廢水中氮的去除技術(shù)

氮的去除

廢水中的氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。在生活污水中，主要含有有機(jī)氮和氨態(tài)氮，它們均來源于人們食物中的蛋白質(zhì)。新鮮生活污水含氮中有機(jī)氮約占總氮的60％，氨氮約占40％。當(dāng)污水中的有機(jī)物被生物降解氧化時，其中的有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為氨氮。經(jīng)活性污泥法處理的污水有相當(dāng)數(shù)量的氨氮排入水體，可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。水體若為水源，將增加給水處理的難度和成本。因此二級處理的出水有時需進(jìn)行脫氮處理。脫氮的方法有化學(xué)法和生物法兩大類，現(xiàn)分別加以論述。
1化學(xué)法除氮
常用于去除氨氮的方法有吹脫法、折點加氯法和離子交換法。它們主要用于工廠內(nèi)部的治理，對于城市污水處理廠很少采用。
(1)吹脫法  廢水的氨氮可以氣態(tài)吹脫。廢水中，NH3與NH4+以如下的平衡狀態(tài)共存：
NH3+H2O=NH4++OH-
這一平衡受pH值的影響，pH為10.5～11.5時，因廢水中的氨呈飽和狀態(tài)而逸出，所以吹脫法常需加石灰。
吹脫過程包括將廢水的pH值提高至10.5～11.5，然后曝氣，這一過程在吹脫塔中進(jìn)行城市污水的深度處理---氮磷的去除）。
該過程受溫度的影響較大，隨溫度的降低，為達(dá)到同樣處理效果所需的空氣量迅速增加，由于用石灰調(diào)pH值，在吹脫塔中會發(fā)生碳酸鈣結(jié)垢現(xiàn)象，影響運行。另外，NH3氣的釋放會造成空氣污染。因此，對該工藝已有多種改進(jìn)，例如使吹脫塔的氣體通過H2SO4溶液以吸收NH3。
(2)折點加氯法
在凈水工程中，稱氯胺為化合余氮，次氯酸為余氯，均有殺菌作用。
城市污水的深度處理---氮磷的去除途中A、B二個折點A點前余氯基本上是氯胺，B點稱這點，折點后余氯基本上是自由氯（游離氯）家率脫氮時采用的加氯量應(yīng)以折點相應(yīng)的加氯量為準(zhǔn)。
此法最大的優(yōu)點是通過適當(dāng)?shù)目刂?，可完全去除水中的氨氮。為了減少氯的投加量，此法常與生物硝化聯(lián)用，先硝化再除微量的殘留氨氮。
(3)離子交換法  用離子交換法去除氨氮時，常用天然的離子交換劑，如沸石等。與合成樹脂相比，天然離子交換劑價格便宜且可用石灰再生。采用合成樹脂，預(yù)處理工序和再生系統(tǒng)均較復(fù)雜，且樹脂壽命短，應(yīng)用上受到一定的限制，在此不作詳述。

2生物法脫氮
(1)生物脫氮機(jī)理  生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和N20氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應(yīng)過程。
硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過程。此作用是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌共同完成的。這兩種菌屬于化能自養(yǎng)型微生物。其反應(yīng)如下：
NH4++2O2=NO3-+2H++H2O
硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長率低，對環(huán)境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機(jī)負(fù)荷等都會對它產(chǎn)生影響。
硝化反應(yīng)的適宜溫度為20℃～30℃。低于15℃時，反應(yīng)速度迅速下降，5℃時反應(yīng)幾乎完全停止。
由于硝化菌是自養(yǎng)菌，若水中BOD5值過高，將有助于異氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生長世代周期較長，為了保證硝化作用的進(jìn)行，泥齡應(yīng)取大于硝化菌最小世代時間兩倍以上。
硝化反應(yīng)對溶解氧有較高的要求，處理系統(tǒng)中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反應(yīng)過程中，有H+釋放出來，使pH值下降。硝化菌受pH 值的影響很敏感，為了保持適宜的pH值7—8，應(yīng)在廢水中保持足夠的堿度，以調(diào)節(jié)pH值的變化。1g氨態(tài)氮(以N計)完全硝化，需堿度(以CaCO3 計)7.1 g。
反硝化反應(yīng)是指在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮NO2-)還原為氮氣的過程。反應(yīng)如下：
6NO3-+5CH3OH=5CO2+3N2+7H2O+6OH-
反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O(shè)2為電子受體進(jìn)行好氧呼吸；在無氧而有O3-或N02-存在時，則以N03-或N02-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。
在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程，在反硝化反應(yīng)中，最大的問題就是污水中可用于反硝化的有機(jī)碳的多少及其可生化程度。當(dāng)污水中BOD5／TKN>3～5時，可認(rèn)為碳源充足。不同的有機(jī)碳將導(dǎo)致反硝化速率的不同。碳源按其來源可分為三類：
①外加碳源，多采用甲醇，因為甲醇被分解后的產(chǎn)物為CO2，H20，不產(chǎn)生其它難降解的中間產(chǎn)物，但其費用較高；
②原水中含有的有機(jī)碳；
③內(nèi)源呼吸碳源——細(xì)菌體內(nèi)的原生物質(zhì)及其貯存的有機(jī)物。
反硝化反應(yīng)的適宜pH值為6．5～7．5。pH值高于8或低于6時，反硝化速率將迅速下降。
反硝化反應(yīng)的溫度范圍較寬，在5℃～40℃范圍內(nèi)都可以進(jìn)行。但溫度低于15℃時，反硝化速率明顯下降。
(2)生物脫氮工藝  生物脫氮技術(shù)的開發(fā)是在30年代發(fā)現(xiàn)生物濾床中的硝化、反硝化反應(yīng)開始的。但其應(yīng)用還是在1969年美國的Barth提出三段生物脫氮工藝后?，F(xiàn)對幾種典型的生物脫氮工藝進(jìn)行討論。
①三段生物脫氮工藝
該工藝是將有機(jī)物氧化，硝化及反硝化段獨立開來，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統(tǒng)。使除碳，硝化和反硝化在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行，并分別控制在適宜的條件下運行，處理效率高。
由于反硝化段設(shè)置在有機(jī)物氧化和硝化段之后，主要靠內(nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化，效率很低，所以必須在反硝化段投加外加碳源來保證高效穩(wěn)定的反硝化反應(yīng)。隨著對硝化反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識的加深，將有機(jī)物氧化和硝化合并成一個系統(tǒng)以簡化工藝，從而形成二段生物脫氮工藝成為現(xiàn)實。各段同樣有其自己的沉淀及污泥回流系統(tǒng)。除碳和硝化作用在一個反應(yīng)器中進(jìn)行時，設(shè)計的污泥負(fù)荷率要低，水力停留時間和泥齡要長，否則，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源來維持反硝化的順利進(jìn)行。
②Bardenpho生物脫氮工藝
該工藝取消了三段脫氮工藝的中間沉淀池。該工藝設(shè)立了兩個缺氧段，第一段利用原水中的有機(jī)物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態(tài)氮的混合液進(jìn)行反硝化反應(yīng)。經(jīng)第一段處理，脫氮已基本完成。為進(jìn)一步提高脫氮效率，廢水進(jìn)入第二段反硝化反應(yīng)器，利用內(nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化。最后的曝氣池用于吹脫廢水中的氮氣，提高污 泥的沉降性能，防止在二沉池發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象。這一工藝比三段脫氮工藝減少了投資和運行費用。
③缺氧一好氧生物脫氮工藝
該工藝于80年代初開發(fā)。該工藝將反硝化段設(shè)置在系統(tǒng)的前面，因此又稱為前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)，是目前較為廣泛采用的一種脫氮工藝。反硝化反應(yīng)以污水中的有機(jī)物為碳源，曝氣池中含有大量硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進(jìn)行反硝化脫氮。在反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的堿度可補償硝化反應(yīng)中所消耗的堿度的50％左右。該工藝流程簡單，無需外加碳源，因而基建費用及運行費用較低，脫氮效率一般在70％左右；但由于出水中含有一定濃度的硝酸鹽，在二沉池中，有可能進(jìn)行反硝化反應(yīng)，造成污泥上浮，影響出水水質(zhì)。
隨著生物脫氮技術(shù)的發(fā)展，新的工藝不斷被開發(fā)出來，如氧化溝、序批式活性污泥法等，可在同一池中通過控制運行條件，在不同時段，形成缺氧和好氧的條件，從而達(dá)到除碳和脫氮的目的。另外，人們又開發(fā)了與除磷相結(jié)合的脫氮工藝，該內(nèi)容將在本節(jié)后面加以討論。
由于過量的氨氮與硝酸鹽及亞硝酸鹽會破壞水質(zhì)，因此含氮化合物的去除非常關(guān)鍵。氨在水環(huán)境中揮發(fā)需要一定量的氧，氧化一克的氨需要4.7克氧。對水生生物來說，亞硝酸鹽是有毒物質(zhì)，并可使人誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥（血液中攜氧量減少），因此在污水被排放至自然水域之前，要求有效去除污水中的氮。
在廢水處理當(dāng)中，氨氮去除一直是個難題，傳統(tǒng)式除氮始于氨氮氧化為亞硝酸氮及硝酸氮（硝化作用），完結(jié)于亞硝酸氮或硝酸氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨?反硝化作用)。但是實際運行中，硝化細(xì)菌對環(huán)境因素非常敏感，生長繁殖很容易受到抑制，傳統(tǒng)的除氮法在第一步已經(jīng)受阻，后續(xù)步驟就沒法進(jìn)行。碧沃豐提供高效硝化菌的同時，對傳統(tǒng)除氮方法也進(jìn)行了改進(jìn)。
氮在污水中有四種形態(tài):
1. 有機(jī)氮（氨基酸、蛋白質(zhì)、嘌呤、嘧呤和核酸）
2. 氨氮（NH3-N)
3. 亞硝酸氮（NO2-N）
4. 硝酸氮（NO3-N）
    在未處理的污水中，主要成分通常是氨氮化合物和有機(jī)氮。這些成份氧化為亞硝酸氮后轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境中的硝酸氮。
    傳統(tǒng)的生物硝化作用有兩個步驟：在亞硝化細(xì)菌的作用下氨氮開始轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮，隨后在硝化細(xì)菌的作用下亞硝酸氮被氧化為硝酸氮。這些菌類都是硝化作用過程中典型的菌種，都是自然界中以二氧化碳為碳源的自養(yǎng)菌種。
    由于這些菌種對環(huán)境的敏感度極高，用自給營養(yǎng)的細(xì)菌將氨氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸氮就存在很多問題。
    該處理需要幾天以上的細(xì)胞平均停留時間（MCRT），因此細(xì)菌數(shù)需要達(dá)到一個極大值才有效。細(xì)菌對系統(tǒng)中低溫和有毒化學(xué)物質(zhì)非常敏感。在寒冷氣候下，硝化速度會大幅度降低。10℃以下細(xì)菌將停止生長，30℃是最適宜溫度。
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