根據(jù)硝化反硝化的理論可知，生物脫氮包括硝化和反硝化過(guò)程，可采用單、多級(jí)活性污泥法。單級(jí)是將含碳有機(jī)物的氧化、硝化、反硝化在一個(gè)活性污泥池中進(jìn)行，只設(shè)一個(gè)沉淀池;而多級(jí)活性污泥法是同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化。按反應(yīng)器來(lái)分，可分為微生物懸浮生長(zhǎng)型及微生物附著生長(zhǎng)型兩種，并根據(jù)情況進(jìn)行了不同的改型。

一、傳統(tǒng)的生物脫氮工藝

可以通過(guò)采取適當(dāng)?shù)氖侄魏痛胧?，將自然界中氮循環(huán)的原理應(yīng)用到活性污泥系統(tǒng)中來(lái)強(qiáng)化脫氮的效果。生物脫氮有兩條途徑，一是進(jìn)行生物合成，將氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，通過(guò)剩余污泥的排放而達(dá)到處理的目的，如活性污泥法排出的剩余污泥;另一種是微生物通過(guò)硝化和反硝化反應(yīng)形成氮?dú)舛欧?，不?huì)產(chǎn)生二次污染，含氮化合物在微生物的作用下通過(guò)氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)達(dá)到去除的目的。

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是由Barth提出的三步活性污泥法，即在生物二級(jí)處理后增加硝化脫氮工藝，在脫氮階段需要外加碳源，流程長(zhǎng)，構(gòu)筑物多。

各池的功能不同，微生物所需的環(huán)境條件也不同，一段主要功能是去除BOD、COD，使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化，形成NH3、NH4，完成氨化過(guò)程，經(jīng)沉淀后，污水進(jìn)入硝化曝氣池進(jìn)行硝化反應(yīng)，使NH3、NH4進(jìn)一步氧化為NO3-N。硝化反應(yīng)要消耗堿度，在消化池內(nèi)投堿，方式PH值下降，第三段為反硝化反應(yīng)器，在缺氧條件下，NO3-N還原為氣態(tài)N2，這一級(jí)應(yīng)采取厭氧-缺氧交替的運(yùn)行方式，硝化反應(yīng)器內(nèi)加碳源，一般面甲醇，也可引入原污水作為碳源。

由于加甲醇而帶來(lái)的BOD的增加，可設(shè)后曝氣池進(jìn)行處理后排放。本工藝是有機(jī)物降解菌、硝化菌、反硝化菌分別在各自的反應(yīng)器中生長(zhǎng)繁殖，環(huán)境條件合適，反應(yīng)速度較快而且徹底，但設(shè)備多，造價(jià)高，管理不方便。

二、單級(jí)生物脫氮工藝

級(jí)生物脫氮技術(shù)的核心是將硝化菌和反硝化菌置于同一生物反應(yīng)器中，在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化。其特征就是只有一個(gè)沉淀池，單級(jí)生物脫氮技術(shù)有不同的形式如A/O、A2/0、UCT、VIP(virginia initiative plant，VIP)等，還有多個(gè)缺氧池的單級(jí)活性污泥法，如SBR、循環(huán)曝氣系統(tǒng)(cyclical aerated system)等。生物膜單級(jí)生物脫氮系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代才開(kāi)始發(fā)展。目前大多數(shù)處于小試、中試及半生產(chǎn)性試驗(yàn)階段。Koch在研究生物轉(zhuǎn)盤(pán)上生物膜的脫氮效果的同時(shí)，建立了自養(yǎng)型反硝化作用的數(shù)學(xué)模型。Wa tanabe 等專家認(rèn)為在單一的生物轉(zhuǎn)盤(pán)(RBC)中有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化和反硝化:通過(guò)降低氣相中氧分壓控制氧的傳遞速度或采用部分沉浸和全部沉浸式相結(jié)合的RBC反應(yīng)器對(duì)多種有機(jī)物質(zhì)的處理試驗(yàn)結(jié)果顯示了其脫氮效果良好。一般來(lái)說(shuō)，生物膜單級(jí)脫氮技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單和操作費(fèi)用相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)環(huán)境條件的變化相對(duì)敏感，控制比較困難，且不夠穩(wěn)定。

1.A/0法

A/O法是有回流的前置反硝化生物脫氮流程(參見(jiàn)第四章圖4-6)。該工藝?yán)脧U水中的BOD成分為碳源，可基本上不加碳源或少加，達(dá)到較好的去除效果。為了利用廢水中的 BOD有時(shí)不設(shè)初沉池，加強(qiáng)格柵截留漂浮物及強(qiáng)化沉砂池的功能，有效地截留顆粒有機(jī)物，盡量提高A/O系統(tǒng)廢水的BOD/TKN。一般情況下既有二沉池污泥回流以保證提供含碳有機(jī)物的氧化細(xì)菌，也有硝化液回流，為缺氧池提供NON，NO-N，以進(jìn)行反硝化。

此系統(tǒng)中可充分利用堿度和氮氧化物中的氧，易在常規(guī)工藝中進(jìn)行改造。系統(tǒng)中同時(shí)存在著降解有機(jī)物的異養(yǎng)型菌群、反硝化菌群和自養(yǎng)型硝化菌群，混合的微生物群體交替地處于好氧和缺氧的環(huán)境中，在不同的有機(jī)物濃度下，分別發(fā)揮其不同的作用。

A/O法的優(yōu)點(diǎn):流程簡(jiǎn)單，構(gòu)筑物少，節(jié)省了基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用;廢水經(jīng)好氧處理可進(jìn)一步去除殘留的有機(jī)物，出水水質(zhì)好;節(jié)省了外加碳源的費(fèi)用，有較高的C/N比缺氧池的存在減輕了好氧池的有機(jī)負(fù)荷，起到生物選擇器的作用，改善了污泥的沉降性能，并可彌補(bǔ)硝化過(guò)程對(duì)堿度的消耗。

A/O法有不同的布置形式。A2/0是改進(jìn)型的A/O，在A/O工藝的基礎(chǔ)上增加了厭氧池，從脫氮功能上講，并不需要在缺氧池前設(shè)厭氧池，但它可作為厭氧選擇器來(lái)促進(jìn)菌膠團(tuán)的細(xì)菌繁殖并抑制絲狀菌在缺氧池和好氧池繁殖(參見(jiàn)第四章圖4-8)。美國(guó)學(xué)者 Spector 對(duì)厭氧(anaerobic)和缺氧(anoxic)做了如下定義:厭氧是污水處理區(qū)基本沒(méi)有硝態(tài)氮(最好小于0.2mg/L)溶解氧濃度低于07mg/L，最好低于0.4mg/L。缺氧是污水區(qū)內(nèi)BOD的代謝由硝態(tài)氮完成，其初始濃度不低于0.4mg/L 。

2.Bardenpho工藝

由兩個(gè) A/O工藝組成，混合液回流，第一個(gè)A池中含有NO--N，第二個(gè)A池在O池后，也含有一定量的 NO-N，這兩個(gè)池稱為缺氧池。在第一級(jí) A/O工藝中，回流混合液中的NO-N在反硝化菌的作用下利用原污水中的含碳有機(jī)物在第一個(gè)缺氧池中進(jìn)行反硝化，再進(jìn)入第一好氧池，完成含碳有機(jī)物的氧化、含氮有機(jī)物的氨化、氨氮的硝化，第一缺氧池產(chǎn)生的N在第一好氧池中經(jīng)曝氣吹脫。在第二級(jí)A/O工藝中，反硝化菌利用混合液中的內(nèi)源代謝產(chǎn)物在第二缺氧池中進(jìn)一步反硝化，氮?dú)庠诘诙醚醭刂写得?，改善了污泥的沉降性能，溶菌作用產(chǎn)生的NH+-N也在第二好氧池中得到硝化，二級(jí)A/O工藝具有較高的脫氮率。其他單級(jí)脫氮工藝將在同步脫氮除磷工藝中詳細(xì)介紹。

缺氧反應(yīng)器是脫氮的主體，細(xì)菌在這里以有機(jī)物作為電子供體，以硝酸鹽氮作為電子受體將氮去除。好氧反應(yīng)器的作用有三:一是吹脫水中的氮?dú)?，以防沉淀池污泥上?二是在好氧條件下去除水中剩余的有機(jī)物，以提高出水水質(zhì);三是提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中產(chǎn)生脫氮作用。從好氧反應(yīng)器回流混合液是為了提高脫氮效率和出水水質(zhì)。沉淀池的作用和通常的廢水生物處理系統(tǒng)一樣，在活性污泥法的脫氮系統(tǒng)中是必需的，在生物膜法的脫氮系統(tǒng)中，卻并非是必需的。在污水生物脫氮系統(tǒng)中需保證有足夠的碳源。

固定化微生物單級(jí)生物脫氮由于硝化菌和反硝化菌具有不同的生理特性，硝化和反硝化作用難以在時(shí)間上和空間上統(tǒng)一，脫氮效果差。因此，利用微生物固定技術(shù)適當(dāng)?shù)貙⑾趸聪趸潭ㄔ谝黄?，以保證反應(yīng)器的菌體濃度和脫氮性能，已成為近十多年來(lái)生物脫氮領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌單獨(dú)固定及固定化細(xì)胞的脫氮性能作了詳細(xì)的研究，在日本已有將固定化硝化菌用于處理能力為11300m/d的工業(yè)裝置。根據(jù)包埋方式和碳源供給方式不同，固定化微生物技術(shù)有三種工藝:硝化菌和反硝化菌分層包埋、硝化菌和反硝化菌混合包埋和碳源循環(huán)單級(jí)生物脫氮。分層包埋法類似于傳統(tǒng)工藝中先硝化后反硝化的脫氮工藝，只是使兩個(gè)反應(yīng)在一個(gè)微單元中同時(shí)進(jìn)行，反硝化菌直接還原硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的亞硝酸鹽，避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個(gè)多余步驟，降低了對(duì)氧和有機(jī)物的需求。在好氧條件下，連續(xù)運(yùn)行時(shí)氮的去除速率高達(dá)5.1 mmolN/(m·s)。有的學(xué)者將硝化菌、反硝化菌和產(chǎn)甲醇菌混合固定成固定化小球，三種菌按照從外向內(nèi)的順序依次分布，借助固定化介質(zhì)對(duì)氧傳遞形成阻礙，使厭氧、缺氧和好氧的環(huán)境統(tǒng)一在固定化小球內(nèi)，通過(guò)產(chǎn)甲醇菌在厭氧條件下發(fā)酵產(chǎn)生甲醇，硝化細(xì)菌在好氧條件下將氨氧化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，與產(chǎn)甲醇菌和硝化菌聯(lián)合固定的反硝化細(xì)菌則可以通過(guò)甲醇將NO:-N和NO2-N轉(zhuǎn)化為N，如果可以實(shí)現(xiàn)的話，可有效地解決反硝化碳源的來(lái)源問(wèn)題，同時(shí)將兩個(gè)工藝統(tǒng)一在一起，提高了脫氮速度。碳源循環(huán)則是將碳源加到細(xì)胞管中，依靠其在細(xì)胞管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)被反硝化菌按需攝取，廢水中沒(méi)有額外的碳源，避免了后經(jīng)氮后除碳的工藝流程，脫氮過(guò)程的硝化速率得到提高。

固定化技術(shù)的利用提高了生物脫氮速度，節(jié)省碳源、減少了后曝氣，但存在成本較高、難以獲得理想的固定化介質(zhì)等問(wèn)題。

單級(jí)生物脫氮技術(shù)因其多方面優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，尤其是利用生物膜或固定化細(xì)胞進(jìn)行單級(jí)生物脫氮取得了很大的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出許多新型生物反應(yīng)器或新的固定化方法，但目前均處于實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模的研究階段。一些新型反應(yīng)器如碳源循環(huán)單級(jí)生物脫氮反應(yīng)器和新型生物纖維膜反應(yīng)器已顯示了巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，將是未來(lái)單級(jí)生物脫氮領(lǐng)域研究的主要方向之一。

三、生物脫氮的影響因素與主要參數(shù)

廢水生物脫氮是通過(guò)硝化和反硝化菌共同作用完成的，因不同的環(huán)境條件哪一種工藝都將影響到處理過(guò)程和處理效果，而且對(duì)工藝運(yùn)行中硝化菌和反硝化菌的影響也不同，應(yīng)注意以下問(wèn)題。

1.溶解氧

溶解氧含量的高低直接影響到處理工藝中好氧菌和厭氧菌的含量和分布比例，從而影響到處理工藝對(duì)氮的去除率。

2.水力停留時(shí)間

實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)證實(shí)，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間對(duì)處理效果影響很大，為達(dá)到70%~80%的去除率，需硝化時(shí)間較長(zhǎng)，一般不低于6h，而反硝化的時(shí)間在2h內(nèi)即完成。硝化與反硝化的水力停留時(shí)間比為3:1。

3.溫度

化反應(yīng)的最適溫度為30~35℃，當(dāng)溫度在5~35℃間逐漸升高時(shí)，硝化反應(yīng)的速度隨溫度升高而加快，溫度低于5℃，硝化反應(yīng)幾乎停止。反硝化反應(yīng)的溫度范圍為15~35℃，當(dāng)溫度低于10℃，反硝化速率下降，溫度低于3℃，反硝化作用停止，因此必須注意溫度的控制。

4.循環(huán)比

脫氮工藝中，內(nèi)循環(huán)的回流是向反硝化反應(yīng)器中提供硝態(tài)氮，作為氮硝化的電子受體，循環(huán)比不僅影響脫氮效果，而且影響動(dòng)力消耗。一般情況下，對(duì)于低氨氮的廢水，回流比控制在200%~300%較為經(jīng)濟(jì);對(duì)于高濃度的氨氮，回流比可適當(dāng)高些。

5.酸堿度

生物脫氮過(guò)程中，硝化要消耗廢水堿度使pH值下降，而反硝化由于產(chǎn)生一定的堿度使pH值上升，硝化菌的最適pH值為8.0~8.4。一般pH值為6.5~8.0，應(yīng)根據(jù)原廢水中的堿度情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，并保持廢水中的剩余堿度。

6.泥齡

為保證連續(xù)流反應(yīng)器中有數(shù)量足夠且性能穩(wěn)定的硝化和反硝化菌，必須使微生物在反應(yīng)器的停留時(shí)間大于硝化和反硝化菌的最小世代期。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般使系統(tǒng)的泥齡為硝化和反硝化菌世代期的兩倍以上?？刂泼摰に嚨奈勰嗄帻g3~5d以上，較長(zhǎng)的泥齡可增加生物硝化的能力，減輕毒物的抑制，但不宜過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)將降低污泥活性而影響處理效果。

7.C/N比

保證一定的碳源可使反硝化順利進(jìn)行。碳源的控制包括種類的選擇、碳源的需求量及供給方式，一般認(rèn)為，廢水的C/N在5~ 8時(shí)，可認(rèn)為碳源是足夠的，否則應(yīng)考慮必要的外加碳源。