硝化反應過程中的基本反應步驟及反應方程式

硝化反應過程：在有氧條件下，氨氮被硝化細菌氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。 它包括兩個基本反應步驟：亞硝酸菌（sp）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應； 亞硝酸鹽細菌（sp）參與亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸鹽細菌和硝酸鹽細菌都是化能自養細菌。 它們以CO2、CO32-、HCO3-等為碳源，通過NH3、NH4+或NO2-的氧化還原反應獲得能量。 硝化反應過程需要在有氧（或好氧）條件下進行，以氧氣為電子受體，氮氣為電子供體。 相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

55NH4++76O2+→﹢54NO2-+57H2O+

硝化反應方程式：

-+195O2+NH4-++HCO3-→+-+3H2O

硝化過程的總體反應式：

NH4-+1.83O2+1.→0.+0.98NO3-+1.04H2O+1。

從上述反應過程的物質平衡計算可以看出，硝化反應過程中，將1克氨氮氧化成硝態氮需要4.57克好氧氧（其中亞硝化消耗氧氣3.43克）反應中消耗1.14克），同時消耗約7.14克碳酸氫鹽（以CaCO3計算）堿度。

硝化反應過程中，氮元素的轉化經過以下過程：銨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝酰NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。

反硝化反應過程：在缺氧條件下，利用反硝化細菌將亞硝酸鹽、硝酸鹽還原成氮氣并從干水中逸出，從而達到脫氮的目的。

反硝化是將硝化反應中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程。 反硝化細菌是一類化能異養兼性缺氧微生物。 當分子氧存在時，反硝化細菌氧化分解有機物，并以分子氧作為最終的電子受體。 當沒有分子氧時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+作為電子。 受體，O2-作為氫受體生成水和OH-堿度，有機物作為碳源提供電子供體以提供能量并獲得氧化穩定性。 可見，反硝化反應必須在缺氧條件下進行。 將NO3-還原為N2的過程如下：

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

在反硝化過程中，反硝化細菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇、有機酸）作為電子供體，利用NO3-中的氧進行缺氧呼吸。 反應過程可以簡單地用下式表示：

NO3-+4H（電子供體有機物）→ 1/2N2+H2O+2OH-

NO2-+3H（電子供體有機物）→ 1/2N2+H2O+OH-

污水中的含碳有機物在反硝化反應過程中充當電子供體。 由上式可知，每1g NO2-轉化為N2，需要1.71g有機物（以BOD表示）； 每1g NO3-轉化為N2，需要2.86g有機物（以BOD表示）。 同時產生3.57g碳酸氫鹽堿度（以CaCO3計）。

如果污水中含有溶解氧，為了完成反硝化，所需的碳源有機物（以BOD表示）按以下公式計算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

在：

C——反硝化過程中所需有機物的量（以BOD表示），mg/l；

Ni 為初始硝態氮濃度 (mg/l)

N0 為初始亞硝酸氮濃度（mg/l）

DO0 是初始溶解氧濃度（毫克/升）

如果污水中碳源有機物濃度不足反硝化細菌，應添加易生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖）。以甲醇為例，則

NO3-+1.+0.→0.+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-

如果水中存在NO2-，會發生以下反應：

NO2-+0.+0.→0.+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

由上式可知，每減少1gNO2-和1gNO3-分別需要消耗1.53g和2.47g甲醇。

當水中存在溶解氧時，甲醇耗氧的反應方程式為：

O2+0.+0.-→0.+1.64H2O+0.-+0。

綜上所述，反硝化工藝所需有機碳源（甲醇）投加量計算公式為：

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

在：

Cm為反硝化過程所需的甲醇濃度（mg/l）

其余符號同上

綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮，消耗氧氣4.57g，消耗堿度7.14g，表現為pH值下降。 反硝化過程中，在去除硝態氮的同時，也去除了碳源。 這部分碳源相當于DO2 .6g，另外反硝化過程中的堿度補償為3.57g。

傳統的生物脫氮工藝是巴特首創的所謂三級活性污泥法，它基于氨化、硝化和反硝化三個反應過程。 傳統的生物反硝化工藝是硝化和反硝化分開的工藝系統。 每個部分都有自己的沉淀池和獨立的污泥回流系統，從而可以在各自的反應器中進行除碳、硝化和反硝化。 并分別控制在適當的條件下運行。

一級曝氣池為一般二級處理曝氣池。 其主要作用是去除有機物，將有機氮轉化為氨氮。 廢水經沉淀后進入第二級硝化曝氣池。 硝化反應在第二級硝化曝氣池中進行，將氨氮轉化為硝態氮。 在硝化過程的第二階段，消耗一定量的堿度，導致pH值下降，進而降低硝化反應的速度。 因此需要加堿來補充堿度。 第三級是反硝化池，需要保持缺氧條件，不需曝氣。 它僅利用攪拌機械使污泥保持懸浮狀態并與污水充分混合。 硝態氮被還原為氮氣，這是反硝化過程所需的碳源。 如果不足，則需要額外的碳源。 該工藝的優點是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分別生長在不同的結構中，都可以在各自適宜的環境條件下生長繁殖。 因此，反應速度更快，可以獲得更好的BOD5去除和反硝化細菌。 除氮效果。 缺點是工藝流程長，處理構筑物及附屬設備多，基建成本高，且需要補充堿度和添加外部碳源，運行成本高。

A/O工藝是一種帶回流的預反硝化生物脫氮工藝，其中預反硝化在缺氧池中進行，硝化在好氧池中進行。 原污水首先進入缺氧池，好氧池中的混合液和沉淀池中的污泥同時返回缺氧池。 污泥和好氧池混合物的回流保證了缺氧池和好氧池中有足夠數量的微生物，并讓缺氧池獲得好氧池硝化產生的硝酸鹽。 原污水和混合液直接進入缺氧池為反硝化提供了充足的碳源有機物，使反硝化反應在缺氧池中進行，反硝化反應出水在好氧池中進行BOD5 降解罐。

A/0 與傳統生物脫氮工藝相比，其特點是：工藝簡單、構筑物少、成本低、占地面積小； 利用原污水中的含碳有機物和內源代謝物作為碳源，節省外部碳源的成本； 好氧池位于缺氧池之后，可以進一步去除反硝化留下的有機污染物，改善出水水質； 缺氧池在好氧池之前，因為反硝化消耗了部分碳源有機物，可以降低水源成本。 氧氣罐的有機負荷，以及反硝化過程產生的堿度可以補償硝化過程消耗的堿度。 它的缺點是：三種功能不同的微生物處于同一系統中，如果條件經常改變，就會有一個不斷改變環境、不斷適應環境的過程。 微生物有適應期和閑置期，不能發揮其最佳作用。

隨著水體富營養化問題的日益突出和水質指標體系的不斷嚴格，廢水反硝化問題已成為水污染治理中廣泛關注的熱點話題。 傳統多級設備生物脫氮工藝和序批式活性污泥法雖然在廢水脫氮中發揮著重要作用，但仍存在以下問題：

①硝化反應和反硝化反應所需條件不同，需要順序間歇式進行，且HRT長、反應池占地大；

②污泥產生量大，剩余污泥處理成本高，污泥不易沉降，易發生污泥膨脹；

③抗水質、水量沖擊負荷能力差，運行不穩定；

④為了中和硝化過程中產生的酸度，需要添加堿來中和，增加了處理成本；

⑤曝氣池內生物濃度低，曝氣池內氧氣傳質效率低。

與此相比，單級生物脫氮工藝在生物脫氮工藝中表現出更多的優勢。 硝化反應消耗氧氣和堿度，但不消耗碳源，而反硝化過程不需要氧氣，產生堿度，消耗大量碳源。 兩者在很多方面都是互補的。 如果硝化和反硝化反應能夠在同一處理系統中連續實現，硝化反應的產物可以直接成為反硝化反應的底物，避免硝化過程中NO2-積累對硝化反應的抑制，并加速硝化反應。 ，還可以有效利用廢水中的有機碳源進行反硝化； 不需要外部動力來循環硝化溶液； 反硝化反應增加的堿度補充硝化反應減少的堿度，使系統內的pH值相對穩定。 另外，硝化反應和反硝化反應可以在相同的條件和系統下進行，簡化了操作難度。

短程硝化反硝化工藝：短程硝化反硝化工藝（High Over）是一種新型的反硝化工藝。 其基本原理是在硝化階段控制氨氮的氧化，然后通過反硝化將亞硝酸氮還原為氮氣。 它是通過NH4+-N→NO2--N→N2的路徑完成的。 整個過程與硝化反硝化全過程進行對比。 大大縮短了。 短程硝化作用的標志是穩定且高NO2--N積累，即亞硝態氮積累率高。

與傳統的生物反硝化工藝相比，該工藝具有以下優點：硝化和反硝化兩階段在同一反應器內完成，可簡化工藝流程； 可以節省反硝化過程所需的外部碳源，同時硝化產生的酸度可以被反硝化產生的堿度部分中和，降低處理成本； 可縮短水力停留時間，減少反應器體積和占地面積； 氨氮只需氧化成亞硝酸鹽，可減少25%左右的供氣量，降低能耗。

厭氧氨氧化工藝：厭氧氨氧化工藝（ ）是1990年由荷蘭代爾夫特大學提出的。該工藝的特點是：在厭氧條件下，微生物直接以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，以氨氮為電子。供體氧化氨氮產生氮氣，并將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣。 厭氧氨氧化是Graaf和Graaf通過仔細觀察和研究以硫化物為電子供體的流化床反應器中自養反硝化的運行條件而發現的。 亞硝酸鹽是該過程中的關鍵電子受體。 與硝化相比，它用亞硝酸鹽代替了氧，改變了電子受體； 與反硝化相比，它以氨作為電子供體代替有機物。

該反應產生的吉布斯自由能甚至高于好氧氨氧化（硝化）產生的能量，因此可以支持自養細菌的生長。 這表明該過程中發生的反硝化反應不需要外部碳源。 厭氧氨氧化工藝特別適合在20°C以上的溫度下和自養系統中運行。 該工藝主要用于處理工業廢水，但也可用于處理其他廢液，例如污泥消化池上清液。

厭氧池（區）是指非充氧池（區），溶解氧濃度一般小于0.2mg/L。 微生物在此池（區）中吸收有機物并釋放磷。

缺氧池（區）是指不充氧的池（區），溶解氧濃度一般為0.2～0.5mg/L。 當有大量硝酸鹽、亞硝酸鹽和足夠的有機物時，可在此池（區）進行反硝化和反硝化反應。

有氧池（區）是指充氧池（區）。 溶解氧濃度一般不低于2mg/L。 其主要功能是降解有機物并進行硝化反應。

當主要關注除磷時，應使用厭氧/好氧工藝。 基本工藝流程如下：

當以脫氮為主要目的時，應采用缺氧/好氧工藝。 基本工藝流程如下：

當需要同時脫氮、除磷時，應采用厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）工藝。

VFA（揮發性脂肪酸）、PHA（多羥基脂肪酸）、PO（磷酸鹽）、PP（聚磷酸鹽）在厭氧條件下，PAOs吸收VFA并轉化為PHA。 在此過程中，PP高能鍵被破壞。 釋放能量的同時釋放磷酸鹽。 磷酸鹽濃度的提高正是我們所說的有利于PAOs在有氧條件下的生長繁殖。 相反，Po被吸收形成PP，此時的能量就是PHA，如根據無氧過程，PP就是吸收PO所需的能量物質，相當于為下一個代謝循環做準備。 同時，PAOs分裂產生新細胞，但由于PO含量減少，會受到限制。 為了生存和繁殖，必須通過人工過程增加PO含量以完成一個完整的循環。 如果沒有回收，聚磷細菌就無法完成其完整的生命周期。

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