微生物脱氮技术

微生物脱氮技术

摘要：本文论述了生物脱氮技术的发展历程，生物脱氮工艺，以及对生物脱氮的影响因素。

关键词：生物脱氮硝化反硝化影响因素

一般的活性污泥法以去除污水中可降解有机物和悬浮物为主要目的，对污水中氮、磷的去除没有特殊要求，但随着对水体环境质量要求的提高，对污水处理厂出水的氮、磷有控制要求。而对污水中氮、磷的处理有物化法和生物法，但生物法脱氮除磷有高效低成本的优势，所以目前出现了许多采用生物脱氮除磷的新工艺。微生物脱氮方面的研究进展很快，最早出现了三种用以去除BOD和氮的生物脱氮系统：即去碳、硝化、反硝化各自分开的三级生物脱氮系统；去碳、硝化同时进行，沉淀后再进行反硝化的二级生物脱氮系统以及去碳、硝化、反硝化相结合的单级生物脱氮系统。这三种系统都需要在硝化阶段投加碱，在反硝化阶段投加有机物，这使生物脱氮系统的运行费用较高。为改进这些缺点，20世纪80年代初期，又产生了将反硝化设备放置在处理系统最前面的前置反硝化微生物脱氮法，又称缺氧、好氧生物脱氮法，这种以A/O废水处理工艺为代表的生物脱氮技术，是目前最广泛采用的生物脱氮工艺。

一、基本原理

生物脱氮的原理主要是通过硝化作用和反硝化作用来完成的。

1．硝化作用硝化作用是指NH3氧化成NO2－，然后再氧化成NO3－的过程。

硝化细菌虽然几乎存在于所有的污水生物处理系统中，但是一般情况下，其含量很少。除温度、酸碱度等对硝化细菌的生长有影响外，另有两个主要原因：（1）硝化细菌的比增长速度比生物处理中（如活性污泥）的异养型细菌的比增长速度要小一个数量级。对于活性污泥系统来说，如果泥龄较短，排放剩余污泥量大，将使硝化细菌来不及大量繁殖。欲得到好的硝化效果，就需有较长的泥龄。（2）BOD5与总氮（TKN）的比例也影响活性污泥中硝化细菌所占的比例。所以，在微生物脱氮系统中硝化作用的稳定和硝化速度的提高是影响整个系统脱氮效率的一个关键。

2. 反硝化作用

反硝化包括异化反硝化和同化反硝化，在生物脱氮技术中以异化反硝化为主：反硝化菌在DO浓度很低的环境中，一般情况下DO值在低于0.5mg/L时，反硝化才能正常运行。

-—O）作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体而得到降解。

利用硝酸盐中的氧（NO

X

二、生物脱氮的工艺流程

生物脱氮的工艺流程，根据细菌在系统中存在的状态可分为悬浮污泥系统和生物膜法系统两大类，每一大类又可分为去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多级污泥系统。此外，根据脱氮时所用的碳源，还可将其细分为两类：内碳源即利用原水中的碳和内源性碳和外加碳源即另外投加甲醇或含碳丰富的其他工业废水（如一些含N较低BOD较高的制糖废水）。

1、悬浮污泥系统以A/O工艺为代表作简单介绍：

在A/O工艺中，原废水中的TKN和BOD在反硝化反应池中同时去除。反硝化池内不需，所以比普通活性污泥法减少了动力。硝化池中的硝化液（含有硝态氮的活性污泥）要O

2

-一部分回流至反硝化池，池内的反硝化脱氮菌以原污水中的有机物作碳源，以硝化液中NO

X 中的氧作为电子受体，将NO X--N还原成N2，不需外加碳源。为解决剩余的NO X--N进入沉淀池因脱氮反应而产生污泥上浮，所以在硝可在硝化反应器后再加一个反硝化反应池和硝化池，形成一个多级的反硝化生物脱氮系统。此外还有A2/O（厌氧－缺氧－好氧生物脱氮除磷工艺）、氧化沟、桥本工艺等。

2、生物膜系统

与悬浮污泥系统相比，生物膜系统的主要优点是无需回流污泥，且构筑物内可维持较高的生物量，因此，水力停留时间较悬浮污染系统短，负荷率高，脱氮效率高，是一种较为经济适用的脱氮工艺。

生物膜法脱氮系统中通常使反硝化过程和硝化过程分别在两个处理构筑物内进行，并使反硝化设备内微生物处于缺氧状态。反硝化处理设备可采用淹没式生物滤池、淹没式生物转盘和生物流化床；硝化处理构筑物除上述三种外，还可以用生物滤池。同悬浮污泥系统一样，生物膜脱氮系统也可以分为内碳源系统和外加碳源系统。

三、影响因素

由于微生物脱氮系统对氮的去除主要是通过硝化作用和反硝化作用实现的，因而影响这两个过程的一些环境因子都将对整个系统的氮去除产生影响，研究表明，影响微生物脱氮的主要因素有以下几个方面：

1．pH硝化反应要消耗碱，因此，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行，pH 会急剧下降。而硝化细菌对pH十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，pH值在这个范围以外，其活性便急剧下降，由此可见，pH是影响硝化速度的重要因素。

在生物反应构筑物中，硝化反应适宜的pH范围相对要宽一些。一些研究表明，硝化细菌经过一段时间驯化后，低pH值比突然降低pH值的影响小得多。经过驯化，硝化反应可在低pH值（如5.5）条件下进行。要使硝化反应的pH值从7.0降到6.0，约需要驯化10d。但突然降低pH值（如由7.2降到5.8），会使硝化反应速度骤降。当pH值升高后，硝化反应速度又会很快地恢复。

pH值也影响反硝化的速率。不同的学者以不同的反硝化细菌或不同来源的污泥进行试验，所报道的最适pH值范围略有不同，但大多数学者认为反硝化的最佳pH范围在中性和微碱性。由于反硝化作用是由各种非专性的反硝化细菌共同参与下进行的，所以在水处理系统中pH值的影响并不明显。

环境的pH值可影响到反硝化的最终产物。当pH低于6.0～6.5时，最终产物以N2O占

优势；当pH大于8时，会出现NO

2-的积累，且pH值越高，NO

2

-积累越多。经深入研究，发

现这是因为高pH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性而对硝酸盐还原酶的活性影响不大所致。

生物脱氮过程中，通常把硝化段运行的pH值控制在7.2～8.0之间，反硝化段pH控制在7.5～9.2之间。

2．温度硝化反应速度受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。两类硝化细菌的最宜温度为30℃左右。

研究表明温度对反硝化速度的影响大小与反硝化设备的类型（微生物悬浮生长型或固着型）、硝酸盐负荷率等因素有关。流化床反硝化对温度的敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。填料床反硝化的反应速度受温度的影响比悬浮污泥法小。不同硝酸盐负荷下，温度对反硝化反应速率的影响，结果表明负荷低，温度影响小；反之亦然。

3．溶解氧溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化细菌的生长速度，。硝化过程的溶解氧浓度，一般建议应维持在1.0mg／L～2.0mg／L。

溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原酶的形成或者充当电子受体从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原。虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某些酶系统组分只有在有氧时才能合成，因而在工艺上最好使这些反硝化菌（即活性污泥）交替处于好氧、缺氧的环境条件下。