生物脱氮的深入探讨（二）
从之前的关于生物脱氮的公众号文章中，我们可以了解生物脱氮是分为两部分进行得，第一部分是硝化反应，这部分是将污水中得有机氮和氨氮（NH3-N）转化成亚硝酸盐氮（NO2-N）和硝酸盐氮（NO3-N）得过程，这个过程进行得好坏，直接影响到出水的氨氮指标，同时也影响着生物脱氮得第二部分反硝化反应，这一期公众号会深入的讨论下硝化反应中的一些内容，以便在生产运行中，更有效的进行控制和管理。
污水厂内的硝化作用，是一个需要两组细菌参与才能完成的两步过程。也就是第一阶段，氨通过一组自养菌(主要以亚硝化单胞菌属，亚硝化球菌属，亚硝化螺旋菌属，亚硝化叶菌属等等细菌为主，注意前面都有亚硝化的前缀)氧化成亚硝酸盐，第二阶段，亚硝酸盐被另一组的自养菌(主要以硝化菌属，硝化球菌，硝化螺菌，硝化囊菌属等细菌为主，前缀是硝化)氧化成硝酸盐。这是两种不同的细菌在发挥作用才能完成污水厂内的污水硝化，也就是氨氮的生物硝化过程。
生物硝化反应通过化学方程式来表述就是：
ＮＨ４＋＋２O 2→NO3+2H ++H 2O…………（1）
在这个方程式中，我们可以看到完成整个氨氧化的过程，需要的氧和氮的比值为：
2O2÷N=（2×16×2）÷14=64÷14=4.57gO2/gN
也就是说每降解一克NH4-N（注意不是氨的量，是氨中氮的量）需要4.57g的氧气O2。
从这个计算中，我们基本可以得出在实际生产中，去除氨氮所需要的氧气的大致的量，特别是遇到特殊水质进水时，造成进水氨氮持续增高的时候，要注意溶解氧的调整，确保这个生物脱氮的化学表示的方程能够进行下去。
需要注意的是，在（1）化学方程式中，反应式的右端是存在H+氢根离子的，在生物反应池中，如果没有及时中和生成的H+离子，就会导致反应右端的浓度无限增加，最终使硝化反应不再进行。研究表明进水中的H+离子较多的时候，也就是进水的PH低于6.8时，硝化反应速率开始明显下降，如果接近6.0，反应下降幅度达到90%。因此在硝化反应中，还有一个对碱度的需要，也就是中和生成的H+离子的反应。
ＮＨ４＋＋２ＨＣＯ３＋２Ｏ２→NO３＋２ＣＯ２＋３H２O…………（2）
在这个方程式中，我们可以看到完成整个氨氧化的过程，需要的碱度（以CaCO3计算）和氮的比值为：
CaCO3÷N=100÷14=7.14gCaCO3/gN
这也就是在一些偏酸性的工业废水，或者混杂有偏酸性的工业废水的生活污水中，需要投加一部分的碱来中和H+ 离子，来促进硝化反应进行下去的原因和计算方法。
上述的（1）和（2）两个化学式近似的反映了生物硝化反应中氮的转化过程，但是对于生物体本身来说，污水中的氮元素也是作为生物体营养元素的重要组成部分。
组成细菌及微生物的元素典型成分
|
元素 |
百分比% |
元素 |
百分比% |
|
碳 |
50 |
硫 |
1 |
|
氧 |
22 |
钾 |
1 |
|
氮 |
12 |
钠 |
1 |
|
氢 |
9 |
钙 |
0.5 |
|
磷 |
2 |
镁 |
0.5 |
|
氯化物 |
0.5 |
铁 |
0.2 |
|
其他微量元素 |
0.3 |
合计 |
100 |
从微生物的构成元素表，可以看到，氮在生物体的组成部分中，还占据了很大一部分比
例，所以在污水处理过程中存在的大量的微生物是需要大量的氮元素来完成自身的生物体繁殖和生长所需的，因此我们在硝化反应中，还要考虑生物体本身所需要的氮元素，也就是我们通常所说的同化作用：构成污水厂内活性污泥的微生物在自身生长过程中从污水中所摄取的氮元素。
这个利用化学式来表示为：
4CO2+HCO3+NH4++H2O→C5H7O2N+5O2…………（3）
化学式（3）是污水中的一部分铵离子被合成生物体包括细胞组织的反应，污水中的微生物体的化学组分用C5H7O2N来近似的替代。
在这个反应中，对氨氮，氧，碱度的消耗都存在一部分，因此在一个完整的硝化反应中，所需的氧气，消耗的碱度，会比我们通过（1）和（2）推导出来的数值略有不同，但是在实际的工程使用中，污水厂的检测手段往往检测不到这么细微的变化，因此我们一般不予考虑这部分的差异。但是我们需要了解在微生物的构成中，氮是占到了除去碳、氧、氢之外的第四位的元素。因此在实际运行中，如果出现进水水质受到雨污合流，以及矿井水，地下水的稀释作用后，氮元素不足，在运行中是需要补充氮源的，否则很难保证活性污泥的正常运行。
除了从化学反应的角度来看污水厂的硝化过程以外，我们还要从微生物的生长来考察污水厂的硝化反应。在相关的文献中介绍，硝化系统在生存的环境温度在28℃以下时，反应的速率是受到限制的，因此为了突破温度对反应速率的限制，一般会控制硝化反应的过程中是氧气是饱和的状态。这也就是在污水厂中的生化系统尽量要保持溶解氧充足来控制出水的氨氮达标。但是由于硝化菌的反应速率远远低于消耗污水中的有机物的异养菌的反应速率，因此在污水厂中，我们为了保证硝化反应的进行，就需要控制两个因素，一个是曝气池内的充足的溶解氧，一个是要有足够的污泥龄，让硝化菌有时间来进行硝化反应。
由于硝化菌的反应温度的需求，生化池内的水温在10℃时，需要控制污泥龄要到10~20天，在20℃时，污泥龄要到4~7天。所以根据这个理论，污水厂特别是北方的污水处理厂，在运行中，冬夏的污泥龄控制要有所区别，为了保证生物脱氮的稳定进行，需要在不同的季节，不同的生物池水温情况下，采用不同的剩余污泥排放量，当然也要结合实际的进水水量的变化，控制不同的污泥龄，来从生物反应的角度来满足硝化反应的进行，也就是控制出水水质的氨氮达标。高温下，也就是高于28℃时，硝化菌的反应受到氧气的制约减少，反应速率会大大提高，这个时候要注意硝酸根的累计造成反应的向右进行受阻，但是生活污水厂一般不会出现这么高的水温，不需要进行考虑，但是在工业废水中要加以注意。
在污水厂的实际生产过程中，污水厂内的硝化反应除了上述所说的PH值，溶解氧，污泥龄的影响之外，还有一些其他的因素也会制约硝化反应。主要有以下的几方面：
1、毒性。硝化菌对污水中的各种具有生物毒性的物质都很敏感，而且远远比异养菌更敏感，所以有时候污水厂也可以通过稳定运行工况下，硝化作用变差，氨氮波动来判断进水中的低浓度毒物的影响，有毒性的物质包括有机溶剂，酚类，醇类，醚类，氰酸盐，苯等等。
2、重金属。重金属的镍，铬，铜等在0.25mg/L左右的浓度就会对硝化作用完全抑制。
由于硝化反应是生物脱氮的第一部分，对于生物脱氮全面控制起着重要的作用，今后公众号的深入的讨论还将继续进行。公众号也将和更多的污水厂一起探讨在各自厂内的特有环境下，如何进行有效的总氮的去除，欢迎大家持续关注并参与讨论。