生物脫氮原理及工藝分析

  污水中的氮主要以氨氮和有機氮的形式存在，通常沒有或只有少量亞硝酸鹽和硝酸鹽形式的氮。只有不到20%~40%的氮在傳統(tǒng)的二級處理中被去除。污水生物處理脫氮主要是靠一些專性細菌實現(xiàn)氨形式的轉(zhuǎn)化，經(jīng)過氨化、硝化、反硝化過程，含氮有機化合物最終轉(zhuǎn)化為無害的氮氣，從污水中去除，其過程如圖所示：

 一、工藝原理及過程

  硝化菌把氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程稱為硝化過程，硝化是一個兩步過程，分別利用了兩類微生物--亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌。這兩類細菌統(tǒng)稱為硝化菌，這些細菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-和CO2等無機碳。第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。這兩個反應(yīng)過程都釋放能量，硝化菌就是利用這些能量合成新細胞和維持正常的生命活動，氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮并不是去除氮而是減少了它的需氧量。

  反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程，即由硝化菌產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氮氣后從水中溢出的過程。反硝化過程也分為兩步進行，第一步由硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，第二步由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。同時，反硝化菌利用含碳有機物和部分分硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮用于細胞合成，該碳源既可以是污水中的有機碳或細胞體內(nèi)碳源，也可以外部投加。

  二、生物脫氮的工藝控制

  1.消化過程（硝化菌）的影響因素 

  1）溫度：硝化反應(yīng)的最適宜溫度范圍是30一35℃，溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性。溫度低于5℃，硝化細菌的生命活動幾乎完全停止：在5一35℃的范圍內(nèi)，硝化反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快；但達到30℃后，蛋白質(zhì)的變性會降低硝化菌的活性，硝化反應(yīng)增加的幅度變小。對于同時去除有機物和進行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)，溫度低于15℃時硝化速率會迅速降低。低溫對硝酸菌的抑制作用更為強烈，因此在12～14℃的系統(tǒng)中會出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

  2）溶解氧：溶解氧濃度為0.5-0.7mg/L是硝化菌可以忍受的極限，溶解氧低于2mg/L條件下，氮有可能被完全硝化，但需要較長的污泥停留時間，因此一般應(yīng)維持混合掖的溶解氧濃度在2mg/L以上。對于同時去除有機物和進行硝化的工藝，硝化菌約占活性污泥的5％左右，且大部分處于生物絮體的內(nèi)部。在這種情況下，溶解氧濃度的增加將會提高溶解氧對生物絮體的穿透力，從而提高硝化反應(yīng)速率。

  因此，在低泥齡條件下，由于含碳有機物氧化速率的增加使耗氧速率增加，減少了溶解氧對生物絮體的穿透力，進而降低了硝化反應(yīng)速率。相反，在長泥齡條件下，耗氧速率較低，即使溶解氧濃度不高，也可保證溶解氧對生物絮體的穿透作用，從而維持較高的硝化反應(yīng)速率。因此當泥齡降低時，為維持較高的硝化速率，應(yīng)該相應(yīng)提高溶解氧濃度。

  3）pH值和堿度：硝化菌對pH值十分敏感，硝化反應(yīng)的最佳pH值范圍是7.2-8.0，pH值超出這個范圍時，硝化反應(yīng)速率會明顯降低，低于6或高于9.6時，硝化反應(yīng)將停止進行。另外，每硝化1g氦氮大約要消耗7.14gCaCO3堿度，因此，如果污水沒有足夠的堿度進行緩沖，硝化反應(yīng)將導致pH值下降、反應(yīng)速率減緩。

  因此，保證硝化反應(yīng)的正常進行，往往需要投加必要的堿量以維持適宜的pH值。硝化菌經(jīng)過一段時間的馴化后，硝化反應(yīng)可以在較低的pH值條件下進行，但pH值突然降低也會引起硝化反應(yīng)速度的驟降。有研究表明，要使硝化反應(yīng)的pH值由7.0降低到6.0，大約需要馴化10d。

  4）有毒物質(zhì)：過高的氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及某些有機物對硝化反應(yīng)都有抑制作用。一般情況下，重金屬和有毒物質(zhì)主要抑制亞硝酸菌的生長，個別物質(zhì)抑制硝酸菌的生長。有機物濃度高時，異養(yǎng)菌的數(shù)量會大大超過硝化菌，從而阻礙氨向硝化菌的轉(zhuǎn)移，硝化菌能利用的溶解氧也因異養(yǎng)菌的利用而減少，硝化反應(yīng)能順利進行所要求的BOD5值一般應(yīng)低于20mg/L。因此，在培養(yǎng)和馴化硝化菌時，一定要注意氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及有機物的濃度，不使其產(chǎn)生抑制作用。

  5）泥齡：為保證反應(yīng)器中的存活并維持一定數(shù)量和性能的硝化菌，活性污泥在其中的停留時間SRT即泥齡必須大于硝化菌的最小世代周期，否則硝化菌的流失率大于其繁殖率。最終使其從系統(tǒng)中數(shù)量越來越少。一般來說，系統(tǒng)的泥齡應(yīng)為硝化菌世代周期的兩倍以上，一般不得小于3一5d，冬季水溫低時要求泥齡更長，為保證一年四季都有充分的硝化反應(yīng)，通常泥齡都大于10d。較長的泥齡可增強硝化反應(yīng)的能力，并可減輕有毒物質(zhì)刺激的抑制作用。

  6）碳氮比C/N：在活性污泥系統(tǒng)中，硝化菌一般只占微生物總量的5％左右，這是因為與異養(yǎng)菌相比，硝化菌的產(chǎn)率低。硝化菌是一類自養(yǎng)菌，有機物濃度不是其生長的限制因素，如果有機物濃度過高，會使生長速率較快的異氧菌迅速繁殖，爭奪混合液中的溶解氧，從而使生長緩慢且好氧的硝化菌得不到優(yōu)勢，降低硝化速率。

  因此BOD5與TKN的比值即碳氮比C/N，是反映活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌與硝化菌競爭底物和溶解氧能力的指標，C/N不同直接影響脫氮效果。一般認為，處理系統(tǒng)的BOD5負荷低于0.15BOD5/（MLVSS˙d）時，硝化反應(yīng)才能正常進行。

  2.反硝化過程（反硝化菌）的影響因素

   1）溫度：反硝化反應(yīng)的最適宜溫度范是35一45℃。溫度對反硝化反應(yīng)的影響與反硝化設(shè)備的類型（微生物懸浮生長型與附著生長型）及硝酸鹽負荷有關(guān)。當溫度從20℃下降到達15℃時，為達到相同的反硝化效果，生物轉(zhuǎn)盤和活性污泥法的水力停留時間則分別要提高到原來的4.6倍和2.3倍。

  2）溶解氧：反硝化菌是兼性菌，既能進行有氧呼吸，也能進行無氧呼吸。當水中同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時，優(yōu)先進行有氧呼吸，這樣，反硝化菌會優(yōu)先降解含碳有機物，從而抑制硝酸鹽的還原。所以為了保址反硝化反應(yīng)的順利進行，必須保持嚴格的缺氧狀態(tài)，保持氧化還原電位為-50一-110mV。另外，反硝化菌從有氧呼吸轉(zhuǎn)為無氧呼吸的關(guān)鍵是合成無氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會抑制這類酶的合成及其活性。

  因此，為使反硝化反應(yīng)正常進行，懸浮型活性污泥系統(tǒng)中的溶解氧應(yīng)保持在0.2mg/L以下，由于生物膜對氧傳遞的阻力較大，即使合液中有一定量的DO，生物膜內(nèi)層仍呈缺氧狀態(tài)而繼續(xù)進行反硝化，所以附著型生物處理系統(tǒng)可以容許較高的溶解氧濃度（一般低于1mg/L）。

  3）pH值：硝化反應(yīng)的最佳pH值范圍是6.5一7.5，不適宜的pH值會影響反硝化菌的生長速率和反硝化酶的活性。當pH值低于6.0或高于8.5時，反硝化反應(yīng)將受到強烈抑制。反硝化反應(yīng)會產(chǎn)生部分堿度，這有助于將pH值保持在所需要的范圍內(nèi)，并補充硝化過程中所消耗的一部分堿度。此外，pH值還影響反硝化的最終產(chǎn)物，pH值>7.3時最終產(chǎn)物是氮氣，pH值<7.3時最終產(chǎn)物是N2O。

  4）碳源有機物質(zhì)：反硝化反應(yīng)需要提供足夠的碳源，碳源物質(zhì)不同，反硝化速率也將有區(qū)別。揮發(fā)性有機酸、甲醇、乙醇等是理想的反硝化反應(yīng)碳源物質(zhì)，因此，啤酒污水等含揮發(fā)性有機物質(zhì)的污水可作為反硝化反應(yīng)脫氮的碳源，而以城市污水或內(nèi)源代謝物質(zhì)作為反硝化反應(yīng)碳源時的反硝化速率就要低得多。

  5）碳氮比C/N：理論上將1g硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為N2需要碳源物質(zhì)BOD52.86g。因此，一般認為，當污水的BOD5/TKN值大于4-6時，可認為碳源充足，不需要另外投加碳源，否則，應(yīng)當投加甲醇或其他易降解有機物作為碳源。

  6）有毒物質(zhì)：鎳濃度大于0.5mg/L，亞硝酸鹽氮含量超過30mg/L或鹽度高于0.63％時都會抑制反硝化作用。硫酸鹽含量過高會導致反硫化的進行，進而影響反硝化的正常進行，鈣和氨的濃度過高也會抑制反硝化作用。

  引用資料來源：工業(yè)污水處理網(wǎng)。登載此文出于傳播更多信息之目的，并不意味證實其描述或贊同其觀點，文章內(nèi)容僅供參考。