污水硝化—反硝化脫氮處理是一種利用硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的污水微生物脫氮處理方法。

此法分為硝化和反硝化兩個階段，在好氧條件下利用污水中硝化細(xì)菌將含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，然后在缺氧條件下利用污水中反硝化細(xì)菌將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮。兩段生物脫氮法是污水微生物脫氮的有效方法，作為標(biāo)準(zhǔn)生物脫氮法已得到較廣泛應(yīng)用。

相信大家對硝化反硝化工藝不陌生了，今天就讓小編來帶大家一起復(fù)習(xí)一下基礎(chǔ)的原理吧。

一、硝化反應(yīng)過程

硝化反應(yīng)過程：在有氧條件下，氨氮被硝化細(xì)菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個基本反應(yīng)步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌，它們利用CO2、CO32-、HCO3-等做為碳源，通過NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應(yīng)獲得能量。硝化反應(yīng)過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進(jìn)行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應(yīng)的反應(yīng)式為：

亞硝化反應(yīng)方程式：

55NH4++76O2+109HCO3-→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3

硝化反應(yīng)方程式：

400NO2-+195O2+NH4++4H2CO3+HCO3-→C5H7O2N+400NO3-+3H2O

硝化過程總反應(yīng)式：

NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

通過上述反應(yīng)過程的物料衡算可知，在硝化反應(yīng)過程中，將1克氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57克（其中亞硝化反應(yīng)需耗氧3.43克，硝化反應(yīng)耗氧量為1.14克），同時約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO3計）堿度。

在硝化反應(yīng)過程中，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個過程：氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝?；?strong>NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。

二、反硝化反應(yīng)過程

反硝化反應(yīng)過程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從無水中逸出，從而達(dá)到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物。當(dāng)有分子態(tài)氧存在時，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體，當(dāng)無分子態(tài)氧存在時，反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-堿度，有機(jī)物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定，由此可知反硝化反應(yīng)須在缺氧條件下進(jìn)行。從NO3-還原為N2的過程如下：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2反硝化過程中，反硝化菌需要有機(jī)碳源（如碳水化合物、醇類、有機(jī)酸類）作為電子供體，利用NO3-中的氧進(jìn)行缺氧呼吸。其反應(yīng)過程可以簡單用下式表示：

NO3-+4H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+2OH-+NO2-+3H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+OH-

污水中含碳有機(jī)物做為反硝化反應(yīng)過程中的電子供體。由上式可知，每轉(zhuǎn)化1gNO2-為N2時，需有機(jī)物（以BOD表示）1.71g;每轉(zhuǎn)化1gNO3-為N2時，需有機(jī)物（以BOD表示）2.86g。同時產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計）。如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機(jī)物（以BOD表示）用下式計算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

其中：C為反硝化過程有機(jī)物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）如果污水中碳源有機(jī)物濃度不足時，應(yīng)補(bǔ)充投加易于生物降解的碳源有機(jī)物（甲醇、乙醇或糖類）。以甲醇為例，則

NO3+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-

如果水中有NO2-,則會發(fā)生下述反應(yīng)：

NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

由上式可見，每還原1gNO2-和1gNO3-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

當(dāng)水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應(yīng)式為：

O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3

綜上所述，可得反硝化過程需要有機(jī)碳源（甲醇）的投加量公式為：Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

其中：Cm為反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/l）其余符號同上綜上所述，硝化反應(yīng)每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現(xiàn)為PH值下降，在反硝化過程中，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源折合DO 2.6g,另外，反硝化過程中補(bǔ)償堿度3.57g。

三、傳統(tǒng)生物脫氮工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是由巴茨（ Barth）開創(chuàng)的所謂三級活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三項反應(yīng)過程為基礎(chǔ)建立的。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是單獨進(jìn)行硝化和反硝化的工藝系統(tǒng)，每一部分都有自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統(tǒng)，使除碳、硝化和反硝化在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行，并分別控制在適宜的條件下運行。

第一級曝氣池為一般的二級處理曝氣池，其主要功能是去除有機(jī)物，使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮。經(jīng)過沉淀后，廢水進(jìn)入第二級硝化曝氣池。在第二級硝化曝氣池進(jìn)行硝化反應(yīng)，使氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。在第二段硝化過程中要消耗一定的堿度，使 PH值下降，進(jìn)而會降低硝化反應(yīng)的速度，因此，需要投加堿補(bǔ)充堿度。第三級為反硝化池，需要維持缺氧條件，不進(jìn)行曝氣，只采用攪拌機(jī)械使污泥處于懸浮狀態(tài)并與污水充分混合，硝態(tài)氮還原為氮氣，反硝化過程所需要的碳源不足，需要外加碳源。這種流程的優(yōu)點是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分別生長在不同的構(gòu)筑物中，均可在各自適宜的環(huán)境條件下生長繁殖，所以反應(yīng)速度較快，可以得到較好的 BOD5去除和脫氮效果。缺點是流程長、處理構(gòu)筑物多、附屬設(shè)備多，基建費用高、需要補(bǔ)充堿度和外加碳源因而運轉(zhuǎn)費用較高。

四、A/O工藝

A/O 工藝是一種有回流的前置反硝化生物脫氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中進(jìn)行，硝化在好氧池中進(jìn)行。原污水先進(jìn)入缺氧池，并將好氧池的混合液與沉淀池的污泥同時回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保證了缺氧池和好氧池有足夠數(shù)量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所產(chǎn)生的硝酸鹽。而原污水和混合液的直接進(jìn)入又為缺氧池反硝化提供了充足的碳源有機(jī)物，使反硝化反應(yīng)能在缺氧池中進(jìn)行，反硝化反應(yīng)的出水又可在好氧池中進(jìn)行BOD5的降解。

A/O與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，其特點有：流程簡單，構(gòu)筑物少，費用小，占地少；以原污水中的含碳有機(jī)物和內(nèi)源代謝產(chǎn)物為碳源，節(jié)省外加碳源的費用；好氧池在缺氧池后，可進(jìn)一步去除反硝化殘留的有機(jī)污染物，改善出水水質(zhì)；缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了一部分碳源有機(jī)物，可減輕好氧池的有機(jī)負(fù)荷，并且反硝化過程產(chǎn)生的堿度可以補(bǔ)償硝化過程對堿度的消耗。其缺點是：三種不同作用的微生物同在一個系統(tǒng)中，經(jīng)常改變條件，則存在不斷改變環(huán)境、不斷適應(yīng)環(huán)境的過程，微生物有適應(yīng)期、閑置期，未能發(fā)揮最佳作用。

隨著水體富營養(yǎng)化問題的日益突出、水質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)不斷嚴(yán)格化，使廢水脫氮問題成為了水污染控制中廣泛關(guān)注的熱點。而傳統(tǒng)多級分設(shè)備的生物脫氮工藝以及序批式活性污泥工藝等，雖然在廢水脫氮方面起著重要的作用，但仍然存在著以下問題：

①硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所需要的條件不同，需要序批式進(jìn)行，且 HRT較長，反應(yīng)池占地面積大；

②污泥產(chǎn)生量大，剩余污泥處理費用高，污泥不易沉降，而且容易發(fā)生污泥膨脹；

③耐水質(zhì)、水量沖擊負(fù)荷能力差，運行不夠穩(wěn)定；

④中和硝化過程中產(chǎn)生的酸度，需要加堿中和，增加了處理費用；

⑤曝氣池中的生物濃度低，曝氣池氧的傳質(zhì)效率低。

與此相比，單級生物脫氮工藝在生物脫氮過程當(dāng)中展現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。硝化反應(yīng)耗氧、耗堿度、但不消耗碳源，而反硝化過程不需氧、產(chǎn)生堿度、消耗大量碳源，兩者在多方面表現(xiàn)為互補(bǔ)。如果硝化和反硝化反應(yīng)能在同一處理系統(tǒng)中連續(xù)實現(xiàn)，硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物，避免了硝化過程中的NO2-的積累對硝化反應(yīng)的抑制，加快硝化反應(yīng)的速度，還可以有效利用廢水中有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化；而且也不需外加動力進(jìn)行硝化液循環(huán)；反硝化反應(yīng)增加的堿度補(bǔ)充硝化反應(yīng)減少的堿度，使系統(tǒng)內(nèi)的 pH值相對穩(wěn)定；另外，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)中進(jìn)行，簡化了操作的難度 。

五、短程硝化反硝化工藝

短程硝化反硝化工藝:短程硝化反硝化工藝（ Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite ）是一種新型的脫氮工藝。其基本原理是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后通過反硝化作用將亞硝酸氮還原為氮氣，是經(jīng)NH4+-N→ NO2--N→ N2的途徑完成，整個過程較全程硝化反硝化大大縮短。短程硝化的標(biāo)志是有穩(wěn)定且較高的 NO2--N 積累，即亞硝酸氮積累率較高。

與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，該工藝具有以下優(yōu)點：硝化與反硝化兩個階段在同一反應(yīng)器中完成，可以簡化工藝流程；可節(jié)省反硝化過程所需要的外加碳源 ，同時硝化產(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和，減少了處理費用；可以縮短水力停留時間，減少反應(yīng)器體積和占地面積；只需要將氨氮氧化成亞硝酸鹽，可減少25% 左右的供氣量，降低能耗。

六、厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝:厭氧氨氧化工藝（ Anaerobic AMMonium Oxidation ）是由荷蘭Delft大學(xué)于 1990年提出的。該工藝的特點是：在厭氧條件下，微生物直接以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，以氨氮作為電子供體，將氨氮氧化生成氮氣，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣。厭氧氨氧化是 Mulder和 Graaf對一個使用硫化物做電子供體的流化床反應(yīng)器自養(yǎng)菌反硝化運行工況仔細(xì)觀測和研究發(fā)現(xiàn)的。該工藝中亞硝酸鹽是一個關(guān)鍵的電子受體。與硝化作用相比，它以亞硝酸鹽取代氧，改變了電子受體；與反硝化作用相比，它以氨取代有機(jī)物作為電子供體。

從這一反應(yīng)中所產(chǎn)生的吉布斯（ Gibbs）自由能甚至比好氧氨氧化（硝化）所產(chǎn)生的能量還要高，所以能夠支持自養(yǎng)菌生長。這表明在這一工藝中發(fā)生的反硝化反應(yīng)中不需外加碳源。厭氧氨氧化工藝特別適宜在溫度高于 20℃和自營養(yǎng)系統(tǒng)中運行。這種工藝多用于處理工業(yè)廢水，也可用于處理其他廢液，如污泥消化池上清液。

七、脫氮除磷工藝

厭氧池（區(qū)）指非充氧池（區(qū)），溶解氧濃度一般小于0.2mg/L。微生物在該池（區(qū)）吸收有機(jī)物并釋放磷。

缺氧池（區(qū)）指非充氧池（區(qū)），溶解氧濃度一般為0.2～0.5mg/L。當(dāng)存在大量硝酸鹽、亞硝酸鹽和充足的有機(jī)物時，可在該池（區(qū)）內(nèi)進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)。

好氧池（區(qū)）指充氧池（區(qū)），溶解氧濃度一般不小于2mg/L，主要功能是降解有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)。

當(dāng)以除磷為主時，應(yīng)采用厭氧/好氧工藝，基本工藝流程如下：

當(dāng)以除氮為主時，宜采用缺氧/好氧工藝，基本工藝流程如下：

需要同時脫氮除磷時，應(yīng)采用厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）工藝。

VFA（揮發(fā)性脂肪酸），PHA（聚羥基脂肪酸），PO（磷酸鹽），PP（多聚磷酸鹽）厭氧條件下，PAOs吸收VFA轉(zhuǎn)化為PHA，這一過程PP高能鍵斷裂為這一過程釋放能量，同時釋放出磷酸鹽，而磷酸鹽濃度升高，恰恰是我們說的能夠利于PAOs生長繁殖好氧條件下，正好與其相反，吸收Po形成PP，而此時的能源則是PHA，如厭氧過程所說，PP是吸收PO所需要的能量物質(zhì)，也就等于是為下一次代謝周期做準(zhǔn)備，與此同時，PAOs分裂生成新的細(xì)胞，但是由于，PO含量降低，將會限制它的生存繁殖，所以必須通過人為過程使PO含量升高，完成一個完整的周期。如果不進(jìn)行循環(huán)，聚磷菌是無法完成完整的生命周期的。