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《污水處理生物脫氮技術(shù):原理、工藝與運(yùn)行控制》

發(fā)布日期:2025-11-24  閱讀次數(shù):0

              生物脫氮是污水處理中去除氨氮(NH??-N)、硝酸鹽氮(NO??-N)、亞硝酸鹽氮(NO??-N)等含氮污染物的核心技術(shù),其本質(zhì)是利用微生物的代謝作用,將水中的氮元素轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓∟?)排入大氣,實(shí)現(xiàn)氮的無(wú)害化去除。該技術(shù)具有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水(如化工、食品、養(yǎng)殖廢水)的深度處理。以下從核心原理、主流工藝、關(guān)鍵運(yùn)行控制及常見(jiàn)問(wèn)題處理四方面,詳細(xì)解析生物脫氮技術(shù)。

一、生物脫氮核心原理:“三段式” 微生物代謝過(guò)程

生物脫氮的核心是硝化、反硝化、氨化(含氨化 - 同化) 三個(gè)關(guān)鍵步驟,由不同功能菌群協(xié)同完成,需滿足各菌群的生長(zhǎng)環(huán)境要求。

1. 氨化作用(有機(jī)氮→氨氮)

  • 功能菌群:氨化菌(異養(yǎng)微生物,如芽孢桿菌、變形桿菌)

  • 反應(yīng)過(guò)程:污水中含氮有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、尿素、氨基酸)在氨化菌的分解作用下,轉(zhuǎn)化為氨氮(NH??-N)。

    示例反應(yīng):蛋白質(zhì) → 氨基酸 → NH??-N + CO? + 能量

  • 環(huán)境要求:無(wú)需嚴(yán)格曝氣(好氧 / 缺氧均可),適應(yīng)范圍廣(pH 6.0-8.5,溫度 15-35℃),是生物脫氮的前置步驟。

2. 硝化作用(氨氮→硝酸鹽氮 / 亞硝酸鹽氮)

  • 功能菌群:自養(yǎng)型硝化菌(分為兩類,需協(xié)同作用)

    • 亞硝化菌(AOB):將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮(NH??→NO??);

    • 硝化菌(NOB):將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮(NO??→NO??)。

  • 核心反應(yīng)

    亞硝化:NH?? + 1.5O? → NO?? + 2H? + H?O + 能量

    硝化:NO?? + 0.5O? → NO?? + 能量

  • 關(guān)鍵環(huán)境要求(硝化菌活性的核心保障):

    • 溶解氧(DO):≥2mg/L(充足曝氣,確保硝化菌的有氧代謝);

    • pH 值:7.5-8.5(最佳 7.8-8.2,pH<7.0 或>9.0 會(huì)顯著抑制活性);

    • 溫度:25-30℃(中溫硝化最優(yōu),溫度<15℃時(shí)反應(yīng)速率驟降,需延長(zhǎng)停留時(shí)間);

    • 污泥停留時(shí)間(SRT):≥10d(硝化菌生長(zhǎng)緩慢,需保證足夠的增殖時(shí)間);

    • 抑制物:避免高濃度氨氮(>100mg/L)、重金屬、有毒有機(jī)物(如酚類)抑制。

3. 反硝化作用(硝酸鹽氮 / 亞硝酸鹽氮→氮?dú)猓?/h3>
  • 功能菌群:異養(yǎng)型反硝化菌(如假單胞菌、產(chǎn)堿菌)

  • 核心反應(yīng):反硝化菌以硝酸鹽氮(NO??)/ 亞硝酸鹽氮(NO??)為電子受體,以污水中的有機(jī)碳(如 BOD?)為電子供體,在缺氧環(huán)境下將其還原為氮?dú)猓∟?)。

    示例反應(yīng):NO?? + 2.5CH?OH → N?↑ + 2.5CO? + 1.5H?O + OH?

  • 關(guān)鍵環(huán)境要求

    • 溶解氧(DO):≤0.5mg/L(嚴(yán)格缺氧,DO 過(guò)高會(huì)競(jìng)爭(zhēng)電子受體,抑制反硝化);

    • 碳源(C/N 比):BOD?/TN≥5(有機(jī)碳充足,否則需投加外加碳源,如甲醇、乙酸鈉、葡萄糖);

    • pH 值:7.0-8.0(反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生 OH?,可中和硝化過(guò)程產(chǎn)生的 H?,調(diào)節(jié)系統(tǒng) pH);

    • 溫度:20-30℃(低溫下反硝化速率下降,需增加碳源投加或延長(zhǎng)停留時(shí)間)。

補(bǔ)充:短程硝化 - 反硝化(節(jié)能優(yōu)化工藝)

傳統(tǒng)硝化 - 反硝化需經(jīng)歷 “NH??→NO??→NO??→N?”,而短程硝化 - 反硝化通過(guò)抑制 NOB 活性,使反應(yīng)停留在 “NH??→NO??→N?”,可節(jié)省 25% 曝氣能耗(無(wú)需將 NO??轉(zhuǎn)化為 NO??)和 40% 碳源消耗(反硝化 NO??比 NO??更省碳)。
  • 實(shí)現(xiàn)條件:控制溫度(30-35℃)、高游離氨(FA>0.1mg/L)、低 DO(1.0-1.5mg/L),抑制 NOB 生長(zhǎng)。

二、主流生物脫氮工藝及應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù) “硝化 - 反硝化” 的空間 / 時(shí)間布局,主流工藝可分為空間分隔型時(shí)間分隔型,適用于不同規(guī)模、水質(zhì)的污水處理場(chǎng)景。
工藝類型代表工藝核心設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)適用場(chǎng)景
空間分隔型A/O 工藝(缺氧 - 好氧)池體分為缺氧池(反硝化)→好氧池(硝化),好氧池混合液回流至缺氧池(回流比 R=200%-400%),利用硝化液中的 NO??進(jìn)行反硝化流程簡(jiǎn)單、投資低、運(yùn)行穩(wěn)定,可同步去除 BOD 和 TN市政污水、低濃度工業(yè)廢水(TN≤50mg/L),中小型污水廠
空間分隔型A2/O 工藝(厭氧 - 缺氧 - 好氧)在 A/O 基礎(chǔ)上增加厭氧池,實(shí)現(xiàn) “脫氮 + 除磷” 同步,厭氧池釋磷→缺氧池脫氮→好氧池硝化 + 吸磷功能全面,可同時(shí)去除 COD、TN、TP市政污水、需同步脫氮除磷的工業(yè)廢水(如食品、印染廢水)
空間分隔型MBR(膜生物反應(yīng)器)- 脫氮工藝膜組件替代二沉池,污泥濃度(MLSS)可達(dá) 8000-12000mg/L,延長(zhǎng) SRT,強(qiáng)化硝化效果脫氮效率高(TN 去除率≥85%)、占地面積小、出水水質(zhì)好高標(biāo)準(zhǔn)出水要求(如回用)、用地緊張的項(xiàng)目
時(shí)間分隔型SBR 工藝(序批式反應(yīng)器)單池內(nèi)通過(guò)時(shí)間序列實(shí)現(xiàn) “進(jìn)水→厭氧→缺氧→好氧→沉淀→排水”,無(wú)需單獨(dú)池體和回流系統(tǒng)靈活性強(qiáng)、適應(yīng)水質(zhì)波動(dòng)、投資省小規(guī)模污水廠(處理量<5000m3/d)、分散式污水治理
深度脫氮型短程硝化 - 反硝化工藝控制工況抑制 NOB,實(shí)現(xiàn) “NH??→NO??→N?”節(jié)能省碳、占地面積小高氨氮廢水(如養(yǎng)殖廢水、化工廢水)、高能耗項(xiàng)目改造
深度脫氮型厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝自養(yǎng)型厭氧氨氧化菌(AAOB)在厭氧條件下,以 NH??為電子供體、NO??為電子受體,直接轉(zhuǎn)化為 N?(NH??+NO??→N?↑+2H?O)無(wú)需曝氣(節(jié)能)、無(wú)需碳源(省成本),脫氮效率極高高氨氮、低有機(jī)碳廢水(如垃圾滲濾液、污泥消化液)

三、生物脫氮關(guān)鍵運(yùn)行控制要點(diǎn)

生物脫氮的穩(wěn)定性依賴 “菌群活性 + 環(huán)境條件 + 工藝參數(shù)” 的協(xié)同,日常運(yùn)行需重點(diǎn)控制以下核心要素:

1. 水質(zhì)參數(shù)控制

  • TN 與碳源平衡

    • 進(jìn)水 BOD?/TN≥5 時(shí),可滿足反硝化碳源需求;若 BOD?/TN<3,需投加外加碳源(甲醇投加量約為 NO??-N 的 3 倍,乙酸鈉約為 4 倍,葡萄糖約為 6 倍);

    • 避免高濃度有毒物質(zhì)(如重金屬、酚類)沖擊,需預(yù)處理去除或稀釋。

  • pH 值調(diào)節(jié)

    • 硝化過(guò)程產(chǎn)酸(pH 下降),反硝化過(guò)程產(chǎn)堿(pH 上升),系統(tǒng)最佳 pH 控制在 7.5-8.0;

    • pH<7.0 時(shí),投加碳酸氫鈉、石灰乳調(diào)節(jié);pH>8.5 時(shí),投加稀鹽酸或利用硝化產(chǎn)酸中和。

  • 氨氮濃度

    • 進(jìn)水氨氮≤100mg/L 時(shí),硝化系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行;濃度過(guò)高(>200mg/L)需稀釋,避免游離氨(FA)抑制。

2. 工藝參數(shù)控制

  • 溶解氧(DO)

    • 好氧池(硝化):DO 維持 2-4mg/L,確保硝化菌充分供氧;

    • 缺氧池(反硝化):DO≤0.5mg/L,可通過(guò)控制曝氣強(qiáng)度、設(shè)置導(dǎo)流墻減少氧氣滲入。

  • 污泥停留時(shí)間(SRT)

    • 硝化菌生長(zhǎng)緩慢,SRT 需≥10d(低溫季節(jié)≥15d),避免因排泥過(guò)快導(dǎo)致硝化菌流失;

    • 反硝化菌生長(zhǎng)較快,SRT 可適當(dāng)縮短,但需與硝化 SRT 匹配。

  • 回流比(R)

    • A/O、A2/O 工藝中,好氧池混合液回流至缺氧池的回流比 R=200%-400%,確保缺氧池有足夠的 NO??作為電子受體;

    • 回流比過(guò)低會(huì)導(dǎo)致反硝化不充分,過(guò)高會(huì)增加能耗和運(yùn)行成本。

  • 溫度調(diào)節(jié)

    • 延長(zhǎng) SRT(如低溫 SRT 增至 20d);

    • 提高 DO 至 3-4mg/L(強(qiáng)化硝化供氧);

    • 增加碳源投加量(比常溫多投 20%-30%)。

    • 最佳運(yùn)行溫度 25-30℃;溫度<15℃時(shí),硝化 / 反硝化速率下降 30%-50%,需采取以下措施:

3. 污泥性能控制

  • 污泥濃度(MLSS)

    • 好氧池 MLSS 控制在 3000-6000mg/L,確保硝化菌數(shù)量充足;

    • 污泥沉降比(SV??)控制在 15%-30%,避免污泥膨脹(反硝化過(guò)程若碳源過(guò)剩易導(dǎo)致絲狀菌膨脹)。

  • 污泥齡管理

    • 定期檢測(cè)污泥齡,通過(guò)排泥量調(diào)節(jié)(排泥量增加,SRT 縮短;反之延長(zhǎng));

    • 避免長(zhǎng)期不排泥導(dǎo)致污泥老化,影響硝化 / 反硝化活性。

四、常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

生物脫氮系統(tǒng)易出現(xiàn) “脫氮效率低、污泥膨脹、pH 異?!?等問(wèn)題,需針對(duì)性排查解決:

1. 總氮去除率低(出水 TN 超標(biāo))

常見(jiàn)原因排查方法解決方案
反硝化碳源不足(BOD?/TN<3)檢測(cè)進(jìn)水 BOD?、TN 濃度,計(jì)算 C/N 比投加外加碳源(甲醇、乙酸鈉),控制 C/N≥5
缺氧池 DO 過(guò)高(>0.5mg/L)檢測(cè)缺氧池 DO 濃度,檢查曝氣設(shè)備是否泄漏關(guān)閉 / 減弱缺氧池曝氣,修復(fù)曝氣器密封,設(shè)置導(dǎo)流墻減少氧氣滲入
回流比不足(R<200%)檢查回流泵流量,計(jì)算回流比提高回流泵運(yùn)行頻率,增大回流比至 200%-400%
硝化不充分(出水氨氮高)檢測(cè)出水氨氮、NO??-N 濃度,若氨氮高、NO??-N 低,說(shuō)明硝化不足提高好氧池 DO(2-4mg/L),延長(zhǎng) SRT(≥15d),調(diào)節(jié) pH 至 7.5-8.0
溫度過(guò)低(<15℃)檢測(cè)水溫,觀察季節(jié)變化加熱升溫(如蒸汽加熱),增加碳源投加量,延長(zhǎng)停留時(shí)間

2. 污泥膨脹(SV??>40%,出水渾濁)

  • 原因:反硝化池碳源過(guò)剩、缺氧池 DO 過(guò)高、進(jìn)水含難降解有機(jī)物,導(dǎo)致絲狀菌大量繁殖;

  • 解決方案:

    • 控制碳源投加量(避免過(guò)量),降低缺氧池 DO(≤0.5mg/L);

    • 投加消毒劑(如次氯酸鈉)抑制絲狀菌(濃度 0.5-1mg/L);

    • 增加排泥量,縮短 SRT,改善污泥沉降性能。

3. pH 異常(<7.0 或>8.5)

  • pH<7.0(硝化產(chǎn)酸過(guò)量):投加碳酸氫鈉(投加量約為氨氮的 1.5 倍)或石灰乳,同時(shí)檢查反硝化是否充分(反硝化產(chǎn)堿可中和部分酸);

  • pH>8.5(反硝化產(chǎn)堿過(guò)量或氨氮過(guò)高):投加稀鹽酸調(diào)節(jié),或增加硝化池曝氣強(qiáng)度(促進(jìn)硝化產(chǎn)酸),降低進(jìn)水氨氮濃度(稀釋或預(yù)處理)。

4. 曝氣能耗過(guò)高

  • 原因:好氧池 DO 過(guò)高(>4mg/L)、污泥濃度過(guò)高(MLSS>6000mg/L);

  • 解決方案:

    • 采用變頻曝氣,根據(jù) DO 反饋調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度(維持 DO 2-3mg/L);

    • 適當(dāng)增加排泥量,降低 MLSS 至 3000-5000mg/L;

    • 改造為短程硝化 - 反硝化工藝,減少曝氣需求。

五、總結(jié)

生物脫氮的核心是 “滿足硝化菌、反硝化菌的生長(zhǎng)環(huán)境需求”,通過(guò)合理設(shè)計(jì)工藝(如 A/O、A2/O、短程硝化)、精準(zhǔn)控制參數(shù)(DO、pH、C/N 比、SRT、回流比),實(shí)現(xiàn)氮元素向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化。日常運(yùn)行中需重點(diǎn)關(guān)注 “碳源是否充足、DO 是否分區(qū)控制、pH 是否穩(wěn)定、污泥齡是否匹配”,及時(shí)排查異常情況(如 TN 超標(biāo)、污泥膨脹),通過(guò)參數(shù)優(yōu)化或工藝調(diào)整保障脫氮效率。


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