硝化与反硝化

(2007-08-12 10:48:15)

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污水深度处理的硝化与反硝化 一 。硝化

(1) 微生物：自营养型亚菌(Nitrosmohas) 自营养型菌 （Nitrobacter）

(2) 反应： 城市污水中的氮化物主要是NH3,硝化菌的作用是将NH3—N氧化为 NO3—N

NH4+1.5O2———NO2+H2O+H－ΔE 亚菌 ΔE=278.42kJ

NO2+0.5O2———NO3－ΔE 菌 ΔE=278.42kJ

NH4+2.0O2——— NO3+H2+2H－ΔE 菌 ΔE=351kJ

研究表明,硝化反应速率主要取决于氨氮转化为亚盐的反应速率。

+

-+

-+

+

菌的细胞组织表示为C5H7NO2

55NH4+76O2+109HCO3———C5H7NO2+NO2+57H2O+104H2Co3 亚菌

400 NO2+ NH4+4 H2Co3+ HCO3+195 O2 ——— C5H7NO2+3 H2O+400 NO3 菌

NH4+1.86 O2+1.98HCO3——— 0.02C5H7NO2+1.04H2O+0.98 NO3+1.88H2Co3 菌

(3) 保证硝化反应正常进行的必要条件： pH 8~9

水温 亚菌反应最佳温度 t=35 t>15 DO 2 ~ 3 mg / L > 1.0 mg / L

硝化1克NH3—N：消耗4。57克O2

消耗7。14克碱度（擦CaCo3计） 生成0。17克菌细胞

(4) 亚菌的增殖速度 t=25C

活性污泥中

O

0C

0C

+

--+

--+

--

µ(Nitrosmohas)=0.18e

0.116(T-15)

day

Ｏ

–1

µ(Nitrosmohas)=0.322 day （20Ｃ） 纯种培养： µ(Nitrosmohas)=0.41e 河水中 µ(Nitrosmohas)=0.79e

一般它营养型细菌的比增长速度 µ =1。2 day

(5) 泥龄 SRT 硝化菌的比增长速度μ： μ=0.47e

0.098(T-15 )

–1

0.069(T-15) 0.018(T-15)

–1

day

-1

day

-1

[N/(N + 10

0.051T-1.158

)] [O2/( KO+O2)]

N－－－－ 出水氨氮浓度 ㎎/L T －－－－最低温度 15 C O2－－－－好氧区溶解氧浓度 ㎎/L KO－－－－KO=1.3

T＝20 C、O2＝2㎎/L、出水氨氮浓度N＝10㎎/L时，μ=0.433d SRT=1/µ

当 N=5 ㎎/L T=15C O2=2㎎/L KO=1.3 时, µ=0.28(d) SRT=1/µ =1/0.28(d)=3.6(d)

安全系数取2.5 设计泥龄为9.0(d) 为污泥稳定，取污泥泥龄15(d) (6) 硝化污泥负荷及产泥率 0.05㎏NH3—N／㎏MLVS·d

7mgNH4—N/gVSS·h 即 0.168kgNH4—N/ kgVSS·d② 硝化产泥率： 亚硝化0.04～0.13mgVSS／mgNH4—N

-1

O

-1

O

-1

O

硝化0.02～0.07mgVSS／mgNO —N

硝化全程 0.06～0.20mgVSS／mgNH4—N 。 二 反硝化

(1) 微生物： 自营养型反硝化菌(以无机盐为基质) 它营养型反硝化菌(以有机物为基质)

(2) 反应： 反硝化反应是指硝化过程中产生的盐或亚盐在反硝化菌的作用下还原成气态氮的过程。反硝化菌是一类化学能异养兼性缺氧型微生物，反应过程中利用有机物为碳源，电子供体提供能量并得到氧化降解，利用中的氧作电子受体。其反应： NO3+1.08CH3OH+0.24H2CO3 ——— 0.056C3H7O2N+0.47N2 +1.68H2O+HCO3

NO2+0.67CH3OH+0.53H2CO3 ———0.04C5H7O2N+0.48N2 +1.23H2O+HCO3 上述反应也可以用下式表达

2NO 2 +3H 2———N 2 +2OH +2H 2O 2NO 3 +5H———N 2 +2OH +2H 2O

当废水中碳源不足时，NO 的浓度远远超过可被利用的氢供体，反硝化生成的N2减少，会使N2O增多。 （3）反硝化动力学

上述反应在NO 浓度高于0.1mg/L时为零级反应，反硝化反应速率与NO 浓度高低无关，只与反硝化菌数量有关。 SNe－SNO＝qD N（ＸＶ）ｔ SNe ———进水NO3 浓度 mg/L； SNO ———出水NO3 浓度 mg/L；

qD N ———反硝化速率常数ｇNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d ； ＸＶ———挥发性悬浮固体浓度，mg/L； ｔ ———停留时间，h。 （4）反硝化反应速率

第一反硝化速率：初始快速反硝化阶段，一般为5～15min，消耗易降解的碳源， 约50mgNO3/L.h qD 1 =0.72×1.2

o

(T－20)

gNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d

T=20C qD 1= 0.72 g NO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d T=25C qD 1= 1.79 g NO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d （） T=30C qD 1= 4.46 g NO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d T=35C qD 1 = 11.09 g NO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d

第二反硝化速率：中速反硝化阶段，约16mgNO3/L.h,在此阶段易降解的碳源已经耗尽，只能利用颗粒状和复杂的可缓慢降解的有机物作为碳源。 qD 2 =0.1×1.04

o

(T－20)

ooo

gNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d

T=20C qD 2 =0.104gNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d

第三反硝化速率：内源代谢反硝化，5.4mgNO3/L.h,由于外碳源已消耗尽，反硝化菌只能通过内源代谢产物作碳源，反应速率更低。 qD 3 =0.072×1.03

o

(T－20)

gNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d

T=20C qD 3 =0.074gNO3 —Ｎ／ｇＶＳＳ·d 综合的反硝化速率约为： 2～8mg NO3 —Ｎ/ｇMLＳＳ·h ② 0.048~0.192kg NO3 —Ｎ/kｇMLＳＳ·d 硝化及反硝化的碱平衡

NH4+1.86O2+1.98HCO ———（0.0181+0.0025）C５H７O２N+1.04H２O+0.98NO３+1.88H２CO３ 根据上式每氧化1 mgNH4—N为NO3 —N需消耗碱7.14 mg（以CaCO3） 如果没有足够的碱度，硝化反应将导致pH下降，使消化反应减缓。

硝化最佳pH7.0～7.8；亚硝化最佳pH7.7～8.1；生物脱氮过程硝化段，pH值一般控制在7.2～8.0之间。

反硝化时，还原1mgNOi—N 生成3.57mg碱度（以CaCO3）,消耗2.74 mg甲醇 （3.7 mgCOD

约3.0mgBOD），产生0.45 mg反硝化细菌。实际工程设计K＝ΔCOD／ΔNO —N＝6.3。 反硝化的适宜ｐＨ值6.5～7.5； 6.0＜适宜ｐＨ值＜8.0 。

四 硝化菌最适宜的温度 最佳温度为30C

高于35C，亚硝化菌占优势，硝化菌则受抑制。 五 溶解氧DO

硝化过程DO一般维持在1.0～2.0 mg/L 每氧化1 mg NH4—N为NO —N需4.57 mg O2

六 有效的硝化和完全的除去盐所允许的最大TKN／COD比值① 当SRT6～20d； T14～25C； 回流比α 0～4； S 0.5～2时， （Ｎti/Sti）＝最大TKN／COD＝0.15 反硝化过程需要有机物： K＝ΔCOD／ΔNO —N＝6.3

①废水的厌氧生物处理265页 贺延龄著

活性污泥中硝化菌所占比例与BOD5／TKN的关系：

BOD5／TKN 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 活性污泥中硝化菌所占比例 0.35 0.21 0.12 0.086 0.0 0.0 0.043 O

O

O

7.0 8.0 0.037 0.033

七.活性污泥工艺中的活性污泥量、泥龄RS（SRT）、剩余污泥量（①p260） 泥龄RS（SRT）：存在于系统中的污泥量与每日排放污泥量之比。 RS＝MXV／MEV RS——泥龄

MXV——系统中的污泥量

MEV——每日排放污泥量（每日剩余污泥量） 系统中的污泥量与泥龄RS等因素的关系 ｍXV＝MXV／MSｔi

ｍXV——系统中的污泥量与每日进入系统的COD总量之比 1/ｍXV——污泥有机负荷， gCOD/1gVSS.d MXV——系统中的污泥量, 以VSS计。 MSｔi——每日进入系统的COD总量。

系统中的活性污泥量与每日进入系统的COD总量之比 ｍXａ＝MXａ／MSｔi=（１－fUS － fUP ）Cｒ

ｍXａ——系统中的活性污泥量与每日进入系统的COD总量之比 MXａ——系统中的活性污泥量 Cｒ ——泥龄依赖常数

Cｒ＝YaRS／（1＋BhRS）＝MXａ／MSｔi（１－ fUS－fUP ）

（１－ fUS －fUP ）——进水中可生化降解的COD占总COD的比例 1／Cｒ＝每日进入系统的可生化降解的COD总量／系统中的活性污泥量 1／Cｒ＝（1＋BhRS）／YaRS

1／ｍXａ——活性污泥有机负荷，gCOD/1gMLVS Sd 活性污泥浓度 2～3gMLVSS／L或3～5gMLSS

已知：（COD总量、 、 ）或（BOD总量）、 Bt-20

h＝0.24×1.04 、

Ya＝0.45gVSS/gCOD； 选取：RS；

求得：ｍXV 、MXV 、ｍXａ、MXａ； 选取：MLVSS或MLSS； 求得：反应池总容积V。 已知：MXV、RS；

求得：MEV——每日排放污泥量（每日剩余污泥量）。 例题计算:巴陵石油化工

已知: COD2000mg/L, BOD5800mg/L, NH3—N 150mg/L, MLSS11000mg/L, SRT100d, Q150m3

/h（3600 m3

/d）

求: ｍXV 、MXV 、ｍXａ、MXａ；反应池总容积V。 ｍXａ＝MXａ／MSｔi=（１－ fUS－ fUP）Cｒ （１－ fUS－ fUP）=0.97 Cｒ＝YaRS／（1＋BhRS） Bt-20h＝0.24×1.04

、

Ya＝0.45gVSS/gCOD； RS=100d

Cｒ＝0.45×100／（1＋0.24×1.04

30－20

×100）=45/36.53=1.23

ｍXａ＝0.97×1.23 =1.193 gVSS.d/gCOD

1/ｍXａ＝0.838 （kgCOD /kgVSS.d）

反硝化消耗的COD=0.15×0.8×3600×6.3=2721.6kg/d

（RS）

硝化段BOD/NH3－N=（7200－2721.6）×0.35/0=2.9

硝化菌占生物量的比例 硝化菌／MLVSS＝10％

硝化速率＝7mgNH3－N/g硝化菌·h（0.168 kgNH3－N/kg硝化菌·d）

硝化速率=0.017kgNH3—N/kgLMVSS.d

MLVSS=7.0kg/m

氨氮硝化容积负荷=0.017×7＝0.119 kgNH3—N/ m.d

硝化容积Vn=0.15×3600÷0.119=4537.8m

反硝化速率＝0.07kgNO3—N/kgLMVSS·d

反硝化容积负荷＝0.07×7＝0.49 kg NO3—N/ m.d

反硝化容积VDN=0.15×0.8×3600÷0.49 =881.6 m

COD容积负荷＝0.838×7＝5.87

33

3

3

3

去除COD所需容积＝（2.0－0.150）3600÷5.87＝1134.6m

目前常采用的生物脱氮的流程是首先经过硝化过程，然后利用反硝化细菌进行反硝化，将NO三和NO三转化为N2. N2逸气，完成脱氮过程。根据硝化细菌的特点，影响污水处理系统中硝化过程的主要因素有以下几点：

1、污泥龄 硝化菌在各种污水处理系统中虽有存在，但数量不多；加之自养型硝化菌世代时间长，生长速度慢，因此硝化菌数量及硝化速率是生物脱氮处理的关键制约因素。除给予适宜的环境条件外，应注意增加污泥龄，即污泥停留时间（一般要大于20~30d）。 2、溶解氧（DO）

DO对硝化菌的生长及活性都有显着的影响。在DO低于0.5mg/L时，亚氧化菌的活性受到抑制，而氨氧化菌对低溶解氧的耐受程度高于亚氧化菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。在活性污泥中，要维持正常的硝化效果，混合液的DO一般应大于2mg/L,而生物膜法则应大于3mg/L.

3、温度 温度对硝化活性有重要的影响。温度低于12℃，硝化活性明显下降，30℃时活性最大，温度超过30℃时，由于酶的变性，活性反而降低。 4、pH

氨氧化菌的最适pH范围为7.O~7.8,而亚氧化菌的最适pH范围为7.7~8.10 pH值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，使pH值降低，运行中应随时调节pH值。

5、营养物质

污水水质，特别是C/N比影响活性污泥中硝化细菌所占的比例。因硝化菌为自养微生物，生活不需有机质，所以污水中BOD5/TN越小，即BOD5浓度越低硝化菌的比例越大，硝化反应越易进行。在城市污水处理系统中，硝化菌所占比例一般低于0.086,不能满足硝化作用的需要。

氨氮是硝化作用的主要基质，应保持一定浓度。但氨氮浓度大于100~200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用，氨氮浓度越高，抑制程度越大。 6、毒物

硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用。一般来说，氨氧化菌比亚氧化菌对毒物更敏感。

能进行反硝化作用的细菌绝大多数是异养的兼性厌氧菌，它们需利用有机物作为反硝化过程中的电子供体。影响反硝化作用的因素主要有以下几点：

1、营养物质：反硝化作用需要足够的有机碳源，一般认为污水中的BOD5与总氮之比

3

大于3时，无需外加碳源，即可达到脱氮的目的。低于此值时需要添加碳源。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等都曾被选择作为碳源，其中利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且其氧化分解产物为水和二氧化碳。但在欧美各国，在饮用水的脱氮处理中采用乙醇，以避免残留甲醇对人体的危害。另外，活性污泥微生物死亡、自溶后释放出的有机物也可作为反硝化的碳源。在一般情况下，盐本身对反硝化没有抑制作用。

2、溶解氧：反硝化菌一般为兼性厌氧菌，在O2和N03同时存在时，反硝化菌首先利用02作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零时才开始进行反硝化作用。但是，在一般情况下，活性污泥生物絮体内存在一个缺氧区，曝气池内即使存在一定的溶解氧，反硝化作用也能进行。要获得较好的反硝化效果，对于活性污泥系统，溶解氧需保持在0.5mg/L以下，对于生物膜系统，溶解氧需保持在1.5mg/L以下。

3、温度：反硝化反应的最佳温度为40C,温度低于O℃，反硝化菌的活动终止，温度超过50℃时，由于酶的变性，反硝化活性急剧降低。

4、pH：反硝化反应的最适合pH值范围为7.O~7.5,pH值高于8或低于6都会明显降低反硝化活性。pH不仅对反硝化活性而且对反应产物也产生影响。反硝化作用可有N03-、N02-、NO-、N20-、N2等阶段，其中NO、N20、N2为气态氮，反硝化反应可能在气态氮的任何一步终止，这主要取决于pH值。pH小于6~6.5时NO和N20是主要产物，而pH值大于8时，将会出现N02的积累。 pH在中性范围内有利于N2的产生。

大量的NO3-排入水体就会形成富营养化，也会污染水资源。富营养化污染的水体，主要是脱氮除磷的方法进行治理的，最常用的便是生物脱氮。进行生物脱氮可分为氨化-硝化-反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。