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AO工藝的硝化與反硝化原理

       AO工藝通常是在常規(guī)的好氧活性污泥法處理系統(tǒng)前，增加一段缺氧生物處理過程。在好氧段，好氧微生物氧化分解污水中的BOD5，同時進(jìn)行硝化反應(yīng)，有機(jī)氮和氨氮，在好氧段轉(zhuǎn)化為硝化氮并回流到缺氧段，其中的反硝化細(xì)菌利用化合態(tài)氮和污水中的有機(jī)碳進(jìn)行反硝化反應(yīng)，使化合態(tài)氮變成分子態(tài)氮，同時去除碳和氫的效果。這里著重介紹生物脫氮原理。

 

       （1）生物脫氮的基本原理：

       傳統(tǒng)的生物脫氮機(jī)理認(rèn)為：脫氮過程一般包括氨化、硝化和反硝化三個過程。
       ①氨化（ Ammonification）：廢水中的含氮有機(jī)物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養(yǎng)型微生物氧化分解為氨氮的過程。
       ②硝化（ Nitrification）：廢水中的氨氮在硝化菌（好氧自養(yǎng)型微生物）的作用下被轉(zhuǎn)化為NO2二和NO3的過程。
       ③反硝化（ Denitrification）：廢水中的NO2和NO3在缺氧條件下以及反硝化菌（兼性異養(yǎng)型細(xì)菌）的作用下被還原為N2的過程，其中硝化反應(yīng)分為兩步進(jìn)行：亞硝化和硝化。

       硝化反應(yīng)過程方程式如下所示：
       ①亞硝化反應(yīng)：NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+
       ②硝化反應(yīng)：NO2-+0.5O2→NO3-
       ③總的硝化反應(yīng)：NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+

       反硝化反應(yīng)過程分三步進(jìn)行，反應(yīng)方程式如下所示（以甲醇為電子供體為例）：
       第一步：3NO3-+CH3OH→3NO2+2H2O+CO2
       第二步：2H++2NO2-+CH3OH→N2+3H2O+CO2
       第三步：6H++6NO3-+5CH3OH→3N2+13H2O+5CO2

       除了上述脫氮原理外，還有一種短程反硝化作用可以脫氮，即氨氮在O池中未被完全硝化生成NO3-，而是生成了大量的NO2-N，但在A池NO2同樣被作為受氫體而進(jìn)行脫氮（上述第二步可知）；再者在A池NO2-同樣也可和NH4+進(jìn)行脫氮，即短程反硝化的過程可以表示為：NH4++NO2→N2+2H2O。

 

       （2）A/O脫氮工藝主要特征

       將脫氮池設(shè)置在去碳硝化過程的前端，一方面使脫氮過程能直接利用進(jìn)水中的有機(jī)碳源而可以省去外加碳源；另一方面，則通過消化池混合液的回流而使其中的NO3-在脫氮池中進(jìn)行反硝化，且利用了短程硝化-反硝化以及短程硝化厭氧氨氧化等工藝特點(diǎn)。
       因此工藝內(nèi)回流比的控制是較為重要的，因?yàn)槿鐑?nèi)回流比過低，則將導(dǎo)致脫氮池中BOD5/NO3-過高，從而使反硝化菌無足夠的NO3-或NO2-作電子受體而影響反硝化速率；如內(nèi)回流比過高，則將導(dǎo)致BOD5/NO3-或BOD5/NO3-等過低，同樣將因反硝化菌得不到足夠的碳源作電子供體而抑制反硝化菌的生長。
       A/O工藝中因只有一個污泥回流系統(tǒng)，因而使好氧異養(yǎng)菌、反硝化菌和硝化菌都處于缺氧/好氧交替的環(huán)境中，這樣構(gòu)成的一種混合菌群系統(tǒng)，可使不同菌屬在不同的條件下充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。

       將反硝化過程前置的另—個優(yōu)點(diǎn)是可以借助于反硝化過程中產(chǎn)生的堿度來實(shí)現(xiàn)對硝化過程中對堿度消耗的內(nèi)部補(bǔ)充作用。在脫氮反應(yīng)池（A段）中，進(jìn)入脫氮池的廢水中的COD、BOD5和氨氮的濃度在反硝化菌的作用下均有所下降（COD和BOD5的下降是由反硝化菌在反硝化反過程中對碳源的利用所致），而氨氮的下降則是由反硝化菌的微生物細(xì)胞合成作用以及短程硝化-厭氧氨氧化所致），NO3-N的濃度則因反硝化作用而有大幅度下降；在硝化反應(yīng)池（O段）中，隨硝化作用的迸行，NO3-的濃度快速上升，而通過內(nèi)循環(huán)大比例的回流，反硝化段的NO3-N含量通過反硝化菌的作用明顯下降，COD和BOD5則在異養(yǎng)菌的作用下不斷下降。氨氮濃度的下降速率并不與NO3-濃度的上升相適應(yīng)，這主要是由于異養(yǎng)菌對有機(jī)物的氨化而產(chǎn)生的補(bǔ)償作用造成的。

       與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，A/O系統(tǒng)不必投加外碳源，可充分利用原污水中的有機(jī)物作碳源進(jìn)行反硝化，同時達(dá)到降低BOD5和脫氮的目的；AO系統(tǒng)中缺氧反硝化段設(shè)在好氧硝化段之前，因而當(dāng)原水中堿度不足時，可利用反硝化過程中產(chǎn)生的堿度來補(bǔ)充硝化過程中對堿度的消耗。此外，AO工藝中只有一個污泥回流系統(tǒng)，混合菌群交替處于缺氧和好氧狀態(tài)及有機(jī)物濃度高和低的條件，有利于改善污泥的沉降性能及控制污泥的膨脹。

 

       （3）硝化反應(yīng)主要影響因素與控制要求

       ①好氧條件，并保持一定的堿度。氧是硝化反應(yīng)的電子受體，硝化池內(nèi)溶解氧的高低，必將影響硝化反應(yīng)的進(jìn)程，溶解氧質(zhì)量濃度一般維持在2~3mg/L，不得低于1mg/L，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度低于0.5~0.7mg/時，氨的硝態(tài)反應(yīng)將受到抑制。
除此之外，硝化菌對pH值的變化十分敏感，為保持適宜pH值，廢水應(yīng)保持足夠的堿度以調(diào)節(jié)pH值的變化，對硝化菌的適宜pH值為8.0-8.4。

       ②混合液中有機(jī)物含量不宜過高，否則硝化菌難成為優(yōu)勢菌種。

       ③硝化反應(yīng)的適宜溫度是20~35℃。當(dāng)溫度在5~35℃之間由低向高逐漸升高時，硝化反應(yīng)的速率將隨溫度的升高而加快，而當(dāng)溫度低至5℃時，硝化反應(yīng)完全停止。對于去碳和硝化在同一個池子中完成的脫氮工藝而言，溫度對硝化速率的影響更為明顯。當(dāng)溫度低于15℃時即發(fā)現(xiàn)硝化速率迅速下降。低溫狀態(tài)對硝化細(xì)菌有很強(qiáng)的抑制作用，如溫度為12~14℃時，反應(yīng)器出水常會出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象。因此，溫度的控制是相當(dāng)重要的。

       ④硝化菌在硝化池內(nèi)的停留時間，即生物固體平均停留時間，必須大于最小的世代時間，否則硝化菌會從系統(tǒng)中流失殆盡。

       ⑤有害物質(zhì)的控制。除重金屬外，對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)有高濃度NH4+-N、高濃度有機(jī)基質(zhì)以及絡(luò)合陽離子等。

 

       （4）反硝化反應(yīng)主要影響因素與控制要求

       ①碳源（C/N）的控制。生物脫氮的反硝化過程中，需要一定數(shù)量的碳源以保證一定的碳氮比，而使反硝化反應(yīng)能順利地進(jìn)行。
       碳源的控制包括碳源種類的選擇、碳源需求量及供給方式等，反硝化菌碳源的供給可用外加碳源的方法（如傳統(tǒng)脫氮工藝）、利用原廢水中的有機(jī)碳（如前置反硝化工藝等）的方法來實(shí)現(xiàn)。
       反硝化的碳源可分為三類：第一類為外加碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖、淀粉、蛋白質(zhì)等，但以甲醇為主；第二類為原廢水中的有機(jī)碳為細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)菌利用細(xì)胞成分進(jìn)行內(nèi)源反硝化，但反硝化速率最慢。
       當(dāng)原廢水中的BOD5與TKN（總凱氏氨）之比在5~8時，BOD5與TKN之比大于3~5時，可認(rèn)為碳源充足。如需外加碳源，多采用甲醇，因甲醇被分解后產(chǎn)物為CO2、H2O，不留任何難降解的產(chǎn)物。

       ②反硝化反應(yīng)最適宜的pH值為8~8.6，pH值高于8.6或低于6，反硝化速率將大幅度下降。

       ③反硝化反應(yīng)最適宜的溫度是20~40℃。低于15℃反硝化反應(yīng)速率降低，為了保持一定的反應(yīng)速率，在冬季時采用降低處理負(fù)荷、提高生物固體平均停留時間以及水力停留時間等措施。

       ④反硝化菌屬于異養(yǎng)兼性厭氧菌，在無分子氧但存在硝酸和亞硝酸離子的條件下，一方面，它們能夠利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原；另一方面，因?yàn)榉聪趸w內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分只有在有氧條件下才能合成，所以反硝化菌適宜在厭氧、好氧條件交替下進(jìn)行，故溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/以下。