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关于生物脱氮:分类、影响因素和主流工艺

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学社我家 发表于 2019-8-4 11:38 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
生物脱氮是指在微生物的联合作用下,污水中的有机氮及氨氮经过氨化作用、硝化反应、反硝化反应,最后转化为氮气的过程。其具有经济、有效、易操作、无二次污染等特, 被公认为具有发展前途的方法,关于这方面的技术研究不断有新的成果报道。
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4 N) u6 s* }" [$ A- \技术分类
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8 h9 G* I( x9 P) A) C. p, M6 |氨化反应:氨化反应是指含氮有机物在氨化功能菌的代谢下,经分解转化为 NH4+的过程。含氮有机物在有分子氧和无氧的条件下都能被相应的微生物所分解,释放出氨。
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生物脱氮过程示意图) G4 x; b! D' Y1 {& {3 z7 B

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硝化反应:硝化反应由好氧自养型微生物完成,在有氧状态下,利用无机氮为氮源将NH4+化成NO2-,然后再氧化成NO3-的过程。硝化过程可以分成两个阶段。第一阶段是由亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐(NO2-),第二阶段由硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐(NO3-)。, t: [4 o# h8 X5 M- i8 }' A' e

( }; ?9 Z( b; [# N. N: A! E. B反硝化反应:反硝化反应是在缺氧状态下,反硝化菌将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮(N2)的过程。反硝化菌为异养型微生物,多属于兼性细菌,在缺氧状态时,利用硝酸盐中的氧作为电子受体,以有机物(污水中的BOD成分)作为电子供体,提供能量并被氧化稳定。
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& g8 y7 H9 E/ i! }主要影响因素4 m. q! \7 P: {
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(1)温度4 [9 S6 l% }1 G

5 h& o7 @0 u# q0 R& l* Z# N生物硝化反应的适宜温度范围为20~30℃,15℃以下硝化反应速率下降,5℃时基本停止。反硝化适宜的温度范围为20~40℃,15℃以下反硝化反应速率下降。实际中观察到,生物膜反硝化过程受温度的影响比悬浮污泥法小,此外,流化床反硝化温度的敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。
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(2)溶解氧
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硝化反应过程是以分子氧作为电子终受体的,因此,只有当分子氧(溶解氧)存在时才能发生硝化反应。为满足正常的硝化效果,在活性污泥工艺运行过程中,DO值至少要保持在2mg/L以上,一般为2~3mg/L。当DO值较低时,硝化反应过程将受到限制,甚至停止。" f& r$ N) r7 c5 e; \$ U) z
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反硝化与硝化在溶解氧的需求方面是一个对立的过程。传统的反硝化过程需要在严格意义上的缺氧环境下才能发生,这是因为DO与NO3-都能作为电子受体,存在竞争行为。当有DO存在时,不仅会抑制微生物对硝酸盐还原酶的合成及其活性,而且会使反硝化菌优先利用 DO作为电子终受体降解有机物。但是,在实际的工艺运行过程中,由于氧传递的限制造成污泥絮体内部存在部分缺氧环境,也就是说,曝气池内即使存在一定浓度的DO,反硝化反应也有可能发生。研究表明,在实际活性污泥系统中只需将缺氧池DO控制在0.5mg/L 以下就能够促使反硝化反应的发生,实现较好的反硝化效果。
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(3)pH; p5 k* f. M  D, T8 t6 S+ d- q1 p

8 u  N* `: y' T( Y5 D# H+ a& P8 I) [pH值是影响废水生物脱氮工艺运行的重要参数之一。多数实验表明,生物脱氮功能菌对 pH值的变化非常敏感,硝化菌的最适pH为 8.0~8.4,当pH值不在6.0~9.6范围,即高于9.6或低于6.0时硝化反应将受到抑制而停止。
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) S$ Y) y; T0 |1 v) c2 M1 f0 y对于反硝化过程而言,反硝化反应也需要维持一定的pH值,以使其达到最佳状态,其最适 pH为7.0~8.5。发生有效反硝化作用的pH范围为6.0~8.5,当pH8.5时,反硝化效果受到影响,表现为反硝化速率的显著下降。此外,反硝化反应的终产物还受pH值的影响,不同的pH值将有不同的终产物,如pH>7.3 反应终产物为 N2,而pH<7.3 反应终产物为N2O。9 ^; U3 x( X( Z$ v7 K) O+ |
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(4)碳氮比5 X9 ~; _1 `" D" C
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生物脱氮硝化与反硝化过程实际上是一个对立的统一体,这是由硝化菌和反硝化菌的自身属性决定的。硝化菌为自养微生物,代谢过程不需要有机物的参与,当存在高浓度有机物时,其对营养物质的竞争远弱于异养菌而产生抑制效果,硝化反应会因硝化菌数量的减少而受到限制。所以,污水进水BOD5/TKN越小,硝化菌所占的相对比例就越大,这样就越有利于硝化反应的发生。反硝化菌是异养微生物,进行反硝化反应时需要有机碳源参与提供反应电子,因此,为实现真正意义上的生物脱氮,就必需有足够的碳源有机物。有关研究表明,废水进水中 BOD5/TKN≥4~6 时,可以认为反硝化碳源是充足的,不必外加碳源。" _# |& R& b, a! j0 H
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(5)污泥龄(SRT)6 m# z8 P- h/ O: \. ?. m$ d
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SRT是废水生物脱氮系统的一个重要控制参数。一般来说,系统的SRT要大于硝化菌的最小比生长速率,这是因为硝化菌的比增长速率要比活性污泥系统中异养菌的比增长速率小一个数量级。唯有这样,硝化菌在连续流的系统中才能得以生存,以至硝化反应的发生,实现氮素的转化。
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(6)硝化液回流比(IR)1 D0 _, {3 O, [5 j6 r2 x  i
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回流在生物脱氮工艺中起到至关重要的作用,它向反应器提供氮源作为反硝化底物发生反硝化反应,从而实现转化还原为N2。IR在影响反硝化效果的同时也会波及到回流动力消耗,是生物脱氮系统中一个有着现实意义的参数。
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+ {% D% y4 s" R2 A应用工艺
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传统的生物脱氮技术始于上世纪30年代,真正应用于20世纪70年代。自Barth三段生物脱氮工艺的开创,A/O工艺、SBR工艺等脱氮工艺相继被提出并应用于工程实际。
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+ J- t- X  ?8 X$ Z三段生物脱氮工艺
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# ]: ~( t/ v# e* d) |1 y) n9 X" j三段生物脱氮工艺流程如图所示,该工艺是将有机物降解、硝化作用以及反硝化作用三个阶段独立开来,每一阶段后面都有各自独立的沉淀池和污泥回流系统。第一段曝气池的主要作用是代谢分解有机物,并使有机氮氨化。第二段硝化池主要进行硝化反应,将氨氮氧化,同时需投加碱度以维持一定的pH值。第三段是反硝化反应器,硝态氮在缺氧条件下被还原为N2,安装搅拌装置使污泥混合液呈悬碳源以满足浮状态,并外加反硝化反应所需的碳源。
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A/O生物脱氮工艺. _' s/ t! i5 U4 N0 ?8 J: P
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A/O 生物脱氮工艺如图所示,该工艺将缺氧段置于系统前端,其发生反硝化反应产生的碱度能够少量补充硝化反应之需。另外,缺氧池中反硝化反应利用原废水中的有机物为碳源可以减少补充碳源的投加甚至不加。通过内循环将硝化反应产生的硝态氮转移到缺氧池进行反硝化反应,硝态氮中氧作为电子受体,供给反硝化菌的呼吸作用和生命活动,并完成脱氮工序。在 A/O 生物脱氮工艺中,硝化液回流比对系统的脱氮效果影响很大。若回流比控制过低,则无法提供充足的硝态氮进行反应,使硝化作用不完全,进而影响脱氮效果;若控制过高,则导致硝化液与反硝化菌接触时间减短,从而降低脱氮效率。因此,在实际的运行过程中需要控制适当的硝化液回流比,使系统脱氮效果达到最佳水平。# Q' r& V3 s6 `
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SBR脱氮工艺% M5 O. ^: T/ t' {. ~. L

% B! u, }3 y0 }& s. t$ ?/ QSBR脱氮工艺与A/O工艺相比,其运行方式有所不同,但在脱氮反应机理上基本与A/O生物脱氮工艺一致。SBR工艺为间歇的运行方式,采用一个独立的反应池替代了传统的由多个具有不同功能的反应区组合而成的A/O生物脱氮反应器。SBR脱氮工艺以时间的交替方式实现了缺氧/好氧环境,取代了传统空间上的缺氧/好氧,因其具有简单的结构和灵活的操作方式而倍受研究者的关注和研究。% L" L' }! r' B# x, E

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