作者：葉振中
在生物活性污泥法的操作運行過程中，人們發(fā)現(xiàn)在低COD〔或生化需氧量（BOD）〕且大曝氣量情況下，廢水中的氨氮會轉(zhuǎn)化為亞硝酸根NO- 2和硝酸根NO- 3，對好氧菌產(chǎn)生毒性。當(dāng)廢水中的氨氮濃度超過400mg/L時，氨氮亞硝化和硝化的結(jié)果將嚴(yán)重干擾好氧的處理效果，使出水COD增高。然而，將硝化出水經(jīng)過一段時間的厭氧（或兼氧）生物處理后，厭氧出水中的含氮濃度可大幅度地降低，其原因是亞硝酸鹽和硝酸鹽被厭氧菌（或兼氧菌）還原成氮氣由水中逸出，從而實現(xiàn)總氮的脫除和COD的降解。在好氧菌和厭氧菌的作用下，氨氮先氧化后還原的這個降解過程就是人們常說的硝化過程和反硝化過程。
1.硝化作用
硝化作用是在兩類好氧菌的參與下完成的，首先是亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）將氨氮先氧化成亞硝酸根；然后硝化桿菌將亞硝酸根再進(jìn)一步氧化硝酸根。
從上述反應(yīng)中可以得到3個結(jié)論：
①不論是亞硝化過程還是硝化過程，都要耗用大量的氧。要使1mol氨氮（NH3-N及NH ＋ 4 –N）完全氧化成NO – 3需耗用2mol的氧，即氧化1mg氨氮需要4×16/14＝4.57mg的氧，此值為生物氧化池脫氮的需氧量提供了一個工程設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。由于硝化反應(yīng)需要足夠的氧，因此大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng)控制在1.5～2.0mg/L以上，低于0.5mg/L則硝化作用完全停止。
②硝化反應(yīng)的結(jié)果有硝酸（HNO3）形成，會使生化環(huán)境的酸性提高。因此廢水中應(yīng)有足夠的堿度，以平衡硝化作用中產(chǎn)生的酸，一般認(rèn)為硝化作用最適宜的pH值在7.5～9.2之間。
③硝化反應(yīng)的結(jié)果可使氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，但廢水中的總氮量并沒有發(fā)生變化。
硝化作用宜在低BOD負(fù)荷條件下進(jìn)行，若硝化段的含碳有機(jī)基質(zhì)的濃度太高，會使生長速率較高的非硝化菌迅速繁衍，從而使硝化菌得不到優(yōu)勢，結(jié)果降低了硝化速率。一般來說，硝化段的BOD應(yīng)低于20mg/L。
2.反硝化作用
反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧菌或兼氧菌還原為氣態(tài)氮的過程。參與這一過程的細(xì)菌稱為反硝化菌，這類微生物的無色桿菌屬、氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、桿菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬等。在反硝化過程中NO- 2、NO- 3是被還原物，它們在還原過程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的，因此，在反硝化過程中，有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物不需要外界供氧而直接利用NO- 2、NO- 3的氧作為氧源進(jìn)行氧化降解，其反應(yīng)式如下：
5C（有機(jī)C）＋4NO- 3＋2H2O＝2N2＋4OH-＋5CO2
從反硝化反應(yīng)式中也可以得到3個結(jié)論。
①在硝化過程耗用掉的氧被回收并得復(fù)用于反硝化過程中，這些氧使反硝化段中的有機(jī)物得到降解。
②在反硝化菌的作用下，NO- 3被還原，而有機(jī)物被氧化，NO- 3在還原過程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的。因此在反硝化過程中，廢水的C/N比是影響脫氮效果的一個重要因素。從反硝化作用的反應(yīng)式中可以知道，去除4份的N（4×14），須提供5份的有機(jī)碳。又因為1mol C生物氧化成CO2需要2mol O2，將5mol有機(jī)碳折算成BOD值應(yīng)為（5×32），因此廢水中的BOD5與N的比值（即C/N）應(yīng)該是5×32/（4×14）＝2.86。這個數(shù)值僅僅是個理論值，實際使用時應(yīng)該大于這個數(shù)值，也就是說，當(dāng)廢水中的C/N＝2.86時才能充分滿足反硝化細(xì)菌對碳源的需要，廢水中的C/N越低，則通過反硝化除去的氮越少，總氮的去除率也相應(yīng)減少。在工程運行操作上，C/N比控制在3以上。當(dāng)廢水中的碳源不夠時，需另外補(bǔ)加碳素，現(xiàn)大多采用甲醇。投加比例可按還原1kg硝酸鹽需投加2.4kg甲醇計算。
③反硝化反應(yīng)的結(jié)果使生化環(huán)境的pH升高。反硝化作用最適宜的pH值也在7.5～9.2之間。由于硝化使pH降低而反硝化卻使pH升高，兩個過程中pH的變化彼此之間相互抵消，結(jié)果使系統(tǒng)內(nèi)的pH保持不變。但是兩個過程中堿度的變化可以作為一個參數(shù)用來判斷硝化及反硝化進(jìn)行的程度。
在生物活性污泥法的操作運行過程中，人們發(fā)現(xiàn)在低COD〔或生化需氧量（BOD）〕且大曝氣量情況下，廢水中的氨氮會轉(zhuǎn)化為亞硝酸根NO- 2和硝酸根NO- 3，對好氧菌產(chǎn)生毒性。當(dāng)廢水中的氨氮濃度超過400mg/L時，氨氮亞硝化和硝化的結(jié)果將嚴(yán)重干擾好氧的處理效果，使出水COD增高。然而，將硝化出水經(jīng)過一段時間的厭氧（或兼氧）生物處理后，厭氧出水中的含氮濃度可大幅度地降低，其原因是亞硝酸鹽和硝酸鹽被厭氧菌（或兼氧菌）還原成氮氣由水中逸出，從而實現(xiàn)總氮的脫除和COD的降解。在好氧菌和厭氧菌的作用下，氨氮先氧化后還原的這個降解過程就是人們常說的硝化過程和反硝化過程。
1.硝化作用
硝化作用是在兩類好氧菌的參與下完成的，首先是亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）將氨氮先氧化成亞硝酸根；然后硝化桿菌將亞硝酸根再進(jìn)一步氧化硝酸根。
從上述反應(yīng)中可以得到3個結(jié)論：
①不論是亞硝化過程還是硝化過程，都要耗用大量的氧。要使1mol氨氮（NH3-N及NH ＋ 4 –N）完全氧化成NO – 3需耗用2mol的氧，即氧化1mg氨氮需要4×16/14＝4.57mg的氧，此值為生物氧化池脫氮的需氧量提供了一個工程設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。由于硝化反應(yīng)需要足夠的氧，因此大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng)控制在1.5～2.0mg/L以上，低于0.5mg/L則硝化作用完全停止。
②硝化反應(yīng)的結(jié)果有硝酸（HNO3）形成，會使生化環(huán)境的酸性提高。因此廢水中應(yīng)有足夠的堿度，以平衡硝化作用中產(chǎn)生的酸，一般認(rèn)為硝化作用最適宜的pH值在7.5～9.2之間。
③硝化反應(yīng)的結(jié)果可使氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，但廢水中的總氮量并沒有發(fā)生變化。
硝化作用宜在低BOD負(fù)荷條件下進(jìn)行，若硝化段的含碳有機(jī)基質(zhì)的濃度太高，會使生長速率較高的非硝化菌迅速繁衍，從而使硝化菌得不到優(yōu)勢，結(jié)果降低了硝化速率。一般來說，硝化段的BOD應(yīng)低于20mg/L。
2.反硝化作用
反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧菌或兼氧菌還原為氣態(tài)氮的過程。參與這一過程的細(xì)菌稱為反硝化菌，這類微生物的無色桿菌屬、氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、桿菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬等。在反硝化過程中NO- 2、NO- 3是被還原物，它們在還原過程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的，因此，在反硝化過程中，有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物不需要外界供氧而直接利用NO- 2、NO- 3的氧作為氧源進(jìn)行氧化降解，其反應(yīng)式如下：
5C（有機(jī)C）＋4NO- 3＋2H2O＝2N2＋4OH-＋5CO2
從反硝化反應(yīng)式中也可以得到3個結(jié)論。
①在硝化過程耗用掉的氧被回收并得復(fù)用于反硝化過程中，這些氧使反硝化段中的有機(jī)物得到降解。
②在反硝化菌的作用下，NO- 3被還原，而有機(jī)物被氧化，NO- 3在還原過程中所獲得的電子是由有機(jī)物質(zhì)提供的。因此在反硝化過程中，廢水的C/N比是影響脫氮效果的一個重要因素。從反硝化作用的反應(yīng)式中可以知道，去除4份的N（4×14），須提供5份的有機(jī)碳。又因為1mol C生物氧化成CO2需要2mol O2，將5mol有機(jī)碳折算成BOD值應(yīng)為（5×32），因此廢水中的BOD5與N的比值（即C/N）應(yīng)該是5×32/（4×14）＝2.86。這個數(shù)值僅僅是個理論值，實際使用時應(yīng)該大于這個數(shù)值，也就是說，當(dāng)廢水中的C/N＝2.86時才能充分滿足反硝化細(xì)菌對碳源的需要，廢水中的C/N越低，則通過反硝化除去的氮越少，總氮的去除率也相應(yīng)減少。在工程運行操作上，C/N比控制在3以上。當(dāng)廢水中的碳源不夠時，需另外補(bǔ)加碳素，現(xiàn)大多采用甲醇。投加比例可按還原1kg硝酸鹽需投加2.4kg甲醇計算。
③反硝化反應(yīng)的結(jié)果使生化環(huán)境的pH升高。反硝化作用最適宜的pH值也在7.5～9.2之間。由于硝化使pH降低而反硝化卻使pH升高，兩個過程中pH的變化彼此之間相互抵消，結(jié)果使系統(tǒng)內(nèi)的pH保持不變。但是兩個過程中堿度的變化可以作為一個參數(shù)用來判斷硝化及反硝化進(jìn)行的程度。
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