6.1.1生物脱氮原理及影响因素

6.1.1.1传统生物脱氮原理及影响因素

传统生物脱氮一般由硝化和反硝化两个过程完成。硝化过程可以分为两个过程，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。这两种细菌统称为硝化细菌，属于化能自养型微生物，硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机化合物如CO₃^2-、HCO₃^-和CO₂作碳源，从NH₄⁺或NO₂^-的氧化反应中获得能量。

硝化反应式如下：

(1)氨化反应

RCHNH₂COOH+O₂→NH₃+CO₂↑+RCOOH

(2)硝化反应

NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+H₂O+2H⁺

NO₂-+0.5O₂→NO₃-

硝化过程总反应式为：NH₄⁺ +2O₂→NO₃^-+H₂O+2H⁺

硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件较为敏感，温度，溶解氧，污泥龄，pH值，有机负荷等都会对它产生影响。硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的溶解氧最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降，硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的pH值7～8，应该在废水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化。1g氨态氮(以氮计)完全硝化，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)，同时约需碱度(以CaCO₃计)7.14g以平衡硝化产生的酸度。

反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以氧气为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有硝酸盐氮或亚硝酸盐氮存在时，则以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为电子受体，以有机碳为电子供体进行反硝化反应。亚硝酸菌和硝酸菌的特性如表6-1所示。

表6-1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征

反硝化反应是指在无分子氧条件下，反硝化菌将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气的过程。

反硝化过程反应式如下：

NO₃^-+2H(电子供体-有机物)→NO₂^-+H₂O

NO₂^-+5H(电子供体-有机物)→0.5N₂↑+2H₂O+OH^-

在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。当污水中BOD。/TKN4～6时，可认为碳源充足。碳源按其来源可分为三类：第一类为外加碳源，多为投加甲醇，这是因为甲醇结构简单，被分解后的产物为二氧化碳和水，不产生难以降解的中间产物，缺点费用高；第二类为污水，因为原污水中含有有机碳；第三类为内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其储存的有机物。反硝化反应中每还原1gNO₃^-可提供2.6g的氧，同时产生3.47g的CaCO₃和0.45g反硝化菌，消耗2.47g甲醇(约为3.7gCOD)。硝化反硝化过程的影响因素见表6-2。

表6-2 硝化-反硝化过程的影响因素

6.1.1.2 新的硝化-反硝化脱氮原理

区别于传统的生物脱氮，目前形成了两个新的硝化-反硝化脱氮理论：同步硝化反硝化和短程硝化反硝化。

同步硝化反硝化是一个新的理论，该理论还有待进一步完善。研究发现，在供氧受限或缺少有机碳源的厌氧条件下发生同步硝化反硝化，这时氨和亚硝酸盐分别充当电子供体和电子受体，致使曝气能耗和有机碳源需求量大大减少。与其他活性污泥法工艺相比，同步硝化反硝化在氧化沟工艺中最为显著。究其原因是在氧化沟中独特的表面曝气，打散了活性污泥絮体，形成了新的活性污泥絮体，使活性污泥能够很好地进行新陈代谢。从而克服了微观好氧缺氧微环境理论传质障碍的问题。另外，氧化沟工艺较长的HRT缓解了同步硝化反硝化速率较低的问题。所以在表曝的运行方式和较长的HRT造就了氧化沟工艺高同步硝化反硝化效率。目前很多研究或工程实现同步硝化反硝化(SND)，有的是通过控制 SBR反应器的曝气时间，保证反应器内先后出现好氧和厌氧环境，有的是由于反应器内空间上的供氧不均形成好氧和厌氧区域，还有是利用生物膜厚度或生物絮体半径上产生的氧浓度梯度形成表面好氧、里层厌氧的微环境。这些研究都是基于传统的脱氮原理，分为好氧硝化和厌氧反硝化两段完成的。

与前者相比，短程硝化反硝化在理论成熟多了，国内在此方面展开研究较早和较成熟的为北京工业大学水污染控制实验室。短程硝化反硝化的理论核心为使硝化反应停留在亚硝化阶段。生物脱氮的硝化过程由两类微生物组成，AOB(氨氧化菌)和NOB(亚硝氮氧化菌)。实现短程硝化主要办法就是使AOB在活性污泥中成为硝化菌的优势菌，尽可能抑制NOB，防止硝化过程第二步的进行，避免全程硝化反应，然后将中间产物NO₂^-还原，这就是短程硝化反硝化的核心。目前短程硝化反硝化已经有工程应用。但是对于生活污水还有很多问题有待解决。短程硝化是一个很不稳定的过程，实践中难以实现，更难以稳定控制，所以该技术处理生活污水大多尚停留在研究阶段。

相关链接：MBR技术工程实例（二）

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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