污水處理干貨：硝化-反硝化工藝
導(dǎo)讀： 小編最近在設(shè)計(jì)上習(xí)慣性以氮元素為出發(fā)點(diǎn)，以去除氮的最終目標(biāo)的生化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，饒有興趣的整理了硝化-反硝化工藝的一些基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)原理。同時(shí)小編還對(duì)短程硝化-反硝化技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)具有濃烈的興趣，也期待與志同道合的微友一同探討。
隨著環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，對(duì)氮磷的嚴(yán)格要求日益突出，我們?nèi)绻琅f以去除有機(jī)物的思路設(shè)計(jì)污水處理站，將導(dǎo)致污水處理站難以挖掘生化工藝的潛力，總氮去除效率跟不上，導(dǎo)致后期的重復(fù)建設(shè)，同時(shí)沒能充分利用原有污水處理站的有機(jī)物營養(yǎng)，而致使投資運(yùn)行成本提高。掌握更深度的污水處理知識(shí)，對(duì)提升環(huán)保技能水平、降低投資與運(yùn)行成本至關(guān)重要。
小編最近在設(shè)計(jì)上習(xí)慣性以氮元素為出發(fā)點(diǎn)，以去除氮的最終目標(biāo)的生化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，饒有興趣的整理了硝化-反硝化工藝的一些基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)原理。同時(shí)小編還對(duì)短程硝化-反硝化技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)具有濃烈的興趣，也期待與志同道合的微友一同探討。
一、硝化與反硝化基礎(chǔ)知識(shí)
廢水中的氮常以合氮有機(jī)物、氨、硝酸鹽及亞硝酸鹽等形式存在。生物處理把大多數(shù)有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨，然后可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。
1、硝化與反硝化
（一） 硝化
在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程，稱為生物硝化作用。
反應(yīng)過程如下：
亞硝酸鹽菌（8-36h）
NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O-△E E=278。42KJ
第二步亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽：
酸鹽菌（12-59h）
NO-+1/2O2 →NO3--△E △E=278。42KJ
這兩個(gè)反應(yīng)式都是釋放能量的過程，氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮并不是去除氮而是減少它的需氧量。上訴兩式合起來寫成：
NH4++2O2 →NO3-+2H++H2O-△E △E=351KJ
NH4++1。83O2+1。98HCO3-→0。02C5H7O2N+0。98 NO3-+1。04 H2O+1。88H2CO3
由上式可知：（1）在硝化過程中，1g氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮時(shí)需氧4。57g；（2）硝化過程中釋放出H+，將消耗廢水中的堿度，每氧化lg氨氮，將消耗堿度（以CaCO3計(jì)） 7。lg。
�。�3）水中BOD不宜過高，20mg/L以下，否則會(huì)使增值速率較大的異氧細(xì)菌迅速增殖，使自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌受到排擠，難以形成優(yōu)勢(shì)菌種，使硝化反應(yīng)難以進(jìn)行。
影響硝化過程的主要因素有：
（1）pH值 當(dāng)pH值為8。0～8。4時(shí)（20℃），硝化作用速度最快。
由于硝化過程中pH將下降，當(dāng)廢水堿度不足時(shí)，即需投加石灰，維持pH值在7。5以上；
（2）溫度 溫度高時(shí)，硝化速度快。亞硝酸鹽菌的最適宜水溫為35℃，在15℃以下其活性急劇降低，故水溫以不低于15℃為宜；
�。�3）污泥停留時(shí)間 硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長速率為 =0。3～0。5d-1（溫度20℃，pH8。0～8。4）。為了維持池內(nèi)一定量的硝化菌群，污泥停留時(shí)間 必須大于硝化菌的最小世代時(shí)間 。在實(shí)際運(yùn)行中，一般應(yīng)取 〉2d ；
�。�4）溶解氧 氧是生物硝化作用中的電子受體，其濃度太低將不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。一般，在活性污泥法曝氣池中進(jìn)行硝化，溶解氧應(yīng)保持在2～3mg/L以上；
�。�5）BOD負(fù)荷 硝化菌是一類自養(yǎng)型菌，而BOD氧化菌是異養(yǎng)型菌。若BOD5負(fù)荷過高，會(huì)使生長速率較高的異養(yǎng)型菌迅速繁殖，從而使自養(yǎng)型的硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)，結(jié)果降低了硝化速率。所以為要充分進(jìn)行硝化，BOD5負(fù)荷應(yīng)維持在0。3kg（BOD5）/kg（SS）。d以下。
�。ǘ� 反硝化
在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌（反硝化菌）的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體（氫供體）是各種各樣的有機(jī)底物（碳源）。以甲醇作碳源為例，其反應(yīng)式為：
6NO3-十2CH3OH→6NO2-十2CO2十4H2O
6NO2-十3CH3OH→3N2十3CO2十3H2O十60H-
綜合反應(yīng)式為：
6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-
由上可見，在生物反硝化過程中，不僅可使NO2--N、NO3--N被還原，而且還可使有機(jī)物氧化分解。
1mg的硝酸鹽氮理論消耗2。87mg的BOD5，一般4mg的BOD5即可滿足反硝化的需求
影響反硝化的主要因素：
�。�1）溫度 溫度對(duì)反硝化的影響比對(duì)其它廢水生物處理過程要大些。一般，以維持20～40℃為宜。苦在氣溫過低的冬季，可采取增加污泥停留時(shí)間、降低負(fù)荷等措施，以保持良好的反硝化效果；
�。�2）pH值 反硝化過程的pH值控制在7。0～8。0；
�。�3）溶解氧 氧對(duì)反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應(yīng)器內(nèi)溶解氧應(yīng)控制在0。5mg/L以下（活性污泥法）或1mg/L以下（生物膜法）；
（4）有機(jī)碳源 當(dāng)廢水中含足夠的有機(jī)碳源，BOD5/TKN〉（3～5）時(shí)，可無需外加碳源。當(dāng)廢水所含的碳、氮比低于這個(gè)比值時(shí)，就需另外投加有機(jī)碳。外加有機(jī)碳多采用甲醇。考慮到甲醇對(duì)溶解氧的額外消耗，甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外，還可利用微生物死亡；自溶后釋放出來的那部分有機(jī)碳，即“內(nèi)碳源”，但這要求污泥停留時(shí)間長或負(fù)荷率低，使微生物處于生長曲線的靜止期或衰亡期，因此池容相應(yīng)增大。
二、脫氮型工業(yè)污水的設(shè)計(jì)
�、僭O(shè)計(jì)的觀點(diǎn)
脫氮通常采用脫氮池-硝化池（膜分離池）2池進(jìn)行；如要求去除率在90%以上或處理出水T-N≦5mg/L的場合，還需要采用第2脫氮池-再曝氣池（膜分離池）的組合型2段脫氮法。
脫氮池的攪拌應(yīng)采用帶入氧氣較少的機(jī)械式設(shè)備。
�、�1級(jí)脫氮法
硝化池及脫氮池的容量，根據(jù)下表的脫氮速率（標(biāo)準(zhǔn)）和硝化速率決定后，計(jì)算出脫氮容積負(fù)荷。
脫氮容積負(fù)荷（kg-N/（m3/d））=脫氮（硝化）速率（kg-N/（kg-SS/d））×MLSS濃度（kg/m3）
硝化液循環(huán)量計(jì)算：根據(jù)去除率決定
從硝化池到脫氮池的循環(huán)比如果為R，硝化液循環(huán)量則為RQ，從脫氮池的移送量則為（R+1）Q。這時(shí)的最大脫氮率為R/（R+1）×100（%），所以實(shí)際上從脫氮率算出R，并決定循環(huán)水泵的移送量（R+1）Q。
�、�2級(jí)脫氮法
2級(jí)脫氮法中第2級(jí)脫氮池對(duì)NOx的脫氮率可達(dá)100%，所以理論上對(duì)無機(jī)性氮的去除率可以為100%，但是現(xiàn)實(shí)情況是膜分離池中有NOx的溶出，所以會(huì)有0～3mg/L左右的余留。
首先需選擇從膜分離池的返送汚泥送到硝化池（流程1） ，還是送到第1脫氮池（流程2）。作為大概值，流入的BOD/N〈4時(shí)采用流程1，BOD/N≧4時(shí)采用流程2。
另外，有關(guān)甲醇的使用量，參照藥液使用量計(jì)算公式。
1） 流程1（BOD/N〈4）
第1級(jí)脫氮池中為了節(jié)約加碳源量（甲醇等），第1脫氮池的去除氮量為流入BOD5×1/3（mg/L）的數(shù)值，剩余的氮量需要在第2級(jí)脫氮池去除。根據(jù)第1脫氮池的脫氮量計(jì)算去除率，決定硝化液循環(huán)比（R）。另外根據(jù)各池的汚泥濃度設(shè)為多少?zèng)Q定返送汚泥比（r）（表2-4）。各池的汚泥濃度減小時(shí)各水池的容量增大，所以最好返送汚泥比（r）≧3。
流入BOD幾乎沒有的場合，硝化液循環(huán)比設(shè)為R≧1，對(duì)第1級(jí)及第2級(jí)脫氮池注入需要的加碳源量。
各水池容積計(jì)算：
-第1級(jí)脫氮池：根據(jù)表2-3的脫氮速度（標(biāo)準(zhǔn)）求得氮容積負(fù)荷，計(jì)算第1級(jí)的氮去除量（流入氮量×第1級(jí)去除率）。
-根據(jù)硝化池：硝化速度求得氮容積負(fù)荷。這時(shí)，考慮為了全量硝化對(duì)流入氮量進(jìn)行計(jì)算。
-第2脫氮池：求得脫氮速度（甲醇？醋酸），對(duì)第2級(jí)的去除對(duì)象氮量（流入氮量-第1級(jí)去除量）進(jìn)行計(jì)算。
-膜分離池：為了防止由于汚泥分解造成氮的再偏析，膜分離池容量應(yīng)為可以設(shè)置膜分離裝置的最小容量。
2） 流程2（BOD/N≧4）
和流程1一樣、根據(jù)第1級(jí)脫氮池的脫氮量計(jì)算去除率決定硝化液循環(huán)比（R），因?yàn)榱魅隑OD高，所以R≧4。根據(jù)各池的汚泥濃度設(shè)為多少?zèng)Q定返送汚泥比（r）（表2-4）。各池的汚泥濃度減小時(shí)各水池的容量增大、所以最好返送汚泥比（r）≧3。
和流程1相比第1脫氮池的MLSS可以提高，所以有可以減小水池的優(yōu)點(diǎn)。
各水池容積計(jì)算
-第1脫氮池：根據(jù)表2-3的脫氮速度（標(biāo)準(zhǔn)）求得氮容積負(fù)荷、對(duì)第1段的去除對(duì)象氮量（R=4的場合 流入氮量×4/5）進(jìn)行計(jì)算。
-硝化池：根據(jù)硝化速度求得氮容積負(fù)荷。這時(shí)、考慮為了全量硝化對(duì)流入氮量進(jìn)行計(jì)算。
-第2脫氮池：需注入脫氮時(shí)所需要的加氫量。池容量是求得脫氮速度（甲醇？醋酸）、對(duì)第2段的去除對(duì)象氮量（流入氮量-第1段去除量）進(jìn)行計(jì)算。
-膜分離池：為了防止由于汚泥分解造成氮的再偏析、膜分離池容量應(yīng)為可以設(shè)置膜分離裝置的最小容量。
