生物脱氮处理系统

一、生物脱氮处理系统

1.生物脱氮的原理

污水经二级生化处理后，碳的去除率可达到95%以上，而氮的去除率仅有20%左右，磷的去除率则更低，因此二级出水中的氮含量仍然很高，主要以有机氮、氨氮(NH₃-N)、硝酸盐氮NO₃^－-N、亚硝酸盐氮NO₂^－-N形式存在。

生物脱氮是在传统二级处理已经将有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化和反硝化细菌的作用将氨氮转化为氮气而从废水中脱除的过程，这是自然界中氮循环原理在废水生物处理实践中的具体应用，是氨化、硝化和反硝化微生物协同作用的结果。有机氮化合物首先在氨化菌的作用下转化为氨态氮(NH₃-N)，再在好氧条件下通过亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，最后通过缺氧段(无溶解氧或浓度很低)反硝化细菌的反硝化作用将硝酸盐氮还原为氮气，氮气逸出水面参与自然界的氮循环。

2.生物脱氮中的微生物组成及其特点

参与生物脱氮过程的细菌主要有三类:氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌。

(1)氨化作用段的微生物

氨化作用是含氨有机物经微生物降解释放出氨的过程。环境中绝大多数异养微生物都具有分解蛋白质、释放出氨的能力。其中好氧或兼性厌氧的细菌以芽孢杆菌、假单胞菌为主，梭状芽孢杆菌属的细菌和芽孢杆菌属中的厌氧菌具有较强的氨化能力。

(2)硝化作用段的微生物

硝化作用是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程，反应是需氧过程，主要由一群化能自养型好氧微生物完成的，分为两个阶段。第一个阶段是亚硝酸盐氧化菌将氨氮转化为亚硝酸盐的亚硝化反应，第二个阶段由硝酸盐氧化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。亚硝化菌有亚硝化单胞菌、亚硝化螺杆菌、亚硝化螺菌、亚硝化叶菌、亚硝化弧菌等;硝化菌有硝化杆菌、硝化螺菌、硝化球菌、硝化刺菌等。硝化细菌和亚硝化细菌均是化能自养菌，利用无机碳化物如CO₂、CO₃^2－、HCO₃^－等作碳源，通过对NH₃、NH4⁺、NO₂的氧化反应来获得能量;这两类细菌通常共存于环境中，因而亚硝酸盐一般不会在环境中积累。

亚硝化反应:NH₄+O₂+2H⁺→NH₂OH+H₂O→NO₂^－+5H⁺，ΔG=－66kcal

硝化反应:NO₂^－+0.5 O₂→NO^－₃，ΔG=－18kcal

(3)反硝化作用段微生物

反硝化作用是在反硝化菌的作用下，将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原为N₂过程，一般是在外加有机物以提供氢的缺氧环境下进行的。

反硝化反应:NO^－3+5 H₂+2H⁺→N₂+6H₂O，ΔG=－212kcal

大多数反硝化菌是异养的兼性厌氧细菌，它们利用各种各样的有机物作为反硝化过程中的电子供体，包括碳水化合物、有机酸、醇、烷烃、苯酸盐和其他的苯衍生物等，以NO₃^－为最终电子受体，将HNO₃还原为N₂。在污水和活性污泥中，有很多细菌都能进行反硝化作用，如无色杆菌(Achromobacter)、气杆菌(Aerobacter)、产碱杆菌(Alcaligenes)、黄杆菌(Flavbacterium)、变形杆菌(Proteus)、假单胞菌(Pseudomonas)等。

3.影响生物脱氮的因素

由于生物脱氮是通过微生物的生命活动实现的，所以影响微生物生命活动的因子，如温度、pH值、溶解氧、底物浓度、重金属等环境因素均会影响硝化菌和反硝化菌的活性，进而对脱氮效率产生影响。

(1)影响硝化作用的因素

①污泥龄。在脱氮处理的两大类细菌中，异养型反硝化菌是自然界广泛存在的微生物，种类多、繁殖快、数量大，而硝化菌在各种污水处理系统中虽有存在，但数量不多;加上自养型硝化菌世代时间长，生长速度慢，因此硝化菌数量及硝化速率是生物脱氮处理的关键制约因素。

除给予适宜的环境条件外，还应注意增加污泥龄，即污泥停留时间。为保证反应器中足够数量的硝化菌和反硝化菌，微生物在反应器的停留时间，即污泥龄需大于硝化细菌最小世代时间。实际运行中的污泥龄为硝化和反硝化菌世代时间的两倍以上。理论上污泥龄大于三天即可，但实际脱氮系统的污泥龄有10～25天。

②营养物质浓度。在污水处理中常存在大量的兼性有机营养型细菌，当水中存在有机碳化合物时，主要进行有机物的氧化分解，以获得更多的能量来源，而亚硝化菌和硝化菌大多为专性无机营养型，且硝化作用较缓慢，只有在有机碳化合物浓度低时，才能完全进行硝化作用。

氨氮是硝化作用的主要基质，应保持一定浓度。但氨氮浓度大于100～200mg/L时，对硝化反应呈抑制作用，氨氮浓度越高，抑制程度越大。

③溶解氧。硝化菌的生长和活性对溶解氧的要求很高。溶解氧低于0.5mg/L时，硝化菌的活性受到抑制，而亚硝化菌对溶解氧耐受程度比硝化菌高，在溶解氧低于0.5mg/L时仍能进行正常的代谢活动。要维持正常的硝化作用，在活性污泥中，混合液溶解氧一般应大于2mg/L，而在生物膜系统中需大于3mg/L。

④温度。温度对硝化作用有重要影响。硝化菌属于中温性自养型细菌，硝化反应最适合的温度为30～35℃。当温度为5～35℃时，硝化速率将随着温度的升高而加快，温度低于12℃，硝化作用明显降低，当温度低于5℃时，硝化反应几乎停止。而当温度超过35℃时，由于酶的变性，活性反而降低。

⑤pH值。硝化作用的最适pH值范围为6.6～8.0，pH值小于6.0时，硝化作用速率下降，小于4.5，则硝化作用完全停止。硝化过程中大量产酸，使pH值降低，因此在运行中应注意调节pH值。

⑥重金属及有害物质。硝化菌对毒物的敏感性大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌都能起抑制作用，除重金属如汞、镉、铬、铜等外，还有高浓度的NH₄⁺-N和氮氧化物(NO_x-N)、有机底物以及络合阳离子等。亚硝化菌一般比硝化菌对毒物更为敏感。有机物浓度比较高时，将使得异养微生物的浓度大大高于硝化菌的浓度，异养微生物会和硝化菌竞争氧的供给，从而影响硝化速率。某些有机物还会对硝化细菌产生直接的毒害作用。

(2)影响反硝化作用的因素

①溶解氧。反硝化菌一般为兼性厌氧菌，只有在无分子氧且同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，它们才能利用离子中的化学结合氧进行呼吸，使硝酸盐还原。如果反应器内溶解氧含量较高，将使反硝化菌利用分子氧进行呼吸，反硝化菌体内的硝酸盐还原酶的形成，或者充当电子受体，从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原。另外，在反硝化菌体内的某些酶系统只有在有氧的条件下才能合成，因此，反硝化菌在缺氧、好氧交替的环境中生活为宜。要获得较好的反硝化效果，对于活性污泥系统，溶解氧需保持在0.5mg/L以下，对于生物膜系统，溶解氧保持在1.5mg/L以下。

②温度。反硝化一般在15～35℃进行。温度低于15℃，反硝化菌的增殖速率降低，代谢速率也有所降低，从而降低反硝化速率，当温度低于10℃时，反硝化速率明显下降，低于3℃时，反硝化将停止。温度超过30℃时，反硝化速率也会下降，温度超过50℃时，由于酶的变性，反硝化活性急剧降低。

③pH值。反硝化作用的最适宜pH值范围为7.0～7.5，pH值高于8或低于6都会明显降低反硝化活性。pH值还能影响反硝化的最终产物，pH值小于6.0～6.5时，NO和N₂O是主要产物，而pH值大于8时，将会出现NO₂^－的积累。pH值在中性范围内有利于N₂的产生。

④营养物浓度。反硝化过程中，需要足够量的有机碳源保证反硝化反应的顺利进行。反硝化需要的碳源可以是外加碳源(传统的脱氮工艺)或利用废水中的有机物(前置反硝化工艺)。BOD₅与TKN的比值一般为5～8。一般认为污水中的BOD₅与总氮之比大于3时，无需外加碳源，即可达到脱氮的效果。如果低于此值，就需外加碳源，现多投加甲醇，因甲醇廉价且氧化后可分解出CO₂和H₂O，不残留任何难以分解的中间产物，而且反硝化菌利用甲醇的速度较快，可加快反硝化作用的进行。但在欧美，饮用水的脱氮采用乙醇，以避免甲醇对人体的危害。另外，活性污泥微生物死亡、自溶后释放出的有机物也可作为反硝化的碳源。在一般情况下，硝酸盐本身对反硝化没有抑制作用。

⑤混合液的回流比。对各种前置反硝化工艺来说，回流比越大，氮的去除率越高。但是过高的回流比会使反硝化池中的溶解氧过高，影响反硝化作用，而且也会增加运行费用。一般控制在2～3。

4.生物脱氮工艺及其新进展

生物脱氮的工艺有很多种，从碳源的来源看，可以分为外碳源和内碳源工艺;从硝化和反硝化在流程中的位置可以分为传统工艺和前置反硝化工艺;依据微生物的生长状态，又可分为悬浮型(活性污泥)和附着生长型(生物膜)工艺。

(1)传统工艺

传统的生物脱氮工艺为三级活性污泥法。该工艺把有机物的去除和氨化、硝化及反硝化反应分别在3个反应器内进行，第一级为一般曝气池，其作用是去除BOD，并使有机物转化为NH₃;第二级为硝化池，在好氧条件下将NH₃转化为硝酸根;第三级为反硝化池，在缺氧的条件下将硝酸根还原为氮气。在第三级反应器中，一般需投加碳源，因为好氧池中达到硝化阶段时，水中有机物的含量很低，难以作内碳源;活性污泥中的微生物达到内源呼吸，其自溶后释放出有机碳所需时间较长，且碳源不足，致使反硝化速率低，所以需外加碳源。常用的碳源是甲醇。由于反硝化外加碳源后出水有机物的浓度仍较高，所以常需设后曝气池，以达到排放标准。

在实践中，有时把第一级和第二级反应器合并，即使BOD去除、氨化和硝化在同一反应器内进行，成为联合氧化-硝化工艺。

(2)前置反硝化工艺

其特点是将反硝化池置于工艺的第一级反应器之前，包括A/O工艺，A/A/O工艺，同步硝化反硝化工艺，Bardenpho工艺等。

缺氧-好氧脱氮工艺(anoxic/oxic denitrification process)，简称A/O系统，是在二级生化处理的基础上又引进的缺氧段工艺，A/O系统采用内部污水和污泥循环，同时具有脱氮除磷和去除BOD的作用。其流程是污水首先经过缺氧池，并与硝化池的回流液和回流污泥完全混合。经过一段时间的厌氧分解，去除一部分BOD，并将回流的消化液中的NO₃-N转化为N₂。缺氧池处理的水进入好氧池进行有机物的彻底氧化，同时进行硝化反应。这样，反硝化的碳源直接来源于原污水中的有机化合物，而NO₃-N是通过硝化池中消化液回流来提供的。这种方法具有流程简单，不用外加碳源和后曝气池等特点，基建费和运行费均较低。

图9-1　　A/O工艺流程

(3)生物脱氮的新工艺

①SHARON工艺。根据短程硝化-反硝化的原理，荷兰戴尔夫特理工大学Helling等人开发了一种新工艺——SHARON(single reactor high activity ammonia removal over nitrite)工艺。该工艺的特点是，控制硝化过程停止在亚硝酸盐上，以便节省电能和电子供体。在通常情况下，硝化菌能很快将亚硝酸盐转化为硝酸盐，但在SHARON工艺中，较高温度下，硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌，因此可以通过控制温度和停留时间使亚硝化菌在反应器中占优势，从而把将氨氮氧化控制在亚硝化阶段。此外，温度高也有利于提高细菌的比增殖速率，便于在反应器中保持足够的亚硝化菌浓度，而无需污泥停留，这意味着污泥龄完全等于水停留时间，反应器的污泥排出率能被设定在某一数值，使亚硝化菌快速增长，而让增殖慢的硝化菌排出系统。

②厌氧氨氧化工艺。荷兰的研究者发现，在特定的条件下，厌氧反应器中的NH₄⁺的浓度降低与NO^－₃浓度的降低存在着一定的比例关系，因为在厌氧反应器内存在一类微生物，它可以利用氨作为电子供体来还原硝酸根，也就是说它可利用硝酸根氧化氨。

5NH4₄⁺+3NO^－₃→4N₂+9H₂O+2H⁺

利用上述现象进行生物脱氮的工艺简称为厌氧氨氧化工艺，该工艺的特点是在厌氧条件下，以硝酸根为电子受体，将氨转化为氮气，无需添加任何有机物。

其他还有生物膜法脱氮工艺和SBR工艺等，前者研究较多的是填充床(不需要回流废水，需要反冲洗)和流化床(需要回流废水，需要反冲洗)。