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生物脫氮原理及工藝分析

文章出處:林夕發(fā)表時間:2018-9-10 9:56:43 瀏覽數(shù):
  高氨氮廢水是我們經(jīng)常會遇到的一種廢水,想要將污水中的氨氮去除,除了要了解各種脫氮原理,還要從經(jīng)濟(jì)有效的角度來考慮選用哪種工藝。而生物脫氮技術(shù)恰恰符合以上條件,成為污水脫氮中最常見的工藝之一。

 生物脫氮原理及工藝分析

  污水中的氮主要以氨氮和有機(jī)氮的形式存在,通常沒有或只有少量亞硝酸鹽和硝酸鹽形式的氮。只有不到20%~40%的氮在傳統(tǒng)的二級處理中被去除。污水生物處理脫氮主要是靠一些專性細(xì)菌實(shí)現(xiàn)氨形式的轉(zhuǎn)化,經(jīng)過氨化、硝化、反硝化過程,含氮有機(jī)化合物最終轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)?,從污水中去除,其過程如圖所示:


 一、工藝原理及過程

  硝化菌把氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程稱為硝化過程,硝化是一個兩步過程,分別利用了兩類微生物--亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌。這兩類細(xì)菌統(tǒng)稱為硝化菌,這些細(xì)菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-CO2等無機(jī)碳。第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。這兩個反應(yīng)過程都釋放能量,硝化菌就是利用這些能量合成新細(xì)胞和維持正常的生命活動,氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮并不是去除氮而是減少了它的需氧量。

生物脫氮原理及工藝分析

  反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程,即由硝化菌產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下,被還原為氮?dú)夂髲乃幸绯龅倪^程。反硝化過程也分為兩步進(jìn)行,第一步由硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,第二步由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮、氧化二氮和氮?dú)?。同時,反硝化菌利用含碳有機(jī)物和部分分硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮用于細(xì)胞合成,該碳源既可以是污水中的有機(jī)碳或細(xì)胞體內(nèi)碳源,也可以外部投加。

  二、生物脫氮的工藝控制

  1.消化過程(硝化菌)的影響因素 

  1)溫度:硝化反應(yīng)的最適宜溫度范圍是3035℃,溫度不但影響硝化菌的比增長速率,而且影響硝化菌的活性。溫度低于5℃,硝化細(xì)菌的生命活動幾乎完全停止:在535℃的范圍內(nèi),硝化反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快;但達(dá)到30℃后,蛋白質(zhì)的變性會降低硝化菌的活性,硝化反應(yīng)增加的幅度變小。對于同時去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的系統(tǒng),溫度低于15℃時硝化速率會迅速降低。低溫對硝酸菌的抑制作用更為強(qiáng)烈,因此在1214℃的系統(tǒng)中會出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

 

  2)溶解氧:溶解氧濃度為0.5-0.7mg/L是硝化菌可以忍受的極限,溶解氧低于2mg/L條件下,氮有可能被完全硝化,但需要較長的污泥停留時間,因此一般應(yīng)維持混合掖的溶解氧濃度在2mg/L以上。對于同時去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化的工藝,硝化菌約占活性污泥的5%左右,且大部分處于生物絮體的內(nèi)部。在這種情況下,溶解氧濃度的增加將會提高溶解氧對生物絮體的穿透力,從而提高硝化反應(yīng)速率。

 

  因此,在低泥齡條件下,由于含碳有機(jī)物氧化速率的增加使耗氧速率增加,減少了溶解氧對生物絮體的穿透力,進(jìn)而降低了硝化反應(yīng)速率。相反,在長泥齡條件下,耗氧速率較低,即使溶解氧濃度不高,也可保證溶解氧對生物絮體的穿透作用,從而維持較高的硝化反應(yīng)速率。因此當(dāng)泥齡降低時,為維持較高的硝化速率,應(yīng)該相應(yīng)提高溶解氧濃度。

 

  3)pH值和堿度:硝化菌對pH值十分敏感,硝化反應(yīng)的最佳pH值范圍是7.2-8.0,pH值超出這個范圍時,硝化反應(yīng)速率會明顯降低,低于6或高于9.6時,硝化反應(yīng)將停止進(jìn)行。另外,每硝化1g氦氮大約要消耗7.14gCaCO3堿度,因此,如果污水沒有足夠的堿度進(jìn)行緩沖,硝化反應(yīng)將導(dǎo)致pH值下降、反應(yīng)速率減緩。

 

  因此,保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行,往往需要投加必要的堿量以維持適宜的pH值。硝化菌經(jīng)過一段時間的馴化后,硝化反應(yīng)可以在較低的pH值條件下進(jìn)行,但pH值突然降低也會引起硝化反應(yīng)速度的驟降。有研究表明,要使硝化反應(yīng)的pH值由7.0降低到6.0,大約需要馴化10d。

 

  4)有毒物質(zhì):過高的氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及某些有機(jī)物對硝化反應(yīng)都有抑制作用。一般情況下,重金屬和有毒物質(zhì)主要抑制亞硝酸菌的生長,個別物質(zhì)抑制硝酸菌的生長。有機(jī)物濃度高時,異養(yǎng)菌的數(shù)量會大大超過硝化菌,從而阻礙氨向硝化菌的轉(zhuǎn)移,硝化菌能利用的溶解氧也因異養(yǎng)菌的利用而減少,硝化反應(yīng)能順利進(jìn)行所要求的BOD5值一般應(yīng)低于20mg/L。因此,在培養(yǎng)和馴化硝化菌時,一定要注意氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)及有機(jī)物的濃度,不使其產(chǎn)生抑制作用。

 

  5)泥齡:為保證反應(yīng)器中的存活并維持一定數(shù)量和性能的硝化菌,活性污泥在其中的停留時間SRT即泥齡必須大于硝化菌的最小世代周期,否則硝化菌的流失率大于其繁殖率。最終使其從系統(tǒng)中數(shù)量越來越少。一般來說,系統(tǒng)的泥齡應(yīng)為硝化菌世代周期的兩倍以上,一般不得小于35d,冬季水溫低時要求泥齡更長,為保證一年四季都有充分的硝化反應(yīng),通常泥齡都大于10d。較長的泥齡可增強(qiáng)硝化反應(yīng)的能力,并可減輕有毒物質(zhì)刺激的抑制作用。

 

  6)碳氮比C/N:在活性污泥系統(tǒng)中,硝化菌一般只占微生物總量的5%左右,這是因?yàn)榕c異養(yǎng)菌相比,硝化菌的產(chǎn)率低。硝化菌是一類自養(yǎng)菌,有機(jī)物濃度不是其生長的限制因素,如果有機(jī)物濃度過高,會使生長速率較快的異氧菌迅速繁殖,爭奪混合液中的溶解氧,從而使生長緩慢且好氧的硝化菌得不到優(yōu)勢,降低硝化速率。

 

  因此BOD5TKN的比值即碳氮比C/N,是反映活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌與硝化菌競爭底物和溶解氧能力的指標(biāo),C/N不同直接影響脫氮效果。一般認(rèn)為,處理系統(tǒng)的BOD5負(fù)荷低于0.15BOD5/MLVSS˙d)時,硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。

 

  2.反硝化過程(反硝化菌)的影響因素

   1)溫度:反硝化反應(yīng)的最適宜溫度范是3545℃。溫度對反硝化反應(yīng)的影響與反硝化設(shè)備的類型(微生物懸浮生長型與附著生長型)及硝酸鹽負(fù)荷有關(guān)。當(dāng)溫度從20℃下降到達(dá)15℃時,為達(dá)到相同的反硝化效果,生物轉(zhuǎn)盤和活性污泥法的水力停留時間則分別要提高到原來的4.6倍和2.3倍。

 

  2)溶解氧:反硝化菌是兼性菌,既能進(jìn)行有氧呼吸,也能進(jìn)行無氧呼吸。當(dāng)水中同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時,優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸,這樣,反硝化菌會優(yōu)先降解含碳有機(jī)物,從而抑制硝酸鹽的還原。所以為了保址反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行,必須保持嚴(yán)格的缺氧狀態(tài),保持氧化還原電位為-50-110mV。另外,反硝化菌從有氧呼吸轉(zhuǎn)為無氧呼吸的關(guān)鍵是合成無氧呼吸的酶,而分子態(tài)氧的存在會抑制這類酶的合成及其活性。

 

  因此,為使反硝化反應(yīng)正常進(jìn)行,懸浮型活性污泥系統(tǒng)中的溶解氧應(yīng)保持在0.2mg/L以下,由于生物膜對氧傳遞的阻力較大,即使合液中有一定量的DO,生物膜內(nèi)層仍呈缺氧狀態(tài)而繼續(xù)進(jìn)行反硝化,所以附著型生物處理系統(tǒng)可以容許較高的溶解氧濃度(一般低于1mg/L)。

 

  3)pH值:硝化反應(yīng)的最佳pH值范圍是6.57.5,不適宜的pH值會影響反硝化菌的生長速率和反硝化酶的活性。當(dāng)pH值低于6.0或高于8.5時,反硝化反應(yīng)將受到強(qiáng)烈抑制。反硝化反應(yīng)會產(chǎn)生部分堿度,這有助于將pH值保持在所需要的范圍內(nèi),并補(bǔ)充硝化過程中所消耗的一部分堿度。此外,pH值還影響反硝化的最終產(chǎn)物,pH>7.3時最終產(chǎn)物是氮?dú)猓?/font>pH<7.3時最終產(chǎn)物是N2O

 

  4)碳源有機(jī)物質(zhì):反硝化反應(yīng)需要提供足夠的碳源,碳源物質(zhì)不同,反硝化速率也將有區(qū)別。揮發(fā)性有機(jī)酸、甲醇、乙醇等是理想的反硝化反應(yīng)碳源物質(zhì),因此,啤酒污水等含揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的污水可作為反硝化反應(yīng)脫氮的碳源,而以城市污水或內(nèi)源代謝物質(zhì)作為反硝化反應(yīng)碳源時的反硝化速率就要低得多。

 

  5)碳氮比C/N:理論上將1g硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為N2需要碳源物質(zhì)BOD52.86g。因此,一般認(rèn)為,當(dāng)污水的BOD5/TKN值大于4-6時,可認(rèn)為碳源充足,不需要另外投加碳源,否則,應(yīng)當(dāng)投加甲醇或其他易降解有機(jī)物作為碳源。

 

  6)有毒物質(zhì):鎳濃度大于0.5mg/L,亞硝酸鹽氮含量超過30mg/L或鹽度高于0.63%時都會抑制反硝化作用。硫酸鹽含量過高會導(dǎo)致反硫化的進(jìn)行,進(jìn)而影響反硝化的正常進(jìn)行,鈣和氨的濃度過高也會抑制反硝化作用。

  引用資料來源:工業(yè)污水處理網(wǎng)。登載此文出于傳播更多信息之目的,并不意味證實(shí)其描述或贊同其觀點(diǎn),文章內(nèi)容僅供參考。

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