX,工艺中,N,的转化途径,二、厌氧氨氧化反应机理模式图,76,2.4.2,厌氧氨氧化,厌氧条件下，每减少,1mol NH,3,，消耗约,1.3 mol NO,3,-,，产生约,0.2 molNO,3,-,，产生约,1.0 mol N,2,。,三、厌氧氨氧化生物反应表达式及计量关系,厌氧氨氧化反应化学计量关系：,NH,4,+,+1.31NO,2,-,+0.0425CO,2,1.045N,2,+0.22NO,3,+,.,77,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,78,2.5,新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon,工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）工艺,2.5.3,好氧脱氨工艺,2.5.4 Canon,工艺,2.5.5 Oland,工艺,基于短程硝化,好氧自养脱氮,79,Sharon,（,s,ingle reactor,h,igh activity,a,mmonia,r,emoval,o,ver,n,itrite),短程硝化,-,反硝化工艺,2.5.1 Sharon,工艺,一、工艺特点：,在一个反应器中完成：短程硝化和反硝化；,连续流，反应器内不持留活性污泥；,采用较高的工作温度：,3040,；,反硝化过程按传统反硝化反应进行。,80,核心是实现短程硝化：,硝化过程终止于亚硝酸盐阶段，同时促使氨氧化过程顺利进行。,系统淘汰硝酸细菌或抑制其生长，保留亚硝酸菌并提高其生长速率。,二、,Sharon,工艺的技术要点,（,1,）控制温度,（,2,）控制,pH,（,3,）控制,DO,（,4,）控制污泥龄,（,5,）控制基质浓度和负荷,81,三、,SHARON,用于污水厂的改造,消化液脱氮,82,SHARON,甲醇贮罐,83,WWTP,Capacity,(MGD),SHARON,(kgN/day),Operational,Utrecht,51,900,1997,Rotterdam,60,850,1999,Zwolle,26,410,2003,Beverwijk,41,1.200,2003,Groningen,38,2.400,2005,Den Haag,55,1.300,2005,NYC Wards Island,250,5.770,2007,84,2.5,新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon,工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）工艺,2.5.3,好氧脱氨工艺,2.5.4 Canon,工艺,2.5.5 Oland,工艺,85,碳源严重不足的高浓度氨氮废水,首先将部分氨氮氧化成,NO,2,-,与短程硝化反应器组合：,短程硝化,Anammox,脱氮工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）脱氮组合工艺,86,厌氧氨氧化脱氮组合工艺（一）,高浓度氨氮废水,先利用,Sharon,工艺将部分氨氮转化为,NO,2,-,。,SHARON,ANAMMOX,氨氮,约,50%NO,2,-,N,2,约,50%NH,4,+,HRT=1 d,T=30-40,pH=6.6-7.0,87,SHARON,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1,16,31,46,61,76,91,106,121,136,151,TIME(days),CONCENTRATION(mg N/l),NH4-N in,NH4-N out,NO2-N out,图片来源于,TU Delft,88,厌氧氨氧化脱氮组合工艺（二）,先进行短程硝化，将氨氮转化为,NO,2,-,。,短程硝化,ANAMMOX,氨氮,NO,2,-,氨氮,N,2,89,2.5,新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon,工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）工艺,2.5.3,好氧脱氨工艺,2.5.4 Canon,工艺,2.5.5 Oland,工艺,90,Aerobic deammonification,1997,年首先由德国,Hannover,大学提出，,2.5.3,好氧脱氨工艺,理论依据：,一些硝化细菌既能进行硝化作用，还能进行反硝化作用。,一些反硝化细菌既能在无氧条件下进行正常反硝化，还能在有氧条件下进行反硝化（氧受限制时，同时以氧与硝酸盐为电子受体）,一些细菌彼此合作，进行序列反应，把氨转化为,N,2,。,特点：,在一个好氧反应器中完成脱氮（氨）；,生物膜表层发生好氧硝化反应；,生物膜内层发生多种途径的,NO,2,-,还原反应。,91,2.5,新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon,工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）工艺,2.5.3,好氧脱氨工艺,2.5.4 Canon,工艺,2.5.5 Oland,工艺,92,Cannon,（,completely autotrophic nitrogen removal over nitrite),2002,年首先由荷兰,Delft,工业大学提出。,2.5.4 Canon,工艺,依据：,亚硝酸细菌在有氧条件下把氨氧化成亚硝酸盐，,厌氧氨氧化菌在无氧条件下把氨和亚硝酸盐转化成,N,2,。,利用亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协同作用（,Cannon,反应）。,亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌均为自养型。,无需外源有机物（可完全无机），低氧环境下运行。,93,Canon,特点,自养型脱氮：由,亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌协同完成,。,一个曝气反应器中完成；控制,DO,，低氧状态；,多采用生物膜法；,生物膜表面发生短程硝化反应；,生物膜内层发生厌氧氨氧化反应；,94,2.5,新型生物脱氮工艺,2.5.1 Sharon,工艺,2.5.2,厌氧氨氧化（,Anammox,）工艺,2.5.3,好氧脱氨工艺,2.5.4 Canon,工艺,2.5.5 Oland,工艺,95,Oland,（,Oxygen-limited autotrophic nitrificationdenitrification,）,氧限制自养型硝化,-,反硝化工艺,1998,年首先由比利时,Ghent,大学提出。,2.5.5 Oland,工艺,依据：,在限制供氧的条件下，自养型的亚硝酸细菌将以氧为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸盐，然后，再以氨作为电子供体，把亚硝酸盐还原为,N,2,。即氧限制自养型硝化,-,反硝化。,特点：由,亚硝酸菌单独作用完成脱氮,。,自养脱氮；,一个曝气反应器中完成。,96,生物膜好氧短程脱氨（氮）反应模式,N,2,NH,4,+,NH,4,+,N,2,NH,4,+,NO,2,-,N,2,NO,2,-,+NH,4,+,N,2,反硝化,水相,好氧层,缺氧层,载体,厌氧氨氧化,97,第,3,章,生物除磷,机理及生物学基础,3.1,概述,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,3.3,生物除磷反应动力学,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,3.5,生物除磷新理论,98,GB 18918,2002,城镇污水处理厂污染物排放标准（,P,）,（,mg/L,）,常规活性污泥法的微生物同化和吸附；污泥含磷量,12%,项 目,进水,排放标准/（,mgL,-1,）,一级,A,一级,B,2005,年,12,月,31,日前建设的,56,1,1.5,2006,年,1,月,1,日起建设的,56,0.5,1,如何去除以达到排放标准？,生物强化除磷；,投加化学药剂除磷。,3.1,概述,一、磷的排放标准及去除方法,99,同化,：微生物从水中摄取一定量的磷来,满足其生理需要,，从而去除部分磷。,3.1,概述,如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。,BOD:N:P=?,生物强化除磷,一类特殊的细菌,聚磷细菌,，可以过量地、,超出其生理需要,地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。,生物除磷工艺仍以活性污泥法为主。,系统排除的剩余污泥中磷含量占干重,5%,6%,。,一、磷的排放标准及去除方法,100,二、生物除磷的发展历程,1955,年，,Greenburg,发现活性污泥系统中磷消耗量超过细胞正常生长所需量，推断存在磷的过量吸收。,1959,年，,Srinarh,和,Alarcon,最先报道了污水厂污泥生物除磷的现象。未能解释该现象。,1965,年，,Levin,和,Shapiro,指出磷的过量吸收与微生物代谢密切相关，发现一些细胞中形成异染颗粒，添加抑制剂后，磷的吸收停止。,1967,年，,Levin,和,Shapiro,发现了活性污泥在好氧下吸磷，厌氧条件下放磷。,70,年代，,Arizona,大学的一个研究组分离出了除磷菌，为揭示生物除磷机理奠定了基础。,以后，生物除磷技术得到迅速发展。相继产生了一系列工艺。,3.1,概述,101,第,3,章,生物除磷,机理及生物学基础,3.1,概述,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,3.3,生物除磷反应动力学,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,3.5,生物除磷新理论,102,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,一、,生物除磷机理,二、生物除磷的主要影响因素,103,一、生物除磷机理,生物除磷的主体：一类聚磷菌（除磷菌、积磷菌）。,什么是生物除磷,:(,定义）,首先让聚磷菌在厌氧条件下释放磷，然后在有（好）氧条件下,过量,吸收磷，使污水中的磷最终转移到污泥中排出。,注意：两个过程需要的环境条件,3.2,生物除磷原理,（,1,）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件,环境条件决定生化过程,必须经历,两个过程：,聚磷菌释放磷：厌氧环境,聚磷菌过量摄取磷：好氧环境,超出生理需要，摄取量大于释放量,104,聚磷菌厌氧释放磷,：,在,厌氧条件,下，聚磷菌能分解体内的,聚磷酸盐,而产生能量，将废水中的,易降解有机物摄入,细胞内，以,聚,-,羟基丁酸（,PHB,）,等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的,磷酸盐,排出体外（,释放,）。,（,1,）聚磷菌除磷的生化过程和环境条件,好氧条件下摄磷量,厌氧条件下释磷量,。,将富磷剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。,聚磷菌好氧过量摄取磷,：,好氧条件,下，聚磷菌氧化分解体内贮存的,聚,-,羟基丁酸,（,PHB,）,并释放大量能量，用于细胞增殖和,摄取,废水中的,磷,，一部分磷被用来合成,ATP,，另外绝大部分的磷则被合成为,聚磷酸盐,而贮存在细胞体内。,3.2,生物除磷原理,对两个过程的描述,105,（,2,）生物除磷物质转化示意图,106,第,3,章,生物除磷,机理及生物学基础,3.1,概述,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,3.3,生物除磷反应动力学,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,3.5,生物除磷新理论,107,3.3,生物除磷反应动力学,3.3.1,生物除磷反应式,3.3.2,厌氧阶段,吸收乙酸动力学关系,3.3.3,好氧阶段,磷酸盐的吸收动力学,108,在,好氧,条件下，聚磷的积累可按下式表示：,在,厌氧,条件下，聚磷的分解可按下式表示：,3.3.1,生物除磷反应式,109,式中,q,HAC,乙酸的吸收速度，,mg/(L.d),K,HAC,乙酸的最大吸收速度，,1/d,；,S,HAC,乙酸浓度，,mg/L,；,X,P,聚磷菌浓度，,mg/L,；,K,SHAC,饱和常数，,mg/L,。,厌氧阶段,，吸收乙酸动力学关系用,Monod,方程描述,：,3.3.2,厌氧阶段,吸收乙酸动力学关系,110,式中,q,P,磷酸盐吸收速度，,mg/(L.d),S,P,磷酸盐浓度，,mg/L,。,Pmax,聚磷菌的最大比增殖速度，,1/d,；,X,P,聚磷菌浓度；,Y,P,聚磷菌最大产率系数；,K,SP,饱和常数，,mg/L,。,磷酸盐的最大比吸收速度，,1/d,；,好氧阶段,，磷酸盐的吸收动力学用,Monod,方程描述,：,3.3.3,好氧阶段,磷酸盐的吸收动力学,111,20,时生物除磷反应动力学常数,符 号,单 位,数 值,聚磷菌最大比增殖速度,Pmax,d,-1,24,聚磷菌产率系数,Y,P,kgSS/kgCOD(HAC),0.60.8,聚磷菌产率系数,Y,P,kgP/kgCOD(HAC),0.070.1,乙酸吸收的饱和常数,K,SHAC,gHAC/m,3,26,磷酸盐吸收的饱和常数,K,SP,gP/m,3,0.10.5,乙酸吸收速度,K,HAC,kgCOD(HAC)/kgCOD(X).d,0.52,112,第,3,章,生物除磷,机理及生物学基础,3.1,概述,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,3.3,生物除磷反应动力学,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,3.5,生物除磷新理论,113,以下条件十分重要：,a.,厌氧,/,好氧,的交替条件；,b.,厌氧段不能存在,O,2,；,c.,厌氧阶段不存在硝酸盐（化合态氧）,反硝化需要利用易降解有机碳，使易降解有机碳量减少。聚磷菌得不到充足的易降解有机碳，使磷的去除量减少，从而影响了聚磷菌的代谢,1molNO,3,-,反硝化消耗,1.26molHAc,。,d.,充足的,碳源,：,TBOD,5,/TP,：,15-20,：,1,e.,温度：,5,f.pH:6.5-8.0,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,114,第,3,章,生物除磷,机理及生物学基础,3.1,概述,3.2,生物除磷,机理及生物学基础,3.3,生物除磷反应动力学,3.4,影响生物除磷的主要影响因素,3.5,生物除磷新理论,115,一、概述,二、反硝化除磷原理,三、反硝化除磷优点,3.5,生物除磷新理论,反硝化除磷,116,一、概述,Vlekke,（,1987,）和,Takahiro,（,1992,）等分别利用厌氧,/,缺氧交替,SBR,系统和固定生物膜反应器进行了试验研究。筛选出了以硝态氮作为电子受体的聚磷优势菌，硝态氮和氧气在除磷系统中起着相同作为电子受体的的作用，,1993,年，荷兰代尔夫特工业大学（,TU Delft,）,Kuba,也在试验中富集到一类兼有反硝化作用和除磷功能的兼性厌氧微生物，能利用,O,2,或,NO,3,-,为电子受体。,同年，,Kerrn-Jespersen,通过试验研究，把聚磷菌分为两类，一类仅以,O,2,电子受体，另一类可以,O,2,或,NO,3,-,为电子受体。,南非开普顿大学,(UCT),研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一有生物,摄,/,放,磷作用的菌种，兼性反硝化细菌也有着很强的生物摄,/,放磷现象。,