新型生物脱氮技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

新型生物脱氮技术新型生物脱氮技术环境生物技术第1页新型生物脱氮技术新型生物脱氮技术一、传统生物脱氮介绍1、脱氮原理2、传统脱氮工艺二、新型生物脱氮技术1、半硝化工艺（SHARON）2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（SHARON ANAMMOX）4、生物膜内自养脱氮工艺（CANON）5、总结三、其它生物脱氮新技术介绍第2页一、传统生物脱氮介绍将废水中有机氮转化为氨氮，经过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，再经过反硝化作用将硝态氮还原为氮气从水中逸出，从而实现生物脱氮目标。有机氮NH4+NO2-NO3-N2好氧或厌氧氨化作用硝化作用反硝化作用NO2-有机氮经过酶和微生物作用下释放氨过程微生物将氨氧化成亚硝酸盐，深入氧化成硝酸盐硝态氮在反硝化细菌作用下还原成氮气细菌霉菌亚硝化菌硝化菌反硝化菌异养微生物：芽孢杆菌、节杆菌、木霉、曲霉、青霉等以HCO3-为碳源，自养；硝化反应消耗碱度，pH下降；耗氧4.2g/g（NH4+-NO3-）。O2作为电子供体。异养兼性厌氧细菌，缺氧条件下反应；有机物作为电子供体，硝酸盐（亚硝酸盐）作为电子受体。氨化作用硝化作用反硝化作用微生物1、脱氮原理第3页传统氨氮生物脱氮路径包含硝化和反硝化两个阶段。因为硝化菌和反硝化菌对环境条件要求不一样，硝化和反硝化反应往往分开进行。由此形成份级硝化、反硝化工艺。硝化过程：O2为电子供体NH4+1.5 O2NO2-+2H+2H2ONO2-+0.5 O2NO3-反硝化过程：有机物（甲醇、乙醇、乙酸等）为电子供体2 NO3-+10H+10e-N2+2OH+4H2O2 NO2-+6H+6e-N2+2OH+4H2O第4页2、传统脱氮工艺1932年，Wuhrmann利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺。1962年，Ludzack和Ettinger提出前置反硝化工艺。1973年，Barnard结合前两种工艺提出A/O工艺。以后出现各种改进工艺，Bardenpho、A/A/O等等以下是两种传统生物脱氮工艺：a、传统三级生物脱氮工艺：将含碳有机物去除和氨化、硝化及反硝化在三个池中独立进行。曝气池沉淀池硝化池二沉池反硝化池终沉池甲醇污泥回流污泥回流污泥回流进水出水b、A/O工艺：前置反硝化，单级活性污泥脱氮工艺。废水经缺氧池，再经过好氧池，并将好氧池出水和沉淀池污泥回流至厌氧池。缺氧池好氧池沉淀池进水出水回流污泥回流第5页二、新型生物脱氮技术传统生物脱氮工艺存在着不少问题：1、工艺流程长，占地面积大（传统工艺认为硝化、反硝化不能同时进行）。2、硝化菌群繁殖速度慢，且难以维持较高浓度，需要较大曝气池，费用高。3、需进行污泥和硝化液回流，动力成本高。4、系统抗冲击能力弱，高浓度NH3-N和NO2-会抑制硝化菌生长。5、硝化过程产酸，需投加碱中和。近年来，许多研究表明：硝化反应不但由自养菌完成，一些异养菌也能够进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，一些细菌也能够在好氧条件下进行；许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌（Thiosphaera pantotropha），能把NH4+氧化成NO2-后直接进行反硝化。生物脱氮技术发展，突破了传统理论认识，产生了一些新型生物脱氮技术。下面几个主要新型脱氮工艺1、半硝化工艺（SHARON）2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（SHARON ANAMMOX）4、生物膜内自养脱氮工艺（CANON）第6页1、半硝化工艺（SHARON）SHARON（single reactor system for high ammonia removal over nitrite)是由荷兰Delft大学开发一个新型生物脱氮工艺。该工艺能够采取CSTR（连续搅拌反应器），适用NH4+-N浓度（0.5gN/L)较高废水生物脱氮,反应常在3035内进行。氨氮氧化是酸化过程，所以水体pH是影响硝化反应主要因子。在碱度足够条件下，废水中50%NH4+-N被亚硝化细菌氧化为NO2N。NH4+HCO3-+0.75 O20.5NH4+0.5NO2-+CO2+1.5H2O半硝化工艺除了要有足够HCO3-碱度外，还要求较高温度。当温度高于25时：亚硝化菌群世代时间比硝化菌群世代时间短。为使硝化反应停留在亚硝化阶段，能够控制泥龄将硝化菌群清洗出反应器，留下亚硝化菌群。出水对NH4+要求高时，可在缺氧条件下，用有机物作为电子供体，将亚硝酸盐反硝化成N2脱去。半硝化工艺硝化、反硝化代谢过程以下：第7页1-4是NH4+硝化阶段：包含亚硝化阶段，NH4+经氧化形成羟胺（NH2OH），再 经过2、3、4氧化成NO3-.5-8是反硝化阶段：NO3-经过反硝化细菌作用最终转化成N2。第8页2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）是有荷兰Delft 大学在20世纪90年代开发一个新型脱氮工艺。指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2生物氧化过程。早在1977年，Broda就做出了自然界应该存在反硝化氨氧化菌（denitrifying ammonia oxidizers）预言。1994年Kuenen发觉一些细菌在硝化、反硝化中利用NO2-或NO3-作电子受体，将NH4+氧化成N2和气态氮化物。1995年Mulder等发觉了氨氮厌氧生物氧化现象。Straous M.等用生物固定床和流化床反应器研究了厌氧氨氧化污泥，表明氨氮和硝态氮去除率分别高达82%和99%。深入研究揭示：在缺氧条件下，氨氧化菌能够利用NH4+或NH2OH作为电子供体将NO3-或NO2-还原，NH2OH、NH2NH2、NO和N2O等为主要中间产物。第9页氨氧化菌在厌氧条件下，利用CO2作碳源，无需外加有机碳源、无需供氧，以NH4+作电子供体，NO3-或NO2-为电子受体，将水体中氮转变成N2。发生反应为：该工艺可将NH3-N 从1100mg/L降到560mg/L。在NH3-N和NO3-浓度为1000mg/L时不会受到抑制。但在100mg/L NO2-条件下，厌氧氨氧化过程会受到抑制。厌氧氨氧化过程是在自养菌作用下完成，这种自养菌生成速度慢，泥龄长，但产生剩下污泥量较少。厌氧氨氧化化学计量方程式：第10页厌氧氨氧化代谢路径：1：NH4+与羟胺氧化成联胺，联胺经过两次脱氢氧化（2、3），最终生成N2。生成联胺与NO2-反应生成羟胺。第11页3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（SHARON ANAMMOX）将前面两种工艺联合起来，在反应系统中，进水总NH4+50%在半硝化反应器内发生以下反应：半硝化反应器出水（含有NH4+和NO2-）作为厌氧氨氧化反应器进水。在厌氧氨氧化反应器内发生厌氧反应，有95%氮转变成 N2，另外，还有少许NO3-随出水排出。第12页半硝化-厌氧氨氧化工艺适合处理高浓度NH4+-N废水和有机碳含量低高NH4+-N浓度工业废水。出水NH4+-N 可到达6.7mg/L、TN为24mg/L。较之传统硝化-反硝化工艺，该工艺耗氧量由4.6kg O2/kg N2降到1.9 kg O2/kg N2，降低了耗氧60%，且不需要添加碳源。产生剩下污泥量极少。SHARON 工艺可采取完全混合式好氧连续反应器；ANAMMOX 工艺可采取生物膜法和生物流化床。第13页4、生物膜内自养脱氮工艺（CANON）在限氧条件下，利用完全自养性微生物将氨氮和亚硝酸盐同时去除一个方法。该工艺可用以低有机物浓度废水生物脱氮，能够采取单一反应器或生物膜反应器。反应器内进行部分硝化和氨厌氧氧化。在限氧条件下，系统中有两类自养微生物：好氧硝化细菌和厌氧氨氧化细菌。自养菌经过NO2-中间体直接将NH4+转变为N2。在限氧条件下，好氧硝化细菌将NH4+氧化成 NO2-。反应以下：然后，厌氧氨氧化细菌将NH4+和NO2-转变成N2和少许NO3-。反应以下：总脱氮反应式为：第14页从上面反应式中看出，大部分N都转变成N2，也有少许N转变为NO3-。当反应器里溶解氧（DO）浓度到达0.5mg/L时，氨化作用不受影响，但亚硝化作用受到强烈抑制。生物膜内自养脱氮工艺适合用于污水生物脱氮尤其是低有机物高氮废水。因为该工艺过程微生物是完全自养，所以不需要外加碳源。另外，在整个脱氮过程中也不需要通风曝气，节约能耗。相对于传统脱氮工艺，该工艺耗氧量降低63%。第15页5、总结：新型脱氮工艺与传统脱氮工艺比较第16页三、其它生物脱氮新技术介绍1、De-ammonification（反氨化)工艺一个适合用于处理高浓度含氮废水新工艺。经过控制供氧，使该工艺中氨转化为氮气过程不需要按化学计量式来消耗电子供体。这一过程被称为好氧反氨化工艺（aerobic de-ammonification）。Binswangrer等报道利用生物转盘反应器，经过硝化-反硝化工艺去除高浓度NH4+废水中氮，结果表明：当表面负荷率为2.05gN/(m2.d)时，去除速率达90250gN/(m2.d)。不需添加任何可生物降解有机碳化合物。总来说，De-ammonification工艺当前还不成熟，还未实现可行工程应用。1、De-ammonification（反氨化)工艺2、固定化催化氧化技术将 Nitrosomonas,Nitrosospira,Nitrosococcus和Nitrosolobus 等亚硝化细菌混合固定在一起。选择适当无机催化剂（如含铁化合物）。废水中NH4+首先被微生物氧化成NO2-、NO3-,再在无机催化剂下分解为N2和N2O。第17页3、生物纤维膜反应器把膜技术优点（从污水中截留和分离微生物）和细胞固定化技术优点（高浓度微生物、传质比表面积大）结合起来。反应器中膜不但含有生物降解功效，同时还含有分离功效。如PSB（permeable support biofilm），生物膜附着在渗透性纤维膜载体上，氧气渗透进入生物膜。生物膜中微生物自然分层，碳氧化、硝化和反硝化在生物膜不一样部位进行。微生物间无干扰，防止微生物间竞争和抑制作用。4、臭氧湿式氧化一个处理含氨氮废水比较有效技术。碱性条件下，经过O3湿式氧化过程产生一些氧化能力很强OH自由基，氧化水中氨氮。可作为含有机物又含无机污染物废水预处理；也可作为废水深度处理后处理深入降解废水中污染物。第18页5、生物电极脱氮技术生物法和电化学结合起来一个处理硝酸态氮污染水生物电极法。污水中硝酸态氮在生物和电化学双重作用下降解，而微电流又能够刺激微生物代谢活动。把脱氮菌作为生物膜固定在一炭为材料电极上，称为固定化微生物电极。经过电极间通电产生电解氢作为电子供体。阳极：C+2 H2O CO2+4H+4e阴极：2H+2e H22NO3-+5H2 N2+4H2O+2OH-与外部投加供氢体以及用氢作为电子供体脱氮方法相比，生物电极脱氮技术经过低电流、低电压电解产生电解氢以分子状态存在，在脱氮反应中更轻易被高效利用，而且能够经过适当电流密度控制深入提升处理效率。所以，生物膜电极反硝化技术已经成为一个研究热点。第19页谢谢第20页