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一文读懂硝化反硝化工艺原理！

环保水处理  · 公众号  ·  · 2024-07-08 11:30

正文


环保水处理


污水硝化—反硝化脱氮处理是一种利用硝化细菌和反硝化细菌的污水微生物脱氮处理方法。
此法分为硝化和反硝化两个阶段，在好氧条件下利用污水中硝化细菌将含氮物质转化为硝酸盐，然后在缺氧条件下利用污水中反硝化细菌将硝酸盐还原成气态氮。两段生物脱氮法是污水微生物脱氮的有效方法，作为标准生物脱氮法已得到较广泛应用。
相信大家对硝化反硝化工艺不陌生了，今天就让小编来带大家一起复习一下基础的原理吧。



一、硝化反应过程


硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为 亚硝酸盐 和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（ Nitrosomonas sp ）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（ Nitrobacter sp ）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是 化能自养菌 ，它们利用 CO 2 、CO 3 2- 、HCO 3- 等做为碳源，通过NH 3 、NH 4 + 、或NO 2 - 的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（ Aerobic 或 Oxic ）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：
亚硝化反应方程式：
55NH 4 + +76O 2 +109HCO 3 - →C 5 H 7 O 2 N﹢54NO 2 - +57H 2 O+104H 2 CO 3
硝化反应方程式：
400NO 2 - +195O 2 +NH 4 + +4H 2 CO 3 +HCO 3 - →C 5 H 7 O 2 N+400NO 3 - +3H 2 O
硝化过程总反应式：
NH 4 + +1.83O 2 +1.98HCO 3 - →0.021C 5 H 7 O 2 N+0.98NO 3 - +1.04 H 2 O+ 1.884H 2 CO 3

通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以CaCO3计）碱度。
在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程： 氨离子 NH 4 - → 羟胺 NH 2 OH→ 硝酰基 NOH→ 亚硝酸盐 NO 2 - → 硝酸盐 NO 3 - 。

二、反硝化反应过程


反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。

反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时， 反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的 N 3+ 和 N 5+ 做为电子受体， O 2- 作为受氢体生成水和 OH - 碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从 NO 3 - 还原为 N 2 的过程如下： NO 3 - →NO 2 - →NO→N 2 O→N 2 反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO 3 - 中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示：
NO 3 - +4H(电子供体有机物)→1/2N 2 +H 2 O+2OH - +NO 2 - +3H(电子供体有机物)→1/2N 2 +H 2 O+OH -
污水中含碳有机物做为反硝化反应过程中的电子供体。由上式可知，每转化1gNO 2 - 为N 2 时，需有机物（以 BOD 表示）1.71g;每转化1gNO 3 - 为N 2 时，需有机物（以 BOD 表示）2.86g。同时产生3.57g重碳酸盐碱度（以 CaCO 3 计）。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化完全，所需碳源有机物（以 BOD 表示）用下式计算：


C=2.86Ni+1.71N0+DO 0
其中：C为反硝化过程有机物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni为初始硝酸盐氮浓度（mg/l）N0为初始亚硝酸盐氮浓度（mg/l）DO 0 为初始溶解氧浓度（mg/l）如果污水中碳源有机物浓度不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖类）。以甲醇为例，则
NO 3 +1.08CH 3 OH+0.24H 2 CO 3 →0.056C 5 H 7 O 2 N+0.47N 2 ↑+1.68H 2 O+HCO 3 -
如果水中有NO 2 - ,则会发生下述反应：
NO 2 - +0.67CH 3 OH+0.53H 2 CO 3 →0.04C 5 H 7 O 2 N+0.48N 2 ↑+1.23H 2 O+HCO 3 -
由上式可见，每还原1gNO 2 - 和1gNO 3 - 分别需要消耗甲醇1.53g和2.47g。
当水中有溶解氧存在时，氧消耗甲醇的反应式为：
O 2 +0.93CH 3 OH+0.056NO 3 - →0.056C 5 H 7 O 2 N+1.64H 2 O+0.056HCO 3 - +0.59H 2 CO 3
综上所述，可得反硝化过程需要有机碳源（甲醇）的投加量公式为： Cm=2.47Ni+1.53N0+DO 0
其中：Cm为反硝化过程中需要的甲醇浓度（mg/l）其余符号同上综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗碱度7.14g,表现为PH值下降，在反硝化过程中，去除硝酸盐氮的同时去除碳源，这部分碳源折合DO 2.6g,另外，反硝化过程中补偿碱度3.57g。


三、传统生物脱氮工艺


传统的生物脱氮工艺是由巴茨（ Barth）开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三项反应过程为基础建立的。传统的生物脱氮工艺是单独进行硝化和反硝化的工艺系统，每一部分都有自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统，使除碳、硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行。
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第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除有机物，使有机氮转化为氨氮。经过沉淀后，废水进入第二级硝化曝气池。在第二级硝化曝气池进行硝化反应，使氨氮转化为硝态氮。在第二段硝化过程中要消耗一定的碱度，使 PH值下降，进而会降低硝化反应的速度，因此，需要投加碱补充碱度。第三级为反硝化池，需要维持缺氧条件，不进行曝气，只采用搅拌机械使污泥处于悬浮状态并与污水充分混合，硝态氮还原为氮气，反硝化过程所需要的碳源不足，需要外加碳源。这种流程的优点是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构筑物中，均可在各自适宜的环境条件下生长繁殖，所以反应速度较快，可以得到较好的 BOD5去除和脱氮效果。缺点是流程长、处理构筑物多、附属设备多，基建费用高、需要补充碱度和外加碳源因而运转费用较高。

四、A/O工艺








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