生物脫氮全過程及影響因素
時(shí)間：2023.03.10 點(diǎn)擊次數(shù)：35
氨化反應(yīng)是指含氮有機(jī)物在氨化功能菌的代謝下，經(jīng)分解轉(zhuǎn)化為 NH4+的過程。含氮有機(jī)物在有分子氧和無氧的條件下都能被相應(yīng)的微生物所分解，釋放出氨。
硝化反應(yīng)由好氧自養(yǎng)型微生物完成，在有氧狀態(tài)下，利用無機(jī)氮為氮源將NH4+化成NO2-，然后再氧化成NO3-的過程。硝化過程可以分成兩個(gè)階段。第一階段是由亞硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽(NO2-)，第二階段由硝化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽(NO3-)。
反硝化反應(yīng)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)的過程。反硝化菌為異養(yǎng)型微生物，多屬于兼性細(xì)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(jī)物(污水中的BOD成分)作為電子供體，提供能量并被氧化穩(wěn)定。
生物硝化反應(yīng)的適宜溫度范圍為20~30℃，15℃以下硝化反應(yīng)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(yīng)速率下降。實(shí)際中觀察到，生物膜反硝化過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(zhuǎn)盤和懸浮污泥的小得多。
硝化反應(yīng)過程是以分子氧作為電子終受體的，因此，只有當(dāng)分子氧(溶解氧)存在時(shí)才能發(fā)生硝化反應(yīng)。為滿足正常的硝化效果，在活性污泥工藝運(yùn)行過程中，DO值至少要保持在2mg/L以上，一般為2~3mg/L。當(dāng)DO值較低時(shí)，硝化反應(yīng)過程將受到限制，甚至停止。
反硝化與硝化在溶解氧的需求方面是一個(gè)對(duì)立的過程。傳統(tǒng)的反硝化過程需要在嚴(yán)格意義上的缺氧環(huán)境下才能發(fā)生，這是因?yàn)镈O與NO3-都能作為電子受體，存在競(jìng)爭(zhēng)行為。當(dāng)有DO存在時(shí)，不僅會(huì)抑制微生物對(duì)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(jī)物。但是，在實(shí)際的工藝運(yùn)行過程中，由于氧傳遞的限制造成污泥絮體內(nèi)部存在部分缺氧環(huán)境，也就是說，曝氣池內(nèi)即使存在一定濃度的DO，反硝化反應(yīng)也有可能發(fā)生。研究表明，在實(shí)際活性污泥系統(tǒng)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(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)較好的反硝化效果。
pH值是影響廢水生物脫氮工藝運(yùn)行的重要參數(shù)之一。多數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，生物脫氮功能菌對(duì) pH值的變化非常敏感，硝化菌的最適pH為 8.0~8.4，當(dāng)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(yīng)將受到抑制而停止。
對(duì)于反硝化過程而言，反硝化反應(yīng)也需要維持一定的pH值，以使其達(dá)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(dāng)pH8.5時(shí)，反硝化效果受到影響，表現(xiàn)為反硝化速率的顯著下降。此外，反硝化反應(yīng)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(yīng)終產(chǎn)物為 N2，而pH<7.3 反應(yīng)終產(chǎn)物為N2O。
生物脫氮硝化與反硝化過程實(shí)際上是一個(gè)對(duì)立的統(tǒng)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(yǎng)微生物，代謝過程不需要有機(jī)物的參與，當(dāng)存在高濃度有機(jī)物時(shí)，其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)遠(yuǎn)弱于異養(yǎng)菌而產(chǎn)生抑制效果，硝化反應(yīng)會(huì)因硝化菌數(shù)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(duì)比例就越大，這樣就越有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生。反硝化菌是異養(yǎng)微生物，進(jìn)行反硝化反應(yīng)時(shí)需要有機(jī)碳源參與提供反應(yīng)電子，因此，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的生物脫氮，就必需有足夠的碳源有機(jī)物。有關(guān)研究表明，廢水進(jìn)水中 BOD5/TKN≥4~6 時(shí)，可以認(rèn)為反硝化碳源是充足的，不必外加碳源。
SRT是廢水生物脫氮系統(tǒng)的一個(gè)重要控制參數(shù)。一般來說，系統(tǒng)的SRT要大于硝化菌的最小比生長(zhǎng)速率，這是因?yàn)橄趸谋仍鲩L(zhǎng)速率要比活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌的比增長(zhǎng)速率小一個(gè)數(shù)量級(jí)。唯有這樣，硝化菌在連續(xù)流的系統(tǒng)中才能得以生存，以至硝化反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)氮素的轉(zhuǎn)化。
回流在生物脫氮工藝中起到至關(guān)重要的作用，它向反應(yīng)器提供氮源作為反硝化底物發(fā)生反硝化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(tǒng)中一個(gè)有著現(xiàn)實(shí)意義的參數(shù)。
傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)始于上世紀(jì)30年代，真正應(yīng)用于20世紀(jì)70年代。自Barth三段生物脫氮工藝的開創(chuàng)，A/O工藝、SBR工藝等脫氮工藝相繼被提出并應(yīng)用于工程實(shí)際。
三段生物脫氮工藝流程如圖所示，該工藝是將有機(jī)物降解、硝化作用以及反硝化作用三個(gè)階段獨(dú)立開來，每一階段后面都有各自獨(dú)立的沉淀池和污泥回流系統(tǒng)。第一段曝氣池的主要作用是代謝分解有機(jī)物，并使有機(jī)氮氨化。第二段硝化池主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，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(yīng)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足浮狀態(tài)，并外加反硝化反應(yīng)所需的碳源。
A/O 生物脫氮工藝如圖所示，該工藝將缺氧段置于系統(tǒng)前端，其發(fā)生反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度能夠少量補(bǔ)充硝化反應(yīng)之需。另外，缺氧池中反硝化反應(yīng)利用原廢水中的有機(jī)物為碳源可以減少補(bǔ)充碳源的投加甚至不加。通過內(nèi)循環(huán)將硝化反應(yīng)產(chǎn)生的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)移到缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，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(duì)系統(tǒng)的脫氮效果影響很大。若回流比控制過低，則無法提供充足的硝態(tài)氮進(jìn)行反應(yīng)，使硝化作用不完全，進(jìn)而影響脫氮效果;若控制過高，則導(dǎo)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(yùn)行過程中需要控制適當(dāng)?shù)南趸夯亓鞅?，使系統(tǒng)脫氮效果達(dá)到最佳水平。
SBR脫氮工藝與A/O工藝相比，其運(yùn)行方式有所不同，但在脫氮反應(yīng)機(jī)理上基本與A/O生物脫氮工藝一致。SBR工藝為間歇的運(yùn)行方式，采用一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)池替代了傳統(tǒng)的由多個(gè)具有不同功能的反應(yīng)區(qū)組合而成的A/O生物脫氮反應(yīng)器。SBR脫氮工藝以時(shí)間的交替方式實(shí)現(xiàn)了缺氧/好氧環(huán)境，取代了傳統(tǒng)空間上的缺氧/好氧，因其具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和靈活的操作方式而倍受研究者的關(guān)注和研究
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