生物法脱氮是基于自然界氮循环过程构建的，是通过条件控制对其中微生物氨化、硝化、反硝化过程进行人工强化将其运用于活性污泥法或生物膜法的技术。自然界中氮循环如图7-3所示。

图7-3 自然界中的氮循环

7.2.1生物法脱氮机理

具体来说生物法脱氮是在微生物作用下，将有机氮和氨氮转化为N₂的过程，它包括硝化和反硝化两个过程。

一、氨化和硝化

1.氨化反应

在未经处理的污水中，含氮化合物常以有机氮形式存在，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物等等，这些有机氮在氨化微生物的作用下被分解、转化为氨态氮，这一过程称之为氨化反应，其中氨基酸被分解反应如7-2所示。

绝大多数好氧的异养微生物都能够进行氨化反应。

2.硝化反应

在硝化菌作用下，氨态氮进一步被氧化呈亚硝酸盐氮（NO₂^--N）和硝酸盐氮（NO₃^--N），其反应分别如式7-3和7-4所示。

3.硝化菌

硝化菌和亚硝化菌统称为硝化菌，它们是好氧的化能自养菌，广泛存在于土壤中，这类细菌不以有机物作为碳源和能量来源，而是从CO₂获取碳源、从氧化氨态氮或亚硝态氮过程中获取能量。

4.硝化菌生存条件

硝化菌对环境变化比较敏感，为了保证硝化反应正常进行，就必须保持硝化菌所需要的环境条件。

（1）溶解氧：分子氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内的氧气需要满足硝化菌在硝化过程中的需氧量，一般溶解氧含量不能低于1mg/L，最好保持在2mg/L。

（2）有机物浓度：硝化菌式自养型微生物，它对于污水中的有机物浓度并没有需求，但是有机物浓度过高会导致增殖较快的异养菌迅速繁殖占据优势，消耗氧气，从而使硝化菌被抑制，硝化反应无法正常进行。一般来说硝化进水BOD₅应在15~20mg/L以下。

（3）温度：硝化反应的适宜温度为20~30℃，15℃以下时反应速度下降，5℃以下硝化反应完全停止。

（4）pH值：硝化菌对pH值的变化非常敏感，最佳反应pH值为8.0~8.4。同时由于硝化反应会消耗碱度，理论上每1g氨氮需要消耗碱度7.14g（以CaCO₃计），这超出一般污水的碱度含量，所以需要额外补充。

（5）污泥泥龄：硝化菌对能量利用能力较差，一般只能利用氧化氨氮和亚硝态氮所产生能量的5~14%，远低于异养型微生物。理论上硝化菌污泥龄需要大于3d，但是实际上需要10~25d才能保证脱氮率不受污泥泥龄的影响。

（6）有害物质：对硝化菌有抑制和毒害作用的主要有重金属、高浓度的氨氮、高浓度的硝态氮和络合阳离子，这些物质应在预处理中予以去除或稀释。

二、反硝化

1.反硝化反应

   反硝化是指硝态氮（NO_x^--N）在反硝化菌作用下，被还原为氨或氮气的过程，其中前者称为同化反硝化，主要用于微生物满足自身对于氮的需求，转化为微生物自身细胞物质；后者称为异化反硝化，是水处理中实现氮素去除的重要步骤。

2.反硝化菌

   反硝化菌为兼性厌氧的异养菌，在厌氧条件下进行厌氧呼吸（代谢），以硝态氮为电子受体，以有机物为电子供体，其厌氧呼吸过程释放的能量较少。相应合成的细胞物质也较少。

3．反硝化菌生存条件

（1）碳源：反硝化是异养菌，可以从污水中直接获取碳源，但是当污水中碳源不足BOD₅/TN＜3~5时，需要另外投加碳源，一般投加小分子碳源，利于反硝化菌利用，如甲醇，其被分解后的产物为CO₂和H₂O，不会增加有机负荷。

（2）溶解氧：反硝化菌只有在没有分子氧，同时体系中存在硝态氮的情况下才能够进行反硝化反应，这种体系中没有分子氧但有化合态氧存在的条件也被称为缺氧条件。溶解氧过高会使得反硝化菌进行好氧呼吸，而过低的溶解氧也会导致菌体内某些酶的合成，所以一般来说反硝化池的溶解氧应控制在0.5mg/L以下，或者生存在厌氧、好氧相交替的环境中。

（3）pH值：pH值时反硝化反应的重要影响因素，最适宜反硝化反应的pH值为6.5~7.5，当pH值大于8或小于6时，反硝化速率大大下降。另外，反硝化过程会产生一定的碱度，理论上每还原1gNO3-N产生3.5g碱度（以CaCO₃计），可以抵消一部分硝化阶段消耗的碱度。

（4）温度：反硝化的适宜温度是20~40℃，低于15℃时，反硝化菌的增殖速率降低，代谢速度也降低。在冬季水温较低的时候可以通过延长污泥泥龄，增加污泥的停留时间、降低负荷率等方式缓解低温对反硝化速率的影响。此外温度对反硝化不同类型工艺的影响不同，流化床反应器受温度影响要小于以生物转盘或活性污泥层位反应器的反硝化反应。

• 7.2.2生物脱氮工艺

最早的生物脱氮工艺由活性污泥法工艺基于生物脱氮原理进行改造产生，即根据碳化（氨化）、硝化、反硝化三个阶段顺序进行，也因此被称为三段式生物脱氮工艺。

一、三段式生物脱氮工艺

三段式生物脱氮工艺是由巴茨（Barth）开发的，其工艺流程如图7-4所示。

                                   图7-4 三段式生物脱氮工艺流程

三段式工艺的特点是完全根据氨化、硝化、反硝化的生物脱氮三阶段构造，每个阶段互不干扰。

你能根据三段式生物脱氮工艺流程和生物脱氮原理完成下面三段式生物脱氮工艺流程的表述填空吗？

三段式生物脱氮工艺最大的优点是三个阶段不同类型微生物的代谢互相不受影响，通过各阶段条件控制使它们都能在最佳环境中代谢，反应速度快且彻底。但是缺点也很显著，构筑物较多，管理不便，同时硝化要求有机负荷不能太高，而后续反硝化反应又需要有机物，所以需要投加碳源，操作麻烦，同时如果是外加碳源还要考虑在反硝化之后再增加一个曝气池以确保完全去除外加碳源的影响，且反硝化产生的碱度不能被硝化阶段利用，导致整体运行复杂，药剂消耗较大，运行成本高。

二、A_N/O工艺

A_N/O全称为缺氧-好氧活性污泥法生物脱氮工艺，其主要特点是反硝化前置，故又称为前置反硝化生物脱氮系统，这是目前应用比较广泛的脱氮工艺。反硝化前置的好处在于通过反硝化既能够充分利用原水中的有机物而不用外加碳源，更能够使反硝化产生的碱度为后续硝化反应所用，减少硝化反应的投碱量（可减少一半左右的消耗）。此外好氧曝气池在后，保障了出水水质。

但是反硝化除了缺氧条件之外，还需要水中有足够的硝酸盐氮，所以需要将部分硝化出水回流至反硝化池。硝化池和反硝化池之间不另设沉淀池，只在反硝化后设置沉淀池进行泥水分离，部分污泥回流至反硝化池。

你能根据生物脱氮原理和上述对A_N/O工艺的描述，绘制A_N/O工艺流程图吗？

由于流程少，装置少，投加药剂少，因此A_N/O工艺建设费用和运行费用均较低，还可以建成合建式以节省用地。但是该工艺的缺点在于回流水中携带的溶解氧会影响反硝化的缺氧状态，同时硝化和反硝化污泥不分开沉淀和回流，所以对于微生物的代谢效率有一定影响。

为了取得70~80%的脱氮率，一般硝化池水力停留时间不少于6h，反硝化池反应速度较快，2h之内即可完成；硝化液回流量占总流量的比例称为回流比，一般设置在200%以上，对于活性污泥为主体的工艺可设为600%，对于流化床工艺则需要更高的回流比。

穿插在知识点中的课堂练习可以在这里快速找到。

任务2：硝化需氧量计算

任务3：生物脱氮反应各阶段生化反应特征的对比

任务4：三段式生物脱氮工艺流程

任务5：AN/O工艺流程图