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01生物硝化與反硝化(生物陳氮法)

(一) 生物硝化

在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程，稱為生物硝化作用。(1)在硝化過程中，1g氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮時(shí)氧4.57g；(2)硝化過程中釋放出H+，將消耗廢水中的堿度，每氧化lg氨氮，將消耗堿度(以CaCO3計(jì)) 7.lg。影響硝化過程的主要因素有：(1)pH值   當(dāng)pH值為8.0～8.4時(shí)(20℃)，硝化作用速度最快。由于硝化過程中pH將下降，當(dāng)廢水堿度不足時(shí)，即需投加石灰，維持pH值在7.5以上；(2)溫度   溫度高時(shí)，硝化速度快。亞硝酸鹽菌的最適宜水溫為35℃，在15℃以下其活性急劇降低，故水溫以不低于15℃為宜；(3)污泥停留時(shí)間   硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長(zhǎng)速率為 ＝0.3～0.5d-1(溫度20℃，pH8.0～8.4)。為了維持池內(nèi)一定量的硝化菌群，污泥停留時(shí)間 必須大于硝化菌的最小世代時(shí)間 。在實(shí)際運(yùn)行中，一般應(yīng)取 ＞2 ,或 ＞2 ；(4)溶解氧   氧是生物硝化作用中的電子受體，其濃度太低將不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。一般，在活性污泥法曝氣池中進(jìn)行硝化，溶解氧應(yīng)保持在2～3mg/L以上；(5)BOD負(fù)荷   硝化菌是一類自養(yǎng)型菌，而BOD氧化菌是異養(yǎng)型菌。若BOD5負(fù)荷過高，會(huì)使生長(zhǎng)速率較高的異養(yǎng)型菌迅速繁殖，從而佼白養(yǎng)型的硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)，結(jié)果降低了硝化速率。所以為要充分進(jìn)行硝化，BOD5負(fù)荷應(yīng)維持在0.3kg(BOD5)/kg(SS).d以下。

(二) 生物反硝化

在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌(反硝化菌)的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體(氫供體)是各種各樣的有機(jī)底物(碳源)。以甲醇作碳源為例，其反應(yīng)式為：

6NO3-十2CH3OH→6NO2-十2CO2十4H2O 

6NO2-十3CH3OH→3N2十3CO2十3H2O十60H- 

由上可見，在生物反硝化過程中，不僅可使NO3--N、NO2--N被還原，而且還可位有機(jī)物氧化分解。

影響反硝化的主要因素：(1)溫度  溫度對(duì)反硝化的影響比對(duì)其它廢水生物處理過程要大些。一般，以維持20～40℃為宜?？嘣跉鉁剡^低的冬季，可采取增加污泥停留時(shí)間、降低負(fù)荷等措施，以保持良好的反硝化效果；(2)pH值  反硝化過程的pH值控制在7.0～8.0；(3)溶解氧  氧對(duì)反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應(yīng)器內(nèi)溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/L以下(活性污泥法)或1mg/L以下(生物膜法)；(4)有機(jī)碳源  當(dāng)廢水中含足夠的有機(jī)碳源，BOD5/TN＞(3～5)時(shí)，可無需外加碳源。當(dāng)廢水所含的碳、氮比低于這個(gè)比值時(shí)，就需另外投加有機(jī)碳。外加有機(jī)碳多采用甲醇?？紤]到甲醇對(duì)溶解氧的額外消耗，甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外，還可利用微生物死亡；自溶后釋放出來的那部分有機(jī)碳，即"內(nèi)碳源"，但這要求污泥停留時(shí)間長(zhǎng)或負(fù)荷率低，使微生物處于生長(zhǎng)曲線的靜止期或衰亡期，因此池容相應(yīng)增大。

02沸石選擇性交換吸附 

沸石是一種硅鋁酸鹽，其化學(xué)組成可表示為(M2+2M+)O.Al2O3.mSiO2?nH2O (m＝2～10，n＝0～9)，式中M2+代表Ca2+、Sr2+等二價(jià)陽離子，M+代表Na+、K+等一價(jià)陽離子，為一種弱酸型陽離子交換劑。在沸石的三維空間結(jié)構(gòu)中，具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)和空穴，使其具有篩分效應(yīng)，交換吸附選擇性、熱穩(wěn)定性及形穩(wěn)定性等優(yōu)良性能。天然沸石的種類很多，用于去除氨氮的主要為斜發(fā)沸石。

斜發(fā)沸石對(duì)某些陽離子的交換選擇性次序?yàn)椋?/span>K+，NH4+＞Na+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+。利用斜發(fā)沸石對(duì)NH4+的強(qiáng)選擇性，可采用交換吸附工藝去除水中氨氮。交換吸附飽和的拂石經(jīng)再生可重復(fù)利用。

溶液pH值對(duì)沸石除氨影響很大。當(dāng)pH過高，NH4+向NH3轉(zhuǎn)化，交換吸附作用減弱；當(dāng)pH過低，H+的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用增強(qiáng)，不利于NH4+的去除。通常，進(jìn)水pH值以6～8為宜。當(dāng)處理合氨氮10～20mg/L的城市進(jìn)水時(shí)，出水濃度可達(dá)lmg/L以下。穿透時(shí)通水容積約100～150床容。沸石的工作交換容量約0.4×10-3n-1mol/g左右。

吸附銨達(dá)到飽和的沸石可用5g/L的石灰乳或飽和石灰水再生。再生液用量約為處理水量的3～5%。研究表明，石灰再生液中加入0.1mol的NaCl，可提高再生效率。針對(duì)石灰再生的結(jié)垢問題，亦有采用2％的氯化鈉溶液作再生液的，此時(shí)再生液用量較大。再生時(shí)排出的高濃度合氨廢液必須進(jìn)行處理，其處理方法有：(1)空氣吹脫 吹脫的NH3或者排空，或者由量H2S04吸收作肥料；(2)蒸氣吹脫 冷凝液為1%的氨溶液，可用作肥料；(3)電解氧化(電氯化) 將氨氧化分解為N2。

03空氣吹脫 

在堿性條件下(pH＞10.5)，廢水中的氨氮主要以NH3的形式存在(圖20-2)。讓廢水與空氣充分接觸，則水中揮發(fā)性的NH3將由液相向氣相轉(zhuǎn)移，從而脫除水中的氨氮。吹脫塔內(nèi)裝填木質(zhì)或塑料板條填料，空氣流由塔的下部進(jìn)入，而廢水則由塔頂落至塔底集水池。

影響氨吹脫效果的主要因素有：

(1)pH值  一般將pH值提高至10.8～11.5；

(2)溫度  水溫降低時(shí)氨的溶解度增加，吹脫效率降低。例如，20℃時(shí)氨去除率為90～95％，而10℃時(shí)降至約75%，這為吹脫塔在冬季運(yùn)行帶來困難；

(3)水力負(fù)荷  水力負(fù)荷(m3/m2．h)過大，將破壞高效吹脫所需的水流狀態(tài)，而形成水幕；水力負(fù)荷過小，填料可能沒有適當(dāng)濕潤(rùn)，致使運(yùn)行不良，形成干塔。一般水力負(fù)荷為2.5～5m3/m2?h；

(4)氣水比  對(duì)于一定塔高，增加空氣流量，可提高氨去除率；但隨著空氣流量增加，壓降也增加，所以空氣流量有一限值。一般，氣/水比可取2500～5000(m3/m2)；

(5)填料構(gòu)型與高度  由于反復(fù)濺水和形成水滴是氨吹脫的關(guān)鍵，因此填料的形狀、尺寸、間距、排列方式夠都對(duì)吹脫效果有影響。一般，填料間距40～50mm，填料高度為6～7.5m。若增加填料間距，則需更大的填料高度；

(6)結(jié)垢控制  填料結(jié)垢(CaCO3)特降低吹脫塔的處理效率。控制結(jié)垢的措施有：用高壓水沖洗垢層；在進(jìn)水中投加阻垢劑：采用不合或少含CO2的空氣吹脫(如尾氣吸收除氨循環(huán)使用)；采用不易結(jié)垢的塑料填料代替木材等。

空氣吹脫法除氨，去除率可達(dá)60～95%，流程簡(jiǎn)單，處理效果穩(wěn)定，基建費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)較低，可處理高濃度合氨廢水。但氣溫低時(shí)吹脫效率低，填科結(jié)垢往往嚴(yán)重干擾運(yùn)行，且吹脫出的氨對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

04折點(diǎn)氯化

投加過量氯或次氯酸鈉，使廢水中氨完全氧化為N2的方法，稱為折點(diǎn)氯化法，其反應(yīng)可表示為：

NH4+十1.5HOCl→0.5N2十1.5H2O十2.5H+十1.5Cl- 

由反應(yīng)式可知，到達(dá)折點(diǎn)的理論需氯(C12)量為7.6kg/kg(NH3-N)，而實(shí)際需氯量在8～10kg/kg(NH3-N)。在pH＝6～7進(jìn)行反應(yīng)，則投藥量可最小。接觸時(shí)間一般為0.5～2h。嚴(yán)格控制pH值和投氯量，可減少反應(yīng)中生成有害的氯胺(如NCl3)和氯代有機(jī)物。

折點(diǎn)氯化法對(duì)氨氮的去除率達(dá)90～100%，處理效果穩(wěn)定，不受水溫影響，基建費(fèi)用也不高。但其運(yùn)行費(fèi)用高；殘余氯及氯代有機(jī)物須進(jìn)行后處理。

在目前采用的四種脫氮工藝中，物理化學(xué)法由于存在運(yùn)行成本高、對(duì)環(huán)境造成二次污染等問題，實(shí)際應(yīng)用受到-定限制。而生物脫氮法能餃為有效和徹底地除氮，且比較經(jīng)濟(jì)，因而得到較多應(yīng)用。 

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