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生物脫氮原理及工藝分析

文章出處:林夕發表時間:2018-9-10 9:56:43
  高氨氮廢水是我們經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,還要從經濟有效的角度來考慮選用哪種工藝。而生物脫氮技術恰恰符合以上條件,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菌實現氨形式的轉化,經過氨化、硝化、反硝化過程,含氮有機化合物最終轉化為無害的氮氣,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。這兩類細菌統稱為硝化菌,這些細菌所利用的碳源是CO32-HCO3-CO2等無機碳。第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉化為亞硝酸鹽,第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。這兩個反應過程都釋放能量,硝化菌就是利用這些能量合成新細胞和維持正常的生命活動,氨氮轉化為硝態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,即由硝化菌產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下,被還原為氮氣后從水中溢出的過程。反硝化過程也分為兩步進行,第一步由硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽,第二步由亞硝酸鹽轉化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。同時,反硝化菌利用含碳有機物和部分分硝酸鹽轉化為氨氮用于細胞合成,該碳源既可以是污水中的有機碳或細胞體內碳源,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℃,硝化細菌的生命活動幾乎完全停止:在535℃的范圍內,硝化反應速率隨溫度的升高而加快;但達到30℃后,蛋白質的變性會降低硝化菌的活性,硝化反應增加的幅度變小。對于同時去除有機物和進行硝化反應的系統,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烈,因此在1214℃的系統中會出現亞硝酸鹽的積累。

 

  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,因此一般應維持混合掖的溶解氧濃度在2mg/L以上。對于同時去除有機物和進行硝化的工藝,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,從而提高硝化反應速率。

 

  因此,在低泥齡條件下,由于含碳有機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,進而降低了硝化反應速率。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速率。因此當泥齡降低時,為維持較高的硝化速率,應該相應提高溶解氧濃度。

 

  3)pH值和堿度:硝化菌對pH值十分敏感,硝化反應的最佳pH值范圍是7.2-8.0pH值超出這個范圍時,硝化反應速率會明顯降低,低于6或高于9.6時,硝化反應將停止進行。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行緩沖,硝化反應將導致pH值下降、反應速率減緩。

 

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

 

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

 

  5)泥齡:為保證反應器中的存活并維持一定數量和性能的硝化菌,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。最終使其從系統中數量越來越少。一般來說,系統的泥齡應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,通常泥齡都大于10d。較長的泥齡可增強硝化反應的能力,并可減輕有毒物質刺激的抑制作用。

 

  6)碳氮比C/N:在活性污泥系統中,硝化菌一般只占微生物總量的5%左右,這是因為與異養菌相比,硝化菌的產率低。硝化菌是一類自養菌,有機物濃度不是其生長的限制因素,如果有機物濃度過高,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中異養菌與硝化菌競爭底物和溶解氧能力的指標,C/N不同直接影響脫氮效果。一般認為,處理系統的BOD5負荷低于0.15BOD5/MLVSS˙d)時,硝化反應才能正常進行。

 

  2.反硝化過程(反硝化菌)的影響因素

   1)溫度:反硝化反應的最適宜溫度范是3545℃。溫度對反硝化反應的影響與反硝化設備的類型(微生物懸浮生長型與附著生長型)及硝酸鹽負荷有關。當溫度從20℃下降到達15℃時,為達到相同的反硝化效果,生物轉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,既能進行有氧呼吸,也能進行無氧呼吸。當水中同時存在分子態氧和硝酸鹽時,優先進行有氧呼吸,這樣,反硝化菌會優先降解含碳有機物,從而抑制硝酸鹽的還原。所以為了保址反硝化反應的順利進行,必須保持嚴格的缺氧狀態,保持氧化還原電位為-50-110mV。另外,反硝化菌從有氧呼吸轉為無氧呼吸的關鍵是合成無氧呼吸的酶,而分子態氧的存在會抑制這類酶的合成及其活性。

 

  因此,為使反硝化反應正常進行,懸浮型活性污泥系統中的溶解氧應保持在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,生物膜內層仍呈缺氧狀態而繼續進行反硝化,所以附著型生物處理系統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pH值低于6.0或高于8.5時,反硝化反應將受到強烈抑制。反硝化反應會產生部分堿度,這有助于將pH值保持在所需要的范圍內,并補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物,pH>7.3時最終產物是氮氣,pH<7.3時最終產物是N2O

 

  4)碳源有機物質:反硝化反應需要提供足夠的碳源,碳源物質不同,反硝化速率也將有區別。揮發性有機酸、甲醇、乙醇等是理想的反硝化反應碳源物質,因此,啤酒污水等含揮發性有機物質的污水可作為反硝化反應脫氮的碳源,而以城市污水或內源代謝物質作為反硝化反應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硝酸鹽氮轉化為N2需要碳源物質BOD52.86g。因此,一般認為,當污水的BOD5/TKN值大于4-6時,可認為碳源充足,不需要另外投加碳源,否則,應當投加甲醇或其他易降解有機物作為碳源。

 

  6)有毒物質: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致反硫化的進行,進而影響反硝化的正常進行,鈣和氨的濃度過高也會抑制反硝化作用。

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

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