影响生物脱氮的主要因素
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影响生物脱氮的主要因素
1、酸碱度（pH值）
大量研究表明，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的适宜的pH分别为7.0～8.5和6.0～7.5，当pH值低于6.0或高于9.6时，硝化反应停止。硝化细菌经过一段时间驯化后，可在低pH值（5.5）的条件下进行，但pH值突然降低，则会使硝化反应速度骤降，待pH值升高恢复后，硝化反应也会随之恢复。
反硝化细菌最适宜的pH值为7.0～8.5，在这个pH值下反硝化速率较高，当pH值低于6.0或高于8.5时，反硝化速率将明显降低。此外pH值还影响反硝化最终产物，pH值超过7.3时终产物为氮气，低于7.3时终产物是N2O。
硝化过程消耗废水中的碱度会使废水的pH值下降（每氧化1g 将消耗7.14g碱度，以CaCO3计）。相反，反硝化过程则会产生一定量的碱度使pH值上升（每反硝化1g 将产生3.57g碱度，以CaCO3计）但是由于硝化反应和反硝化过程是序列进行的，也就是说反硝化阶段产生的碱度并不能弥补硝化阶段所消耗的碱度。因此，为使脱氮系统处于最佳状态，应及时调整pH值。
2、温度（T）
硝化反应适宜的温度范围为5～35℃，在5～35℃范围内，反应速度随温度升高而加快，当温度小于5℃时，硝化菌完全停止活动；在同时去除COD和硝化反应体系中，温度小于15℃时，硝化反应速度会迅速降低，对硝酸菌的抑制会更加强烈。
反硝化反应适宜的温度是15～30℃，当温度低于10℃时，反硝化作用停止，当温度高于30℃时，反硝化速率也开始下降。有研究表明，温度对反硝化速率的影响取与反应设备的类型、负荷率的高低都有直接的关系，不同碳源条件下，不同温度对反硝化速率的影响也不同。
3、溶解氧（DO）
在好氧条件下硝化反应才能进行，溶解氧浓度不但影响硝化反应速率，而且影响其代谢产物。为满足正常的硝化反应，在活性污泥中，溶解氧的浓度至少要有2mg/L，一般应在2～3mg/L，生物膜法则应大于3mg/L。当溶解氧的浓度低于0.5～0.7mg/L时，硝化反应过程将受到限制。
生物脱氮技术在城市污水处理中的应用及工艺优化
生物脱氮技术在城市污水处理中的应用及工艺优化
随着城市化进程的加快，城市污水处理成为了一个越来越重要的问题。其中，氮的去除是污水处理过程中最为关键的一步。随着环保意识的增强和技术的进步，生物脱氮技术应运而生。本文将探讨生物脱氮技术在城市污水处理中的应用，并探讨其工艺优化方法。
一、生物脱氮技术的原理与应用
生物脱氮技术是一种利用微生物将氨氮硝化成亚硝酸盐，再利用异养微生物将亚硝酸盐还原成氮气的过程。该技术主要包括硝化和反硝化两个过程。
硝化是将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。在硝化过程中，氨氮通过硝化细菌作用被氧化成亚硝酸盐，再通过硝化细菌的作用转化为硝酸盐。而反硝化是将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气的过程，利用异养微生物完成。
生物脱氮技术在城市污水处理中有着广泛的应用。它能够有效地去除污水中的氮，降低氮、磷对水体的污染，并减少氧化剂的使用量。生物脱氮技术在传统的活性污泥工艺中相对简单易行，并且操作维护成本较低。此外，生物脱氮技术还能够提高污泥浓度，减少沉淀池的占地面积，为污泥的后续处理提供便利。
二、生物脱氮技术的工艺优化
为了提高生物脱氮技术的处理效果和稳定性，需要对其工艺进行优化。以下是几个常见的工艺优化方法：
1. 缺氧区设立和控制：缺氧区是生物脱氮工艺不可或缺的一部分。通过在处理系统中设置缺氧区域，可以提供良好的反硝化条件，加快亚硝酸盐的还原速率。应合理控制缺氧区域内的DO（溶解氧）浓度和COD（化学需氧量）浓度，以推动反硝化反应的进行。
2. 水力条件优化：合理的水力条件可以提高生物脱氮技术的处理效果。其中，污水的水力停留时间（HRT）和固液分离的时间（SRT）是关键因素。适当延长HRT和SRT可以提高污水中氮的去除效果。
3. 供碳源优化：在生物脱氮过程中，供碳源是重要的因素。供碳源的种类和浓度会直接影响反硝化的效果。常用的供碳源有乙酸、乙醇等有机物，可以通过添加一定量的有机碳源来促进反硝化过程。
第05期（总第372期）吉林水利2013年05月
［文章编号］1009-2846(2013)05-0041-05
［收稿日期］2013-03-22
［作者简介］刘子剑(1991-)，男，本科，研究方向：环境工程
。污水脱氮的工艺有很多,但目前的研究内容
主要集中在开发一些能耗药耗较低、运行费用较
少和脱氮效率较高的工艺上。目前,实现这一要求
的基本研究思路是污水经亚硝酸盐短程硝化反硝
化途径同时去除COD和总氮，通过选择抑制性物
质或限制硝酸盐菌的活性,使亚硝酸盐积累,再对
其进行反硝化处理。
短程硝化反硝化技术与传统的硝化反硝化技
术相比可以有效减少污水处理过程中COD的消
耗量，使氨氮和有机碳能够在微生物作用下同时
得到去除，具有节省耗氧量、节省缺氧阶段碳源、
减少污泥产量等优点。因此，短程硝化反硝化在处
理高氨氮质量浓度和低碳氮比的污水时具有较高
的可行性。然而，传统SHARON工艺的运行条件
（如高温等）限制了短程硝化反硝化在处理高氨氮
废水领域的发展和应用；迄今为止,报道中的短程
硝化反硝化反应很少能够在连续流条件下进行。
如何在更普遍的条件下实现连续的短程硝化反硝
化技术是目前各国学者广泛研究的问题。本文将
结合现阶段的相关研究成果对这一技术从反应影响因素角度进行评述与探讨,为更好地在工程上
应用与发展这一技术提供研究的基础。
1短程硝化反硝化的理论
硝化过程是将污水中的氨氮转化为硝酸盐的
过程，包括由氨氧化菌(AOB)参与的将氨氮转化为
亚硝酸盐的反应及由亚硝酸氧化菌(NOB)参与的将
亚硝酸盐转化为硝酸盐的两个基本的反应（其中，
AOB以亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属为
主，主要包括Nitrosomoans,Nitrosococcus,Ni-
trosopira,Nitrosolobus,Nitrosovibro等5类细菌）。
传统硝化反应需在有氧条件下进行，并以O2作为
电子受体。而短程硝化是将硝化反应控制在亚硝酸
盐阶段，实现亚硝酸根的积累，最终通过反硝化除
ORP到底是什么东西？ORP它在污水处理中有哪些作用？
ORP的英文全称是oxidation-reduction potential，翻译过来是氧化还原电位。 它是液体中指示电极的氧化还原电位与比较电极的氧化还原电位的差，可以对整个系统的氧化还原状态给出一个综合指标。*如ORP值低，表明废水处理系统中还原性物质或有机污染物含量高，溶解氧浓度低，还原环境占优。*如ORP值高，表明废水中有机污染物浓度低，溶解氧或氧化性物质浓度高，氧化环境占优。传统氧化还原水处理技术存在控制条件不够精准、浪费药剂、对环境不友好等不足，但借助ORP测量仪器，利用ORP的电信号作为检测与控制手段，可大大改进氧化还原水处理技术的精准控制水平，从而提高处理效果。其检测测原理和pH类似，很多的pH在线检测仪表具有两通道的检测方式，其中就有ORP检测的通道。总而言之，ORP是污水处理厂自动控制技术和厌氧精确控制发展的重要方向，对于节省能源、控制厌氧微生物的代谢途径以及改善处理效果具有重要的意义。ORP的难点以及影响因素由于在废水处理中，发生的氧化还原反应众多，而且在各反应器内影响ORO的因素也不相同，很难判断ORP的改变主要哪种因素中的那一种引起的。比如，在活性污泥处理系统中存在很多有机物质，有机物浓度较大的变化引起ORP较小的变化，但很难判断ORP改变主要由那种有机物引起。因此，在研究ORP改变对污水处理的指示作用前，应先了解影响其改变的因素有哪些。 1、溶解氧（DO）众所周知，DO表示溶解在水中的氧的含量，在好氧池中，出水口出DO应控制在2mg/l，如果是纯氧曝气应在4mg/l。缺氧反硝化池DO应在0.5mg/l。在厌氧池中，分子氧基本上不存在，硝态氮最好小于0.2mg/l。DO作为废水处理的一种氧化剂，是引起系统ORP升高最直接的原因。在纯水中，ORP与DO的对数成线形关系，ORP随DO的升高而升高。2、pH废水处理中，pH值是一个重要的控制因子。好氧微生物和发酵产酸菌最佳生长pH值为6.5～8.5，厌氧产甲烷菌的最适宜pH为6.8～7.2。为控制合适的pH值，一般通过加碱调节的方法控制。微生物的污染物的代谢活动对pH值影响很大，在产酸阶段，产酸菌分解大分子有机物产生脂肪酸和二氧化碳有降低pH的作用，但在分解蛋白质的过程中产生氨有提升pH值的作用；在产甲烷阶段，产甲烷菌利用乙酸产甲烷可提高系统的pH值。pH值是引起ORP升降的一个重要因素，pH值越高，ORP越低；pH值越低，ORP越高。值得一提的是，在污水中虽然pH与ORP有一定的相关性，但由于ORP还受微生物活动、溶解氧等因素的影响，pH与ORP的相关性没有在纯水中的强。3、温度在废水处理过程中，温度是一个非常重要的指标。好氧微生物在15～30℃活动旺盛，厌氧微生物最佳温度在35℃附近和55℃附近。在厌氧废水处理过程中，温度的改变对微生物的组成和增殖、产甲烷速率、污泥的沉淀性能等都有重要影响，因此，为保证厌氧池运行的稳定，废水在进入厌氧池前一般通过冷却塔降温和水蒸气加热的方法调节废水温度至35℃或55℃。研究实践表明，溶液温度越高，溶液的ORP越低；在废水处理过程中，温度的影响也是如此。另外水处理过程温度越高，ORP越低，还与温度升高导致水分子团簇变小有关。此外，温度的改变也可同时导致酸碱度、气体溶解度、生物活性的改变以及水体污染物相间平衡的改变，进而影响ORP。4、微生物的组成在废水生物处理系统中，存在着独特的生态系统。在两相厌氧生物反应器中，实现了产酸菌和产甲烷菌的有效分离，便于系统的控制和管理。在絮状泥占优势的UASB中，沿水流方向依次筛选出了产酸菌和产甲烷菌。在厌氧颗粒泥和厌氧生物膜中，从外部到内部，占优势的菌种由产酸菌向产甲烷菌转变。在厌氧反应系统中，必须把DO浓度和ORP控制的很低，特别是在产甲烷阶段，氧化还原电位不能高于-330mV。而进水中难免会有DO的存在，但在这种独特的生态系统的作用下，通过好氧微生物、兼性微生物、厌氧微生物之间的协同作用以及共生作用，系统的ORP很快降到甲烷菌适宜生长的范围。这种低氧化还原电位的现象不仅存在于厌氧反应器中，甚至在曝气池中的絮状泥中也出现这种现象。 5、微生物的活性厌氧活性污泥的活性可由最大比产甲烷速率和最大比COD去除速率表示。好氧活性污泥的活性也可由最大比COD去除速率表示。微生物的活性越高，消耗氧气的速率和产生还原性物质的速率也越快，ORP降低也越迅速 。ORP作为反映水体宏观氧化还原性的综合指标，其影响因素种类较多，除上述几个主要影响因素外，还有压力、有机物、固体物质、微生物种类等因素的影响。这些因素不是孤立的，它们相互影响、相互制约。因此，水体的氧化还原性也是多种因素综合作用的结果。 ORP在污水处理中的应用早些时候，氧化还原电位主要应用在工业废水的治理中，特别是处理一些金属精加工中产生的废水，后来在市政污水处理厂也逐步得到了广泛的应用。污水系统中存在着多种变价离子和溶解氧，即多个氧化还原电对。通过ORP在线监测仪表，污水中的氧化还原电位可以在很短时间内被检测出来，不需要再通过化验室进行的采样测量，在时间上可以大大缩短化验流程，提高了工作效率。在污水处理系统中重要的氧化还原反应包括含碳、含氮、含磷等有机污染物的生物降解，有机物的水解和酸化，硝化和反硝化反应，生物厌氧释磷，好氧吸磷等。1、污水处理的各个阶段，微生物所需求的氧化还原电位不同一般好氧微生物在+100mV以上均可生长，最适为+300～+400mV；兼性厌氧微生物在+100mV以上时进行好氧呼吸，在+100mV以下时进行无氧呼吸；专性厌氧细菌要求为-200～-250mV，其中专性厌氧的产甲烷菌要求为 -300～-400mV，最适为-330mV。好氧活性污泥法系统中正常的氧化还原环境在+200～+600mV之间。污水生化处理中常见的反应过程所适宜的ORP值范围，如下表所示2、作为好氧生物处理、缺氧生物处理及厌氧生物处理中的控制策略 通过监测和管理污水的ORP，管理人员可人为地控制生物反应发生。通过改变工艺运行的环境条件，如：· 加大曝气量增加溶解氧浓度· 投加氧化性物质等措施提高氧化还原电位· 减小曝气量降低溶解氧浓度· 投加碳源和还原性物质降低氧化还原电位，从而实现促进或阻止该反应的进行。因此，管理人员利用ORP作为好氧生物处理、缺氧生物处理及厌氧生物处理中的控制参数，可实现更好的处理效果。好氧生物处理：ORP与COD去除和硝化具有良好的相关性，通过ORP控制好氧曝气量，可避免曝气时间的不足或过量，确保处理出水的水质。缺氧生物处理：ORP与反硝化状态的氮浓度在缺氧生物处理过程中存在一定的相关性，可以以此作为判断反硝化过程是否结束的一个标准。相关实践表明，在反硝化脱氮过程中，当ORP对时间的导数＜-5时，反应较彻底。出水中含有硝态氮，可以防止产生各种有毒有害物质，例如硫化氢等。厌氧生物处理：厌氧反应过程中，当有还原物质产生时，ORP值就会降低；反之，还原物质减少，ORP值就会升高，并且在一定时间段里趋于稳定。总而言之，对于污水处理厂的好氧生物处理，ORP与COD、BOD的生物降解，ORP与硝化反应具有良好的相关性。对于缺氧生物处理，ORP与反硝化状态的硝酸盐氮浓度在缺氧生物处理过程中存在一定的相关性，可以以此作为判断反硝化过程是否结束的一个标准。3、控制除磷工艺段的处理效果，提高除磷效果对于生物除磷、除磷包括两个步骤： 一是在厌氧环境下磷的释放阶段，发酵菌在ORP在-100～-225mV的条件下产生脂肪酸，脂肪酸通过聚磷菌吸收，同时释放磷进入水体中。二是在好氧池内聚磷菌开始降解上阶段吸收的脂肪酸同时从ATP转化成ADP获得能量，这种能量的储存需要从水中吸附过量的磷，吸附磷的反应要求好氧池内的ORP为+25～+250mV 之间，才能发生生物除磷的存储。因此，工作人员可通过ORP来控制除磷工艺段的处理效果，提高除磷效果。当工作人员不希望在一个硝化反应过程发生反硝化反应或亚硝酸盐的聚集，必须保持超过+50mV的ORP值。同理，管理人员防止在下水管道系统中发生恶臭（H2S）的产生，管理人员必须保持管道中超过-50mV的ORP值，以防止硫化物的形成和反应。4、调节工艺的曝气时间和曝气强度，节能降耗除此之外，工作人员还可以利用ORP与水中溶解氧的显著相关性，通过ORP来调节工艺的曝气时间和曝气强度，在满足生物反应条件的同时，达到节能降耗的目的。综上所述，ORP的检测手段简单，设备价格较低，测量精度高，检测数据实时显示。通过ORP 在线检测，工作人员可以根据实时反馈的信息，快速掌握污水净化反应过程和水体污染状态信息，从而实现污水处理环节的精细化管理和水环境质量的高效管理。但如上文提到，在废水处理中，发生的氧化还原反应众多，且在各反应器内影响ORP的因素也不相同。因此，在污水处理中，工作人员还需根据污水厂实际，进一步研究水中溶解氧、pH、温度、盐度等因素与ORP的相关关系，建立适合不同水体的ORP控制参数。
