生物脫氮是指在微生物的聯合作用下，污水中的有機氮及氨氮經過氨化作用、硝化反應、反硝化反應，最後轉化為氮氣的過程。其具有經濟、有效、易操作、無二次污染等特， 被公認為具有發展前途的方法，關於這方面的技術研究不斷有新的成果報導。
基本介紹
- 中文名：生物脫氮
- 外文名：biological nitrogen removal
- 分類：環境工程技術
- 套用：污水處理
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基本原理
氨化反應
氨化反應是指含氮有機物在氨化功能菌的代謝下，經分解轉化為 NH4+的過程。含氮有機物在有分子氧和無氧的條件下都能被相應的微生物所分解，釋放出氨。
生物脫氮過程示意圖硝化反應
硝化反應由好氧自養型微生物完成，在有氧狀態下，利用無機氮為氮源將NH4+化成NO2-，然後再氧化成NO3-的過程。硝化過程可以分成兩個階段。第一階段是由亞硝化菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽（NO2-），第二階段由硝化菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽（NO3-）。
反硝化反應
反硝化反應是在缺氧狀態下，反硝化菌將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態氮（N2）的過程。反硝化菌為異養型微生物，多屬於兼性細菌，在缺氧狀態時，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，以有機物（污水中的BOD成分）作為電子供體，提供能量並被氧化穩定。
主要影響因素
（1）溫度
生物硝化反應的適宜溫度範圍為20~30℃，15℃以下硝化反應速率下降，5℃時基本停止。反硝化適宜的溫度範圍為20~40℃，15℃以下反硝化反應速率下降。實際中觀察到，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盤和懸浮污泥的小得多。
（2）溶解氧
硝化反應過程是以分子氧作為電子終受體的，因此，只有當分子氧（溶解氧）存在時才能發生硝化反應。為滿足正常的硝化效果，在活性污泥工藝運行過程中，DO值至少要保持在2mg/L以上，一般為2~3mg/L。當DO值較低時，硝化反應過程將受到限制，甚至停止。
反硝化與硝化在溶解氧的需求方面是一個對立的過程。傳統的反硝化過程需要在嚴格意義上的缺氧環境下才能發生，這是因為DO與NO3-都能作為電子受體，存在競爭行為。當有DO存在時，不僅會抑制微生物對硝酸鹽還原酶的合成及其活性，而且會使反硝化菌優先利用 DO作為電子終受體降解有機物。但是，在實際的工藝運行過程中，由於氧傳遞的限制造成污泥絮體內部存在部分缺氧環境，也就是說，曝氣池內即使存在一定濃度的DO，反硝化反應也有可能發生。研究表明，在實際活性污泥系統中只需將缺氧池DO控制在0.5mg/L 以下就能夠促使反硝化反應的發生，實現較好的反硝化效果。
（3）pH
pH值是影響廢水生物脫氮工藝運行的重要參數之一。多數實驗表明，生物脫氮功能菌對 pH值的變化非常敏感，硝化菌的最適pH為 8.0~8.4，當pH值不在6.0~9.6範圍，即高於9.6或低於6.0時硝化反應將受到抑制而停止。
對於反硝化過程而言，反硝化反應也需要維持一定的pH值，以使其達到最佳狀態，其最適 pH為7.0~8.5。發生有效反硝化作用的pH範圍為6.0~8.5，當pH8.5時，反硝化效果受到影響，表現為反硝化速率的顯著下降。此外，反硝化反應的終產物還受pH值的影響，不同的pH值將有不同的終產物，如pH>7.3 反應終產物為 N2，而pH<7.3 反應終產物為N2O。
（4）碳氮比
生物脫氮硝化與反硝化過程實際上是一個對立的統一體，這是由硝化菌和反硝化菌的自身屬性決定的。硝化菌為自養微生物，代謝過程不需要有機物的參與，當存在高濃度有機物時，其對營養物質的競爭遠弱於異養菌而產生抑制效果，硝化反應會因硝化菌數量的減少而受到限制。所以，污水進水BOD5/TKN越小，硝化菌所占的相對比例就越大，這樣就越有利於硝化反應的發生。反硝化菌是異養微生物，進行反硝化反應時需要有機碳源參與提供反應電子，因此，為實現真正意義上的生物脫氮，就必需有足夠的碳源有機物。有關研究表明，廢水進水中 BOD5/TKN≥4~6 時，可以認為反硝化碳源是充足的，不必外加碳源。
（5）污泥齡（SRT）
SRT是廢水生物脫氮系統的一個重要控制參數。一般來說，系統的SRT要大於硝化菌的最小比生長速率，這是因為硝化菌的比增長速率要比活性污泥系統中異養菌的比增長速率小一個數量級。唯有這樣，硝化菌在連續流的系統中才能得以生存，以至硝化反應的發生，實現氮素的轉化。
（6）硝化液回流比（IR）
回流在生物脫氮工藝中起到至關重要的作用，它向反應器提供氮源作為反硝化底物發生反硝化反應，從而實現轉化還原為N2。IR在影響反硝化效果的同時也會波及到回流動力消耗，是生物脫氮系統中一個有著現實意義的參數。
（7）有毒物質
套用工藝
傳統的生物脫氮技術始於上世紀30年代，真正套用於20世紀70年代。自Barth三段生物脫氮工藝的開創，A/O工藝、SBR工藝等脫氮工藝相繼被提出並套用於工程實際。
三段生物脫氮工藝
三段生物脫氮工藝流程如圖所示，該工藝是將有機物降解、硝化作用以及反硝化作用三個階段獨立開來，每一階段後面都有各自獨立的沉澱池和污泥回流系統。第一段曝氣池的主要作用是代謝分解有機物，並使有機氮氨化。第二段硝化池主要進行硝化反應，將氨氮氧化，同時需投加鹼度以維持一定的pH值。第三段是反硝化反應器，硝態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，並外加反硝化反應所需的碳源。
A/O生物脫氮工藝
A/O 生物脫氮工藝如圖所示，該工藝將缺氧段置於系統前端，其發生反硝化反應產生的鹼度能夠少量補充硝化反應之需。另外，缺氧池中反硝化反應利用原廢水中的有機物為碳源可以減少補充碳源的投加甚至不加。通過內循環將硝化反應產生的硝態氮轉移到缺氧池進行反硝化反應，硝態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，並完成脫氮工序。在 A/O 生物脫氮工藝中，硝化液回流比對系統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氮進行反應，使硝化作用不完全，進而影響脫氮效果；若控制過高，則導致硝化液與反硝化菌接觸時間減短，從而降低脫氮效率。因此，在實際的運行過程中需要控制適當的硝化液回流比，使系統脫氮效果達到最佳水平。
SBR脫氮工藝
SBR脫氮工藝與A/O工藝相比，其運行方式有所不同，但在脫氮反應機理上基本與A/O生物脫氮工藝一致。SBR工藝為間歇的運行方式，採用一個獨立的反應池替代了傳統的由多個具有不同功能的反應區組合而成的A/O生物脫氮反應器。SBR脫氮工藝以時間的交替方式實現了缺氧/好氧環境，取代了傳統空間上的缺氧/好氧，因其具有簡單的結構和靈活的操作方式而倍受研究者的關注和研究。
