深度解读：硝化反硝化在污水处理中的应用

1.硝化反应

在好氧条件下，通过自养型微生物亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，称为生物硝化作用。

硝化反应包括亚硝化和硝化两个步骤。

2. 反硝化反应

NO2-+3H(电子供给体-有机物) 0.5 N2+H2O+OH-

NO3-+5H(电子供给体-有机物) 0.5 N2+2H2O+OH-

在缺氧条件下，由于兼氧性脱氮菌(反硝化菌)的作用，将NO2--N和NO3--N还原成N2的过程，称为反硝化。反硝化菌为异养型微生物，在缺氧状态时，反硝化菌利用硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物作为电子供体提供能量并被氧化稳定。

反硝化反应方程式为：

NO2-+3H(电子供给体-有机物) 0.5 N2+H2O+OH-

NO3-+5H(电子供给体-有机物) 0.5 N2+2H2O+OH-

3.短程硝化反硝化

短程硝化是指NH3生成亚硝酸根，不再生产硝酸根；而由亚硝酸根直接生成N2，称为短程反硝化。短程硝化反硝化是指NH3--NO2---N2，即可以从水中氨氮去除的一种工艺。

4.影响因素：

（1）pH

硝化反应的适宜的pH值为7.0～8.0之间，其中亚硝化菌7.0～7.8时，活性最好；硝化菌在7.7～8.1时活性最好。当pH降到5.5以下，硝化反应几乎停止。反硝化细菌最适宜的pH值为7.0～7.5之间。考虑到硝化和反硝化两过程中碱度消耗与产生的相互性，同步硝化与反硝化的最适的pH值应为7.5左右。

（2）溶解氧（DO）

硝化过程的DO应保持在2～3mg/L，反硝化过程的DO应保持0.2～0.5mg/L。

反应池内溶解氧的高低，必将影响硝化反应的进程，溶解氧质量浓度一般维持在2～3mg/L，不得低于1mg/L，当溶解氧质量浓度低于0.5～0.7mg/L时，氨的硝态反应将受到抑制。反硝化通常需在缺氧条件下进行，溶解氧对反硝化有抑制作用，主要是由于氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。

（3）温度

生物硝化反应适宜的温度在20～30℃，反硝化适宜温度在30℃左右。亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的适宜温度为20～40℃。15℃以下时，硝化反应速度急剧下降。温度对反硝化速率的影响很大，低于5℃或高于40℃，反硝化的作用几乎停止。

（4）碱度

一般污水处理厂碱度应维持在200mg/L左右。

NH4++1.83O2+1.98HCO3-0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1g氨氮氧化为硝酸盐氮需约需耗7.14g碳酸氢盐（以CaCO3计）碱度。

NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO30.06C5H7NO2+0.47N2+1.68H2O+HCO3-

在反硝化过程中，将1g硝酸盐氮还原成氮气，约产生3.57g碱（以CaCO3计），需要有机物（BOD5）约为2.86g。

微生物降解1 mg有机碳源BOD5，约产生0.1 mg碱度（以CaCO3计）。

（5）碳氮比（C/N）

控制硝化过程的55/TKN

硝化细菌为自养菌，在硝化池中有机碳含量不宜过高，否则异养好氧菌繁殖速率过快，硝化菌难成为优势菌种；反硝化细菌为异养菌，有机碳源是反硝化细菌的电子供体提供者。有机碳源越充分，C/N越高，反硝化作用越明显，TN的去除率也越高。

当BOD5/TN>3时，碳源充足，无需补充外加碳源；BOD5/TN

（6）水力停留时间（HRT）

硝化过程HRT可控制在4h～10h之间，反硝化HRT可控制在1h～4h之间。

因HRT过短，反应池中各微生物种群没有充分的时间生长，污泥流失过快，硝化反应和反硝化反应都没有得到充分的进行。当HRT达到一定的值时，再增加HRT，对脱氮作用没有显著的效果。因为长HRT条件下，系统的有机负荷率降低，会使生物的内源呼吸加剧，影响污泥的活性，最终降低系统对污染物去除效果。

（7）污泥停留时间（SRT）

硝化过程的泥龄（SRT）一般控制在10～20d。

硝化菌的增殖速度很小，其最大比生长速率为0.3～0.5d-1，为了维持池内一定量的硝化菌群，污泥停留时间必须大于硝化菌的最小世代时间。但是污泥停留时间太长，会导致系统有机负荷过低，许多微生物由于得不到所需要的营养会死亡。

比生长速率μ：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率

（8）氧化还原电位（ORP）

硝化段ORP值一般在+180mV左右，反硝化段的ORP值在－50～－110mV之间。

氧化还原电位就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性。越高，氧化性越强，电位越低，氧化性越弱。通过控制ORP可以间接控制溶解氧浓度，尤其氧化还原电位其在DO浓度比较低时，DO较小的改变反映在氧化还原电位上变化较大。

（9）碳源投加量

每克甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖对应的COD、BOD5.

硝化与反硝化常见问题：

▷问题1：实际应用过程中，反硝化的碳氮比是多少比较好？是5以下还是6～8？

答：在实际应用中，个人认为碳氮比控制在6-8比较好。

▷问题2：盐度2%对硝化菌产生一定的抑制，是指纯氯化钠吗？

答：在实验室中使用的是纯氯化钠；在实际应用中，可能会有一点变化，但基本控制在2%左右，超过2%菌种活性受影响会比较大。

▷问题3：您介绍的菌是适合普通活性污泥法还是可以结合接触氧化、载体流化床？

答：都是可以用的。基本只要是生化系统，理论上都是可以应用特殊菌种进行生物强化的。

▷问题4：城镇污水处理厂硝化菌的投加量一般在多少？

答：投加量一般是参考两个数据，一是进水氨氮浓度，城镇污水处理厂一般在30-50mg/L，出水控制在5mg/L以下；二是停留时间，城镇污水厂一般用硝化菌不多，用量大概在十万分之一，建议在前期用三次，可以保证效果好一点。

▷问题5：想问硝化细菌抑制剂里面 N-serve是什么呢？

答：是一个很复杂的化合物2-氯-6-(三氯甲基)吡啶。

▷问题6：硝化反硝化过程中需要补充的碱度，用碳酸钠和氢氧化钠哪个效果好一点，区别大不大？

答：用碳酸钠的效果会更好，但是价格会贵一些。

▷问题7：硝化菌耐毒性冲击性如何？反硝化菌负荷在多少？

答：硝化菌耐毒性冲击性通常情况不是很好，因为它是自养菌，有毒有害多了对其影响蛮大的。单独的反硝化菌负荷很难说，要看池中菌的量。

▷问题8：请问我们的AO运行中，好氧池pH6.2，COD600mg/L，氨氮140 mg/L，调整pH多少合适？加片碱在好氧池可以吗？

答：pH一般调整为7.0-7.5就可以了，加片碱是可以的。

▷问题9：您的产品是固态的吗？需要活化吗？

答：硝化菌是液态的，反硝化菌是固态的。

▷问题10：看到案例中有不少特种废水，水量有限，想问下菌种制备成本和特定微生物应用于工程解决问题从制备到效果需要多长时间？

答：一般的菌株都可以很快的大规模制备。制备成本依据菌株有异，芽孢类菌株成本会比较低，硝化菌是化能自养型，成本会相对高些；此外，如果需要特殊保藏，成本也会高。

通常情况下菌株引入进去，一个星期左右就可看到效果。

▷问题11：特定生物菌投入之后，来水没有冲击的情况下，存在自然衰减的过程吗？看到您举例的石化废水处理案例，出水先明显下降，然后随时间有逐步波动上升的趋势。

答：这个与菌株有关系。有些菌可以在这一环境中长期存在，衰减很少或没有衰减，如硝化菌。其他菌会随时间延长衰减，这时需要补充一些进去，这与菌株本身特点有关，因为在活性污泥系统中引入这些菌株会与土著微生物发生竞争。

▷问题12：硝化的速度，反硝化的速度，是否有数据，就是单克细菌一小时降解氨氮或者硝酸盐多少克？

答：硝化速率最好的能做到800mgNH4+-N/(L·h)，反硝化速率比较难测，目前还不能提供准确数据。

▷问题13：我看现在很多文献中写到硝化菌对起始浓度也有要求，怎么看?

答：氨氮浓度越高对硝化菌有一定抑制作用，虽然它有去除氨氮的作用。

▷问题14：想请问你们的成熟产品能否适应各种废水水质，对不同水质适应周期多久？

答：菌剂对不同水质都会有一个短暂的适应期，一般情况下，硝化菌三天就能够起作用，但一般会保证7天内一定能起作用。

▷问题15：测过表面活性剂对硝化菌的影响吗，硝化菌的抑制剂还有哪一些？

答：表面活性剂这个没有测过，抑制剂也有很多种，可自行查询一下。

▷问题16：除了提到的乙炔外，有哪些常见的影响硝化菌和亚硝化菌的毒性物质？

答：常见的一些对革兰氏阴性菌的抗生素、重金属（Cu等其他）也较为敏感。

▷问题17：反硝化菌在缺氧区停留多长时间效果最好？

答：硝酸盐量、菌种浓度都会影响停留时间，一般硝酸盐量多，停留时间要长一些。

▷问题18：想请问硝化菌和反硝化菌的世代周期有多长？

答：硝化菌因为是化能自养菌，繁殖比较慢，世代周期比较长，通常繁殖一代是10h甚至到几十个小时，这也是成本高的一个原因。反硝化菌是一个大类，包括很多种菌，能将硝酸盐转化成氮气的都是，世代周期会比较短，繁殖较快，现在市面上常见的，世代周期基本在几十分钟。

▷问题19：回流直接回到厌氧池，反硝化菌能充分作用吗？

答：回流到厌氧肯定不行，因为反硝化要在缺氧环境中进行。

▷问题20：氨氮的起始浓度多高就会到硝化作用产生抑制？

答：不同菌种对氨氮的起始浓度抑制反应不同。通常情况下，氨浓度超过100mg/L都会对硝化菌产生抑制。

来源：水处理研究院

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