進(jìn)來(lái)復習！一文讀懂硝化反硝化

污水硝化—反硝化脫氮處理是一種利用硝化細菌和反硝化細菌的污水微生物脫氮處理方法。

此法分為硝化和反硝化兩個(gè)階段，在好氧條件下利用污水中硝化細菌將含氮物質(zhì)轉化為硝酸鹽，然后在缺氧條件下利用污水中反硝化細菌將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮。兩段生物脫氮法是污水微生物脫氮的有效方法，作為標準生物脫氮法已得到較廣泛應用。

相信大家對硝化反硝化工藝不陌生了，今天就讓小編來(lái)帶大家一起復習一下基礎的原理吧。

一、硝化反應過(guò)程

硝化反應過(guò)程：在有氧條件下，氨氮被硝化細菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個(gè)基本反應步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，它們利用CO2、CO32-、HCO3-等做為碳源，通過(guò)NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應獲得能量。硝化反應過(guò)程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進(jìn)行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

55NH4++76O2+109HCO3-→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3

硝化反應方程式：

400NO2-+195O2+NH4++4H2CO3+HCO3-→C5H7O2N+400NO3-+3H2O

硝化過(guò)程總反應式：

NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

通過(guò)上述反應過(guò)程的物料衡算可知，在硝化反應過(guò)程中，將1克氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57克（其中亞硝化反應需耗氧3.43克，硝化反應耗氧量為1.14克），同時(shí)約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO3計）堿度。

在硝化反應過(guò)程中，氮元素的轉化經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝酰基NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。

二、反硝化反應過(guò)程

反硝化反應過(guò)程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從無(wú)水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應過(guò)程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過(guò)程，反硝化菌是一類(lèi)化能異養兼性缺氧型微生物。當有分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體，當無(wú)分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-堿度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩定，由此可知反硝化反應須在缺氧條件下進(jìn)行。從NO3-還原為N2的過(guò)程如下：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2反硝化過(guò)程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類(lèi)、有機酸類(lèi)）作為電子供體，利用NO3-中的氧進(jìn)行缺氧呼吸。其反應過(guò)程可以簡(jiǎn)單用下式表示：

NO3-+4H(電子供體有機物)→1/2N2+H2O+2OH-+NO2-+3H(電子供體有機物)→1/2N2+H2O+OH-

污水中含碳有機物做為反硝化反應過(guò)程中的電子供體。由上式可知，每轉化1gNO2-為N2時(shí)，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉化1gNO3-為N2時(shí)，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時(shí)產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計）。如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

其中：C為反硝化過(guò)程有機物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）如果污水中碳源有機物濃度不足時(shí)，應補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類(lèi)）。以甲醇為例，則

NO3+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-

如果水中有NO2-,則會(huì )發(fā)生下述反應：

NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

由上式可見(jiàn)，每還原1gNO2-和1gNO3-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

當水中有溶解氧存在時(shí)，氧消耗甲醇的反應式為：

O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3

綜上所述，可得反硝化過(guò)程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

其中：Cm為反硝化過(guò)程中需要的甲醇濃度（mg/l）其余符號同上綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現為PH值下降，在反硝化過(guò)程中，去除硝酸鹽氮的同時(shí)去除碳源，這部分碳源折合DO 2.6g,另外，反硝化過(guò)程中補償堿度3.57g。

三、傳統生物脫氮工藝

傳統的生物脫氮工藝是由巴茨（ Barth）開(kāi)創(chuàng )的所謂三級活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三項反應過(guò)程為基礎建立的。傳統的生物脫氮工藝是單獨進(jìn)行硝化和反硝化的工藝系統，每一部分都有自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統，使除碳、硝化和反硝化在各自的反應器中進(jìn)行，并分別控制在適宜的條件下運行。

第一級曝氣池為一般的二級處理曝氣池，其主要功能是去除有機物，使有機氮轉化為氨氮。經(jīng)過(guò)沉淀后，廢水進(jìn)入第二級硝化曝氣池。在第二級硝化曝氣池進(jìn)行硝化反應，使氨氮轉化為硝態(tài)氮。在第二段硝化過(guò)程中要消耗一定的堿度，使 PH值下降，進(jìn)而會(huì )降低硝化反應的速度，因此，需要投加堿補充堿度。第三級為反硝化池，需要維持缺氧條件，不進(jìn)行曝氣，只采用攪拌機械使污泥處于懸浮狀態(tài)并與污水充分混合，硝態(tài)氮還原為氮氣，反硝化過(guò)程所需要的碳源不足，需要外加碳源。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分別生長(cháng)在不同的構筑物中，均可在各自適宜的環(huán)境條件下生長(cháng)繁殖，所以反應速度較快，可以得到較好的 BOD5去除和脫氮效果。缺點(diǎn)是流程長(cháng)、處理構筑物多、附屬設備多，基建費用高、需要補充堿度和外加碳源因而運轉費用較高。

四、A/O工藝

A/O 工藝是一種有回流的前置反硝化生物脫氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中進(jìn)行，硝化在好氧池中進(jìn)行。原污水先進(jìn)入缺氧池，并將好氧池的混合液與沉淀池的污泥同時(shí)回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保證了缺氧池和好氧池有足夠數量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所產(chǎn)生的硝酸鹽。而原污水和混合液的直接進(jìn)入又為缺氧池反硝化提供了充足的碳源有機物，使反硝化反應能在缺氧池中進(jìn)行，反硝化反應的出水又可在好氧池中進(jìn)行BOD5的降解。

A/O與傳統的生物脫氮工藝相比，其特點(diǎn)有：流程簡(jiǎn)單，構筑物少，費用小，占地少；以原污水中的含碳有機物和內源代謝產(chǎn)物為碳源，節省外加碳源的費用；好氧池在缺氧池后，可進(jìn)一步去除反硝化殘留的有機污染物，改善出水水質(zhì)；缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了一部分碳源有機物，可減輕好氧池的有機負荷，并且反硝化過(guò)程產(chǎn)生的堿度可以補償硝化過(guò)程對堿度的消耗。其缺點(diǎn)是：三種不同作用的微生物同在一個(gè)系統中，經(jīng)常改變條件，則存在不斷改變環(huán)境、不斷適應環(huán)境的過(guò)程，微生物有適應期、閑置期，未能發(fā)揮最佳作用。

隨著(zhù)水體富營(yíng)養化問(wèn)題的日益突出、水質(zhì)指標系統不斷嚴格化，使廢水脫氮問(wèn)題成為了水污染控制中廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。而傳統多級分設備的生物脫氮工藝以及序批式活性污泥工藝等，雖然在廢水脫氮方面起著(zhù)重要的作用，但仍然存在著(zhù)以下問(wèn)題：

①硝化反應和反硝化反應所需要的條件不同，需要序批式進(jìn)行，且 HRT較長(cháng)，反應池占地面積大；

②污泥產(chǎn)生量大，剩余污泥處理費用高，污泥不易沉降，而且容易發(fā)生污泥膨脹；

③耐水質(zhì)、水量沖擊負荷能力差，運行不夠穩定；

④中和硝化過(guò)程中產(chǎn)生的酸度，需要加堿中和，增加了處理費用；

⑤曝氣池中的生物濃度低，曝氣池氧的傳質(zhì)效率低。

與此相比，單級生物脫氮工藝在生物脫氮過(guò)程當中展現出更多的優(yōu)勢。硝化反應耗氧、耗堿度、但不消耗碳源，而反硝化過(guò)程不需氧、產(chǎn)生堿度、消耗大量碳源，兩者在多方面表現為互補。如果硝化和反硝化反應能在同一處理系統中連續實(shí)現，硝化反應的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應的底物，避免了硝化過(guò)程中的NO2-的積累對硝化反應的抑制，加快硝化反應的速度，還可以有效利用廢水中有機碳源進(jìn)行反硝化；而且也不需外加動(dòng)力進(jìn)行硝化液循環(huán)；反硝化反應增加的堿度補充硝化反應減少的堿度，使系統內的 pH值相對穩定；另外，硝化反應和反硝化反應可在相同的條件和系統中進(jìn)行，簡(jiǎn)化了操作的難度 。

五、短程硝化反硝化工藝

短程硝化反硝化工藝:短程硝化反硝化工藝（ Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite ）是一種新型的脫氮工藝。其基本原理是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后通過(guò)反硝化作用將亞硝酸氮還原為氮氣，是經(jīng)NH4+-N→ NO2--N→ N2的途徑完成，整個(gè)過(guò)程較全程硝化反硝化大大縮短。短程硝化的標志是有穩定且較高的 NO2--N 積累，即亞硝酸氮積累率較高。

與傳統的生物脫氮工藝相比，該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：硝化與反硝化兩個(gè)階段在同一反應器中完成，可以簡(jiǎn)化工藝流程；可節省反硝化過(guò)程所需要的外加碳源 ，同時(shí)硝化產(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和，減少了處理費用；可以縮短水力停留時(shí)間，減少反應器體積和占地面積；只需要將氨氮氧化成亞硝酸鹽，可減少25% 左右的供氣量，降低能耗。

六、厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝:厭氧氨氧化工藝（ Anaerobic AMMonium Oxidation ）是由荷蘭Delft大學(xué)于 1990年提出的。該工藝的特點(diǎn)是：在厭氧條件下，微生物直接以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，以氨氮作為電子供體，將氨氮氧化生成氮氣，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣。厭氧氨氧化是 Mulder和 Graaf對一個(gè)使用硫化物做電子供體的流化床反應器自養菌反硝化運行工況仔細觀(guān)測和研究發(fā)現的。該工藝中亞硝酸鹽是一個(gè)關(guān)鍵的電子受體。與硝化作用相比，它以亞硝酸鹽取代氧，改變了電子受體；與反硝化作用相比，它以氨取代有機物作為電子供體。

從這一反應中所產(chǎn)生的吉布斯（ Gibbs）自由能甚至比好氧氨氧化（硝化）所產(chǎn)生的能量還要高，所以能夠支持自養菌生長(cháng)。這表明在這一工藝中發(fā)生的反硝化反應中不需外加碳源。厭氧氨氧化工藝特別適宜在溫度高于 20℃和自營(yíng)養系統中運行。這種工藝多用于處理工業(yè)廢水，也可用于處理其他廢液，如污泥消化池上清液。

七、脫氮除磷工藝

厭氧池（區）指非充氧池（區），溶解氧濃度一般小于0.2mg/L。微生物在該池（區）吸收有機物并釋放磷。

缺氧池（區）指非充氧池（區），溶解氧濃度一般為0.2～0.5mg/L。當存在大量硝酸鹽、亞硝酸鹽和充足的有機物時(shí)，可在該池（區）內進(jìn)行反硝化脫氮反應。

好氧池（區）指充氧池（區），溶解氧濃度一般不小于2mg/L，主要功能是降解有機物和進(jìn)行硝化反應。

當以除磷為主時(shí)，應采用厭氧/好氧工藝，基本工藝流程如下：

當以除氮為主時(shí)，宜采用缺氧/好氧工藝，基本工藝流程如下：

需要同時(shí)脫氮除磷時(shí)，應采用厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）工藝。

VFA（揮發(fā)性脂肪酸），PHA（聚羥基脂肪酸），PO（磷酸鹽），PP（多聚磷酸鹽）厭氧條件下，PAOs吸收VFA轉化為PHA，這一過(guò)程PP高能鍵斷裂為這一過(guò)程釋放能量，同時(shí)釋放出磷酸鹽，而磷酸鹽濃度升高，恰恰是我們說(shuō)的能夠利于PAOs生長(cháng)繁殖好氧條件下，正好與其相反，吸收Po形成PP，而此時(shí)的能源則是PHA，如厭氧過(guò)程所說(shuō)，PP是吸收PO所需要的能量物質(zhì)，也就等于是為下一次代謝周期做準備，與此同時(shí)，PAOs分裂生成新的細胞，但是由于，PO含量降低，將會(huì )限制它的生存繁殖，所以必須通過(guò)人為過(guò)程使PO含量升高，完成一個(gè)完整的周期。如果不進(jìn)行循環(huán)，聚磷菌是無(wú)法完成完整的生命周期的。