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環保工程師專業知識：生物脫氮
生物脫氮是在氨化菌作用下，有機氮被分解轉化為氨態氮，這一過程稱為氨化過程，氨化過程很容易進行。下面小編為大家整理了關于生物脫氮的文章，一起來看看吧：
1.生物脫氮的基本原理
廢水生物脫氮利用自然界氮素循環的原理，在水處理構筑物中營造出適宜于不同微生物種群生長的環境，通過人工措施，提高生物硝化反硝化速率，達到廢水中氮素去除的目的，一般由三種作用組成：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。
⑴氨化作用
未經處理的城市污水中的有機氮主要有蛋白質、氨基酸、尿素、胺類、氰化物和硝基化合物等。有機氮化合物在好氧菌和氨化菌的作用下被分解轉化為氨態氮。
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生物硝化反應是亞硝化菌、硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，是由一群自養型好氧微生物通過兩個過程完成的：第一步先由亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽，稱為亞硝化反應，第二步由硝酸菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。
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生物反硝化反應是在缺氧狀態下，將硝化過程中產生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態氮或氮氧化物的過程，它是一群異氧型微生物通過同化作用和異化作用來完成的。異化作用就是將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氮氣和氮的氧化物等氣體物質，主要是氮氣。而同化作用是反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氨氮供新細胞合成之用。
2.生物硝化過程的主要影響因素
影響生物硝化過程的環境因素主要有基質濃度、溫度、溶解氧濃度、pH值、以及抑制物質的含量等。
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對于硝化過程，碳氮比影響活性污泥中硝化細菌所占的比例，過高的碳氮比將降低污泥中硝化細菌的比例。
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溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性，亞硝化菌最佳的生長溫度為35℃，硝化菌的最佳生長溫度為 35～42℃。生物硝化反應的最佳溫度范圍為20～30℃，15℃以下硝化反應速率下降，5℃時反應基本停止。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。
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硝化反應必須在好氧條件下進行，所以溶解氧的濃度也會影響硝化反應速率，一般建議硝化反應中溶解氧的質量濃度大于 2mg/L。
⑷pH值
在硝化反應中，每氧化1g氨氮需要7.14g堿度(以碳酸鈣計)，如果不補充堿度，就會使pH值下降。硝化菌對pH值的變化十分明顯，硝化反應的最佳pH值范圍為7.5～8.5，當pH值低于7時，硝化速率明顯降低，低于6和高于10.6時，硝化反應將停止進行。
⑸抑制物質
許多物質會抑制活性污泥過程中的硝化作用，例如：過高濃度的氨氮、重金屬、有毒物質以及有機物。對硝化反應的抑制作用主要有兩個方面：一是干擾細胞的新陳代謝，二是破壞細菌最初的氧化能力。
⑹泥齡
硝化過程的泥齡一般為硝化菌最小世代時間的2倍以上，生物脫氮過程泥齡宜為12～25d。
3.生物脫氮的典型工藝
生物脫氮的典型工藝主要有Sp工藝、氧化溝工藝和厭氧/好氧工藝(即A/O工藝)等，下面介紹一下A/O工藝。
⑴工藝流程
污水先進入缺氧池，再進入好氧池，同時將好氧池的混合液與部分二沉池的沉泥一起回流到缺氧池，確保缺氧池和好氧池中有足夠數量的微生物，同時由于進水中存在大量的含碳有機物，而回流的好氧池混合液中含有硝酸鹽氮，這樣就保證了缺氧池中反硝化過程的順利進行，提高了氮的去除效果。
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�、倭鞒毯唵�、構筑物少，基建費用低;②反硝化池不需外加碳源，降低了運行費用;③好氧池在缺氧池之后，可以使反硝化殘留的有機污染物得到進一步的去除，提高出水的水質，而缺氧池在前，污水中的有機碳被反硝化菌所利用，可減輕其后好氧池的有機負荷。
⑶影響因素
主要有水力停留時間、BOD5濃度、溫度、pH值、溶解氧、有機碳源及混合液回流比等。
4 試驗材料與方法
1. 1 試驗裝置
試驗裝置。采用序批式反應器（ 有效容積為15 L） ，考察硝酸鹽為電子受體的反硝化脫氮運行效果。瞬時進水，通過攪拌器使泥水混合均勻，在運行期間保持反應器較好的厭氧/缺氧狀態。試驗用活性污泥取自某污水處理廠的沉淀池，該污泥具有初步的脫氮能力，活性污泥不進行培養馴化直接投入反應器，以厭氧/缺氧方式啟動運行，反應器每天運行3 個周期，每個周期運行8 h，其中厭氧180 min、缺氧260 min、排泥排水40 min。r每周期開始瞬時加入含碳有機合成物5 L，缺氧期開始用恒流泵加入硝酸鈉溶液5 L，硝態氮濃度從啟動時的40 mg /L 逐漸增大直到穩定運行。系統MLSS 約為3 000 mg /L，HRT 為16 h，SRT 為30 d，pH 值控制在7. 0 ～ 8. 0。原則上當NO —3 — N 去除率> 90% 時，進水NO —3 — N 負荷正常以20 mg /L 遞增，同時兼顧出水水質的穩定性。反應器運行過程中，分析檢測運行參數，以便判斷反應器運行狀況并對其參數作相應調整。試驗對比普通生物脫氮工藝和生物強化脫氮工藝的運行狀況，每周期監測進出水NO —3 — N、NO —2 — N 濃度，每天從3 組數據中選擇效果最好的一組作為當日的代表數據。
1。 2 試驗水質
進水采用人工合成污水，水質成分如下： 葡萄糖（ COD） ，NaNO3（ NO —3 — N） ，KH2PO4為6 mg /L，CaCl2為10 mg /L，MgSO4·7H2O 為90 mg /L，NH4Cl（ NH +4 — N） 為20 mg /L，微量元素溶液為2 mL /L。微量元素成分如下： CuSO4·5H2O 為30 mg /L，KI為180 mg /L，MnCl2·4H2O 為60 mg /L，NaMoO4·2H2O 為60 mg /L，ZnSO4·7H2O 為120 mg /L，CoCl2·6H2O 為150 mg /L，EDTA 為10 g /L。其中COD、NO —3 — N 濃度隨工藝運行逐步遞增，基本原則為COD ∶ NO —3 — N = 4 ∶ 1，NaNO3（ NO —3 — N） 在缺氧期加入。厭氧期進水pH 值為7。 8 ± 0。 2，缺氧期進水pH 值為7。 2 ± 0。 2，以NaHCO3或HCl 調節pH 值。普通裝置和生物強化裝置，除進水NO —3 — N、COD 濃度不同外，其余運行條件全部相同。
1. 3 分析項目與方法
COD： COD 快速測定儀； 硝酸鹽： 紫外分光光度法； 亞硝酸鹽： N — （ 1 — 萘基） — 乙二胺分光光度法；pH 值： 玻璃電極法。
1.4 生物強化菌種來源
生物強化反硝化試驗菌種分離自前期穩定運行的反硝化脫氮污泥。優選得到的高效功能菌斜面保存備用。
1. 4. 1 菌種分離培養基
2. 0 g 的KNO3，5。 0 g 的葡萄糖，1 g 的K2HPO4，1g 的KH2PO4，0。 2 g 的MgSO4·7H2O，15～ 20 g 的瓊脂，1000 mL 的蒸餾水，pH 值為7。 2 ～7。 5， 121 ℃條件下滅菌20 min。
1. 4. 2 菌種優選
將初選出的菌株擴大培養后，無菌高速冷凍離心分離，等量接種到裝有200 mL 試驗用水的靜態試驗裝置進行搖床培養，定時取樣，測定NO —3 — N、NO —2 — N 濃度變化，比較其反硝化能力。由于所篩菌株為后續生物強化輔助技術提供菌源，所以靜態試驗水質結合反應器實際運行情況，進一步提高硝酸鹽濃度，以篩選出脫氮能力強的功能菌。水質如下： 葡萄糖（ COD） 為1 000 mg /L，NaNO3（ NO —3 — N） 為400 mg /L，其余成分同1. 2 節。
1. 4. 3 菌株鑒定
對優選出的代表菌株進行其單一菌種的相關特性研究[5]，在進行形態觀察及生理生化試驗的基礎上，進行16S rDNA 的序列測定，從分子生物學的角度進一步鑒定其屬種。
1. 5 生物強化研究
本試驗為生物強化技術進行反硝化脫氮是否可行的初步探討，所以采用操作較為簡單的活化菌液直接投加。每次提高進水NO —3 — N 負荷時投加生物強化優勢菌，投加時先將斜面保存的純種優選菌株活化后進行擴大培養，再將獲得的擴大培養菌液無菌高速冷凍離心分離，最后用無菌水將離心物洗出變成純菌液。菌的含量為108 ～ 109 CFU/mL，每次按處理水量體積的2%投加。
5.分段進水生物脫氮工藝的特點
�。�1）脫氮效率高
分段進水A/O工藝對氮的總去除率包括兩部分，一是剩余污泥排放去除的氮量，二是硝化、反硝化去除的氮量[4]。即
(1)
(2)
式中：—進水總氮的質量濃度，g/m3；
A —剩余污泥中的氮含量，g[N」/g[SS]；
XE —剩余污泥的質量濃度，g/m3；
QE —剩余污泥的排放量，m3/d；
Q —流入反應器的水量，m3/d。
以圖3—3為例，分段進水A/O工藝在碳源、溶解氧等反硝化、硝化條件良好的情況下，反硝化脫氮部分的去除率為:
(3)
式中: r —回流污泥比，%；
n —反應器段數。
反應器級數越多，脫氮效率越高�？梢姺侄芜M水A/O工藝可以在常規活性污泥回流比下，不需硝化液回流，就可獲得較高的脫氮效率。實驗表明，NH3-N的平均去除率為82.5-96%。
（2）節省基建投資
對分段進水A/O工藝反應器進行M LSS質量平衡計算，對于最后一段可以得到以下表達式:
(4)
式中: Xn —最后一段好氧池的M LSS的質量濃度，即進入終沉池的M LSS的質量濃度，mg/L；
Xr —回流污泥M LSS的質量濃度，mg/L。
同理，對反應器其余段可得出各段混合液濃度表達式:
(5)
式中: —第i段好氧池的M LSS的質量濃度，mg/L；
—流入第m段反應器的水量，m3/d。
由式(4)、式(5}可知，在反應器出水M LSS不變的情況下，分段進水A/O工藝比一般前置反硝化工藝的污泥平均濃度要高，在其它條件不變時，反應器容積可減小，因而節省基建投資。
�。�3）降低運行費用
由于好氧區硝化液直接進入下一級缺氧區，不需要設置硝化液回流設施，即無內回流。而對于傳統A/O工藝，除50%——100%污泥回流外，還需200%——300%的硝化液回流。K inraku ji-cho等通過對分段進水缺氧/好氧活性污泥系統的研究指出，采用分段進水具有低能耗的特征，由于系統不需硝化液回流，僅需50%左右的污泥回流，因此回流系統能耗降低70%左右。實際運用中，可根據季節、進水水質及水量的變化調整分段進水的流量分配比例，取得較為理想的出水效果。
�。�4）堿度滿足要求
由于采用分段進水，硝化、反硝化間歇進行，硝化過程中被消耗的堿度，在反硝化過程中可以得到一定程度的補償，這樣在整個系統中，堿度不會發生很大的變化，pH值基本上能維持在7—8之間，這非常接近于同步硝化反硝化，在整個脫氮過程中一般不需要再補充堿度。
�。�5）抗沖擊負荷強
由于分段進水反應器內混合液流態界于平推流與全混流之間，屬于非理想流反應器，在運行方式上為“整體推流，局部混合”。另外，該工藝還可以根據進水量、水質特性和環境條件的變化，靈活調整運行方式，因此與傳統A/O工藝相比，能較好的承受沖擊負荷。實驗表明，即使進水的COD、SS、NH3-N、TN波動較大，出水水質也可以保持相對穩定，TCOD、SCOD平均去除率分別在90%和84.5%,出水SS值一般不會超過10mg/L。
不同地區，污水溫度也不同，為了達到有效節能的污水處理，可以根據活性污泥新標準法作調整。當水溫低于10℃時，可選擇AOOO工藝，15℃～30℃時，可選擇AOAO工藝，30℃以上時，可選擇AAOO工藝，進行有效的季節性工藝調整[5]；
選擇生物除氮，除COD，加PAC藥劑脫磷。除磷使用藥劑和水量的比例為0.01%，去除率可達90%以上，從而一次性達到脫氮除磷、去除COD的目的；
經過4個月的運行調試以后，該處理系統的出水水質達到了國家《污水綜合排放標準》（GB18918—2002）一級A排放標準。
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