淺析污水處理中的AO脫氮工藝

　　基本原理
 
　　A/O法生物去除氨氮原理：污水中的氨氮，在充氧的條件下(O段)，被硝化菌硝化為硝態(tài)氮，大量硝態(tài)氮回流至A段，在缺氧條件下，通過(guò)兼性厭氧反硝化菌作用，以污水中有機(jī)物作為電子供體，硝態(tài)氮作為電子受體，使硝態(tài)氮波還原為無(wú)污染的氮?dú)?，逸入大氣從而達(dá)到終脫氮的自的。
 
　　硝化反應(yīng)：
 
　　NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
 
　　反硝化反應(yīng)：
 
　　6NO3-+5CH3OH(有機(jī)物)→5CO2↑+7H2O+6OH-+3N2↑
 
　　A/O工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯(lián)在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。在缺氧段異養(yǎng)菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機(jī)物水解為有機(jī)酸，使大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，不溶性的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)物，當(dāng)這些經(jīng)缺氧水解的產(chǎn)物進(jìn)入好氧池進(jìn)行好氧處理時(shí)，可提高污水的可生化性及氧的效率；在缺氧段，異養(yǎng)菌將蛋白質(zhì)、脂肪等污染物進(jìn)行氨化(有機(jī)鏈上的N或氨基酸中的氨基)游離出氨(NH3、NH4+)，在充足供氧條件下，自養(yǎng)菌的硝化作用將NH3-N(NH4+)氧化為NO3-，通過(guò)回流控制返回至A池，在缺氧條件下，異氧菌的反硝化作用將NO3-還原為分子態(tài)氮(N2)完成C、N、O在生態(tài)中的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)污水無(wú)害化處理。
 
　　A/O內(nèi)循環(huán)生物脫氮工藝特點(diǎn)
 
　　根據(jù)以上對(duì)生物脫氮基本流程的敘述，結(jié)合多年的廢水脫氮的經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)出(A/O)生物脫氮流程具有以下優(yōu)點(diǎn)：
 
　　1.效率高
 
　　該工藝對(duì)廢水中的有機(jī)物，氨氮等均有較高的去除效果。當(dāng)總停留時(shí)間大于54h，經(jīng)生物脫氮后的出水再經(jīng)過(guò)混凝沉淀，可將COD值降至100mg/L以下，其他指標(biāo)也達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，總氮去除率在70%以上。
 
　　2.流程簡(jiǎn)單，投資省，操作費(fèi)用低
 
　　反硝化在前，硝化在后，設(shè)內(nèi)循環(huán)，以原污水中的有機(jī)底物作為碳源，效果好，反硝化反應(yīng)充分；曝氣池在后，使反硝化殘留物得以進(jìn)一步去除，提高了處理水水質(zhì)；A段攪拌，只起使污泥懸浮，而避免DO的增加。O段的前段采用強(qiáng)曝氣，后段減少氣量，使內(nèi)循環(huán)液的DO含量降低，以保證A段的缺氧狀態(tài)。該工藝是以廢水中的有機(jī)物作為反硝化的碳源，故不需要再另加甲醇等昂貴的碳源。尤其，在蒸氨塔設(shè)置有脫固定氨的裝置后，碳氮比有所提高，在反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的堿度相應(yīng)地降低了硝化過(guò)程需要的堿耗。
 
　　3.缺氧反硝化過(guò)程對(duì)污染物具有較高的降解效率
 
　　如COD、BOD5和SCN-在缺氧段中去除率在67%、38%、59%，酚和有機(jī)物的去除率分別為62%和36%，故反硝化反應(yīng)是為經(jīng)濟(jì)的節(jié)能型降解過(guò)程。
 
　　4.容積負(fù)荷高
 
　　由于硝化階段采用了強(qiáng)化生化，反硝化階段又采用了高濃度污泥的膜技術(shù)，有效地提高了硝化及反硝化的污泥濃度，與國(guó)外同類(lèi)工藝相比，具有較高的容積負(fù)荷。
 
　　5.缺氧/好氧工藝的耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)
 
　　當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大或污染物濃度較高時(shí)，本工藝均能維持正常運(yùn)行，故操作管理也很簡(jiǎn)單。通過(guò)以上流程的比較，不難看出，生物脫氮工藝本身就是脫氮的同時(shí)，也降解酚、氰、COD等有機(jī)物。結(jié)合水量、水質(zhì)特點(diǎn)，我們采用缺氧/好氧(A/O)的生物脫氮(內(nèi)循環(huán)) 工藝流程，使污水處理裝置不但能達(dá)到脫氮的要求，而且其它指標(biāo)也達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
 
　　A/O法存在的問(wèn)題
 
　　1.由于沒(méi)有立的污泥回流系統(tǒng)，從而不能培養(yǎng)出具有特功能的污泥，難降解物質(zhì)的降解率較低；
 
　　2.若要提高脫氮效率，必須加大內(nèi)循環(huán)比，因而加大運(yùn)行費(fèi)用。從外，內(nèi)循環(huán)液來(lái)自曝氣池，含有一定的DO，使A段難以保持理想的缺氧狀態(tài)，影響反硝化效果，脫氮率很難達(dá)到90% 。
 
　　污水脫氮的影響因素
 
　　1.酸堿度(pH值)
 
　　大量研究表明，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜的pH分別為7.0～8.5和6.0～7.5，當(dāng)pH值低于6.0或高于9.6時(shí)，硝化反應(yīng)停止。硝化細(xì)菌經(jīng)過(guò)一段時(shí)間馴化后，可在低pH值(5.5)的條件下進(jìn)行，但pH值突然降低，則會(huì)使硝化反應(yīng)速度驟降，待pH值升高恢復(fù)后，硝化反應(yīng)也會(huì)隨之恢復(fù)。
 
　　反硝化細(xì)菌適宜的pH值為7.0～8.5，在這個(gè)pH值下反硝化速率較高，當(dāng)pH值低于6.0或高于8.5時(shí)，反硝化速率將明顯降低。此外pH值還影響反硝化終產(chǎn)物，pH值超過(guò)7.3時(shí)終產(chǎn)物為氮?dú)猓陀?.3時(shí)終產(chǎn)物是N2O。
 
　　硝化過(guò)程消耗廢水中的堿度會(huì)使廢水的pH值下降(每硝化1g氨氮將消耗7.14g堿度，以CaCO3計(jì))。相反，反硝化過(guò)程則會(huì)產(chǎn)生一定量的堿度使pH值上升(每反硝化1g硝酸鹽將產(chǎn)生3.57g堿度，以CaCO3計(jì))但是由于硝化反應(yīng)和反硝化過(guò)程是序列進(jìn)行的，也就是說(shuō)反硝化階段產(chǎn)生的堿度并不能彌補(bǔ)硝化階段所消耗的堿度。因此，為使脫氮系統(tǒng)處于佳狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整pH值。
 
　　2.溫度(T)
 
　　硝化反應(yīng)適宜的溫度范圍為5～35℃，在5～35℃范圍內(nèi)，反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，當(dāng)溫度小于5℃時(shí)，硝化菌*停止活動(dòng)；在同時(shí)去除COD和硝化反應(yīng)體系中，溫度小于15℃時(shí)，硝化反應(yīng)速度會(huì)迅速降低，對(duì)硝酸菌的抑制會(huì)更加強(qiáng)烈。
 
　　反硝化反應(yīng)適宜的溫度是15～30℃，當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，反硝化作用停止，當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，反硝化速率也開(kāi)始下降。
 
　　有研究表明，溫度對(duì)反硝化速率的影響取與反應(yīng)設(shè)備的類(lèi)型、負(fù)荷率的高低都有直接的關(guān)系，不同碳源條件下，不同溫度對(duì)反硝化速率的影響也不同。
 
　　3.溶解氧(DO)
 
　　在好氧條件下硝化反應(yīng)才能進(jìn)行，溶解氧濃度不但影響硝化反應(yīng)速率，而且影響其代謝產(chǎn)物。為滿足正常的硝化反應(yīng)，在活性污泥中，溶解氧的濃度至少要有2mg/L，一般應(yīng)在2～3mg/L，生物膜法則應(yīng)大于3mg/L。當(dāng)溶解氧的濃度低于0.5～0.7mg/L時(shí)，硝化反應(yīng)過(guò)程將受到限制。
 
　　傳統(tǒng)的反硝化過(guò)程需在較為嚴(yán)格的缺氧條件下進(jìn)行，因?yàn)檠鯐?huì)同競(jìng)爭(zhēng)電子供體，且會(huì)抑制微生物對(duì)硝酸鹽還原酶的合成及其活性。但是，在一般情況下，活性污泥生物絮凝體內(nèi)存在缺氧區(qū)，曝氣池內(nèi)即使存在一定的溶解氧，反硝化作用也能進(jìn)行。研究表明，要獲得較好的反硝化效果，對(duì)于活性污泥系統(tǒng)，反硝化過(guò)程中混合液的溶解氧濃度應(yīng)控制在0.5mg/L以下；對(duì)于生物膜系統(tǒng)，溶解氧需保持在1.5mg/L以下。
 
　　4.碳氮比(C/N)
 
　　在脫氮過(guò)程中，C/N將影響活性污泥中硝化菌所占的比例。因?yàn)橄趸鸀樽责B(yǎng)型微生物，代謝過(guò)程不需要有機(jī)質(zhì)，所以污水中的BOD5/TKN越小，即BOD5的濃度越低硝化菌所占的比例越大，硝化反應(yīng)越容易進(jìn)行。硝化反應(yīng)的一般要求是BOD5/TKN>5，COD/TKN>8,下表是GradyC.P.L.Jr的不同的C/N對(duì)脫氮的效果的影響：
 
　　不同的C/N的脫氮效果
 
　　氨氮是硝化作用的主要基質(zhì)，應(yīng)保持一定的濃度，但氨氮濃度超過(guò)100～200mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)硝化反應(yīng)起抑制作用，其抑制程度隨著氨氮濃度的增加而增加。
 
　　反硝化過(guò)程需要有足夠的有機(jī)碳源，但是碳源種類(lèi)不同亦會(huì)影響反硝化速率。反硝化碳源可以分為三類(lèi)：一類(lèi)是易于生物降解的溶解性的有機(jī)物；第二類(lèi)是可慢速降解的有機(jī)物；第三類(lèi)是細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)菌利用細(xì)胞成分進(jìn)行內(nèi)源硝化。在三類(lèi)物質(zhì)中，一類(lèi)有機(jī)物作為碳源的反應(yīng)速率快，第三類(lèi)慢。
 
　　有研究認(rèn)為，廢水中BOD5/TKN≥4~6時(shí)，可以認(rèn)為碳源充足，不必外加碳源。
 
　　5.污泥齡(SRT)
 
　　污泥齡(生物固體的停留時(shí)間)是廢水硝化管理的控制目標(biāo)。為了使硝化菌菌群能在連續(xù)流的系統(tǒng)中生存下來(lái)，系統(tǒng)的SRT必須大于自養(yǎng)型硝化菌的比生長(zhǎng)速率，泥齡過(guò)短會(huì)導(dǎo)致硝化細(xì)菌的流失或硝化速率的降低。在實(shí)際的脫氮工程中，一般選用的污泥齡應(yīng)大于實(shí)際的SRT。有研究表明，對(duì)于活性污泥法脫氮，污泥齡一般不低于15d。污泥齡較長(zhǎng)可以增加微生物的硝化能力，減輕有毒物質(zhì)的抑制作用，但也會(huì)降低污泥活性。
 
　　6.內(nèi)回流比(r)
 
　　內(nèi)回流的作用是向反硝化反應(yīng)器內(nèi)提供硝態(tài)氮，使其作為反硝化作用的電子受體，從而達(dá)到脫氮的目的，循環(huán)比不但影響脫氮的效果，而且影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力消耗，是一項(xiàng)重要的參數(shù)。循環(huán)比的取值與要求達(dá)到的效果以及反應(yīng)器類(lèi)型有關(guān)。有數(shù)據(jù)表明，循環(huán)比在50%以下，脫氮率很低；脫氮率在200%以下，脫氮率隨循環(huán)比升高而顯著上升；內(nèi)回流比高于200%以后，脫氮效率提高較緩慢。一般情況下，對(duì)低氨氮濃度的廢水，回流比在200%～300%為經(jīng)濟(jì)。
 
　　7.氧化還原電位(ORP)
 
　　在理論上，缺氧段和厭氧段的DO均為零，因此很難用DO描述。據(jù)研究，厭氧段ORP值一般在-160～-200mV之間，好氧段ORP值一般在+180mV坐右，缺氧段的ORP值在-50～-110mV之間，因此可以用ORP作為脫氮運(yùn)行的控制參數(shù)。
 
　　8.抑制性物質(zhì)
 
　　某些有機(jī)物和一些重金屬、化物、硫及衍生物、游離氨等有害物質(zhì)在達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)抑制硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。游離氨的抑制允許濃度：亞硝酸(Nitosomonas)為10～150mg/L，硝酸鹽(Nitrobacter)為0.1～1mg/L。有機(jī)物抑制硝化反應(yīng)的主要原因：一是有機(jī)物濃度過(guò)高時(shí)，硝化過(guò)程中的異養(yǎng)微生物濃度會(huì)大大超過(guò)硝化菌的濃度，從而使硝化菌不能獲得足夠的氧而影響硝化速率；二是某些有機(jī)物對(duì)硝化菌具有直接的毒害或抑制作用。
 
　　9.其他因素影響
 
　　生物脫氮系統(tǒng)涉及厭氧和缺氧過(guò)程，不需要供氧，但必須使污泥處于懸浮狀態(tài)，攪拌是必需的，攪拌所需的功率對(duì)豎向攪拌器一般為12～16W/m3，對(duì)水平攪拌器一般為8W/m3。
 
　　10.生物脫氮過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化條件
 
　　生物脫氮過(guò)程包括氨氧化、亞硝化、硝化及反硝化，有機(jī)物降解碳化過(guò)程亦伴隨著這些過(guò)程同時(shí)完成。綜合考慮各項(xiàng)因素(如菌種及其增值速度、溶解氧、pH值、溫度、負(fù)荷等)可有效減化和改善生物脫氮的總體過(guò)程。