水處理中的汙水脫氮

1.工藝原理及過程

硝化菌把氨氮轉化爲硝酸鹽的過程稱爲硝化過程，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。這兩類細菌統稱爲硝化菌，這些細菌所利用的碳源是C0?'HC03-和co2等無機碳。第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉化爲亞硝酸鹽，第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉化爲硝酸鹽，這兩個反應過程都釋放能量，硝化菌就是利用這些能量合成新細胞體和維持正常的生命活動，氨氮轉化爲硝態氮並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，即由硝化菌產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原爲氮氣後從水中溢出的過程。反1硝化過程也分爲兩步進行，第一步由硝酸鹽轉化爲亞硝酸鹽，第*二步由亞硝酸鹽轉化爲一氧化氮、氧化二氮和氮氣。同時反硝化菌利用含碳有機物和部分硝酸鹽轉化爲氨氮用于細胞合成，該碳源既可以是汙水中的有機碳或細胞體內源碳, [#]66?

也可以外部投加。

2.生物脫氮的工藝控制

(1)硝化過程的影響因素即對硝化菌有影響的因素

①溫度：硝化反應的適宜溫度範圍是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 [#]1,硝化細菌的生命活動幾乎完全停止。在5~35T的範圍內，硝化反應速率隨溫度的升高而加快；但達到30T後，蛋白質的變性會降低硝化菌的活性，硝化反應增加的幅度變小。對于同時去除有機物和進行硝化反應的系統，溫度低于151時硝化速率會迅速降低。低溫對硝酸菌的抑制作用更爲強烈，因此在12~ [#]4T的系統中會出現亞硝酸鹽的積累。

②溶解氧：溶解氧濃度爲0.5~ [#].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，但需要較長的汙泥停留時間，因此一般應維持混合液的溶解氧濃度在2mg/L以上。對于同時去除有機物和進行硝化的工藝，硝化菌約占活性汙泥的5%左右，且大部分處于生物絮體的內部。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速率。因此當泥齡降低時，爲維持較高的硝化速率，應該相應提高溶解氧濃度。

③pH值和堿度：硝化菌對pH值十分敏感，硝化反應的佳pH值範圍是7.2~ [#].0，pH值超出這個範圍時，硝化反應速率會明顯降低，低于6或高于9.6時，硝化反應將停止進行。另外，每硝化lg氨氮大約要消耗7.14gCaC03堿度，因此，如果汙水沒有足夠的堿度進行緩沖，硝化反應將導致pH值下降、反應速率減緩。因此，保證硝化反應的正常進行，往往需要投加必要的堿量以維持適宜的pH值。硝化菌經過一段時間的驯化後，硝化反應可以在較低的PH值條件下進行，但PH值突然降低也會引起硝化反應速度的驟降。有研究表明，要使硝化反應的pH值由7.0降低到6.0，大約需要驯化10do

④有毒物質：過高的氨氮、重金屬、有毒物質及某些有機物對硝化反應都有抑制作用。一般情況下，重金屬和有毒物質主要抑制亞硝酸菌的生長，個別物質抑制硝酸菌的生長。有機物濃度高時，.異養菌的數量會大大超過硝化菌，從而阻礙氨向硝化菌的轉移，硝化菌能利用的溶解氧也因異養菌的利用而減少，硝化反應能順利進行所要求的B0D5值一般應低于20mg/L。因此，在培養和驯化硝化菌時，一定要注意氨氮、重金屬、有毒物質及有機物的濃度，不使其產生抑制作用。

⑤泥齡：爲保證反應器中的存活並維持一定數量和性能的硝化菌，活性汙泥在其中的停留時間SRT即泥齡必須大于硝化菌的小世代周期，否則硝化菌的流失率大于其繁殖率，終使其從系統中數量越來越少。一般來說，系統的泥齡應爲硝化菌世代周期的兩倍以上，一般不得小于3~5d，冬季水溫低時要求泥齡更長，爲保證一年四季都有充分的硝化反應，通常泥齡都大于 [#]0d。較長的泥齡可增強硝化反應的能力，並可減輕有毒物質刺激的抑制作用。

⑥碳氮比C/N:在活性汙泥系統中，硝化菌一般只占微生物總量的5%左右，這是因爲與異養菌相比，硝化菌的產率低。硝化菌是一類自養菌，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勢，降低硝化速率。因此8005與?的比值即碳氮比C/N，是反映活性汙泥系統中異養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。一般認爲，處理系統的B0D5負荷低于0.15BOD5/(MLVSS*d)時，硝化反應才能正常進行。

(2)反硝化過程的影響因素即對反硝化菌有影響的因素

①溫度：反硝化反應的適宜溫度範圍是35-々St。溫度對反硝化反應的影響與反硝化設備的類型（微生物懸浮生長型與附着生長型）及硝酸鹽負荷有關。當溫度從20T下降到達15T時，爲達到相同的反硝化效果，生物轉盤和活性汙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氧和硝酸鹽時，優先進行有氧呼吸，這樣，反硝化菌會優先降解含碳有機物，從而抑制硝酸鹽的還原。所以爲了保證反硝化反應的順利進行，必須保持嚴格的缺氧狀態，保持氧化還原電位爲-50~-llOmV。另外，反硝化菌從有氧呼吸轉爲無氧呼吸的關鍵是合成無氧呼吸的酶，而分子態氧的存在會抑制這類酶的合成及其活性。因此，爲使反硝化反應正常進行，懸浮型活性汙泥系統中的溶解氧應保持在

0.2mg/L以下，由于生物膜對氧傳遞的阻力較大，即使混合液中有一定量的D0，生物膜內層仍呈缺氧狀態而繼續進行反硝化，所以附着型生物處理系統可以容許較高的溶解氧濃度（一般低于lmg/L)。

③pH值：硝化反應的佳pH值範圍是6.5~ [#].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，反硝化反應將受到強烈抑制。反硝化反應會產生部分堿度，這有助于將pH值保持在所需要的範圍內，並補充硝化過程中所消耗的一部分堿度。此外，pH值還影響反硝化的終產物，pH值>7.3時終產物是氮氣，卩11值< 7.3時終產物是N20。

④碳源有機物質：反硝化反應需要提供足夠的碳源，碳源物質不同，反硝化速率也將有區別。揮發性有機酸、甲醇、乙醇等是理想的反硝化反應碳源物質，因此，啤酒汙水等含揮發性有機物質的汙水可作爲反硝化反應脫氮的碳源，而以城市汙水或內源代謝物質作爲反硝化反應碳源時的反硝化速率就要低得多。

⑤碳氮比C/N:理論上將lg硝酸鹽氮轉化爲N2需要碳源物

質BOD5 [#].86g。因此，一般認爲，當汙水的BOD5/TKN值大于 [#]~6時，可認爲碳源充足，不需要另外投加碳源，否則，應當投加甲醇或其他易降解有機物作爲碳源。

⑥有毒物質：镍濃度大于0.5mg/l、亞硝酸鹽氮含量超過 [#]0mg/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。

3.活姓汙泥法_脫氮

活性汙泥法脫氮的原理是通過創造好氧和缺氧條件，經過硝化和反硝化兩個步驟、利用硝化菌和反硝化菌等一些專性菌實現氮形式的轉化。基本方法有具有多級汙泥回流系統的傳統生物脫氮方法和只有一個汙泥回流系統單級生物脫氮方法。單級生物脫氮法可認爲是對傳統生物脫氮法的改進，有A/0法、Bardenpho工藝等多種形式，氧化溝、SBR法等具有脫氮功能的工藝也屬于單級生物脫氮系統。

(1)傳統生物脫氮工藝

傳統的生物脫氮流程是三級活性汙泥系統（見圖5-7)，在此流程中，含碳有機物的氧化和含氮有機物的氨化、氨氮的硝化及硝酸鹽的反硝化分別在三個構築物內進行，並維持各自獨立的汙泥回流系統。曝氣池和硝化池均要進行曝氣維持好氧狀態，反硝化池則要維持缺氧狀態，不進行曝氣，只采用緩速攪拌使汙泥

N2

剩余汙泥剩余汙泥剩余汙泥

圖5-7傳統生物脫氮工藝流程圖

處于懸浮狀態並與汙水保持良好的混合，反硝化所需碳源采用外加甲醇的方法。

這種流程的優點是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分別生長在不同的構築物內，並可維持各自適宜的生長環境，所以反應速度快，可以得到相當好的BOD5去除效果和脫氮效果。另外，不同性質的汙泥分別在不同的沉澱池中得到沉澱分離，而且擁有各自獨立的汙泥回流系統，所以運行的靈活性和適應性較好。其缺點是流程長、構築物多，外加甲醇爲碳源使運行費用較高，出水中往往會殘留一定量的甲醇。

(2)Bardenpho工藝

Bardenpho工藝由兩個缺氧/好氧（A/0)工藝串聯而成，共有四個反應池，因此有時也稱爲四段Baidenpho工藝，其工藝流程見圖5-8。

混合液回流

缺氧好氧缺氧好氧

汙泥回流剩余汙_泥

圖5- [#]Bardenpho工藝流程圖

在第一級A/0工藝中，回流混合液中的硝酸鹽氮在反硝化菌的作用下利用原汙水中的含碳有機物作爲碳源在第一缺氧池中進行反硝化反應，反硝化後的出水進人第一好氧池後，含碳有機物被氧化，含氮有機物實現氨化和氨氮的硝化作用，同時在第一缺氧池反硝化產生的N2在第一好氧池經曝氣吹脫釋放出去。

在第二級A/0工藝中，由第一好氧池而來的混合液進人第二缺氧池後，反硝化菌利用混合液中的內源代謝物質進一步進行反硝化，反硝化產生的N2在第二好氧池經曝氣吹脫釋放出去，改善汙泥的沉澱性能，同時內源代謝產生的氨氮也可以在第二好氧池得到硝化。

Baidenpho具有兩次反硝化過程，脫氮效率可以高達90%- [#]5%