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1、1 .反硝化深床濾池工藝 1 .1反硝化工藝原理 反不肖化反應(yīng)(denitrification ) 反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)型微生物完成的生物化學過程。在缺氧(不存在分子態(tài) 溶解氧)的條件下，將亞硝酸根和硝酸根還原成氮氣、一氧化氮或氧化二氮。參與反 硝化過程的微生物是反硝化菌。反硝化菌屬兼性菌，在自然環(huán)境中幾乎無處不在， 在廢水處理系統(tǒng)中許多常見的微生物都是反硝化細菌，如變形桿菌屬(Proteus)、微 球菌屬(Micrococcus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽抱桿菌屬(Bacillus)、產(chǎn)堿 桿菌屬(Alcaligenes)、黃桿菌屬(Fla vobacter)等，它

2、們多數(shù)是兼性細菌。當有溶 解氧存在時，反硝化菌分解有機物利用分子態(tài)氧作為最終電子受體。在無溶解氧的 情況下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的 N5+和N3+作為能量代謝中的電子受體， O”作為受氫體生成H2O和OH—堿度，有機物作為碳源及電子供體提供能量并被氧 化穩(wěn)定。 生物反硝化過程可用以下二式表示： 2NO2 十6H(電子供體有機物)一一 N2十2H2O +20H(2—1) 2NO3十9H(電子供體有機物)一一 N2十3H2O十30H-(2—2) 反硝化過程中亞硝酸根和硝酸根的轉(zhuǎn)化是通過反硝化細菌的同化作用和異化作 用來完成的。同化作用是指亞硝酸根和硝酸根被還原成氨氮，用來合成新微

3、生物的 細胞、氮成為細胞質(zhì)的成分的過程。異化作用是指亞硝酸根和硝酸根被還原為氮氣、 一氧化氮或一氧化二氮等氣態(tài)物質(zhì)的過程，其中主要成分是氮氣。異化作用去除的 氮約占總?cè)コ康?0—75% 。 反硝化過程的產(chǎn)物因參與反硝化反應(yīng)的做生物種類和環(huán)境因素的不同而有所不 同.例如，pH值低于7.3時，一氧化二氮的產(chǎn)量會增加.當游離態(tài)氧和化合態(tài)氧同 時存在時，微生物優(yōu)先選擇游離態(tài)氧作為含碳有機物氧化的電子受體。因此 ，為了保 證反硝化的順利進行，必須確保廢水處理系統(tǒng)反硝化部分的缺氧狀態(tài)。廢水中的含 碳有機物可以作為反硝化過程的電子供體。由式 (2—1)計算，轉(zhuǎn)化1g亞硝酸鹽氮為 氮氣時，需要有機物(以B

4、OD5表示)1。71g ,轉(zhuǎn)化1g硝酸鹽氮為氮氣時，需要 有機物(以BOD5表示)2。87g,與此同時產(chǎn)生3.57g堿度(以CaCO3計)。如 果廢水中不含溶解氧，為使反硝化進行完全，所需碳源、有機物(以BOD5表示)總 量可用下式計算： C=10 71[NO2-N]十 2.86 [NO3-N](2—3 ) 式中：C反硝化過程有機物需要量(以BOD5表示),mg/L; [NO2 N]——亞硝酸鹽濃度,mg/L; [NO3— N]一一硝酸鹽濃度，mg/L 。 當廢水中碳源有機物不足時，可補充投加易于生物降解的碳源有機物，如碳源 (以甲醇為例)等。同時考慮同化及異化兩個代謝過程的反硝化

5、反應(yīng)可用下式表示： NO2- 十 0.67CH30H 十 0。53H2CO3 ——0。04C5 H7 NO3 十 0。48N2 十 1。23H2。 十 HC03(2—4) N03- + 1.08CH30H 十 0。24H2CO3一—0.056C3H7 NO3 十 0.47N2 十 1。68H2。 十 HCO3(2-5) 由式(2-4)和式(2—5)可以計算，每還原1g亞硝酸鹽氮和1g硝酸鹽氮為氮氣 時,分別需要碳源(以甲醇為例)1。53g和2.47g。 為了降低運行成本，可以用城市廢水或工業(yè)廢水作為碳源.廢水中一部分易生物 降解的有機碳可以作為反硝化的碳源被微生物利用。另一部分有機物則

6、是可慢速生 物降解的顆粒性或溶解性有機物，雖可作為反硝化的碳源，但會使反硝化的速率降低. 其余的不可生物降解有機物，不能作為反硝化的碳源。 根據(jù)有機碳源的不同，Barnard提出反硝化速率可以分為三個不同的速率階段。 第一階段在5~15min內(nèi)，反硝化速率為50mg/(L ? h)，該階段利用易生物降解的 可溶性有機物作為碳源。第二階段速率為16mg/ (L ? h)，用不溶或復(fù)雜的可溶性 有機物作碳源，這一階段一直延續(xù)到外部碳源用盡為止。第三階段反硝化速率為5。 4mg/(L ? h),用微生物內(nèi)源代謝產(chǎn)物作碳源。 1。2反硝化影晌因素 1)溫度 溫度對反硝化速率的影響與反硝化設(shè)

7、備的類型(做生物的懸浮生長型與附著生 長型)及硝酸鹽氮負荷有關(guān).例如，溫度對生物流化床反硝化的影響比生物轉(zhuǎn)盤和懸 浮活性污泥法明顯要小得多.當溫度從20c降到5c時，達到同樣的反硝化效果，生 物流化床的水力停留時間為 20c運行條件下的2。1倍，而對生物轉(zhuǎn)盤和活性污泥 法則分別為4.6和4。3倍。反硝化反應(yīng)的最適宜溫度范圍是 20~40c，低于5c 時反應(yīng)速率會下降.為在低溫條件下提高反硝化速率，可以采取延長污泥齡、降低負荷 率和提高廢水的水力停留時間等方法。 2 ） pH 值 反硝化過程的最適宜pH值為7.0~7.5 ,不適宜的pH值影響反硝化菌的增殖 和酶的活性。當pH值低于6。0或

8、高于8.0時，反硝化會受到明顯的抑制。反硝 化過程中會產(chǎn)生堿度，這有助于把 pH值保持在所需范圍內(nèi)，并補充在硝化過程中 消耗的一部分堿度。理論計算表明，每還原 1g硝酸鹽氮產(chǎn)生3.5g堿度（以CaCO3 計），但實測值低于理論計算值。對于懸浮生長型反硝化系統(tǒng)，此值為 2.89g，而對 于附著生長型反硝化系統(tǒng)，此值為 2。95g。 3）溶解氧 微生物反硝化需要保持嚴格的缺氧條件。溶解氧對反硝化過程有抑制作用，這 主要是因為氧會與硝酸鹽競爭電子供體 ，同時分子態(tài)氧也會抑制硝酸鹽還原酶的合 成及其活性。溶解氧對反硝化抑制作用的對比試驗結(jié)果表明，當溶解氧為0mg/L時， 硝酸鹽的去除率為100%

9、 ,而溶解氧為0.2mg/L時，則無明顯的反硝化作用。一般 認為，活性污泥系統(tǒng)中，溶解氧應(yīng)保持在 00 5mg/L以下，才能使反硝化反應(yīng)正常 進行。但在附著生長系統(tǒng)中，由于生物膜對氧傳遞的阻力較大 ，可以允許有較高的溶 解氧濃度。 4）碳源有機物 反硝化反應(yīng)是由異養(yǎng)微生物完成的生化反應(yīng)，它們在溶解氧濃度極低的條件下 利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機物作為碳源及電子供體。碳源物質(zhì)不同，反硝 化速率也不同. 5）碳氮比 如上所述，理論上將1g硝酸鹽氮還原為氮氣需要碳源有機物（以 BOD5表 示）2.86g 。 一般認為，當反硝化反應(yīng)器中廢水的BOD5/TKN值大于4?6時，可以認為碳

10、源充足。 在單級活性污泥系統(tǒng)單一缺氧池前置反硝化（A/O）工藝中，碳氮比需求可高達 8,這是因為城市廢水成分復(fù)雜，常常只有一部分快速生物降解的 BOD5可用作反硝 化的碳源物質(zhì)。 如果以碳源（以甲醇為例）作為碳源物質(zhì)，碳源（以甲醇為例）作為碳源與硝酸鹽 氮的比例為3就可滿足充分反硝化的需要。 6）有毒物質(zhì) 反硝化菌對有毒物質(zhì)的敏感性比硝化菌低得多， 與一般好氧異養(yǎng)菌相同.在應(yīng)用 一般好氧異養(yǎng)菌的抑制或毒性的文獻數(shù)據(jù)時，應(yīng)該考慮微生物被馴化的作用.通過試 驗得出反硝化菌對抑制和有毒物質(zhì)的允許濃度。 反硝化濾池屬于缺氧生物膜法工藝，生物膜法污泥濃度極高，缺氧生物膜法約為 20000mg

11、/L左右，遠遠高于常規(guī)活性污泥法的 3000-5000mg/L,水流方向為降流式 從上而下經(jīng)過生物填料層，具有推流生物反應(yīng)器的特點，且生物附著于填料表面不 斷更新，不存在污泥流失等問題，也不存在泥齡等限制，這決定了該工藝的特點： ?反應(yīng)效率高，具有高度的硝化與脫氮功能； ?對水質(zhì)水量的變化有較強的適應(yīng)性； ?對低濃度的污水也能進行有效的處理； ?生物膜法工藝中脫落的生物膜，易于固液分離，沉淀池的處理效果良好 即使絲狀菌異常增殖，也不像活性污泥法那樣產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象； ?污泥產(chǎn)率低，節(jié)省污泥處理費用； ?負荷高，占地非常節(jié)省。 2。3化學除磷 通過混凝劑與污水中的磷酸鹽反應(yīng)，生成

12、難溶的含磷化合物與絮凝體，可以使 污水中的磷分離出來，達到除磷的目的，化學除磷常用的混凝劑有石灰（鈣鹽）、鋁鹽 和鐵鹽等。 1）石灰除磷：石灰中的鈣離子與正磷酸鹽作用而生成羥基磷灰石為： 羥基磷灰石的溶解度隨pH值增加而迅速降低，pH值的增高將促進磷酸鹽的去 除。要保持較好的除磷率，需要將pH值提高到9.5以上。要達到一個給定的磷酸鹽 去除率，所需的石灰投加量主要取決于污水的堿度，而與水中的含磷濃度關(guān)系不大。 對于需要設(shè)置化學除磷流程的工程項目而言，除磷的要求一般較高，故應(yīng)保證 pH>11o為滿足這一條件，一般在工程中 Ca的投加量?？刂圃?00mg/L左右。此 外，值得注意的是：磷酸

13、鈣沉淀的速度和程度除了與堿度密切相關(guān)外，還取決于反應(yīng) 器的結(jié)構(gòu)形式.由于回流中形成的沉淀物提供了更大的表面積，故以回流為特色的反 應(yīng)器遠比無回流的反應(yīng)器更為有效。因此在有條件的項目中，應(yīng)優(yōu)先考慮選用澄清 池作為其后續(xù)固液分離單元。 2）鋁鹽除磷 ①鋁離子與正磷酸鹽反應(yīng)，會形成固體的磷酸鋁： A13-+PO43 —— ALPO4 J ②一般采用硫酸鋁作為混凝劑，其反應(yīng)為： Al2 （ SO4）3+2PO43- 一—2ALPO4 J +3SO43- ③同時硫酸鋁還與污水中的堿度產(chǎn)生反應(yīng)： A12（SO4）3 + 6HCO3- ——2AL （OH）3 J +6CO2+3SO42-

14、由于硫酸鋁對堿度的中和，pH值下降，形成氫氧化鋁聚凝體，同時與正磷酸根 化合形成固體磷酸鋁.若不是兩種反應(yīng)同時進行，則除磷與投鋁的比例為1:0.87.根據(jù) 一般經(jīng)驗，鋁鹽的實際用量約為磷酸鹽沉淀所需量的一倍， 最佳的pH約為6。除磷 酸鋁外，聚合氯化鋁（PAC）和鋁酸鈉也常用于化學除磷，反應(yīng)后其 pH值不會降 低. 3）鐵鹽除磷 鐵離子與磷酸鹽的反應(yīng)同鋁離子與磷酸鹽的反應(yīng)十分相似，生成物為FeSQ與 Fe（OH）3。國內(nèi)常用的鐵鹽混凝劑有三氯化鐵 FeCL3、硫酸亞鐵等。 鐵鹽的投加條件與鋁鹽十分相似。 混凝劑的投加量不僅取決于藥劑的種類，而且還與生化系統(tǒng)的設(shè)計條件、污水 水質(zhì)以及后續(xù)

15、固液分離方式有關(guān).在有條件時，應(yīng)根據(jù)試驗來確定合理的投加量。當沒 有試驗條件時，可參考以下指標估算： 1）用于澄清和進一步去除懸浮固體及有機物質(zhì)，且二級生化處理系統(tǒng)的泥齡大 于20d時，可按給水處理投藥量的2-4倍考慮.一般來講，泥齡越長，投藥量越小. 2）用于后置除磷流程時可根據(jù)上節(jié)所述不同藥劑的參考量考慮。 3）投加鋁鹽或鐵鹽與生化系統(tǒng)合并處理時， 可按一摩爾磷投加1-3摩爾的鋁鹽 （鐵鹽）來考慮。 應(yīng)根據(jù)三級處理流程的豎向水力銜接條件考慮選擇混合單元的工藝形式。當三 級處理前設(shè)置中間提升泵站時，可采用水泵混合、靜態(tài)混合等方式。當流程水力銜接 的水頭較小時，宜先采用機械混合裝置，而盡量避免采用隔板混合池，以防止因隔 板上大量奠生生物膜而影響出水水質(zhì)的情況發(fā)生。在采用濾池過濾時，也可采用微絮 凝直接過濾的方式，利用濾池獨特的擾流效果完成絮凝和SS截留過程.