6.2污、废水深度处理生物化学（课件）- 《环境生物化学》同步教学（机工版·2020）

6.水环境污染控制与 治理中的生物化学 1 6.2污、废水深度处理生物化学 6.2.1生物脱氮生物化学 1.生物脱氮过程和原理 废水中的氮包括无机氮和有机氮两种。无机氮以氨氮（NH3-N）、硝态氮（NO3--N）和亚硝态氮（NO2--N）3种形态存在，主要来源于微生物对有机氮的分解、农田排水以及某些工业废水。有机氮则以蛋白质、多肽和氨基酸为主，来源于生活污水、农业垃圾和食品加工、制革等工业废水。 生物脱氮(Biological denitrification)由硝化作用( Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)共同完成。它是指在微生物的作用下，废水中的氮化合物转化为氮气逸出并返回大气的过程，如图6—7 所示。 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 39 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 (1) 硝化反应 硝化反应是在好氧状态下，将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮的过程。硝化反应是由一群自养型好氧微生物完成的，它包括两个基本反应步骤。第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应。亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺旋杆菌属和亚硝化球菌属等。第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝化反应。硝酸菌有硝酸杆菌属、螺旋杆菌属和球菌属等。这两项反应均需在有氧的条件下进行。常以CO2、CO32－、HCO3－为碳源。 40 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 研究表明，硝化反应速率主要取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率。 由上述反应式计算得知，在硝化反应过程中，将lg氨氮氧化为硝酸盐需要4.57g氧(其中亚硝化反应需耗氧3.43g，硝化反应需耗氧1.14g)，同时约需耗7.14g重碳酸盐碱度(以CaCO3计)，以平衡硝化产生的酸度。 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，均是好氧自养菌，只有在溶解氧足够的条件下才能生长。其基本特征见表6-2。由表可见，硝酸菌的世代期长，生长速度慢；而亚硝酸菌世代期较短，生长速度快，较易适应水质水量的变化和其他不利的环境条件。 41 在硝化反应中，NH4＋－N向NO3－―N的转化过程中总氮量未发生变化。氮元素的价态变化见表6-3。 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 42 (2)反硝化反应 反硝化反应是由一群异养性微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是在缺氧(无分子态氧)的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原成气态氮(N2)。 反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌后、螺旋菌属和无色杆菌属等。它们多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5＋和N3＋作为电子受体．O2－作为受氢体生成H20和OH－碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定。 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 43 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2－和NO3－还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是N2。而同化作用是反硝化菌将NO2－和NO3－还原成为NH3－N，供新细胞合成使用，使氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化，反硝化反应中氮元素的转化见表6-4。 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 44 在DO≤0.5mg/L的情况下，兼性反硝化菌利用污水中的有机碳源(污水中的BOD成分)作为氢供给体，将来自于好氧池混合液中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气排入大气，同时有机物得到降解。其反应式为： 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 该反应的实质是反硝化菌在缺氧环境中，利用硝酸态盐的氧作为电子受体，将污水中的有机物作为碳源及电子供体，提供能量并得到氧化稳定。 在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动有同化反硝化和异化反硝化两种转化途径，其最终产物分别是有机氮化合物和气态氮，前者成为菌体组成部分，后者排入大气。如下所示： 45 当污水中缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S等也可以作为反硝化反应的电子供体，而微生物则可以通过消耗自身的原生质进行内源反硝化。 可见，内源反硝化的结果将导致细胞物质的减少，同时还生成NH3，因此，不能让内源反硝化占主导地位，而应向污水中提供必需的有机碳源。使用最普遍的有机碳源是较为廉价的甲醇，其反应式为： 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 46 6 水环境污染控制与治理中的生物化学 可见，在反硝化过程中，每转化1g的NO3－－N需要2.47g甲醇，这部分甲醇表现为BODu是