生物脱氮的基本原理及控制参数总结

污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，通常没有或只有少量亚硝酸盐和硝酸盐形式的氮。只有不到20%~40%的氮在传统的二级处理中被去除。污水生物处理脱氮主要是靠一些专性细菌实现氨形式的转化，经过氨化、硝化、反硝化过程，含氮有机化合物最终转化为无害的氮气，从污水中去除。

1、硝化反应

1.1 原理

硝化菌把氨氮转化为硝酸盐的过程称为硝化过程，硝化是一个两步过程，分别利用了两类微生物--亚硝酸盐菌和硝酸盐菌。这两类细菌统称为硝化菌，这些细菌所利用的碳源是CO₃^2-、HCO₃^-和CO₂等无机碳。在反应过程中首先由亚硝酸盐菌把氨氮转化为亚硝酸盐，然后由硝酸盐菌把亚硝酸盐转化为硝酸盐。

图1 硝化反应基本原理与路径

硝化反应过程需要在好氧（Aerobic或Oxic）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体这两个反应过程都释放能量，硝化菌就是利用这些能量合成新细胞和维持正常的生命活动，氨氮转化为硝态氮并不是去除氮而是减少了它的需氧量。

1.2硝化过程（硝化菌）的影响因素

①温度：硝化反应的最适宜温度范围是30～35℃，温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。温度低于5℃，硝化细菌的生命活动几乎完全停止。在5～35℃的范围内，硝化反应速率随温度的升高而加快；但达到30℃后，蛋白质的变性会降低硝化菌的活性，硝化反应增加的幅度变小。低温对硝酸菌的抑制作用更为强烈，因此在12～14℃的系统中会出现亚硝酸盐的积累。

②溶解氧：硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度为0.5-0.7 mg/L是硝化菌可以忍受的极限，溶解氧低于2 mg/L条件下，氮有可能被完全硝化，但需要较长的污泥停留时间，因此一般应维持混合掖的溶解氧浓度在2 mg/L以上。对于同时去除有机物和进行硝化的工艺，硝化菌约占活性污泥的5％左右，且大部分处于生物絮体的内部。

③pH值和碱度：硝化菌对pH值十分敏感，硝化反应的最佳pH值范围是7.2~8.0，低于6或高于9.6时，硝化反应将停止进行。每硝化1g氨氮大约要消耗7.14g（CaCO₃）碱度，如果污水没有足够的碱度进行缓冲，硝化反应将导致pH值下降、反应速率减缓。因此，保证硝化反应的正常进行，往往需要投加必要的碱量以维持适宜的pH值。

④有毒物质：一般情况下，重金属和有毒物质主要抑制亚硝酸菌的生长，个别物质抑制硝酸菌的生长。在培养和驯化硝化菌时，一定要注意氨氮、重金属、有毒物质及有机物的浓度，不使其产生抑制作用。有机物浓度高时，异养菌的数量会大大超过硝化菌，从而阻碍氨向硝化菌的转移，硝化菌能利用的溶解氧也因异养菌的利用而减少，硝化反应能顺利进行所要求的BOD₅值一般应低于20 mg/L。

⑤泥龄：为保证反应器中的存活并维持一定数量和性能的硝化菌，活性污泥在其中的停留时间SRT即泥龄必须大于硝化菌的最小世代周期，否则硝化菌的流失率大于其繁殖率。系统的泥龄应为硝化菌世代周期的两倍以上，一般不得小于3～5 d，冬季水温低时要求泥龄大于10 d。较长的泥龄可增强硝化反应的能力，并可减轻有毒物质刺激的抑制作用。

⑥碳氮比C/N：在活性污泥系统中，硝化菌一般只占微生物总量的5％左右，这是因为与异养菌相比，硝化菌的产率低。处理系统的BOD₅负荷低于0.15 BOD₅/（MLVSS·d）时，硝化反应才能正常进行。硝化菌是一类自养菌，有机物浓度不是其生长的限制因素，如果有机物浓度过高，会使生长速率较快的异氧菌迅速繁殖，争夺混合液中的溶解氧，从而使生长缓慢且好氧的硝化菌得不到优势，降低硝化速率。因此BOD₅与TKN的比值即碳氮比C/N，是反映活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧能力的指标，C/N不同直接影响脱氮效果。

2、反硝化反应

2.1 反硝化反应原理

反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。

图2 几种自养反硝化类型与电子转移

反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N³⁺和N⁵⁺做为电子受体，O^2-作为受氢体生成水和OH^-碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO₃^-还原为N₂的过程如下：NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO₃^-中的氧进行缺氧呼吸。

2.2 反硝化过程（反硝化菌）的影响因素

①温度：反硝化反应的最适宜温度范是35～45℃。温度对反硝化反应的影响与反硝化设备的类型（微生物悬浮生长型与附着生长型）及硝酸盐负荷有关。当温度从20℃下降到达15℃时，为达到相同的反硝化效果，生物转盘和活性污泥法的水力停留时间则分别要提高到原来的4.6倍和2.3倍。

②溶解氧：反硝化菌是兼性菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸。当水中同时存在分子态氧和硝酸盐时，优先进行有氧呼吸，这样，反硝化菌会优先降解含碳有机物，从而抑制硝酸盐的还原。所以为了保证反硝化反应的顺利进行，必须保持严格的缺氧状态，保持氧化还原电位为-50~-110 mV。另外，反硝化菌从有氧呼吸转为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶，而分子态氧的存在会抑制这类酶的合成及其活性。因此，为使反硝化反应正常进行，悬浮型活性污泥系统中的溶解氧应保持在0.2 mg/L以下，由于生物膜对氧传递的阻力较大，即使混合液中有一定量的DO，生物膜内层仍呈缺氧状态而继续进行反硝化，所以附着型生物处理系统可以容许较高的溶解氧浓度（一般低于1 mg/L）。

③pH值：硝化反应的最佳pH值范围是6.5~7.5，不适宜的pH值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当pH值低于6.0或高于8.5时，反硝化反应将受到强烈抑制。反硝化反应会产生部分碱度，这有助于将pH值保持在所需要的范围内，并补充硝化过程中所消耗的一部分碱度。此外，pH值还影响反硝化的最终产物，pH值>7.3时最终产物是氮气。

④碳源有机物质：反硝化反应需要提供足够的碳源，碳源物质不同，反硝化速率也将有区别。挥发性有机酸、甲醇、乙醇等是理想的反硝化反应碳源物质，因此，啤酒污水等含挥发性有机物质的污水可作为反硝化反应脱氮的碳源，而以城市污水或内源代谢物质作为反硝化反应碳源时的反硝化速率就要低得多。

⑤碳氮比C/N：理论上将1g硝酸盐氮转化为N₂需要碳源物质BOD₅为2.86 g。因此，一般认为，当污水的BOD₅/TKN值大于4~6时，可认为碳源充足，不需要另外投加碳源，否则，应当投加甲醇或其他易降解有机物作为碳源。

⑥有毒物质：镍浓度大于0.5 mg/L，亚硝酸盐氮含量超过30 mg/L或盐度高于0.63％时都会抑制反硝化作用。硫酸盐含量过高会导致反硫化的进行，进而影响反硝化的正常进行，钙和氨的浓度过高也会抑制反硝化作用。