探討生物法脫氮

朱建水 王文富 曹華鋒

(上蔡縣環境保護局，河南 上蔡 463800)

廢水中的氮常以有機氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。在生活污水中，氮的存在形式主要為有機氮和氨態氮，它們均來源于人們食物中的蛋白質。生活污水中有機氮約占總氮的60%，氨氮約占40%。當污水中的有機物被生物降解氧化時，其中的有機氮被轉化為氨氮。經活性污泥法處理的污水有相當數量的氨氮排入水體，可導致水體富營養化。水體若為水源，將增加給水處理的難度和成本。因此廢水再進行二級處理的出水有時需進行脫氮處理。脫氮的方法有化學法和生物法兩大類。本文主要探討生物法去除氮。

1 生物脫氮機理

生物脫氮的機理是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2和NxO氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程。

硝化反應是在好氧條件下，將NH4+轉化為和的過程。此作用是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌共同完成的。這兩種菌屬于化能自養型微生物。其反應如下：

硝化細菌是化能自養菌，生長率低，對環境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機負荷等都會對它產生影響。

硝化反應的適宜溫度為20℃～30℃。低于15℃時，反應速度迅速下降，5℃時反應幾乎完全停止。

由于硝化菌是自養菌，若水中BOD5值過高，將有助于異氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生長世代周期較長，為了保證硝化作用的進行，泥齡應取大于硝化菌最小世代時間兩倍以上。

硝化反應對溶解氧有較高的要求，處理系統中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反應過程中，有H+釋放出來，使pH值下降。硝化菌受pH值的影響很敏感，為了保持適宜的pH值7～8，應在廢水中保持足夠的堿度，以調節pH值的變化。1g氨態氮(以N計)完全硝化，需堿度(以 CaCO3計)7.1 g。

反硝化菌屬異養型兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O2為電子受體進行好氧呼吸；在無氧而有O3-或NO2-存在時，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機碳為電子供體和營養源進行反硝化反應。

在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程.

在反硝化反應中，最大的問題就是污水中可用于反硝化的有機碳的多少及其可生化程度。當污水中BOD5／TKN＞3～5時，可認為碳源充足。不同的有機碳將導致反硝化速率的不同。碳源按其來源可分為三類：①外加碳源，多采用甲醇，因為甲醇被分解后的產物為CO2，H2O，不產生其它難降解的中間產物，但其費用較高；②原水中含有的有機碳；③內源呼吸碳源——細菌體內的原生物質及其貯存的有機物。

反硝化反應的適宜pH值為6.5～7.5。pH值高于8或低于6時，反硝化速率將迅速下降。

反硝化反應的溫度范圍較寬，在5℃～40℃范圍內都可以進行。但溫度低于15℃時，反硝化速率明顯下降。

2 常見生物脫氮工藝

生物脫氮技術的開發是在30年代發現生物濾床中的硝化、反硝化反應開始的。但其應用還是在1969年美國的Barth提出三段生物脫氮工藝后。

2.1 三段生物脫氮工藝

該工藝是將有機物氧化，硝化及反硝化段獨立開來，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統。使除碳，硝化和反硝化在各自的反應器中進行，并分別控制在適宜的條件下運行，處理效率高。

由于反硝化段設置在有機物氧化和硝化段之后，主要靠內源呼吸碳源進行反硝化，效率很低，所以必須在反硝化段投加外加碳源來保證高效穩定的反硝化反應。隨著對硝化反應機理認識的加深，將有機物氧化和硝化合并成一個系統以簡化工藝，從而形成二段生物脫氮工藝成為現實。各段同樣有其自己的沉淀及污泥回流系統。除碳和硝化作用在一個反應器中進行時，設計的污泥負荷率要低，水力停留時間和泥齡要長，否則，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源來維持反硝化的順利進行。

2.2 Bardenpho 生物脫氮工藝

該工藝取消了三段脫氮工藝的中間沉淀池。該工藝設立了兩個缺氧段，第一段利用原水中的有機物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態氮的混合液進行反硝化反應。經第一段處理，脫氮已基本完成。為進一步提高脫氮效率，廢水進入第二段反硝化反應器，利用內源呼吸碳源進行反硝化。最后的曝氣池用于吹脫廢水中的氮氣，提高污 泥的沉降性能，防止在二沉池發生污泥上浮現象。這一工藝比三段脫氮工藝減少了投資和運行費用。

2.3 改進的 Bardenpho工藝

改進的Bardenpho工藝由四池串聯，即缺氧一好氧一缺氧池一好氧池。類似二級A/O工藝串聯。第二級A/O的缺氧池基本上利用內源碳源進行脫氮，最后的曝氣池可以吹脫氨氮，提高污泥的沉降性能。

為了提高除磷的穩定性，在Bardenpho工藝流程之前增設一個厭氧池，以提高污泥的磷釋放效率。只要脫氮效果好，那么通過污泥進入厭氧池的硝酸鹽是很少的，不會影響污泥的放磷效果，從而使整個系統達到較好的脫氮除磷效果。

2.4 UCT 工藝

在改進的Bardenpho工藝中，由于二沉池回流污泥中很難避免有一些硝酸鹽回流到流程前端的厭氧池，從而影響除磷效果；為此，UCT工藝將二沉池的回流污泥回流到缺氧池，污泥中攜帶的硝酸鹽在缺氧池中反硝化脫氮。同時為彌補厭氧池中污泥的流失，增設缺氧池至厭氧池的污泥回流。這樣厭氧池可免受硝酸鹽的干擾。

2.5 SBR 工藝

SBR工藝是將除磷脫氮的各種反應，通過時間順序上的控制，在同一反應器中完成。如進水后進行一定時間的缺氧攪拌，好氧菌將利用進水中攜帶的有機物和溶解氧進行好氧分解，此時水中的溶解氧將迅速降低甚至達到零，這時厭氧發酵菌進行厭氧發酵，反硝化菌進行脫氮；然后停止攪拌一段時間，使污泥處于厭氧狀態，聚磷菌放磷；接著進行曝氣，硝化菌進行硝化反應，聚磷菌吸磷，經一定反應時間后，停止曝氣，進行靜止沉淀，當污泥沉淀下來后，撇出上部清水而后再放人原水，如此周而復始。研究表明，SBR工藝可取得很好的脫氮除磷效果。自動控制系統的完善，為SBR的應用提供了物質基礎。SBR是間歇運行的，為了連續進水，至少需設置二套SBR設施，進行切換。

3 新型生物脫氮工藝

隨著科學的發展，近年來發現了好氧反硝化菌和異養硝化菌，硝化反應不僅由自養菌完成，某些異養菌也可以進行硝化作用，反硝化不只在厭氧條件下進行，某些細菌也可在好氧條件下進行反硝化；許多好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌（如Thiosphaerapantotropha菌），并能把氧化成NO：-后直接進行反硝化反應；氨的氧化不僅可以在好氧條件下進行，也可以在厭氧條件下進行。這些新發現突破了傳統生物脫氮理論的認識，為研發生物脫氮新工藝奠定了基礎。

4 結束語

隨著生物脫氮技術的發展，新的工藝不斷被開發出來，如氧化溝、序批式活性污泥法等，可在同一池中通過控制運行條件，在不同時段，形成缺氧和好氧的條件，從而達到除碳和脫氮的目的。