废水生物处理基本原理
——废水生物脱氮原理
1.1.1 废水中氮的存在形式 氮在废水中有以下几种形式 无机氮 N anorgan .: ∙ 氨氮
NH 4-N ∙ 亚硝氮
NO 2-N ∙ 硝氮 NO 3-N
有机氮
N organ .
总氮
N total = N anorgan . + N organ . 总凯氏氮
TKN = N organ . + NH 4-N
以氮的形式氮化合物的换算关系如下:
NH NH N NH NO NO N NO NO NO N NO 4128541285
4
2328523285
2
3442834428
3
++
--
--
−→−−-−→−−−→−−-−→−−−→−−-−→−−/,*,/,*,/,*,
1.1.2 废水生物脱氮的基本过程
①氨化（Ammonificaton ）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；
②硝化（Nitrification ）：废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO 2- 和NO 3-的过程；
③反硝化（Denitrification ）：废水中的NO 2- 和/或NO 3-在缺氧条件下在反硝化菌（异养型细菌）的作用下被还原为N 2的过程。
1.1.3 氨化作用基本原理
在废水中部分氮以无机物的形式存在。蛋白质被生化降解为氨氮
的作用成为氨化作用。尿素在酶的催化下降解也属于该作用。
举例:
COOH O
∣∣
R - C - H + H2O + 1/2 O2 ----> R - C + NH4+ + OH-∣∣
NH2COOH
NH2
∣
C=0 + 3 H2O 尿素酶> 2 NH4++ 2 OH-+ CO2
∣
NH2
该反应是在不需要氧的情况下进行的，因此填埋场中的垃圾中该反应居多。有该反应可以看出，该反应释放氢氧根离子 ，因此通过氨化作用可提高系统的硷度（耐酸缓冲能力）。 1.1.4 硝化反应（Nitrification ） 1.1.4.1 硝化反应的基本原理
硝化反应分为两步进行：①-+→24NO NH ； ②--→32NO NO 。 是由两组自养型硝化菌分两步完成的：① 亚硝酸盐细菌（或称为氨氧化细菌）（Nitrosomonas ）；② 硝酸盐细菌（或称为亚硝酸盐氧化细菌）（Nitrobacter ）；
到目前为止，还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮通过一步氧化到硝酸盐。
这两种硝化细菌的特点：① 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；② 强烈好氧，不能在酸性条件下生长；③ 无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C （CO 2或HCO 3-）为碳源；④ 化能自养型；⑤ 生长缓慢，世代时间长。 1.1.4.2 硝化反应过程及反应方程式
① 亚硝化反应：+-+++→+H O H NO O NH 25.12224
如果加上细胞合成，则：
3
22227532410457541097655CO H O H NO N O H C HCO O NH +++→++-
-+
亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH 4+-N （113/55/14）； 氧化1mg NH 4+-N 为NO 2--N ，需氧3.16mg （76⨯32/55/14）；
氧化1mg NH 4+-N 为NO 2--N ，需消耗7.08mg 碱度（以CaCO 3
计）（109⨯50/55/14）
② 硝化反应： --→+3225.0NO O NO
如果加上细胞合成，则：
-
+-++→++++227523324240031954400NO
O H N O H C O HCO CO H NH NO
硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO 2---N(113/400/14) 氧化1mg NO 2--N 为NO 3—N ，需氧1.11mg(195*32/400/14) 几乎不消耗碱度
③总的硝化反应： +-
+++→+H O H NO O NH 222324
如加上细胞合成，则：
3
23227532488.198.004.1)0025.00181.0(98.186.1CO H NO O H N O H C HCO O NH ++++→++-
-+ 总的细菌产率是： 0.02g/gNO 2--N(113/400/14)；
氧化1mg N NH -+4为N NO --3，需氧4.27mg(1.86*32/14)； 氧化1 mg N NH -+
4为N NO --3
，需消耗碱度7.07mg(以CaCO 3
计)；
污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致pH 值下降，使反应速率减缓或停滞；
如果不考虑合成，则：氧化 1 mg NH 4+-N 为NO 3--N ，需氧4.57mg ，其中亚硝化反应3.43mg ，硝化反应1.14mg ，需消耗碱度7.14mg(以CaCO 3计)
1.1.4.3 硝化反应所需要的环境条件
(1) 温度和微生物
与碳的氧化相比，碳在硝化反应中的生化降解能量释放（增长）较慢，这也解释了为什么硝化菌繁殖速度较慢，因此废水处理系统中活性污泥的停留时间一般比较长。其中一个比较重要的参数就是好氧泥龄，在废水处理设计中，当计算最小污泥泥龄时最需要考虑得时温度上升得影响。硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为3~10天)。
微生物生活的环境温度即活性污泥的温度对污泥增长和硝化影响较大，对于硝化菌来说最佳的反应温度范围为25至35摄氏度。低于5摄氏度或高于45摄氏度将会抑制硝化菌的增长从而抑制硝化反应。
因此，温度在废水生物处理中对于反硝化和硝化水平影响较大（见下图）。而影响温度的因素有以下几个方面：废水的温度、生化反应放热、设备如水泵风机等温升、射线、散热等。
在好氧系统中微生物的浓度是计算反应器体积所需的一个重要参数（见下图）。由图可以看出，污泥浓度增越高所需要的反应器容积越小。传统的市政污水厂的污泥浓度一般为3 - 6 kg MLSS/m3.
而膜生化反应器作为一种高效的废水处理工艺，其污泥浓度可以达到35kgMLSS/m3，生化反应器所需的容积大大的缩小。
