《污水处理生物脱氮技术：原理、工艺与运行控制》
生物脱氮是污水处理中去除氨氮（NH₄⁺-N）、硝酸盐氮（NO₃⁻-N）、亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）等含氮污染物的核心技术，其本质是利用微生物的代谢作用，将水中的氮元素转化为氮气（N₂）排入大气，实现氮的无害化去除。该技术具有高效、经济、环境友好等优势，广泛应用于市政污水、工业废水（如化工、食品、养殖废水）的深度处理。以下从核心原理、主流工艺、关键运行控制及常见问题处理四方面，详细解析生物脱氮技术。
一、生物脱氮核心原理：“三段式” 微生物代谢过程
1. 氨化作用（有机氮→氨氮）
功能菌群：氨化菌（异养微生物，如芽孢杆菌、变形杆菌）
反应过程：污水中含氮有机物（如蛋白质、尿素、氨基酸）在氨化菌的分解作用下，转化为氨氮（NH₄⁺-N）。
示例反应：蛋白质 → 氨基酸 → NH₄⁺-N + CO₂ + 能量
环境要求：无需严格曝气（好氧 / 缺氧均可），适应范围广（pH 6.0-8.5，温度 15-35℃），是生物脱氮的前置步骤。
2. 硝化作用（氨氮→硝酸盐氮 / 亚硝酸盐氮）
功能菌群：自养型硝化菌（分为两类，需协同作用）
亚硝化菌（AOB）：将氨氮转化为亚硝酸盐氮（NH₄⁺→NO₂⁻）；
硝化菌（NOB）：将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮（NO₂⁻→NO₃⁻）。
核心反应：
亚硝化：NH₄⁺ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O + 能量
硝化：NO₂⁻ + 0.5O₂ → NO₃⁻ + 能量
关键环境要求（硝化菌活性的核心保障）：
溶解氧（DO）：≥2mg/L（充足曝气，确保硝化菌的有氧代谢）；
pH 值：7.5-8.5（最佳 7.8-8.2，pH＜7.0 或＞9.0 会显著抑制活性）；
温度：25-30℃（中温硝化最优，温度＜15℃时反应速率骤降，需延长停留时间）；
污泥停留时间（SRT）：≥10d（硝化菌生长缓慢，需保证足够的增殖时间）；
抑制物：避免高浓度氨氮（＞100mg/L）、重金属、有毒有机物（如酚类）抑制。
3. 反硝化作用（硝酸盐氮 / 亚硝酸盐氮→氮气）
功能菌群：异养型反硝化菌（如假单胞菌、产碱菌）
核心反应：反硝化菌以硝酸盐氮（NO₃⁻）/ 亚硝酸盐氮（NO₂⁻）为电子受体，以污水中的有机碳（如 BOD₅）为电子供体，在缺氧环境下将其还原为氮气（N₂）。
示例反应：NO₃⁻ + 2.5CH₃OH → N₂↑ + 2.5CO₂ + 1.5H₂O + OH⁻
关键环境要求：
溶解氧（DO）：≤0.5mg/L（严格缺氧，DO 过高会竞争电子受体，抑制反硝化）；
碳源（C/N 比）：BOD₅/TN≥5（有机碳充足，否则需投加外加碳源，如甲醇、乙酸钠、葡萄糖）；
pH 值：7.0-8.0（反硝化过程会产生 OH⁻，可中和硝化过程产生的 H⁺，调节系统 pH）；
温度：20-30℃（低温下反硝化速率下降，需增加碳源投加或延长停留时间）。
补充：短程硝化 - 反硝化（节能优化工艺）
实现条件：控制温度（30-35℃）、高游离氨（FA＞0.1mg/L）、低 DO（1.0-1.5mg/L），抑制 NOB 生长。
二、主流生物脱氮工艺及应用场景
| 工艺类型 | 代表工艺 | 核心设计 | 优点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 空间分隔型 | A/O 工艺（缺氧 - 好氧） | 池体分为缺氧池（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 NO₃⁻进行反硝化 | 流程简单、投资低、运行稳定，可同步去除 BOD 和 TN | 市政污水、低浓度工业废水（TN≤50mg/L），中小型污水厂 |
| 空间分隔型 | A²/O 工艺（厌氧 - 缺氧 - 好氧） | 在 A/O 基础上增加厌氧池，实现 “脱氮 + 除磷” 同步，厌氧池释磷→缺氧池脱氮→好氧池硝化 + 吸磷 | 功能全面，可同时去除 COD、TN、TP | 市政污水、需同步脱氮除磷的工业废水（如食品、印染废水） |
| 空间分隔型 | MBR（膜生物反应器）- 脱氮工艺 | 膜组件替代二沉池，污泥浓度（MLSS）可达 8000-12000mg/L，延长 SRT，强化硝化效果 | 脱氮效率高（TN 去除率≥85%）、占地面积小、出水水质好 | 高标准出水要求（如回用）、用地紧张的项目 |
| 时间分隔型 | SBR 工艺（序批式反应器） | 单池内通过时间序列实现 “进水→厌氧→缺氧→好氧→沉淀→排水”，无需单独池体和回流系统 | 灵活性强、适应水质波动、投资省 | 小规模污水厂（处理量＜5000m³/d）、分散式污水治理 |
| 深度脱氮型 | 短程硝化 - 反硝化工艺 | 控制工况抑制 NOB，实现 “NH₄⁺→NO₂⁻→N₂” | 节能省碳、占地面积小 | 高氨氮废水（如养殖废水、化工废水）、高能耗项目改造 |
| 深度脱氮型 | 厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺 | 自养型厌氧氨氧化菌（AAOB）在厌氧条件下，以 NH₄⁺为电子供体、NO₂⁻为电子受体，直接转化为 N₂（NH₄⁺+NO₂⁻→N₂↑+2H₂O） | 无需曝气（节能）、无需碳源（省成本），脱氮效率极高 | 高氨氮、低有机碳废水（如垃圾渗滤液、污泥消化液） |
三、生物脱氮关键运行控制要点
1. 水质参数控制
TN 与碳源平衡：
进水 BOD₅/TN≥5 时，可满足反硝化碳源需求；若 BOD₅/TN＜3，需投加外加碳源（甲醇投加量约为 NO₃⁻-N 的 3 倍，乙酸钠约为 4 倍，葡萄糖约为 6 倍）；
避免高浓度有毒物质（如重金属、酚类）冲击，需预处理去除或稀释。
pH 值调节：
硝化过程产酸（pH 下降），反硝化过程产碱（pH 上升），系统最佳 pH 控制在 7.5-8.0；
pH＜7.0 时，投加碳酸氢钠、石灰乳调节；pH＞8.5 时，投加稀盐酸或利用硝化产酸中和。
氨氮浓度：
进水氨氮≤100mg/L 时，硝化系统可稳定运行；浓度过高（＞200mg/L）需稀释，避免游离氨（FA）抑制。
2. 工艺参数控制
溶解氧（DO）：
好氧池（硝化）：DO 维持 2-4mg/L，确保硝化菌充分供氧；
缺氧池（反硝化）：DO≤0.5mg/L，可通过控制曝气强度、设置导流墙减少氧气渗入。
污泥停留时间（SRT）：
硝化菌生长缓慢，SRT 需≥10d（低温季节≥15d），避免因排泥过快导致硝化菌流失；
反硝化菌生长较快，SRT 可适当缩短，但需与硝化 SRT 匹配。
回流比（R）：
A/O、A²/O 工艺中，好氧池混合液回流至缺氧池的回流比 R=200%-400%，确保缺氧池有足够的 NO₃⁻作为电子受体；
回流比过低会导致反硝化不充分，过高会增加能耗和运行成本。
温度调节：
延长 SRT（如低温 SRT 增至 20d）；
提高 DO 至 3-4mg/L（强化硝化供氧）；
增加碳源投加量（比常温多投 20%-30%）。
最佳运行温度 25-30℃；温度＜15℃时，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
污泥浓度（MLSS）：
好氧池 MLSS 控制在 3000-6000mg/L，确保硝化菌数量充足；
污泥沉降比（SV₃₀）控制在 15%-30%，避免污泥膨胀（反硝化过程若碳源过剩易导致丝状菌膨胀）。
污泥龄管理：
定期检测污泥龄，通过排泥量调节（排泥量增加，SRT 缩短；反之延长）；
避免长期不排泥导致污泥老化，影响硝化 / 反硝化活性。
四、常见问题及解决方案
1. 总氮去除率低（出水 TN 超标）
| 常见原因 | 排查方法 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 反硝化碳源不足（BOD₅/TN＜3） | 检测进水 BOD₅、TN 浓度，计算 C/N 比 | 投加外加碳源（甲醇、乙酸钠），控制 C/N≥5 |
| 缺氧池 DO 过高（＞0.5mg/L） | 检测缺氧池 DO 浓度，检查曝气设备是否泄漏 | 关闭 / 减弱缺氧池曝气，修复曝气器密封，设置导流墙减少氧气渗入 |
| 回流比不足（R＜200%） | 检查回流泵流量，计算回流比 | 提高回流泵运行频率，增大回流比至 200%-400% |
| 硝化不充分（出水氨氮高） | 检测出水氨氮、NO₃⁻-N 浓度，若氨氮高、NO₃⁻-N 低，说明硝化不足 | 提高好氧池 DO（2-4mg/L），延长 SRT（≥15d），调节 pH 至 7.5-8.0 |
| 温度过低（＜15℃） | 检测水温，观察季节变化 | 加热升温（如蒸汽加热），增加碳源投加量，延长停留时间 |
2. 污泥膨胀（SV₃₀＞40%，出水浑浊）
原因：反硝化池碳源过剩、缺氧池 DO 过高、进水含难降解有机物，导致丝状菌大量繁殖；
解决方案：
控制碳源投加量（避免过量），降低缺氧池 DO（≤0.5mg/L）；
投加消毒剂（如次氯酸钠）抑制丝状菌（浓度 0.5-1mg/L）；
增加排泥量，缩短 SRT，改善污泥沉降性能。
3. pH 异常（＜7.0 或＞8.5）
pH＜7.0（硝化产酸过量）：投加碳酸氢钠（投加量约为氨氮的 1.5 倍）或石灰乳，同时检查反硝化是否充分（反硝化产碱可中和部分酸）；
pH＞8.5（反硝化产碱过量或氨氮过高）：投加稀盐酸调节，或增加硝化池曝气强度（促进硝化产酸），降低进水氨氮浓度（稀释或预处理）。
4. 曝气能耗过高
原因：好氧池 DO 过高（＞4mg/L）、污泥浓度过高（MLSS＞6000mg/L）；
解决方案：
采用变频曝气，根据 DO 反馈调节曝气强度（维持 DO 2-3mg/L）；
适当增加排泥量，降低 MLSS 至 3000-5000mg/L；
改造为短程硝化 - 反硝化工艺，减少曝气需求。
