生物脫氮原理及6大參數(shù)

　　高氨氮廢水是我們經(jīng)常會(huì)遇到的一種廢水，想要將污水中的氨氮去除，除了要了解各種脫氮原理，還要從經(jīng)濟(jì)有效的角度來(lái)考慮選用哪種工藝，而生物脫氮技術(shù)恰恰符合以上條件，成為污水脫氮中最常見的工藝之一。今天我們就來(lái)聊一聊生物脫氮原理和主要控制參數(shù)。

　　污水中的氮主要以氨氮和有機(jī)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(jí)處理中被去除。污水生物處理脫氮主要是靠一些專性細(xì)菌實(shí)現(xiàn)氨形式的轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)氨化、硝化、反硝化過(guò)程，含氮有機(jī)化合物最終轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)猓瑥奈鬯腥コ?，其過(guò)程如圖所示：

　　1、工藝原理及過(guò)程

　　硝化菌把氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過(guò)程稱為硝化過(guò)程，硝化是一個(gè)兩步過(guò)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(xì)菌統(tǒng)稱為硝化菌，這些細(xì)菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-和CO2等無(wú)機(jī)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(gè)反應(yīng)過(guò)程都釋放能量，硝化菌就是利用這些能量合成新細(xì)胞和維持正常的生命活動(dòng)，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(guò)程是反硝化菌異化硝酸鹽的過(guò)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?dú)夂髲乃幸绯龅倪^(guò)程。反硝化過(guò)程也分為兩步進(jìn)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?dú)?。同時(shí)，反硝化菌利用含碳有機(jī)物和部分分硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮用于細(xì)胞合成，該碳源既可以是污水中的有機(jī)碳或細(xì)胞體內(nèi)碳源，也可以外部投加。

　　2、生物脫氮的工藝控制

　　（1）消化過(guò)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(zhǎng)速率，而且影響硝化菌的活性。溫度低于5℃，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)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(dá)到30℃后，蛋白質(zhì)的變性會(huì)降低硝化菌的活性，硝化反應(yīng)增加的幅度變小。對(duì)于同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)，溫度低于15℃時(shí)硝化速率會(huì)迅速降低。低溫對(duì)硝酸菌的抑制作用更為強(qiáng)烈，因此在12——14℃的系統(tǒng)中會(huì)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(zhǎng)的污泥停留時(shí)間，因此一般應(yīng)維持混合掖的溶解氧濃度在2mg/L以上。對(duì)于同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)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(huì)提高溶解氧對(duì)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(jī)物氧化速率的增加使耗氧速率增加，減少了溶解氧對(duì)生物絮體的穿透力，進(jìn)而降低了硝化反應(yīng)速率。相反，在長(zhǎng)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(duì)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(dāng)泥齡降低時(shí)，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(duì)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(gè)范圍時(shí)，硝化反應(yīng)速率會(huì)明顯降低，低于6或高于9.6時(shí)，硝化反應(yīng)將停止進(jìn)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(jìn)行緩沖，硝化反應(yīng)將導(dǎo)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(jìn)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(guò)一段時(shí)間的馴化后，硝化反應(yīng)可以在較低的pH值條件下進(jìn)行，但pH值突然降低也會(huì)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(guò)高的氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及某些有機(jī)物對(duì)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(zhǎng)，個(gè)別物質(zhì)抑制硝酸菌的生長(zhǎng)。有機(jī)物濃度高時(shí)，異養(yǎng)菌的數(shù)量會(huì)大大超過(guò)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(jìn)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(shí)，一定要注意氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及有機(jī)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(shí)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(lái)越少。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)要求泥齡更長(zhǎng)，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(zhǎng)的泥齡可增強(qiáng)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?yàn)榕c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(jī)物濃度不是其生長(zhǎng)的限制因素，如果有機(jī)物濃度過(guò)高，會(huì)使生長(zhǎng)速率較快的異氧菌迅速繁殖，爭(zhēng)奪混合液中的溶解氧，從而使生長(zhǎng)緩慢且好氧的硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)，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(jìng)爭(zhēng)底物和溶解氧能力的指標(biāo)，C/N不同直接影響脫氮效果。一般認(rèn)為，處理系統(tǒng)的BOD5負(fù)荷低于0.15BOD5/（MLVSS˙d）時(shí)，硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。

　　（2）反硝化過(guò)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(duì)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(zhǎng)型與附著生長(zhǎng)型）及硝酸鹽負(fù)荷有關(guān)。當(dāng)溫度從20℃下降到達(dá)15℃時(shí)，為達(dá)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(shí)間則分別要提高到原來(lái)的4.6倍和2.3倍。

　　2.溶解氧：反硝化菌是兼性菌，既能進(jìn)行有氧呼吸，也能進(jìn)行無(wú)氧呼吸。當(dāng)水中同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸，這樣，反硝化菌會(huì)優(yōu)先降解含碳有機(jī)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(jìn)行，必須保持嚴(yán)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(wú)氧呼吸的關(guān)鍵是合成無(wú)氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會(huì)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(huì)影響反硝化菌的生長(zhǎng)速率和反硝化酶的活性。當(dāng)pH值低于6.0或高于8.5時(shí)，反硝化反應(yīng)將受到強(qiáng)烈抑制。反硝化反應(yīng)會(huì)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(bǔ)充硝化過(guò)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(shí)最終產(chǎn)物是氮?dú)猓琾H值<7.3時(shí)最終產(chǎn)物是N2O。

　　4.碳源有機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(rèn)為，當(dāng)污水的BOD5/TKN值大于4-6時(shí)，可認(rèn)為碳源充足，不需要另外投加碳源，否則，應(yīng)當(dāng)投加甲醇或其他易降解有機(jī)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(guò)30mg/L或鹽度高于0.63％時(shí)都會(huì)抑制反硝化作用。硫酸鹽含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致反硫化的進(jìn)行，進(jìn)而影響反硝化的正常進(jìn)行，鈣和氨的濃度過(guò)高也會(huì)抑制反硝化作用。