生物脫氮全過(guò)程及相關(guān)因素

分類(lèi)

氨化反應

氨化反應是指含氮有機物在氨化功能菌的代謝下，經(jīng)分解轉化為 NH4+的過(guò)程。含氮有機物在有分子氧和無(wú)氧的條件下都能被相應的微生物所分解，釋放出氨。

硝化反應

硝化反應由好氧自養型微生物完成，在有氧狀態(tài)下，利用無(wú)機氮為氮源將NH4+化成NO2-，然后再氧化成NO3-的過(guò)程。硝化過(guò)程可以分成兩個(gè)階段。第一階段是由亞硝化菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽(NO2-)，第二階段由硝化菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽(NO3-)。

反硝化反應

反硝化反應是在缺氧狀態(tài)下，反硝化菌將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮(N2)的過(guò)程。反硝化菌為異養型微生物，多屬于兼性細菌，在缺氧狀態(tài)時(shí)，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，以有機物(污水中的BOD成分)作為電子供體，提供能量并被氧化穩定。

主要影響因素

（1）溫度

生物硝化反應的適宜溫度范圍為20~30℃，15℃以下硝化反應速率下降，5℃時(shí)基本停止。反硝化適宜的溫度范圍為20~40℃，15℃以下反硝化反應速率下降。實(shí)際中觀(guān)察到，生物膜反硝化過(guò)程受溫度的影響比懸浮污泥法小，此外，流化床反硝化溫度的敏感性比生物轉盤(pán)和懸浮污泥的小得多。

（2）溶解氧

硝化反應過(guò)程是以分子氧作為電子終受體的，因此，只有當分子氧(溶解氧)存在時(shí)才能發(fā)生硝化反應。為滿(mǎn)足正常的硝化效果，在活性污泥工藝運行過(guò)程中，DO值至少要保持在2mg/L以上，一般為2~3mg/L。當DO值較低時(shí)，硝化反應過(guò)程將受到限制，甚至停止。
  反硝化與硝化在溶解氧的需求方面是一個(gè)對立的過(guò)程。傳統的反硝化過(guò)程需要在嚴格意義上的缺氧環(huán)境下才能發(fā)生，這是因為DO與NO3-都能作為電子受體，存在競爭行為。當有DO存在時(shí)，不僅會(huì )抑制微生物對硝酸鹽還原酶的合成及其活性，而且會(huì )使反硝化菌優(yōu)先利用 DO作為電子終受體降解有機物。但是，在實(shí)際的工藝運行過(guò)程中，由于氧傳遞的限制造成污泥絮體內部存在部分缺氧環(huán)境，也就是說(shuō)，曝氣池內即使存在一定濃度的DO，反硝化反應也有可能發(fā)生。研究表明，在實(shí)際活性污泥系統中只需將缺氧池DO控制在0.5mg/L 以下就能夠促使反硝化反應的發(fā)生，實(shí)現較好的反硝化效果。

(3)pH

pH值是影響廢水生物脫氮工藝運行的重要參數之一。多數實(shí)驗表明，生物脫氮功能菌對 pH值的變化非常敏感，硝化菌的最適pH為 8.0~8.4，當pH值不在6.0~9.6范圍，即高于9.6或低于6.0時(shí)硝化反應將受到抑制而停止。
對于反硝化過(guò)程而言，反硝化反應也需要維持一定的pH值，以使其達到最佳狀態(tài)，其最適 pH為7.0~8.5。發(fā)生有效反硝化作用的pH范圍為6.0~8.5，當pH8.5時(shí)，反硝化效果受到影響，表現為反硝化速率的顯著(zhù)下降。此外，反硝化反應的終產(chǎn)物還受pH值的影響，不同的pH值將有不同的終產(chǎn)物，如pH>7.3 反應終產(chǎn)物為 N2，而pH<7.3 反應終產(chǎn)物為N2O。

(4)碳氮比

生物脫氮硝化與反硝化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)對立的統一體，這是由硝化菌和反硝化菌的自身屬性決定的。硝化菌為自養微生物，代謝過(guò)程不需要有機物的參與，當存在高濃度有機物時(shí)，其對營(yíng)養物質(zhì)的競爭遠弱于異養菌而產(chǎn)生抑制效果，硝化反應會(huì )因硝化菌數量的減少而受到限制。所以，污水進(jìn)水BOD5/TKN越小，硝化菌所占的相對比例就越大，這樣就越有利于硝化反應的發(fā)生。反硝化菌是異養微生物，進(jìn)行反硝化反應時(shí)需要有機碳源參與提供反應電子，因此，為實(shí)現真正意義上的生物脫氮，就必需有足夠的碳源有機物。有關(guān)研究表明，廢水進(jìn)水中 BOD5/TKN≥4~6 時(shí)，可以認為反硝化碳源是充足的，不必外加碳源。

(5)污泥齡(SRT)

SRT是廢水生物脫氮系統的一個(gè)重要控制參數。一般來(lái)說(shuō)，系統的SRT要大于硝化菌的最小比生長(cháng)速率，這是因為硝化菌的比增長(cháng)速率要比活性污泥系統中異養菌的比增長(cháng)速率小一個(gè)數量級。唯有這樣，硝化菌在連續流的系統中才能得以生存，以至硝化反應的發(fā)生，實(shí)現氮素的轉化。

(6)硝化液回流比(IR)

回流在生物脫氮工藝中起到至關(guān)重要的作用，它向反應器提供氮源作為反硝化底物發(fā)生反硝化反應，從而實(shí)現轉化還原為N2。IR在影響反硝化效果的同時(shí)也會(huì )波及到回流動(dòng)力消耗，是生物脫氮系統中一個(gè)有著(zhù)現實(shí)意義的參數。

應用工藝

傳統的生物脫氮技術(shù)始于上世紀30年代，真正應用于20世紀70年代。自Barth三段生物脫氮工藝的開(kāi)創(chuàng )，A/O工藝、SBR工藝等脫氮工藝相繼被提出并應用于工程實(shí)際。

三段生物脫氮工藝

三段生物脫氮工藝流程如圖所示，該工藝是將有機物降解、硝化作用以及反硝化作用三個(gè)階段獨立開(kāi)來(lái)，每一階段后面都有各自獨立的沉淀池和污泥回流系統。第一段曝氣池的主要作用是代謝分解有機物，并使有機氮氨化。第二段硝化池主要進(jìn)行硝化反應，將氨氮氧化，同時(shí)需投加堿度以維持一定的pH值。第三段是反硝化反應器，硝態(tài)氮在缺氧條件下被還原為N2，安裝攪拌裝置使污泥混合液呈懸碳源以滿(mǎn)足浮狀態(tài)，并外加反硝化反應所需的碳源。

A/O生物脫氮工藝

A/O 生物脫氮工藝如圖所示，該工藝將缺氧段置于系統前端，其發(fā)生反硝化反應產(chǎn)生的堿度能夠少量補充硝化反應之需。另外，缺氧池中反硝化反應利用原廢水中的有機物為碳源可以減少補充碳源的投加甚至不加。通過(guò)內循環(huán)將硝化反應產(chǎn)生的硝態(tài)氮轉移到缺氧池進(jìn)行反硝化反應，硝態(tài)氮中氧作為電子受體，供給反硝化菌的呼吸作用和生命活動(dòng)，并完成脫氮工序。在 A/O 生物脫氮工藝中，硝化液回流比對系統的脫氮效果影響很大。若回流比控制過(guò)低，則無(wú)法提供充足的硝態(tài)氮進(jìn)行反應，使硝化作用不完全，進(jìn)而影響脫氮效果;若控制過(guò)高，則導致硝化液與反硝化菌接觸時(shí)間減短，從而降低脫氮效率。因此，在實(shí)際的運行過(guò)程中需要控制適當的硝化液回流比，使系統脫氮效果達到最佳水平。

SBR脫氮工藝

SBR脫氮工藝與A/O工藝相比，其運行方式有所不同，但在脫氮反應機理上基本與A/O生物脫氮工藝一致。SBR工藝為間歇的運行方式，采用一個(gè)獨立的反應池替代了傳統的由多個(gè)具有不同功能的反應區組合而成的A/O生物脫氮反應器。SBR脫氮工藝以時(shí)間的交替方式實(shí)現了缺氧/好氧環(huán)境，取代了傳統空間上的缺氧/好氧，因其具有簡(jiǎn)單的結構和靈活的操作方式而倍受研究者的關(guān)注和研究。