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环保工程师专业知识：生物脱氮
生物脱氮是在氨化菌作用下，有机氮被分解转化为氨态氮，这一过程称为氨化过程，氨化过程很容易进行。下面小编为大家整理了关于生物脱氮的文章，一起来看看吧：
1.生物脱氮的基本原理
废水生物脱氮利用自然界氮素循环的原理，在水处理构筑物中营造出适宜于不同微生物种群生长的环境，通过人工措施，提高生物硝化反硝化速率，达到废水中氮素去除的目的，一般由三种作用组成：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。
⑴氨化作用
未经处理的城市污水中的有机氮主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、氰化物和硝基化合物等。有机氮化合物在好氧菌和氨化菌的作用下被分解转化为氨态氮。
⑵硝化反应
生物硝化反应是亚硝化菌、硝化菌将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，是由一群自养型好氧微生物通过两个过程完成的：第一步先由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应，第二步由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。
⑶反硝化反应
生物反硝化反应是在缺氧状态下，将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮或氮氧化物的过程，它是一群异氧型微生物通过同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将亚硝酸盐和硝酸盐还原成氮气和氮的氧化物等气体物质，主要是氮气。而同化作用是反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原成氨氮供新细胞合成之用。
2.生物硝化过程的主要影响因素
影响生物硝化过程的环境因素主要有基质浓度、温度、溶解氧浓度、pH值、以及抑制物质的含量等。
⑴碳氮比
对于硝化过程，碳氮比影响活性污泥中硝化细菌所占的比例，过高的碳氮比将降低污泥中硝化细菌的比例。
⑵温度
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，亚硝化菌最佳的生长温度为35℃，硝化菌的最佳生长温度为 35～42℃。生物硝化反应的最佳温度范围为20～30℃，15℃以下硝化反应速率下降，5℃时反应基本停止。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。
⑶溶解氧
硝化反应必须在好氧条件下进行，所以溶解氧的浓度也会影响硝化反应速率，一般建议硝化反应中溶解氧的质量浓度大于 2mg/L。
⑷pH值
在硝化反应中，每氧化1g氨氮需要7.14g碱度(以碳酸钙计)，如果不补充碱度，就会使pH值下降。硝化菌对pH值的变化十分明显，硝化反应的最佳pH值范围为7.5～8.5，当pH值低于7时，硝化速率明显降低，低于6和高于10.6时，硝化反应将停止进行。
⑸抑制物质
许多物质会抑制活性污泥过程中的硝化作用，例如：过高浓度的氨氮、重金属、有毒物质以及有机物。对硝化反应的抑制作用主要有两个方面：一是干扰细胞的新陈代谢，二是破坏细菌最初的氧化能力。
⑹泥龄
硝化过程的泥龄一般为硝化菌最小世代时间的2倍以上，生物脱氮过程泥龄宜为12～25d。
3.生物脱氮的典型工艺
生物脱氮的典型工艺主要有Sp工艺、氧化沟工艺和厌氧/好氧工艺(即A/O工艺)等，下面介绍一下A/O工艺。
⑴工艺流程
污水先进入缺氧池，再进入好氧池，同时将好氧池的混合液与部分二沉池的沉泥一起回流到缺氧池，确保缺氧池和好氧池中有足够数量的微生物，同时由于进水中存在大量的含碳有机物，而回流的好氧池混合液中含有硝酸盐氮，这样就保证了缺氧池中反硝化过程的顺利进行，提高了氮的去除效果。
⑵工艺特点
①流程简单、构筑物少，基建费用低;②反硝化池不需外加碳源，降低了运行费用;③好氧池在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机污染物得到进一步的去除，提高出水的水质，而缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，可减轻其后好氧池的有机负荷。
⑶影响因素
主要有水力停留时间、BOD5浓度、温度、pH值、溶解氧、有机碳源及混合液回流比等。
4 试验材料与方法
1. 1 试验装置
试验装置。采用序批式反应器（ 有效容积为15 L） ，考察硝酸盐为电子受体的反硝化脱氮运行效果。瞬时进水，通过搅拌器使泥水混合均匀，在运行期间保持反应器较好的厌氧/缺氧状态。试验用活性污泥取自某污水处理厂的沉淀池，该污泥具有初步的脱氮能力，活性污泥不进行培养驯化直接投入反应器，以厌氧/缺氧方式启动运行，反应器每天运行3 个周期，每个周期运行8 h，其中厌氧180 min、缺氧260 min、排泥排水40 min。r每周期开始瞬时加入含碳有机合成物5 L，缺氧期开始用恒流泵加入硝酸钠溶液5 L，硝态氮浓度从启动时的40 mg /L 逐渐增大直到稳定运行。系统MLSS 约为3 000 mg /L，HRT 为16 h，SRT 为30 d，pH 值控制在7. 0 ～ 8. 0。原则上当NO —3 — N 去除率> 90% 时，进水NO —3 — N 负荷正常以20 mg /L 递增，同时兼顾出水水质的稳定性。反应器运行过程中，分析检测运行参数，以便判断反应器运行状况并对其参数作相应调整。试验对比普通生物脱氮工艺和生物强化脱氮工艺的运行状况，每周期监测进出水NO —3 — N、NO —2 — N 浓度，每天从3 组数据中选择效果最好的一组作为当日的代表数据。
1。 2 试验水质
进水采用人工合成污水，水质成分如下： 葡萄糖（ COD） ，NaNO3（ NO —3 — N） ，KH2PO4为6 mg /L，CaCl2为10 mg /L，MgSO4·7H2O 为90 mg /L，NH4Cl（ NH +4 — N） 为20 mg /L，微量元素溶液为2 mL /L。微量元素成分如下： CuSO4·5H2O 为30 mg /L，KI为180 mg /L，MnCl2·4H2O 为60 mg /L，NaMoO4·2H2O 为60 mg /L，ZnSO4·7H2O 为120 mg /L，CoCl2·6H2O 为150 mg /L，EDTA 为10 g /L。其中COD、NO —3 — N 浓度随工艺运行逐步递增，基本原则为COD ∶ NO —3 — N = 4 ∶ 1，NaNO3（ NO —3 — N） 在缺氧期加入。厌氧期进水pH 值为7。 8 ± 0。 2，缺氧期进水pH 值为7。 2 ± 0。 2，以NaHCO3或HCl 调节pH 值。普通装置和生物强化装置，除进水NO —3 — N、COD 浓度不同外，其余运行条件全部相同。
1. 3 分析项目与方法
COD： COD 快速测定仪； 硝酸盐： 紫外分光光度法； 亚硝酸盐： N — （ 1 — 萘基） — 乙二胺分光光度法；pH 值： 玻璃电极法。
1.4 生物强化菌种来源
生物强化反硝化试验菌种分离自前期稳定运行的反硝化脱氮污泥。优选得到的高效功能菌斜面保存备用。
1. 4. 1 菌种分离培养基
2. 0 g 的KNO3，5。 0 g 的葡萄糖，1 g 的K2HPO4，1g 的KH2PO4，0。 2 g 的MgSO4·7H2O，15～ 20 g 的琼脂，1000 mL 的蒸馏水，pH 值为7。 2 ～7。 5， 121 ℃条件下灭菌20 min。
1. 4. 2 菌种优选
将初选出的菌株扩大培养后，无菌高速冷冻离心分离，等量接种到装有200 mL 试验用水的静态试验装置进行摇床培养，定时取样，测定NO —3 — N、NO —2 — N 浓度变化，比较其反硝化能力。由于所筛菌株为后续生物强化辅助技术提供菌源，所以静态试验水质结合反应器实际运行情况，进一步提高硝酸盐浓度，以筛选出脱氮能力强的功能菌。水质如下： 葡萄糖（ COD） 为1 000 mg /L，NaNO3（ NO —3 — N） 为400 mg /L，其余成分同1. 2 节。
1. 4. 3 菌株鉴定
对优选出的代表菌株进行其单一菌种的相关特性研究[5]，在进行形态观察及生理生化试验的基础上，进行16S rDNA 的序列测定，从分子生物学的角度进一步鉴定其属种。
1. 5 生物强化研究
本试验为生物强化技术进行反硝化脱氮是否可行的初步探讨，所以采用操作较为简单的活化菌液直接投加。每次提高进水NO —3 — N 负荷时投加生物强化优势菌，投加时先将斜面保存的纯种优选菌株活化后进行扩大培养，再将获得的扩大培养菌液无菌高速冷冻离心分离，最后用无菌水将离心物洗出变成纯菌液。菌的含量为108 ～ 109 CFU/mL，每次按处理水量体积的2%投加。
5.分段进水生物脱氮工艺的特点
（1）脱氮效率高
分段进水A/O工艺对氮的总去除率包括两部分，一是剩余污泥排放去除的氮量，二是硝化、反硝化去除的氮量[4]。即
(1)
(2)
式中：—进水总氮的质量浓度，g/m3；
A —剩余污泥中的氮含量，g[N」/g[SS]；
XE —剩余污泥的质量浓度，g/m3；
QE —剩余污泥的排放量，m3/d；
Q —流入反应器的水量，m3/d。
以图3—3为例，分段进水A/O工艺在碳源、溶解氧等反硝化、硝化条件良好的情况下，反硝化脱氮部分的去除率为:
(3)
式中: r —回流污泥比，%；
n —反应器段数。
反应器级数越多，脱氮效率越高。可见分段进水A/O工艺可以在常规活性污泥回流比下，不需硝化液回流，就可获得较高的脱氮效率。实验表明，NH3-N的平均去除率为82.5-96%。
（2）节省基建投资
对分段进水A/O工艺反应器进行M LSS质量平衡计算，对于最后一段可以得到以下表达式:
(4)
式中: Xn —最后一段好氧池的M LSS的质量浓度，即进入终沉池的M LSS的质量浓度，mg/L；
Xr —回流污泥M LSS的质量浓度，mg/L。
同理，对反应器其余段可得出各段混合液浓度表达式:
(5)
式中: —第i段好氧池的M LSS的质量浓度，mg/L；
—流入第m段反应器的水量，m3/d。
由式(4)、式(5}可知，在反应器出水M LSS不变的情况下，分段进水A/O工艺比一般前置反硝化工艺的污泥平均浓度要高，在其它条件不变时，反应器容积可减小，因而节省基建投资。
（3）降低运行费用
由于好氧区硝化液直接进入下一级缺氧区，不需要设置硝化液回流设施，即无内回流。而对于传统A/O工艺，除50%——100%污泥回流外，还需200%——300%的硝化液回流。K inraku ji-cho等通过对分段进水缺氧/好氧活性污泥系统的研究指出，采用分段进水具有低能耗的特征，由于系统不需硝化液回流，仅需50%左右的污泥回流，因此回流系统能耗降低70%左右。实际运用中，可根据季节、进水水质及水量的变化调整分段进水的流量分配比例，取得较为理想的出水效果。
（4）碱度满足要求
由于采用分段进水，硝化、反硝化间歇进行，硝化过程中被消耗的碱度，在反硝化过程中可以得到一定程度的补偿，这样在整个系统中，碱度不会发生很大的变化，pH值基本上能维持在7—8之间，这非常接近于同步硝化反硝化，在整个脱氮过程中一般不需要再补充碱度。
（5）抗冲击负荷强
由于分段进水反应器内混合液流态界于平推流与全混流之间，属于非理想流反应器，在运行方式上为“整体推流，局部混合”。另外，该工艺还可以根据进水量、水质特性和环境条件的变化，灵活调整运行方式，因此与传统A/O工艺相比，能较好的承受冲击负荷。实验表明，即使进水的COD、SS、NH3-N、TN波动较大，出水水质也可以保持相对稳定，TCOD、SCOD平均去除率分别在90%和84.5%,出水SS值一般不会超过10mg/L。
不同地区，污水温度也不同，为了达到有效节能的污水处理，可以根据活性污泥新标准法作调整。当水温低于10℃时，可选择AOOO工艺，15℃～30℃时，可选择AOAO工艺，30℃以上时，可选择AAOO工艺，进行有效的季节性工艺调整[5]；
选择生物除氮，除COD，加PAC药剂脱磷。除磷使用药剂和水量的比例为0.01%，去除率可达90%以上，从而一次性达到脱氮除磷、去除COD的目的；
经过4个月的运行调试以后，该处理系统的出水水质达到了国家《污水综合排放标准》（GB18918—2002）一级A排放标准。
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