硝化反应过程中的基本反应步骤及反应方程式

硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌氧化成亚硝酸盐和硝酸盐。 它包括两个基本反应步骤：亚硝酸菌（sp）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应； 亚硝酸盐细菌（sp）参与亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌都是化能自养细菌。 它们以CO2、CO32-、HCO3-等为碳源，通过NH3、NH4+或NO2-的氧化还原反应获得能量。 硝化反应过程需要在有氧（或好氧）条件下进行，以氧气为电子受体，氮气为电子供体。 相应的反应式为：

亚硝化反应方程式：

55NH4++76O2+→﹢54NO2-+57H2O+

硝化反应方程式：

-+195O2+NH4-++HCO3-→+-+3H2O

硝化过程的总体反应式：

NH4-+1.83O2+1.→0.+0.98NO3-+1.04H2O+1。

从上述反应过程的物质平衡计算可以看出，硝化反应过程中，将1克氨氮氧化成硝态氮需要4.57克好氧氧（其中亚硝化消耗氧气3.43克）反应中消耗1.14克），同时消耗约7.14克碳酸氢盐（以CaCO3计算）碱度。

硝化反应过程中，氮元素的转化经过以下过程：铵离子NH4-→羟胺NH2OH→硝酰NOH→亚硝酸盐NO2-→硝酸盐NO3-。

反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化细菌将亚硝酸盐、硝酸盐还原成氮气并从干水中逸出，从而达到脱氮的目的。

反硝化是将硝化反应中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程。 反硝化细菌是一类化能异养兼性缺氧微生物。 当分子氧存在时，反硝化细菌氧化分解有机物，并以分子氧作为最终的电子受体。 当没有分子氧时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N3+和N5+作为电子。 受体，O2-作为氢受体生成水和OH-碱度，有机物作为碳源提供电子供体以提供能量并获得氧化稳定性。 可见，反硝化反应必须在缺氧条件下进行。 将NO3-还原为N2的过程如下：

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

在反硝化过程中，反硝化细菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇、有机酸）作为电子供体，利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸。 反应过程可以简单地用下式表示：

NO3-+4H（电子供体有机物）→ 1/2N2+H2O+2OH-

NO2-+3H（电子供体有机物）→ 1/2N2+H2O+OH-

污水中的含碳有机物在反硝化反应过程中充当电子供体。 由上式可知，每1g NO2-转化为N2，需要1.71g有机物（以BOD表示）； 每1g NO3-转化为N2，需要2.86g有机物（以BOD表示）。 同时产生3.57g碳酸氢盐碱度（以CaCO3计）。

如果污水中含有溶解氧，为了完成反硝化，所需的碳源有机物（以BOD表示）按以下公式计算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

在：

C——反硝化过程中所需有机物的量（以BOD表示），mg/l；

Ni 为初始硝态氮浓度 (mg/l)

N0 为初始亚硝酸氮浓度（mg/l）

DO0 是初始溶解氧浓度（毫克/升）

如果污水中碳源有机物浓度不足反硝化细菌，应添加易生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖）。以甲醇为例，则

NO3-+1.+0.→0.+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-

如果水中存在NO2-，会发生以下反应：

NO2-+0.+0.→0.+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

由上式可知，每减少1gNO2-和1gNO3-分别需要消耗1.53g和2.47g甲醇。

当水中存在溶解氧时，甲醇耗氧的反应方程式为：

O2+0.+0.-→0.+1.64H2O+0.-+0。

综上所述，反硝化工艺所需有机碳源（甲醇）投加量计算公式为：

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

在：

Cm为反硝化过程所需的甲醇浓度（mg/l）

其余符号同上

综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮，消耗氧气4.57g，消耗碱度7.14g，表现为pH值下降。 反硝化过程中，在去除硝态氮的同时，也去除了碳源。 这部分碳源相当于DO2 .6g，另外反硝化过程中的碱度补偿为3.57g。

传统的生物脱氮工艺是巴特首创的所谓三级活性污泥法，它基于氨化、硝化和反硝化三个反应过程。 传统的生物反硝化工艺是硝化和反硝化分开的工艺系统。 每个部分都有自己的沉淀池和独立的污泥回流系统，从而可以在各自的反应器中进行除碳、硝化和反硝化。 并分别控制在适当的条件下运行。

一级曝气池为一般二级处理曝气池。 其主要作用是去除有机物，将有机氮转化为氨氮。 废水经沉淀后进入第二级硝化曝气池。 硝化反应在第二级硝化曝气池中进行，将氨氮转化为硝态氮。 在硝化过程的第二阶段，消耗一定量的碱度，导致pH值下降，进而降低硝化反应的速度。 因此需要加碱来补充碱度。 第三级是反硝化池，需要保持缺氧条件，不需曝气。 它仅利用搅拌机械使污泥保持悬浮状态并与污水充分混合。 硝态氮被还原为氮气，这是反硝化过程所需的碳源。 如果不足，则需要额外的碳源。 该工艺的优点是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的结构中，都可以在各自适宜的环境条件下生长繁殖。 因此，反应速度更快，可以获得更好的BOD5去除和反硝化细菌。 除氮效果。 缺点是工艺流程长，处理构筑物及附属设备多，基建成本高，且需要补充碱度和添加外部碳源，运行成本高。

A/O工艺是一种带回流的预反硝化生物脱氮工艺，其中预反硝化在缺氧池中进行，硝化在好氧池中进行。 原污水首先进入缺氧池，好氧池中的混合液和沉淀池中的污泥同时返回缺氧池。 污泥和好氧池混合物的回流保证了缺氧池和好氧池中有足够数量的微生物，并让缺氧池获得好氧池硝化产生的硝酸盐。 原污水和混合液直接进入缺氧池为反硝化提供了充足的碳源有机物，使反硝化反应在缺氧池中进行，反硝化反应出水在好氧池中进行BOD5 降解罐。

A/0 与传统生物脱氮工艺相比，其特点是：工艺简单、构筑物少、成本低、占地面积小； 利用原污水中的含碳有机物和内源代谢物作为碳源，节省外部碳源的成本； 好氧池位于缺氧池之后，可以进一步去除反硝化留下的有机污染物，改善出水水质； 缺氧池在好氧池之前，因为反硝化消耗了部分碳源有机物，可以降低水源成本。 氧气罐的有机负荷，以及反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程消耗的碱度。 它的缺点是：三种功能不同的微生物处于同一系统中，如果条件经常改变，就会有一个不断改变环境、不断适应环境的过程。 微生物有适应期和闲置期，不能发挥其最佳作用。

随着水体富营养化问题的日益突出和水质指标体系的不断严格，废水反硝化问题已成为水污染治理中广泛关注的热点话题。 传统多级设备生物脱氮工艺和序批式活性污泥法虽然在废水脱氮中发挥着重要作用，但仍存在以下问题：

①硝化反应和反硝化反应所需条件不同，需要顺序间歇式进行，且HRT长、反应池占地大；

②污泥产生量大，剩余污泥处理成本高，污泥不易沉降，易发生污泥膨胀；

③抗水质、水量冲击负荷能力差，运行不稳定；

④为了中和硝化过程中产生的酸度，需要添加碱来中和，增加了处理成本；

⑤曝气池内生物浓度低，曝气池内氧气传质效率低。

与此相比，单级生物脱氮工艺在生物脱氮工艺中表现出更多的优势。 硝化反应消耗氧气和碱度，但不消耗碳源，而反硝化过程不需要氧气，产生碱度，消耗大量碳源。 两者在很多方面都是互补的。 如果硝化和反硝化反应能够在同一处理系统中连续实现，硝化反应的产物可以直接成为反硝化反应的底物，避免硝化过程中NO2-积累对硝化反应的抑制，并加速硝化反应。 ，还可以有效利用废水中的有机碳源进行反硝化； 不需要外部动力来循环硝化溶液； 反硝化反应增加的碱度补充硝化反应减少的碱度，使系统内的pH值相对稳定。 另外，硝化反应和反硝化反应可以在相同的条件和系统下进行，简化了操作难度。

短程硝化反硝化工艺：短程硝化反硝化工艺（High Over）是一种新型的反硝化工艺。 其基本原理是在硝化阶段控制氨氮的氧化，然后通过反硝化将亚硝酸氮还原为氮气。 它是通过NH4+-N→NO2--N→N2的路径完成的。 整个过程与硝化反硝化全过程进行对比。 大大缩短了。 短程硝化作用的标志是稳定且高NO2--N积累，即亚硝态氮积累率高。

与传统的生物反硝化工艺相比，该工艺具有以下优点：硝化和反硝化两阶段在同一反应器内完成，可简化工艺流程； 可以节省反硝化过程所需的外部碳源，同时硝化产生的酸度可以被反硝化产生的碱度部分中和，降低处理成本； 可缩短水力停留时间，减少反应器体积和占地面积； 氨氮只需氧化成亚硝酸盐，可减少25%左右的供气量，降低能耗。

厌氧氨氧化工艺：厌氧氨氧化工艺（ ）是1990年由荷兰代尔夫特大学提出的。该工艺的特点是：在厌氧条件下，微生物直接以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，以氨氮为电子。供体氧化氨氮产生氮气，并将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气。 厌氧氨氧化是Graaf和Graaf通过仔细观察和研究以硫化物为电子供体的流化床反应器中自养反硝化的运行条件而发现的。 亚硝酸盐是该过程中的关键电子受体。 与硝化相比，它用亚硝酸盐代替了氧，改变了电子受体； 与反硝化相比，它以氨作为电子供体代替有机物。

该反应产生的吉布斯自由能甚至高于好氧氨氧化（硝化）产生的能量，因此可以支持自养细菌的生长。 这表明该过程中发生的反硝化反应不需要外部碳源。 厌氧氨氧化工艺特别适合在20°C以上的温度下和自养系统中运行。 该工艺主要用于处理工业废水，但也可用于处理其他废液，例如污泥消化池上清液。

厌氧池（区）是指非充氧池（区），溶解氧浓度一般小于0.2mg/L。 微生物在此池（区）中吸收有机物并释放磷。

缺氧池（区）是指不充氧的池（区），溶解氧浓度一般为0.2～0.5mg/L。 当有大量硝酸盐、亚硝酸盐和足够的有机物时，可在此池（区）进行反硝化和反硝化反应。

有氧池（区）是指充氧池（区）。 溶解氧浓度一般不低于2mg/L。 其主要功能是降解有机物并进行硝化反应。

当主要关注除磷时，应使用厌氧/好氧工艺。 基本工艺流程如下：

当以脱氮为主要目的时，应采用缺氧/好氧工艺。 基本工艺流程如下：

当需要同时脱氮、除磷时，应采用厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）工艺。

VFA（挥发性脂肪酸）、PHA（多羟基脂肪酸）、PO（磷酸盐）、PP（聚磷酸盐）在厌氧条件下，PAOs吸收VFA并转化为PHA。 在此过程中，PP高能键被破坏。 释放能量的同时释放磷酸盐。 磷酸盐浓度的提高正是我们所说的有利于PAOs在有氧条件下的生长繁殖。 相反，Po被吸收形成PP，此时的能量就是PHA，如根据无氧过程，PP就是吸收PO所需的能量物质，相当于为下一个代谢循环做准备。 同时，PAOs分裂产生新细胞，但由于PO含量减少，会受到限制。 为了生存和繁殖，必须通过人工过程增加PO含量以完成一个完整的循环。 如果没有回收，聚磷细菌就无法完成其完整的生命周期。

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