生物脱氮技术

近年来， 工业废水和城市污水处理的生物脱 氮的技 术 研 究 、开 发 和 应 用 ， 已 在 全 世 界 范 围 内 得到了长足进步， 并出现了许多新型工艺。生物 脱氮工艺有的已在国内外实际过程中得到了良 好的应用， 有的已显示出其良好的应用前景， 得 到广大研究者和工程技术人员的关注， 并在进行 不断深入研究。 参考文献
生物脱氮过程中， 通常把硝化段运行的 ｐＨ 值控制在 ７．２～８．０ 之间， 反硝化段 ｐＨ 控制在 ７．５～ ９．２ 之间。 ３．２ 温度硝化反应速度受温度影响很大， 其原因 在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很 大。两类硝化细菌的最宜温度为 ３０℃左右。
研究表明温度对反硝化速度的影响大小与反 硝化设备的类型（微生物悬浮生长型或固着型）、硝 酸盐负荷率等因素有关。流化床反硝化对温度的 敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。填料床 反硝化的反应速度受温度的影响比悬浮污泥法 小。不同硝酸盐负荷下， 温度对反硝化反应速率的 影响， 结果表明负荷低， 温度影响小； 反之亦然。 ３．３ 溶解氧： 溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化 细菌的生长速度， 硝化过程的溶解氧浓度， 一般建 议应维持在 １．０～２．０ｍｇ ／Ｌ。
细菌分别在 ７．０～７．８ 和 ７．７～８．１ 时活性最强， ｐＨ 值 在这个范围以外， 其活性便急剧下降， 由此可见， ｐＨ 是影响硝化速度的重要因素。
在生物反应构筑物中， 硝化反应适宜的 ｐＨ 范围相对要宽一些。一些研究表明， 硝化细菌经过 一段时间驯化后， 低 ｐＨ 值比突然降低 ｐＨ 值的影 响小得多。经过驯化， 硝化反应可在低 ｐＨ 值（如 ５．５）条件下进行。要使硝化反应的 ｐＨ 值从 ７．０ 降 到 ６．０， 约需要驯化 １０ｄ。但突然降低 ｐＨ 值（如由 ７．２ 降到 ５．８）， 会使硝化反应速度骤降。当 ｐＨ 值升 高后， 硝化反应速度又会很快地恢复。
１ 基本原因
图 １ 氮在水中的存在形态与分类 生物脱氮的原理主要是经过硝化作用和反硝 化作用来完成的。 １．１ 硝化作用 硝化作用是指 ＮＨ３ 氧化成 ＮＯ２－ ， 然 后用氧化成 ＮＯ３－ 的过程。
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硝化细菌虽然几乎存在于所有的污水生物处 理系统中， 但是一般情况下， 其含量很少。除温度、 酸碱度等对硝化细菌的生长有影响外， 另有两个 主要原因： （ １） 硝化细菌的比增长速度比生物处理 中（ 如活性污泥） 的异养型细菌的比增长速度要小 一个数量级。对于活性污泥系统来说， 如果泥龄较 短， 排放剩余污泥量大， 将使硝化细菌来不及大量 繁殖。欲得到较好的硝化结果， 就需有较长的泥 龄。（ ２） ＢＯＤ５ 与总氮（ ＴＫＮ） 的比例也影响活性污 泥中硝化细菌所占的比例。所以， 在微生物脱氮系 统中硝化作用的稳定和硝化速度的提高是影响整 个系统脱氮效率的一个关键。 １．２ 反硝化作用
发酵科技通讯
第 ３６ 卷
生物脱氮技术
杨俊杰 张秋 （ 莲花天安食业有限公司水处理 项城 ４６６２００）
摘 要： 本文论述了生物脱氮技术的发展历程， 生物脱氮工艺， 以及对生物脱氮的影响因素。 关键词： 生物脱氮 硝化 反硝化 影响因素
一般的活性污泥法以去除污水中可降解有机 物和悬浮物为主要目的， 对污水中氮、磷的去除没 有特殊要求， 但随着对水体环境质量要求的提高， 对 污 水 处 理 出 厂 的 氮 、磷 有 控 制 要 求 。 而 对 污 水 中氮、磷的处理有物化法和生物法， 但生物脱氮方 面的研究进展很快， 最早出现了三种用以去除 ＢＯＤ和氮的生物脱氮系统： 即去碳、硝化、反硝化 各自分开的三级生物脱氮系统； 去碳、硝化同时进 行， 沉淀后再进行反硝化的二级生物脱氮系统以 及 去 碳 、硝 化 、反 硝 化 相 结 合 的 单 级 生 物 脱 氮 系 统。这三种系统都需要在硝化阶段加碱， 在反硝 化阶段投加有机物， 这使生物脱氮系统的运行费 用较高。为改进这些缺点， ２０ 世纪 ８０ 年代初期， 又产生了将反硝化设备放置在处理系统最前面的 前置反硝化生物脱氮法， 又称缺氧、好氧生物脱氮 法， 这种 Ａ／Ｏ 废水处理工艺为代表的生物脱氮技 术， 是目前最广泛采用的生物脱氮工艺。
水作为反硝化外加碳源。国内在硝化废水的生物 脱氮方面已成功地采用副产品粗酚作为外加碳 源。采用污水处理厂内厌氧消化污泥上清液作为 城市废水生物脱氮的碳源， 经测试发现它的组分 中 ８０％以上是挥发性脂肪酸， 因此它作碳源时反 硝化速 率 比 甲 醇 、乙 醇 作 碳 源 还 要 快 ， 但 缺 点 是 将大量的氮带入到处理系统中， 增加了系统氮的 负荷。 ３．４．３ 内碳源： 内碳源主要指活性污泥微生物死亡、 自溶后释放出来的有机碳。为了利用内碳源来进 行反硝 化 脱 氮， 要 求 反 应 器 的 泥 龄 长 、污 泥 负 荷 低， 使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡 期。这样， 反应器的容积相应增大， 负荷率低。经 测定， 内碳源的反硝化速率极低， 约为上述两种 方法的十分之一左右。它的优点是在废水碳氮比 低时不必外加碳源也可达到脱氮目的， 此外由于 污泥产率低而减少了污泥处置的费用。 ３．５ 有毒物质： 某些重金属、络合阴离子和有毒有 机物对硝化细菌有毒害作用。另外， 氨态氮和亚 硝态氮对硝化细菌也有影响， 据研究， 当污水中 氨 氮 浓 度 小 于 ２００ｍｇ ／Ｌ， 亚 硝 态 氮 浓 度 小 于 １００ｍｇ ／Ｌ 时， 对硝化作用没有影响。
第 ３６ 卷第 ２ 期 ２００７ 年 ４ 月
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的制糖废水） 。 ２．１ 悬 浮 污 泥 系 统 以 Ａ／Ｏ 工 艺 为 代 表 作 简 单 介 绍：
图 ２ Ａ／Ｏ 工艺流程图 在 Ａ／Ｏ 工艺中， 原废水中的 ＴＫＮ 和 ＢＯＤ 在 反硝化反应池中同时去除。反硝化池内不需要 Ｏ２， 所以比普通活性污泥法减少了动力。硝化池中 的硝化液（ 含有硝态氮的活性污泥） 一部分回流到 反硝化池， 池内的反硝化脱氮菌以原污水中的有 机物作碳源， 以硝化液中 ＮＯＸ－ 中的氧作为电子受 体， 将 ＮＯＸ－－ Ｎ 还原成 Ｎ２， 不需外加碳源。为解决 剩余的 ＮＯＸ－－ Ｎ 进入沉淀池因脱氮反应而产生污 泥上浮， 可以在硝化反应器后再加一个反硝化反 应池和硝化池， 形成一个多级的反硝化生物脱氮 系统。此外还有 Ａ２／Ｏ（ 厌氧—缺氧—好氧生物脱 氮降磷工艺） ， 氧化沟、桥本工艺等。 ２．２ 生物膜系统 与悬浮污泥系统相比， 生物膜系统的主要优 点是无需回流污泥， 且构筑物内可维持较高的生 物量， 因此， 水力停留时间较悬浮污染系统短， 负 荷率高， 脱氮效率高， 是一种较为经济适用的脱氮 工艺。 生物膜法脱氮系统中通常使反硝化过程和硝 化过程分别在两个处理构筑物内进行， 并使反硝 化设备内微生物处于缺氧状态。反硝化处理设备 可采用淹没式生物滤池、淹没式生物转盘和生物 流化床；硝化处理构筑物除上述三种外， 还可以用 生物滤池。同悬浮污泥系统—样， 生物膜脱氮系统 也可以分为内碳源系统和外加碳源系统。
３ 影响因素
由于微生物脱氮系统对氮的去除主要是通过 硝化作用和反硝化作用实现的， 因而影响这两个 过程的一些环境因子都将对整个系统的氮去除产 生影响， 研究表明， 影响微生物脱氮的主要因素有 以下几个方面： ３．１ ｐＨ 硝化反应要消耗碱， 因此， 如果污水中没有 足够的碱度， 则随着硝化的进行， ｐＨ 会急剧下降。 而硝化细菌对 ｐＨ 十分敏感， 亚硝酸细菌和硝酸
在悬浮污泥反硝化系统中， 缺氧段溶解氧应 控制在 ０．５ｍｇ ／Ｌ 以下， 由于污泥絮凝物内部仍呈 厌氧状态， 同样可进行反硝化作用， 故而脱氮反 应并不要求溶解氧保持在零的状态。在膜法反硝 化系统中， 菌周围微环境的氧分压与大环境的氧 分压不同， 即使滤池内有一定的溶解氧， 生物膜 内层仍呈缺氧状态， 因此， 当缺氧段溶解氧控制 在 ｌ￣２ｍｇ ／Ｌ 以下时也不影响反硝化的进行。 ３．４ 碳源 碳源物质主要是通过影响反硝化细菌 的活性来影响处理系统的脱氮效率。能为反硝化 细菌所利用的碳源是多种多样的， 但从废水生化 处理生物脱氮的角度来看可分成三类： ３．４．１ 废 水 中 所 含 的 有 机 碳 源 废 水 中 各 种 有 机 基 质 ， 例 如 有 机 酸 类 、醇 类 、碳 水 化 合 物 或 烷 烃 类、苯 酸 盐 类 、酚 类 和 其 他 的 苯 衍 生 物 都 可 以 作 为反硝化过程中的电子供体（碳源）。一般认为， 当 废水中所含碳（ＢＯＤ５）与总氮的比值大于 ３： １ 时 ， 无需外加碳源， 即可达到脱氮目的。这类碳源最 经济， 因而为大多数微生物脱氮系统所采用。 ３．４．２ 外加碳源 当废水的 ＢＯＤ５ 与总氮比值小于 ３： １ 时， 需另外投加碳源才能达到理想的去氮效 果。外加碳源大多采用甲醇， 因为它氧化分解产 物为二氧化碳和水， 不留任何难分解的中间产 物， 价格也较低廉。欧美各国在饮用水的反硝化 中采用乙醇， 避免残余的甲醇对人体的毒性作 用， 但费用比甲醇略贵。为了降低成本， 目前已利 用淀粉 厂 、酿 造 厂 、豆 制 品 厂 等 的 高 浓 度 有 机 废
反硝化包括异化反硝化和同化反硝化， 在生 物脱氮技术中以异化反硝化为主：反硝化菌在 ＤＯ 浓 度 很 低 的 环 境 中 ， 一 般 情 况 下 ＤＯ 值 在 低 于 ０．５ｍｇ／Ｌ 时， 反硝化才能正常运行。利用硝酸盐中 的氧（ ＮＯｘ－－ Ｏ） 作为电子受体， 有机物作为碳源及 电子供体而得到降解。
２ 生物脱氮的工艺流程
生物脱氮的工艺流程， 根据细菌在系统中存 在的状态可分为悬浮物污泥系统和生物膜法系统 两大类， 每一大类又可分为去碳、硝化、反硝化结 合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔 的多级污泥系统。此外， 根据脱氮时所用的碳源， 还可将其细分为两类： 内碳源即利用原水中的碳 和内源性碳和外加碳源即另外投加甲醇或含碳丰 富的其他工业废水 （ 如一些含 Ｎ 较低 ＢＯＤ 较高
溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用， 其机制为 阻抑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。虽然氧对反硝化
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