Section 1.4 Principles of wastewater biological nitrogen removal在线视频

同学们好！我们下面来介绍废水生物脱氮的基本原理

主要分成这四个（方面的）内容

第一是，生物脱氮的基本过程，第二是硝化反应

第三是反硝化反应，第四是一些新型的生物脱氮过程

对于生物脱氮来说，我们指的生物脱氮

是指将废水中间的含氮的物质最终转变为氮气

从水中得以脱除这样的一个过程

这个过程实际上分为三个过程，第一个，是氨化作用

主要是指废水中的一些含氮的有机物

在好氧细菌或者是在厌氧细菌的作用之下，转变为氨氮的过程

第二个过程是指硝化过程，硝化过程，是指硝化细菌

我们后面会讲硝化细菌实际上包含两大类细菌

一大类细菌是称为氨氧化细菌

另外一类细菌是称为亚硝酸盐氧化细菌

在他们的作用下把废水中的氨氮

转化为亚硝酸盐或者硝酸盐的过程

第三个过程是反硝化过程

是指在缺氧的条件下在一些兼性细菌

也通常称为反硝化细菌

在他们的作用之下废水中含氮物质最终转化成气体

从水中得以脱除

整个生物脱氮过程，包含这三个过程

在这我们给出了一个整体的一个生物脱氮的一个示意图

首先我们可以看到在好养或者厌氧条件下废水中的有机物

含氮的有机物在一些细菌的作用下变成氨氮

随后发生的是好氧反应

废水中的氨氮在两大类细菌的作用下

分别成为氨氧化细菌和硝化细菌的作用下变成亚硝酸盐和硝酸盐

再之后发生的是一个缺氧的反应

这个缺氧过程是指硝态氮（亚硝酸盐和硝酸盐）

在反硝化细菌的作用下最终转变为氮气的过程

从这个过程中我们还会看到，硝化过程需要氧气

硝化过程还会需要一定的碱度会导致pH值的下降

反硝化细菌，需要有机物的加入

有机物，作为电子的供体

硝酸盐或者是亚硝酸盐作为电子的受体

最终硝态氮得以还原，有机物得以氧化

其中的细菌，称为反硝化细菌

既然我们也看到刚才这样一个过程中间

亚硝酸盐是一个中间的过程

如果我们能够将硝化作用停在亚硝酸盐

亚硝酸盐可以马上进行反硝化

这样一个过程我们称为短程生物脱氮

第二点是关于硝化反应

硝化反应在前面已经说过分为两步

第一步，是氨氮变成亚硝酸盐

第二步，是亚硝酸盐变成硝酸盐

它是由两种自养型的硝化细菌分步完成

第一类细菌称为氨氧化细菌，也称为AOB

第二步称为亚硝酸盐氧化细菌，称为NOB

这两类细菌都是革兰氏阴性细菌

都是无芽孢的短杆菌或者是球菌

他们都强烈的需氧，不能在酸性条件下生长

他们是自养细菌，生长过程中间不需要有机物

它是以废水中间的含氮的化合物作为能源，以无机碳作为碳源

他们都是化能自养型的细菌

他们的生长都非常缓慢，世代都比较时间长

硝化反应过程是分成刚才说的两个过程

第一个过程成为亚硝化反应

是指氨氮在氧气的作用下，变成亚硝酸盐

通过这样一个方程式计算可以得到

每氧化1mg的氨氮成为亚硝酸盐需要氧气3.43mg

氧化1mg的氨氮成为硝酸盐需要消耗7.14mg的碱度,碱度是以碳酸钙计

第二个反应是硝化反应

硝化反应是指亚硝酸盐在氧气的氧化下变成硝酸盐

通过这个反应方程式

也可以计算得到氧化1mg的亚硝酸盐成为硝酸盐

需要1.14mg的氧气

这个过程是不需要消耗碱度的

总的反应方程式就是一个氨氮

或者说是一摩尔的氨氮需要两摩尔的氧气最终变成硝酸盐

总的计算下来可以得到氧化1mg的氨氮

成为硝酸盐需要氧气4.57mg，需要消耗碱度7.14mg

硝化反应的环境条件，它需要第一是非常好的好氧条件

要溶解氧不能小于1mg/L，而且溶解氧通常情况下是要高于1mg/L

而且要有一定的碱度，维持稳定的pH值

它适宜的pH值是8.0到8.4

当然我们实际运行的时候是可以运行到7.5左右

要求进水的BOD5要在15到20mg/L以下

否则的话，进水中的有机物的氧化也会跟硝化过程竞争它的溶解氧

适宜的温度是在20到30°C之间

到温度小于15°C的时候速率会明显的下降

小于5°C的时候会完全的停止

对于污泥龄来说需要大于其最小的世代时间

硝化细菌最小的时代时间是3到10天

所以我们要污泥龄一般会在15天甚至20天以上

关于对硝化过程的抑制物质来说有很多

其中高浓度的氨氮、高浓度的硝酸盐、亚硝酸盐还有高浓度的有机物

以及高浓度的重金属离子

这里特别注意一下，氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐本身

是硝化过程的基质和中间产物

他们的浓度过高也会对这个反应造成影响

第二个反应是反硝化反应

反硝化反应它的定义是废水中的硝酸盐或亚硝酸盐

在反硝化细菌的作用下被还原为气态氮的过程

其中的主要的微生物，我们称为反硝化细菌

但是反硝化细菌属于异养型的兼性细菌

不是一类专门的细菌

它分属于多个不同的种属，广泛分布在自然界中间

反硝化细菌能够在缺氧条件下

以硝酸盐或者是亚硝酸盐作为电子受体

以有机物作为电子供体，将硝态氮还原

它的基本的反应过程是这样的一个过程

硝酸盐通过逐步反应，变成亚硝酸盐，最终变成氮气

在一定的条件下还有可能会生成一种气态物质

称为一氧化二氮，一氧化二氮我们俗称为笑气

实际上也是一种很强烈的温室气体

因此，在我们废水生物脱氮的过程中间要尽量避免它的产生

反硝化反应的方程式，如果以甲醇作为电子供体

我们可以看到是这样的三个反应

第一个是硝酸盐在甲醇的作用下被还原成亚硝酸盐

亚硝酸盐继续在有甲醇的存在条件下被还原成氮气

总的反应方程式我们可以看到是硝酸盐在有甲醇的加入下

最终被还原成氮气

在这个过程中间，还会生成水和二氧化碳

这个过程也会消耗一定的氢离子

说明这个反硝化反应对于系统的pH值的恢复是有一定的贡献

反硝化过程的影响因素主要有这样几个方面，第一是碳源

通常反硝化过程要求有充足的可生物降解的碳源

通常，这个碳源可以来自于废水中的有机物

当废水的BOD5跟总（凯氏）氮的比超过3-5的时候

就可以认为碳源充足，不需要再单独外加碳源

在某些特殊情况下，如果原废水中的碳源不足，就要外加碳源

外加碳源通常是甲醇或者是乙酸这样的一些有机物

它适宜的pH值是6.5到7.5

溶解氧，要尽量地控制在0.5mg/L以下

适宜的温度是20到40°C

我们在刚才介绍了这个生物脱氮的过程中间

包含了氨化、硝化和反硝化过程

特别是从硝化到反硝化过程，我们会看到

我们的目的是希望将废水中间的氨氮转变成为零价的氮气

为了完成这个过程，我们必须先把废水中的氨氮

转变成亚硝酸盐、转变成硝酸盐

然后从硝酸盐开始还原为亚硝酸盐，最终还原成氮气

我们有没有更简洁的途径来完成这个过程

我们现在的研究也证明是有一些可能的

好比说，短程硝化反硝化或者说厌氧氨氧化

在这两个工艺的基础上，又新开发了所谓的

SHARON工艺、ANAMMOX工艺、OLAND工艺和CANON工艺

下面，我们简单的来介绍一下所谓的SHARON工艺

SHARON工艺实际上是这两个反应方程式的一个结合

即将废水中的氨氮通过氧气在AOB的作用下把它只转化成亚硝酸盐

而亚硝酸盐在同一个反应器里面，利用还原性的物质把它还原成氮气

这样实质上相当于一个短程硝化反硝化工艺

另外一个工艺称为厌氧（氨氧化）工艺，也称为ANAMMOX工艺

这个工艺最简单来说

它是有这样一种细菌，能够将氨氮和亚硝酸盐直接反应生成氮气和水

那当然这样一个反应目前为止

发现的脱氮过程当中最简洁的一个过程

当然它如果含上它的生物合成，是这样的一个反应方程式

可以看到，氨氮在1.32倍的亚硝酸盐的作用下

最终生成了1.02倍的氮气，还生成了一点硝酸盐

最后，有一些细胞物质的合成

那如果能够将前面的亚硝化作用和厌氧氨氧化作用做成一个组合工艺

我们就可以得到一个目前为止最简洁，最经济的一个生物脱氮过程

我们可以看到第一个反应是一个亚硝化的反应

是利用AOB将废水中的氨氮转化成亚硝酸盐

这一部分亚硝酸盐为ANAMMOX工艺提供亚硝酸盐

然后是亚硝酸盐和氨氮的反应直接生成氮气

那最后总的反应方程式

是指氨氮在0.75mol的氧的作用下变成氮气，另外生成了氢离子

因此我们将前面提到过的传统的硝化反硝化工艺

以及短程硝化反硝化工艺，以及亚硝化-厌氧氨氧化工艺的组合工艺进行比较

从三个方面，从它的需氧量、需要的有机物的COD和它的产酸或者是耗碱的要求来看

这里面分别给出了三个反应的方程式，三个反应的总的方程式

可以看到传统的硝化反硝化反应工艺，它需要氧4.57mg

需要有机的COD2.86mg，它需要消耗碱度3.57mg

那短程硝化反硝化，它的需氧比传统的要少一点是3.43mg

需要的有机COD也要少一点，是1.71mg

产生酸跟上面是一样

最好的反应方程式是称为亚硝化-厌氧氨氧化工艺

我们可以看到它的需氧,仅需要1.71mg

它完全不需要有机物，它的耗碱，或者说它的产酸也是3.57mg

所以，我们可以说在生物脱氮过程中间最新的工艺是亚硝化+厌氧氨氧化工艺

好，这一节的内容就到这，谢谢！