污水生物脱氮工艺分析

时间：2024-07-28

自尚

（兖矿鲁南化肥厂山东滕州277527）

1 引言

在自然界里，氮化物是以气态氮（N2）、有机体（动物蛋白、植物蛋白）、硝酸氨（NO3-）、亚硝酸氮（NO2-）以及氨态氮（NH4+、NH3）形式存在的。在二级处理水中，氮的化合物则是以氨态氮、亚硝酸氮和硝酸氮的形式存在[1]。如果含过量氮元素的废水未经过脱氮技术处理直接排入江河、湖泊、河流，容易造成水体富营养化，引发赤潮、水华等现象。

2 生物脱氮的原理

生物脱氮的原理主要有两方面：氨化与硝化作用和反硝化作用。

2.1 氨化与硝化

在未经处理的生活污水中，含氮化合物存在的形式有：①有机氮；②氨态氮（NH3、NH4+）,一般以前者为主。

2.1.1 氨化作用

氨化反应是指在氨化菌的作用下，有机氮化合物被分解、转化为氨态氮的过程。本文氨化作用以氨基酸为例，其反应式为：

2.1.2 硝化作用

硝化作用是指氨态氮在硝化菌存在的作用下被进一步分解氧化。硝化作用分两个阶段进行，首先在亚硝化菌的作用下，使氨（NH4+）转化为亚硝酸氮，反应式为：

之后，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，反应式为[2]：

硝化菌包括亚硝酸菌和硝酸菌两种。硝化菌是光能自养菌，革兰氏染色阴性，广泛存活在土壤中。硝化菌生存于好氧环境，并且需要一定的碱度。进行硝化反应应当保持的各项指标有溶解氧不应低于1mg/L；最适宜的温度是20~30℃；最佳pH范围是8.0~8.4[2]。

2.2 反硝化

反硝化反应式值硝酸氮（NO3—N）和亚硝酸氮（NO2—N）在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程。

反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌的细菌，在厌氧条件下，营厌氧呼吸，以硝酸氮（NO3-—N）为电子受体，以有机物（有机碳）为电子供体。pH值应保持在6.5~7.5；溶解氧应控制在0.5mg/L以下；最适温度是20~40℃。

3 生物脱氮工艺

3.1 活性污泥法脱氮传统工艺

活性污泥法脱氮的传统工艺属于是三级活性污泥法流程，该工艺包括氨化、硝化、反硝化3项反应过程。

图1 传统活性污泥法脱氮工艺

第一阶段曝气池的主要功能为去除BOD、COD，使有机氮转化，形成NH3、NH4+，至此污水处理完成氨化过程，污水经沉淀后进入消化曝气池。

第二级硝化曝气池里进行硝化反应，使NH3及NH4+氧化成NO3—N。如前段提到的硝化反应要消耗碱度，为了防pH值下降，因此该过程中需要投碱。

第三级为反硝化反应，即在缺氧环境中，NO3—N被还原为气态N2，并进入大气中。

3.2 缺氧—好氧活性污泥法脱氮系统

缺氧—好氧活性污泥法，又名A/O法，工艺主要特点是将反硝化反应器放置于系统之首，是目前采用比较广泛的一种脱氮工艺，它是一种将反硝化生物脱氮系统前置的工艺。工艺流程图如图2

图2分建式缺氧—好氧活性污泥脱氮系统

图2 所示为分建式缺氧—好氧活性污泥脱氮系统，即反硝化、硝化与BOD去除分别在两座不同的反应器内进行。硝化反应器内已经充分反应的硝化液一部分经管线回流进入到反硝化反应器，反硝化反应器内脱氮菌以原废水中的有机物作为碳源、回流液中的硝酸盐的氧为受电体，进行呼吸和生命活动，污水中的硝酸盐被还原成气体的氮气（N2），此系统不需要外加碳源[3]。A/O工艺具有以下几方面的优点。①本工艺硝化曝气池在后，在这个过程中，进一步去除反硝化残留的有机污染物，提高了处理水水质，而且后面也没有必要建立曝气池；②设内循环系统，向前置的反硝化池回流硝化液；③在反硝化过程中，还原1mg硝态氮能产生3.75mg的碱度，而在硝化反应过程中，将1mg的NH4—N氧化为NH3-—N，要消耗7.14mg的碱度，因此，在缺氧—好氧系统中，反硝化反应所产生的碱度可补偿硝化反应消耗碱度的一半左右。因此，对含氮度不高的废水（如生活污水、城市污水）不需要另行投碱以调节pH[3]；④本工艺中不需外加碳源；⑤由于流程比较简单，装置较少，所以基建费用和运行费用低是A/O工艺的另外一个优点。

运行影响因素与主要参数：该工艺运行的影响因素主要有水力停留时间、循环比、MLSS值、污泥龄、N/MLSS负荷率、进水总氮浓度。实际工程运行中得出，反应器内的MLSS值一般在3000mg/L以上，只有高于3000mg/L以上，才会保证脱氮效率；N/MLSS负荷率应低于0.03g/（gMLSS·d），高于此值脱氮效果将急剧下降；进水总氮浓度应在30mg/L以下，否则脱氮率将保持在50%以下[4]；污泥龄θc取值一般在30d以上；硝化反应与反硝化反应各自进行的时间对污水整体的脱氮效果有较大的影响，为保证脱氮率在70%—80%以上，硝化反应时间需要较长，一般硝化反应时间不应低于6h，而反硝化反应时间一般在2h内完成；本工艺中的内循环回流是为了向反硝化反应器提供硝态氮，使其作为反硝化反应的电子受体[5]，运行数据确证循环比一般不应低于200%。