廢水（焦化）生物脫氮技術(shù)及工藝評(píng)述——焦化廢水生物脫氮機(jī)理（2）
作者：葉振中
在生物活性污泥法的操作運(yùn)行過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)在低COD〔或生化需氧量（BOD）〕且大曝氣量情況下，廢水中的氨氮會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝酸根NO- 2和硝酸根NO- 3，對(duì)好氧菌產(chǎn)生毒性。當(dāng)廢水中的氨氮濃度超過(guò)400mg/L時(shí)，氨氮亞硝化和硝化的結(jié)果將嚴(yán)重干擾好氧的處理效果，使出水COD增高。然而，將硝化出水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的厭氧（或兼氧）生物處理后，厭氧出水中的含氮濃度可大幅度地降低，其原因是亞硝酸鹽和硝酸鹽被厭氧菌（或兼氧菌）還原成氮?dú)庥伤幸莩觯瑥亩鴮?shí)現(xiàn)總氮的脫除和COD的降解。在好氧菌和厭氧菌的作用下，氨氮先氧化后還原的這個(gè)降解過(guò)程就是人們常說(shuō)的硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程。
1.硝化作用
硝化作用是在兩類好氧菌的參與下完成的，首先是亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）將氨氮先氧化成亞硝酸根；然后硝化桿菌將亞硝酸根再進(jìn)一步氧化硝酸根。
從上述反應(yīng)中可以得到3個(gè)結(jié)論：
①不論是亞硝化過(guò)程還是硝化過(guò)程，都要耗用大量的氧。要使1mol氨氮（NH3-N及NH ＋ 4 –N）完全氧化成NO – 3需耗用2mol的氧，即氧化1mg氨氮需要4×16/14＝4.57mg的氧，此值為生物氧化池脫氮的需氧量提供了一個(gè)工程設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。由于硝化反應(yīng)需要足夠的氧，因此大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng)控制在1.5～2.0mg/L以上，低于0.5mg/L則硝化作用完全停止。
②硝化反應(yīng)的結(jié)果有硝酸（HNO3）形成，會(huì)使生化環(huán)境的酸性提高。因此廢水中應(yīng)有足夠的堿度，以平衡硝化作用中產(chǎn)生的酸，一般認(rèn)為硝化作用最適宜的pH值在7.5～9.2之間。
③硝化反應(yīng)的結(jié)果可使氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，但廢水中的總氮量并沒(méi)有發(fā)生變化。
硝化作用宜在低BOD負(fù)荷條件下進(jìn)行，若硝化段的含碳有機(jī)基質(zhì)的濃度太高，會(huì)使生長(zhǎng)速率較高的非硝化菌迅速繁衍，從而使硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)，結(jié)果降低了硝化速率。一般來(lái)說(shuō)，硝化段的BOD應(yīng)低于20mg/L。
2.反硝化作用
反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧菌或兼氧菌還原為氣態(tài)氮的過(guò)程。參與這一過(guò)程的細(xì)菌稱為反硝化菌，這類微生物的無(wú)色桿菌屬、氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、桿菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬等。在反硝化過(guò)程中NO- 2、NO- 3是被還原物，它們?cè)谶€原過(guò)程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的，因此，在反硝化過(guò)程中，有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物不需要外界供氧而直接利用NO- 2、NO- 3的氧作為氧源進(jìn)行氧化降解，其反應(yīng)式如下：
5C（有機(jī)C）＋4NO- 3＋2H2O＝2N2＋4OH-＋5CO2
從反硝化反應(yīng)式中也可以得到3個(gè)結(jié)論。
①在硝化過(guò)程耗用掉的氧被回收并得復(fù)用于反硝化過(guò)程中，這些氧使反硝化段中的有機(jī)物得到降解。
②在反硝化菌的作用下，NO- 3被還原，而有機(jī)物被氧化，NO- 3在還原過(guò)程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的。因此在反硝化過(guò)程中，廢水的C/N比是影響脫氮效果的一個(gè)重要因素。從反硝化作用的反應(yīng)式中可以知道，去除4份的N（4×14），須提供5份的有機(jī)碳。又因?yàn)?mol C生物氧化成CO2需要2mol O2，將5mol有機(jī)碳折算成BOD值應(yīng)為（5×32），因此廢水中的BOD5與N的比值（即C/N）應(yīng)該是5×32/（4×14）＝2.86。這個(gè)數(shù)值僅僅是個(gè)理論值，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)值，也就是說(shuō)，當(dāng)廢水中的C/N＝2.86時(shí)才能充分滿足反硝化細(xì)菌對(duì)碳源的需要，廢水中的C/N越低，則通過(guò)反硝化除去的氮越少，總氮的去除率也相應(yīng)減少。在工程運(yùn)行操作上，C/N比控制在3以上。當(dāng)廢水中的碳源不夠時(shí)，需另外補(bǔ)加碳素，現(xiàn)大多采用甲醇。投加比例可按還原1kg硝酸鹽需投加2.4kg甲醇計(jì)算。
③反硝化反應(yīng)的結(jié)果使生化環(huán)境的pH升高。反硝化作用最適宜的pH值也在7.5～9.2之間。由于硝化使pH降低而反硝化卻使pH升高，兩個(gè)過(guò)程中pH的變化彼此之間相互抵消，結(jié)果使系統(tǒng)內(nèi)的pH保持不變。但是兩個(gè)過(guò)程中堿度的變化可以作為一個(gè)參數(shù)用來(lái)判斷硝化及反硝化進(jìn)行的程度。
在生物活性污泥法的操作運(yùn)行過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)在低COD〔或生化需氧量（BOD）〕且大曝氣量情況下，廢水中的氨氮會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝酸根NO- 2和硝酸根NO- 3，對(duì)好氧菌產(chǎn)生毒性。當(dāng)廢水中的氨氮濃度超過(guò)400mg/L時(shí)，氨氮亞硝化和硝化的結(jié)果將嚴(yán)重干擾好氧的處理效果，使出水COD增高。然而，將硝化出水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的厭氧（或兼氧）生物處理后，厭氧出水中的含氮濃度可大幅度地降低，其原因是亞硝酸鹽和硝酸鹽被厭氧菌（或兼氧菌）還原成氮?dú)庥伤幸莩觯瑥亩鴮?shí)現(xiàn)總氮的脫除和COD的降解。在好氧菌和厭氧菌的作用下，氨氮先氧化后還原的這個(gè)降解過(guò)程就是人們常說(shuō)的硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程。
1.硝化作用
硝化作用是在兩類好氧菌的參與下完成的，首先是亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）將氨氮先氧化成亞硝酸根；然后硝化桿菌將亞硝酸根再進(jìn)一步氧化硝酸根。
從上述反應(yīng)中可以得到3個(gè)結(jié)論：
①不論是亞硝化過(guò)程還是硝化過(guò)程，都要耗用大量的氧。要使1mol氨氮（NH3-N及NH ＋ 4 –N）完全氧化成NO – 3需耗用2mol的氧，即氧化1mg氨氮需要4×16/14＝4.57mg的氧，此值為生物氧化池脫氮的需氧量提供了一個(gè)工程設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。由于硝化反應(yīng)需要足夠的氧，因此大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng)控制在1.5～2.0mg/L以上，低于0.5mg/L則硝化作用完全停止。
②硝化反應(yīng)的結(jié)果有硝酸（HNO3）形成，會(huì)使生化環(huán)境的酸性提高。因此廢水中應(yīng)有足夠的堿度，以平衡硝化作用中產(chǎn)生的酸，一般認(rèn)為硝化作用最適宜的pH值在7.5～9.2之間。
③硝化反應(yīng)的結(jié)果可使氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，但廢水中的總氮量并沒(méi)有發(fā)生變化。
硝化作用宜在低BOD負(fù)荷條件下進(jìn)行，若硝化段的含碳有機(jī)基質(zhì)的濃度太高，會(huì)使生長(zhǎng)速率較高的非硝化菌迅速繁衍，從而使硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)，結(jié)果降低了硝化速率。一般來(lái)說(shuō)，硝化段的BOD應(yīng)低于20mg/L。
2.反硝化作用
反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧菌或兼氧菌還原為氣態(tài)氮的過(guò)程。參與這一過(guò)程的細(xì)菌稱為反硝化菌，這類微生物的無(wú)色桿菌屬、氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、桿菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬等。在反硝化過(guò)程中NO- 2、NO- 3是被還原物，它們?cè)谶€原過(guò)程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的，因此，在反硝化過(guò)程中，有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物不需要外界供氧而直接利用NO- 2、NO- 3的氧作為氧源進(jìn)行氧化降解，其反應(yīng)式如下：
5C（有機(jī)C）＋4NO- 3＋2H2O＝2N2＋4OH-＋5CO2
從反硝化反應(yīng)式中也可以得到3個(gè)結(jié)論。
①在硝化過(guò)程耗用掉的氧被回收并得復(fù)用于反硝化過(guò)程中，這些氧使反硝化段中的有機(jī)物得到降解。
②在反硝化菌的作用下，NO- 3被還原，而有機(jī)物被氧化，NO- 3在還原過(guò)程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的。因此在反硝化過(guò)程中，廢水的C/N比是影響脫氮效果的一個(gè)重要因素。從反硝化作用的反應(yīng)式中可以知道，去除4份的N（4×14），須提供5份的有機(jī)碳。又因?yàn)?mol C生物氧化成CO2需要2mol O2，將5mol有機(jī)碳折算成BOD值應(yīng)為（5×32），因此廢水中的BOD5與N的比值（即C/N）應(yīng)該是5×32/（4×14）＝2.86。這個(gè)數(shù)值僅僅是個(gè)理論值，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)值，也就是說(shuō)，當(dāng)廢水中的C/N＝2.86時(shí)才能充分滿足反硝化細(xì)菌對(duì)碳源的需要，廢水中的C/N越低，則通過(guò)反硝化除去的氮越少，總氮的去除率也相應(yīng)減少。在工程運(yùn)行操作上，C/N比控制在3以上。當(dāng)廢水中的碳源不夠時(shí)，需另外補(bǔ)加碳素，現(xiàn)大多采用甲醇。投加比例可按還原1kg硝酸鹽需投加2.4kg甲醇計(jì)算。
③反硝化反應(yīng)的結(jié)果使生化環(huán)境的pH升高。反硝化作用最適宜的pH值也在7.5～9.2之間。由于硝化使pH降低而反硝化卻使pH升高，兩個(gè)過(guò)程中pH的變化彼此之間相互抵消，結(jié)果使系統(tǒng)內(nèi)的pH保持不變。但是兩個(gè)過(guò)程中堿度的變化可以作為一個(gè)參數(shù)用來(lái)判斷硝化及反硝化進(jìn)行的程度。
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