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    生物脫氮基本原理及影響因素

    廢水中存在著有機氮、氨氮、硝態氮等形式的氮,而其中以氨氮和有機氮為主要形式。在生物處理過程中,有機氮被異養微生物氧化分解,即通過氨化作用轉化為成氨氮,而后經硝化過程轉化變為NO3-N和NO2-N,最后通過反硝化作用使硝態氮轉化成氮氣,而逸入大氣。由此可見,進行生物脫氮可分為氨化-硝化-反硝化三個步驟。由于氨化反應速度很快。在一般廢水處理設施中均能完成,故生物脫氮的關鍵在于硝化和反硝化。

    一、氨化作用

    1.1概念

    氨化作用是指將有機氮化合物轉化為氨態氮的過程,也稱為礦化作用。

    1.2細菌

    參與氨化作用的細菌成為氨化細菌。在自然界中,它們的種類很多,主要有好氧性的熒光假單胞菌和靈桿菌,兼性的變形桿菌和厭氧的腐敗梭菌等。

    1.3降解方式(分好氧和厭氧)

    在好氧條件下,主要有兩種降解方式,一是氧化酶催化下的氧化脫氨。另一是某些好氧菌,在水解酶的催化作用下能水解脫氮反應。

    在厭氧條件或缺氧的條件下,厭氧微生物和兼性厭氧微生物對有機氮化合物進行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應。

    二、硝化作用

    2.1概念

    硝化作用是指將氨氮氧化為亞硝酸氮和硝態氮的生物化學反應,

    2.2細菌

    這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成。亞硝化菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。硝酸菌有硝化桿菌屬、硝化球菌屬。亞硝酸菌和硝化菌統稱為硝化菌。

    2.3反應過程

    包括亞硝化反應和硝化反應兩個步驟。發生硝化反應時細菌分別從氧化NH3和NO2-的過程中獲得能量,碳源來自無機碳化合物,如CO32-、HCO-、CO2等。

    2.4特點

    硝化過程的三個重要特點:

    ⑴NH3的生物氧化需要大量的氧,大約每去除1g的NH3-N需要4.2gO2;

    ⑵硝化過程細胞產率非常低,且難以維持較高勝物濃度,特別是在低溫的冬季;

    ⑶硝化過程中產生大量的的質子(H—),為了使反應能順利進行,需要大量的堿中和,其理論上大約為每氧化1g的NH3-N需要堿度5.57g(以NaCO3計)。

    2.5硝化反應影響因素

    ①溫度

    在生物硝化系統中,硝化細菌對溫度的變化非常敏感,在5~35℃的范圍內,硝化菌能進行正常的生理代謝活動。當廢水溫度低于15℃時,硝化速率會明顯下降,當溫度低于10℃時已啟動的硝化系統可以勉強維持,硝化速率只有30℃時的硝化硝化速率的25%。盡管溫度的升高,生物活性增大,硝化速率也升高,但溫度過高將使硝化菌大量死亡,實際運行中要求硝化反應溫度低于38℃。

    ②pH值

    硝化菌對pH值變化非常敏感,最佳pH值是8.0~8.4,在這一最佳pH值條件下,硝化速度,硝化菌最大的比值速度可達最大值。Anthonison認為pH對硝化反應的影響只是表觀現象,實際起作用是兩個平衡H++NH3=NH4+和H++NO2-=HNO2中的NH3(FA)和HNO2(FNA),pH通過這兩個平衡影響FA和FNA的濃度起作用的。

    ③溶解氧

    氧是硝化反應過程中的電子受體,反應器內溶解氧高低,必將影響硝化反應得進程。在活性污泥法系統中,大多數學者認為溶解氧應該控制在1.5~2.0mg/L內,低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。當前,有許多學者認為在低DO(1.5mg/L)下可出現SND現象。在DO>2.0mg/L,溶解氧濃度對硝化過程影響可不予考慮。但DO濃度不宜太高,因為溶解氧過高能夠導致有機物分解過快,從而使微生物缺乏營養,活性污泥易于老化,結構松散。此外溶解氧過高,過量能耗,在經濟上也是不適宜的。

    ④生物固體平均停留時間(污泥齡)

    為了使硝化菌群能夠在連續流反應器系統存活,微生物在反應器內的停留時間(θc)N必須大于自養型硝化菌最小的世代時間(θc)minN,否則硝化菌的流失率將大于凈增率,將使硝化菌從系統中流失殆盡。一般對(θc)N的取值,至少應為硝化菌最小世代時間的2倍以上,即安全系數應大于2。

    ⑤重金屬及有毒物質

    除了重金屬外,對硝化反應產生抑制作用的物質還有:高濃度氨氮、高濃度硝酸鹽有機物及絡合陽離子等。

    三、反硝化作用

    3.1概念

    反硝化作用是指在厭氧或缺氧(DO<0.3-0.5mg/L)條件下,硝態氮、亞硝態氮及其其它氮氧化物被用作電子受體而還原為氮氣或氮的其它氣態氧化物的生物學反應。

    3.2細菌

    這個過程反硝化菌完成。

    進行這類反應的細菌主要有變形桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬、芽胞桿菌屬、產堿桿菌屬、黃桿菌屬等兼性細菌,它們在自然界中廣泛存在。有分子氧存在時,利用O2作為最終電子受體,氧化有機物,進行呼吸;無分子氧存在時,利用NO3―或者NO2―進行呼吸。研究表明,這種利用分子氧和NO3―之間的轉換很易進行,即使頻繁交換也不抑制其反硝化的進行。

    大多數反硝化菌能進行反硝化的同時將NO3―同化為NH4+而供給細胞合成之用,這也就是所謂同化反硝化。只有當NO3―作為反硝化菌唯一可利用的氨源時NO3―同化代謝才能發生。如果廢水中同時存在NH4+,反硝化菌有限利用氨態氮進行合成。

    3.3反硝化過程

    3.4反硝化反應影響因素

    1.溫度

    反硝化細菌對溫度變化雖不如硝化細菌那樣敏感,但反硝化效果也會隨溫度變化而變化。溫度越高,硝化速率也越高,在30~35℃時,DNR增至最大。當低于15℃時,反硝化速率將明顯降低;至5℃時,反硝化將趨于停止。

    2.pH值

    pH值是反硝化反應的重要影響因素,對反硝化最適宜的pH值是6.5~7.5,在這個pH值的條件下,反硝化速率最高,當pH值高于8或者低于6時,反硝化速率將大為下降。

    3.外加碳源

    反硝化菌是屬于異養型兼性厭氧菌,在厭氧的條件下以NOx-N為電子受體,以有機物(有機碳)為電子供體。由此可見,碳源是反硝化過程中不可少的一種物質,進水的C/N直接影響生物脫氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN=3~4,有機物越充分,反應速度越快,當廢水中BOD/TKN小于3時,需要外加碳源才能達到理想的脫氮目的。因此碳源對反硝化效果影響很大。反硝化的碳源來源主要分三類:一是廢水本身的組成物,如各種有機酸、淀粉、碳水化合物等;二是廢水處理過程中添加碳源,一般可以添加附近一些工業副產物,如乙酸、丙酸和甲醇等;三是活性污泥自身死亡自溶釋放的碳源,稱為內源碳。

    4.溶解氧

    反硝化是異養兼性厭氧菌,只有在無分子氧而同時存在硝酸和亞硝酸離子的條件下,它們才能利用這些離子中的氧進行呼吸,使硝酸鹽還原。如反應器內溶解氧較高,將使反硝化菌利用氧進行呼吸,抑制反硝化菌體內硝酸鹽還原酶的合成,或者氧成為電子受體,阻礙硝酸鹽的還原。但是,另一方面,在反硝化菌體內某些酶系組分只有在有氧條件下,才能合成,這樣,反硝化菌以在厭氧、好氧交替環境中生活為宜,溶解氧應控制在0.5mg/L。

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