思考：生物脫氮的深入探討（二）

水處理網(wǎng)訊:從之前的關(guān)于生物脫氮的公眾號文章中，我們可以了解生物脫氮是分為兩部分進(jìn)行得，第一部分是硝化反應(yīng)，這部分是將污水中得有機氮和氨氮（NH3-N）轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽氮（NO2-N）和硝酸鹽氮（NO3-N）得過程，這個過程進(jìn)行得好壞，直接影響到出水的氨氮指標(biāo)，同時也影響著生物脫氮得第二部分反硝化反應(yīng)，這一期公眾號會深入的討論下硝化反應(yīng)中的一些內(nèi)容，以便在生產(chǎn)運行中，更有效的進(jìn)行控制和管理。

污水廠內(nèi)的硝化作用，是一個需要兩組細(xì)菌參與才能完成的兩步過程。也就是第一階段，氨通過一組自養(yǎng)菌(主要以亞硝化單胞菌屬，亞硝化球菌屬，亞硝化螺旋菌屬，亞硝化葉菌屬等等細(xì)菌為主，注意前面都有亞硝化的前綴)氧化成亞硝酸鹽，第二階段，亞硝酸鹽被另一組的自養(yǎng)菌(主要以硝化菌屬，硝化球菌，硝化螺菌，硝化囊菌屬等細(xì)菌為主，前綴是硝化)氧化成硝酸鹽。這是兩種不同的細(xì)菌在發(fā)揮作用才能完成污水廠內(nèi)的污水硝化，也就是氨氮的生物硝化過程。

生物硝化反應(yīng)通過化學(xué)方程式來表述就是：

在這個方程式中，我們可以看到完成整個氨氧化的過程，需要的氧和氮的比值為：

也就是說每降解一克NH4-N（注意不是氨的量，是氨中氮的量）需要4.57g的氧氣O2。

從這個計算中，我們基本可以得出在實際生產(chǎn)中，去除氨氮所需要的氧氣的大致的量，特別是遇到特殊水質(zhì)進(jìn)水時，造成進(jìn)水氨氮持續(xù)增高的時候，要注意溶解氧的調(diào)整，確保這個生物脫氮的化學(xué)表示的方程能夠進(jìn)行下去。

需要注意的是，在（1）化學(xué)方程式中，反應(yīng)式的右端是存在H+氫根離子的，在生物反應(yīng)池中，如果沒有及時中和生成的H+離子，就會導(dǎo)致反應(yīng)右端的濃度無限增加，最終使硝化反應(yīng)不再進(jìn)行。研究表明進(jìn)水中的H+離子較多的時候，也就是進(jìn)水的PH低于6.8時，硝化反應(yīng)速率開始明顯下降，如果接近6.0，反應(yīng)下降幅度達(dá)到90%。因此在硝化反應(yīng)中，還有一個對堿度的需要，也就是中和生成的H+離子的反應(yīng)。

在這個方程式中，我們可以看到完成整個氨氧化的過程，需要的堿度（以CaCO3計算）和氮的比值為：

這也就是在一些偏酸性的工業(yè)廢水，或者混雜有偏酸性的工業(yè)廢水的生活污水中，需要投加一部分的堿來中和H+離子，來促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)行下去的原因和計算方法。

上述的（1）和（2）兩個化學(xué)式近似的反映了生物硝化反應(yīng)中氮的轉(zhuǎn)化過程，但是對于生物體本身來說，污水中的氮元素也是作為生物體營養(yǎng)元素的重要組成部分。

組成細(xì)菌及微生物的元素典型成分

從微生物的構(gòu)成元素表，可以看到，氮在生物體的組成部分中，還占據(jù)了很大一部分比

例，所以在污水處理過程中存在的大量的微生物是需要大量的氮元素來完成自身的生物體繁殖和生長所需的，因此我們在硝化反應(yīng)中，還要考慮生物體本身所需要的氮元素，也就是我們通常所說的同化作用：構(gòu)成污水廠內(nèi)活性污泥的微生物在自身生長過程中從污水中所攝取的氮元素。

這個利用化學(xué)式來表示為：

化學(xué)式（3）是污水中的一部分銨離子被合成生物體包括細(xì)胞組織的反應(yīng)，污水中的微生物體的化學(xué)組分用C5H7O2N來近似的替代。

在這個反應(yīng)中，對氨氮，氧，堿度的消耗都存在一部分，因此在一個完整的硝化反應(yīng)中，所需的氧氣，消耗的堿度，會比我們通過（1）和（2）推導(dǎo)出來的數(shù)值略有不同，但是在實際的工程使用中，污水廠的檢測手段往往檢測不到這么細(xì)微的變化，因此我們一般不予考慮這部分的差異。但是我們需要了解在微生物的構(gòu)成中，氮是占到了除去碳、氧、氫之外的第四位的元素。因此在實際運行中，如果出現(xiàn)進(jìn)水水質(zhì)受到雨污合流，以及礦井水，地下水的稀釋作用后，氮元素不足，在運行中是需要補充氮源的，否則很難保證活性污泥的正常運行。

除了從化學(xué)反應(yīng)的角度來看污水廠的硝化過程以外，我們還要從微生物的生長來考察污水廠的硝化反應(yīng)。在相關(guān)的文獻(xiàn)中介紹，硝化系統(tǒng)在生存的環(huán)境溫度在28℃以下時，反應(yīng)的速率是受到限制的，因此為了突破溫度對反應(yīng)速率的限制，一般會控制硝化反應(yīng)的過程中是氧氣是飽和的狀態(tài)。這也就是在污水廠中的生化系統(tǒng)盡量要保持溶解氧充足來控制出水的氨氮達(dá)標(biāo)。但是由于硝化菌的反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于消耗污水中的有機物的異養(yǎng)菌的反應(yīng)速率，因此在污水廠中，我們?yōu)榱吮ＷC硝化反應(yīng)的進(jìn)行，就需要控制兩個因素，一個是曝氣池內(nèi)的充足的溶解氧，一個是要有足夠的污泥齡，讓硝化菌有時間來進(jìn)行硝化反應(yīng)。

由于硝化菌的反應(yīng)溫度的需求，生化池內(nèi)的水溫在10℃時，需要控制污泥齡要到10~20天，在20℃時，污泥齡要到4~7天。所以根據(jù)這個理論，污水廠特別是北方的污水處理廠，在運行中，冬夏的污泥齡控制要有所區(qū)別，為了保證生物脫氮的穩(wěn)定進(jìn)行，需要在不同的季節(jié)，不同的生物池水溫情況下，采用不同的剩余污泥排放量，當(dāng)然也要結(jié)合實際的進(jìn)水水量的變化，控制不同的污泥齡，來從生物反應(yīng)的角度來滿足硝化反應(yīng)的進(jìn)行，也就是控制出水水質(zhì)的氨氮達(dá)標(biāo)。高溫下，也就是高于28℃時，硝化菌的反應(yīng)受到氧氣的制約減少，反應(yīng)速率會大大提高，這個時候要注意硝酸根的累計造成反應(yīng)的向右進(jìn)行受阻，但是生活污水廠一般不會出現(xiàn)這么高的水溫，不需要進(jìn)行考慮，但是在工業(yè)廢水中要加以注意。

在污水廠的實際生產(chǎn)過程中，污水廠內(nèi)的硝化反應(yīng)除了上述所說的PH值，溶解氧，污泥齡的影響之外，還有一些其他的因素也會制約硝化反應(yīng)。主要有以下的幾方面：

1、毒性。硝化菌對污水中的各種具有生物毒性的物質(zhì)都很敏感，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)比異養(yǎng)菌更敏感，所以有時候污水廠也可以通過穩(wěn)定運行工況下，硝化作用變差，氨氮波動來判斷進(jìn)水中的低濃度毒物的影響，有毒性的物質(zhì)包括有機溶劑，酚類，醇類，醚類，氰酸鹽，苯等等。

2、重金屬。重金屬的鎳，鉻，銅等在0.25mg/L左右的濃度就會對硝化作用完全抑制。

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