第七讲传统生物脱氮工艺进展
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1、当代水处理新技术原理与应用 南开大学环境科学与工程学院吴立波联系方式：蒙民伟楼322 电话23503730（O）手机13820716597 E-mail:第七讲传统生物脱氮工艺进展一、传统生物脱氮原理二、传统生物脱氮工艺及进展三、同时硝化反硝化四、短程硝化反硝化工艺一、传统生物脱氮原理v1、微生物学基础知识v2、传统硝化原理v3、传统反硝化原理1、微生物学基础知识v代谢包括物质代谢（合成）和能量代谢（代谢）v物质代谢：自养：无机碳源 异养：有机碳源v能量代谢：光能 化学能（氧化还原反应） 电子供体：有机物(H)、无机还原性物质（被氧化） 电子受体：分子态氧、其他氧化性物质（被还原）v （受氢体
2、：O2-）能量代谢为物质代谢提供能量。由于能量利用率不同，微生物的产率系数不同。 传统氮循环示意图2、硝化反应原理硝化反应原理硝化反应原理代谢合成平衡硝化反应原理3、反硝化反应原理反硝化反应原理反硝化反应原理NO2-NO3-52反硝化反应原理NO2-反硝化反应原理二、废水生物脱氮工艺流程及进展 根据硝化和反硝化的原理可知，要达到废水生物脱氮的目的，必须先通过好氧硝化作用将氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧的条件下进行反硝化，将废水中的氮最终转化为氮气逸出。因此生物脱氮工艺是一个包括硝化和反硝化的工艺流程，并据此可采用多级活性污泥系统或单级活性污泥系统。多级活性污泥系统是传统的生物脱氮系统，即单独进行
3、硝化和反硝化的工艺系统。单级活性污泥系统是将含碳有机物的氧化、硝化和反硝化在一个活性污泥系统中实现，并只有个沉淀池。从完成生物硝化的反应器来分，脱氮工艺可分为微生物悬浮生长型(活性污泥法及其变型)和微生物附着生长型(生物膜反应器)。随着实际运行经验的增加和技术的改进，新的脱氮工艺不断出现，并在实际处理工程中得到推广应用。传统生物脱氮工艺进展反应器与系统的改进v 多泥单泥v 后置前置v 交替循环反应器v 生物膜反应器v 复合生物反应器传统生物脱氮新认识v1.硝化与亚硝化过程可分开：短程硝化反硝化v2.同时硝化反硝化：同步硝化反硝化 （氧气对反硝化属竞争性抑制） 生物脱氮工艺生物脱氮工艺缺点是必须
4、回流硝化液，反硝化率受限制。生物脱氮工艺生物脱氮工艺v改进AB工艺生物脱氮工艺生物滤池、生物转盘、生物流化床等均是常用的生物膜法处理构筑物，通过适当的设计可以使其同时具有去除含碳有机物和脱氮的功能。有机负荷是影响硝化效果的重要因素，有机负荷增加会使硝化率减少，因为异养菌会与硝化菌竞争生物膜表面空间和溶解氧，从而抑制硝化茵的增殖。在生物膜脱氮系统中，应进行混合液的回流以提供缺氧反应器所需的N0 x-N，但污泥不需要回流。不同的反应器采取的工艺流程也会不同。生物脱氮工艺vA/O-SBRv二三沟式氧化沟vSND: simultaneous nitrification and denitrificat
5、ion aerobic denitrificationvShortcut nitrification-denitrification 三、SND技术simultanous N. DeN.simultanous N. DeN.v1985年，Rittmann等在工业规模的氧化沟中成功地实现了同时硝化和反硝化，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区连续进行。通过控制DO浓度可实现在同一反应器内的SND，后来的Daigger、Rittmann以及国内的高廷耀、吕锡武等都对SND进行了大量的研究工作。近年来国内外有不少实验和报道都证明了SND现象，尤其是在有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的
6、生物处理系统，如生物转盘、SBR、氧化沟、CAST等，但对SND的机理及工程应用的可行性尚有待进一步的研究和开发 。1997年意大利实际应用于延时曝气活性污泥法改造。SND作用机理：宏观环境理论 微环境理论 微生物理论SND作用机理v宏观环境理论v微环境理论v微生物理论微环境理论微环境理论SNDSND工艺的机理一般从物理学、生物学以及生物化学的角度进行阐释。比较合理的理论工艺的机理一般从物理学、生物学以及生物化学的角度进行阐释。比较合理的理论解释是微环境理论。解释是微环境理论。微环境理论侧重从物理学观点研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质（如有机物、DO等）传递的变化，各类微生物的代谢活动及
7、其相互作用，所导致微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。该理论认为，由于微生物个体形态非常微小，一般属于纳米级，影响生物生存的环境也是微小的。而宏观环境的变化往往导致微环境的变化或不均匀分布，从而影响微生物群或者类型的活动状态，并在某种程度上出现所谓的表里不一现象（即宏观环境与微观环境不一致）。事实上，由于微生物种群结构、基质分布和生物化学反应的不均运性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在活性污泥菌胶团和生物膜内部存在多种多样的微环境类型。而每一种微环境往往只适合于某一类微生物的活动，而不适合其它微生物的活动。在活性污泥中，决定各类微环境状况的因素包括有机物和电子受体（DO、硝态氮的浓
8、度）、物质传递特性、菌胶团结构特征、各类微生物的分布和活动状况等。在好氧微环境中，由于好氧菌的剧烈活动，当好氧速率高于传氧速率时，可形成厌氧性微环境；同样，厌氧微环境在某些条件下，也可能成好氧性微环境。如DO浓度增高，搅拌加剧，使氧传递能力增强时，就会使菌胶团内部原来的微环境由厌氧型转化为好氧型。一般而论，即使在好氧性微环境占主导地位的活性污泥系统中，也常常同时存在少量的微氧、缺氧、厌氧等状态的微环境。而采用点源性曝气装置或者曝气不均匀时，则比较容易出现大比例的局部缺氧微环境。因此，曝气阶段会出现某种程度的反硝化，或者成为同时硝化反硝化现象。对同时去除有机物和进行反硝化的工艺，硝化菌在活性污泥
9、中占5左右，大部分硝化菌、反硝化菌处于生物絮体内部。在这种情况下，DO浓度增高将提高对生物絮体的穿透力，因此可以提高硝化反应的速率，但会降低反硝化的速率。生物絮体内部的微环境状态，除DO受影响外，还和有机负荷（F/M）、搅拌程度有关。高F/M、低DO或无搅拌时，生物絮体内微环境倾向于向缺氧或厌氧状态发展。反之，低F/M、高DO或有搅拌时，微环境倾向于向好氧状态发展。由于好氧工艺中厌氧性微环境的存在，为同时硝化反硝化现象的发生提供了可能。vSNDSND工艺机理的模型解释工艺机理的模型解释 SNDSND工艺的优点工艺的优点因为不同于经典的脱氮理论，如果能够掌握并运用好SND这种工艺，则在实际运行的
10、污水厂中不但可以大大减小反应器体积，从而节省工程投资费用，而且可以节约运行费用。与传统的生物脱氮技术相比，SND工艺具有独特的优越性：1 硝化过程中碱度被消耗，同时反硝化过程中产生了碱度，因此，SND工艺能有效地保持反应器中pH值的稳定。又考虑到硝化反应的最适pH值范围比较狭窄，仅为7.58.6，因此，这一点便具有重要意义。另一方面，SND工艺无需投加外碳源。因此，SND工艺可节省大量的药剂费用。2 SND工艺意味着在同一反应器内，在相同操作下，硝化、反硝化反应能同时进行。如果能保证这些反应具有一定的效率，则可减少反应器的数量和尺寸。对于连续运行的SND工艺污水处理厂，可以省去缺氧池或者减少其
11、容积。对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，SND工艺能够降低实现完全硝化、反硝化所需要的时间。3 SND工艺可以减少氧气的供给，从而节省生物脱氮系统的能耗花费。4 SND工艺提供了今后降低生物脱氮系统投资并简化生物脱氮技术的可能性。 SND SND工艺的主要控制因素工艺的主要控制因素 v溶解氧（溶解氧（DODO） 溶解氧（DO）的控制对于同时硝化反硝化过程具有重要的影响作用。首先，DO浓度必须是以满足含碳有机物的氧化及硝化反应的需要。若硝化不充分，则难以进行反硝化，因此，溶解氧浓度不能过低。其次，DO浓度又不宜过高，以便在微生物絮体内产生溶解氧梯度，形成缺氧微环境，同时使系统中有机物不致
