污水處理干貨：硝化-反硝化工藝
導讀： 小編最近在設計上習慣性以氮元素為出發點，以去除氮的最終目標的生化系統設計。因此，饒有興趣的整理了硝化-反硝化工藝的一些基礎知識和設計原理。同時小編還對短程硝化-反硝化技術、厭氧氨氧化技術具有濃烈的興趣，也期待與志同道合的微友一同探討。
隨著環保政策的日趨嚴格，對氮磷的嚴格要求日益突出，我們如果依舊以去除有機物的思路設計污水處理站，將導致污水處理站難以挖掘生化工藝的潛力，總氮去除效率跟不上，導致后期的重復建設，同時沒能充分利用原有污水處理站的有機物營養，而致使投資運行成本提高。掌握更深度的污水處理知識，對提升環保技能水平、降低投資與運行成本至關重要。
小編最近在設計上習慣性以氮元素為出發點，以去除氮的最終目標的生化系統設計。因此，饒有興趣的整理了硝化-反硝化工藝的一些基礎知識和設計原理。同時小編還對短程硝化-反硝化技術、厭氧氨氧化技術具有濃烈的興趣，也期待與志同道合的微友一同探討。
一、硝化與反硝化基礎知識
廢水中的氮常以合氮有機物、氨、硝酸鹽及亞硝酸鹽等形式存在。生物處理把大多數有機氮轉化為氨，然后可進一步轉化為硝酸鹽。
1、硝化與反硝化
（一） 硝化
在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程，稱為生物硝化作用。
反應過程如下：
亞硝酸鹽菌（8-36h）
NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O-△E E=278。42KJ
第二步亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽：
酸鹽菌（12-59h）
NO-+1/2O2 →NO3--△E △E=278。42KJ
這兩個反應式都是釋放能量的過程，氨氮轉化為硝態氮并不是去除氮而是減少它的需氧量。上訴兩式合起來寫成：
NH4++2O2 →NO3-+2H++H2O-△E △E=351KJ
NH4++1。83O2+1。98HCO3-→0。02C5H7O2N+0。98 NO3-+1。04 H2O+1。88H2CO3
由上式可知：（1）在硝化過程中，1g氨氮轉化為硝酸鹽氮時需氧4。57g；（2）硝化過程中釋放出H+，將消耗廢水中的堿度，每氧化lg氨氮，將消耗堿度（以CaCO3計） 7。lg。
（3）水中BOD不宜過高，20mg/L以下，否則會使增值速率較大的異氧細菌迅速增殖，使自養型的硝化細菌受到排擠，難以形成優勢菌種，使硝化反應難以進行。
影響硝化過程的主要因素有：
（1）pH值 當pH值為8。0～8。4時（20℃），硝化作用速度最快。
由于硝化過程中pH將下降，當廢水堿度不足時，即需投加石灰，維持pH值在7。5以上；
（2）溫度 溫度高時，硝化速度快。亞硝酸鹽菌的最適宜水溫為35℃，在15℃以下其活性急劇降低，故水溫以不低于15℃為宜；
（3）污泥停留時間 硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長速率為 =0。3～0。5d-1（溫度20℃，pH8。0～8。4）。為了維持池內一定量的硝化菌群，污泥停留時間 必須大于硝化菌的最小世代時間 。在實際運行中，一般應取 〉2d ；
（4）溶解氧 氧是生物硝化作用中的電子受體，其濃度太低將不利于硝化反應的進行。一般，在活性污泥法曝氣池中進行硝化，溶解氧應保持在2～3mg/L以上；
（5）BOD負荷 硝化菌是一類自養型菌，而BOD氧化菌是異養型菌。若BOD5負荷過高，會使生長速率較高的異養型菌迅速繁殖，從而使自養型的硝化菌得不到優勢，結果降低了硝化速率。所以為要充分進行硝化，BOD5負荷應維持在0。3kg（BOD5）/kg（SS）。d以下。
（二） 反硝化
在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌（反硝化菌）的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體（氫供體）是各種各樣的有機底物（碳源）。以甲醇作碳源為例，其反應式為：
6NO3-十2CH3OH→6NO2-十2CO2十4H2O
6NO2-十3CH3OH→3N2十3CO2十3H2O十60H-
綜合反應式為：
6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-
由上可見，在生物反硝化過程中，不僅可使NO2--N、NO3--N被還原，而且還可使有機物氧化分解。
1mg的硝酸鹽氮理論消耗2。87mg的BOD5，一般4mg的BOD5即可滿足反硝化的需求
影響反硝化的主要因素：
（1）溫度 溫度對反硝化的影響比對其它廢水生物處理過程要大些。一般，以維持20～40℃為宜。苦在氣溫過低的冬季，可采取增加污泥停留時間、降低負荷等措施，以保持良好的反硝化效果；
（2）pH值 反硝化過程的pH值控制在7。0～8。0；
（3）溶解氧 氧對反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應器內溶解氧應控制在0。5mg/L以下（活性污泥法）或1mg/L以下（生物膜法）；
（4）有機碳源 當廢水中含足夠的有機碳源，BOD5/TKN〉（3～5）時，可無需外加碳源。當廢水所含的碳、氮比低于這個比值時，就需另外投加有機碳。外加有機碳多采用甲醇。考慮到甲醇對溶解氧的額外消耗，甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外，還可利用微生物死亡；自溶后釋放出來的那部分有機碳，即“內碳源”，但這要求污泥停留時間長或負荷率低，使微生物處于生長曲線的靜止期或衰亡期，因此池容相應增大。
二、脫氮型工業污水的設計
①設計的觀點
脫氮通常采用脫氮池-硝化池（膜分離池）2池進行；如要求去除率在90%以上或處理出水T-N≦5mg/L的場合，還需要采用第2脫氮池-再曝氣池（膜分離池）的組合型2段脫氮法。
脫氮池的攪拌應采用帶入氧氣較少的機械式設備。
②1級脫氮法
硝化池及脫氮池的容量，根據下表的脫氮速率（標準）和硝化速率決定后，計算出脫氮容積負荷。
脫氮容積負荷（kg-N/（m3/d））=脫氮（硝化）速率（kg-N/（kg-SS/d））×MLSS濃度（kg/m3）
硝化液循環量計算：根據去除率決定
從硝化池到脫氮池的循環比如果為R，硝化液循環量則為RQ，從脫氮池的移送量則為（R+1）Q。這時的最大脫氮率為R/（R+1）×100（%），所以實際上從脫氮率算出R，并決定循環水泵的移送量（R+1）Q。
③2級脫氮法
2級脫氮法中第2級脫氮池對NOx的脫氮率可達100%，所以理論上對無機性氮的去除率可以為100%，但是現實情況是膜分離池中有NOx的溶出，所以會有0～3mg/L左右的余留。
首先需選擇從膜分離池的返送汚泥送到硝化池（流程1） ，還是送到第1脫氮池（流程2）。作為大概值，流入的BOD/N〈4時采用流程1，BOD/N≧4時采用流程2。
另外，有關甲醇的使用量，參照藥液使用量計算公式。
1） 流程1（BOD/N〈4）
第1級脫氮池中為了節約加碳源量（甲醇等），第1脫氮池的去除氮量為流入BOD5×1/3（mg/L）的數值，剩余的氮量需要在第2級脫氮池去除。根據第1脫氮池的脫氮量計算去除率，決定硝化液循環比（R）。另外根據各池的汚泥濃度設為多少決定返送汚泥比（r）（表2-4）。各池的汚泥濃度減小時各水池的容量增大，所以最好返送汚泥比（r）≧3。
流入BOD幾乎沒有的場合，硝化液循環比設為R≧1，對第1級及第2級脫氮池注入需要的加碳源量。
各水池容積計算：
-第1級脫氮池：根據表2-3的脫氮速度（標準）求得氮容積負荷，計算第1級的氮去除量（流入氮量×第1級去除率）。
-根據硝化池：硝化速度求得氮容積負荷。這時，考慮為了全量硝化對流入氮量進行計算。
-第2脫氮池：求得脫氮速度（甲醇？醋酸），對第2級的去除對象氮量（流入氮量-第1級去除量）進行計算。
-膜分離池：為了防止由于汚泥分解造成氮的再偏析，膜分離池容量應為可以設置膜分離裝置的最小容量。
2） 流程2（BOD/N≧4）
和流程1一樣、根據第1級脫氮池的脫氮量計算去除率決定硝化液循環比（R），因為流入BOD高，所以R≧4。根據各池的汚泥濃度設為多少決定返送汚泥比（r）（表2-4）。各池的汚泥濃度減小時各水池的容量增大、所以最好返送汚泥比（r）≧3。
和流程1相比第1脫氮池的MLSS可以提高，所以有可以減小水池的優點。
各水池容積計算
-第1脫氮池：根據表2-3的脫氮速度（標準）求得氮容積負荷、對第1段的去除對象氮量（R=4的場合 流入氮量×4/5）進行計算。
-硝化池：根據硝化速度求得氮容積負荷。這時、考慮為了全量硝化對流入氮量進行計算。
-第2脫氮池：需注入脫氮時所需要的加氫量。池容量是求得脫氮速度（甲醇？醋酸）、對第2段的去除對象氮量（流入氮量-第1段去除量）進行計算。
-膜分離池：為了防止由于汚泥分解造成氮的再偏析、膜分離池容量應為可以設置膜分離裝置的最小容量。
