廢水中氮的去除技術
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氮的去除
廢水中的氮以有機氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。在生活污水中，主要含有有機氮和氨態氮，它們均來源于人們食物中的蛋白質。新鮮生活污水含氮中有機氮約占總氮的60％，氨氮約占40％。當污水中的有機物被生物降解氧化時，其中的有機氮被轉化為氨氮。經活性污泥法處理的污水有相當數量的氨氮排入水體，可導致水體富營養化。水體若為水源，將增加給水處理的難度和成本。因此二級處理的出水有時需進行脫氮處理。脫氮的方法有化學法和生物法兩大類，現分別加以論述。
1化學法除氮
常用于去除氨氮的方法有吹脫法、折點加氯法和離子交換法。它們主要用于工廠內部的治理，對于城市污水處理廠很少采用。
(1)吹脫法 廢水的氨氮可以氣態吹脫。廢水中，NH3與NH4+以如下的平衡狀態共存：
NH3+H2O=NH4++OH-
這一平衡受pH值的影響，pH為10.5～11.5時，因廢水中的氨呈飽和狀態而逸出，所以吹脫法常需加石灰。
吹脫過程包括將廢水的pH值提高至10.5～11.5，然后曝氣，這一過程在吹脫塔中進行城市污水的深度處理---氮磷的去除）。
該過程受溫度的影響較大，隨溫度的降低，為達到同樣處理效果所需的空氣量迅速增加，由于用石灰調pH值，在吹脫塔中會發生碳酸鈣結垢現象，影響運行。另外，NH3氣的釋放會造成空氣污染。因此，對該工藝已有多種改進，例如使吹脫塔的氣體通過H2SO4溶液以吸收NH3。
(2)折點加氯法
在凈水工程中，稱氯胺為化合余氮，次氯酸為余氯，均有殺菌作用。
城市污水的深度處理---氮磷的去除途中A、B二個折點A點前余氯基本上是氯胺，B點稱這點，折點后余氯基本上是自由氯（游離氯）家率脫氮時采用的加氯量應以折點相應的加氯量為準。
此法最大的優點是通過適當的控制，可完全去除水中的氨氮。為了減少氯的投加量，此法常與生物硝化聯用，先硝化再除微量的殘留氨氮。
(3)離子交換法 用離子交換法去除氨氮時，常用天然的離子交換劑，如沸石等。與合成樹脂相比，天然離子交換劑價格便宜且可用石灰再生。采用合成樹脂，預處理工序和再生系統均較復雜，且樹脂壽命短，應用上受到一定的限制，在此不作詳述。
2生物法脫氮
(1)生物脫氮機理 生物脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2和N20氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程。
硝化反應是在好氧條件下，將NH4+轉化為NO2-和NO3-的過程。此作用是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌共同完成的。這兩種菌屬于化能自養型微生物。其反應如下：
NH4++2O2=NO3-+2H++H2O
硝化細菌是化能自養菌，生長率低，對環境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機負荷等都會對它產生影響。
硝化反應的適宜溫度為20℃～30℃。低于15℃時，反應速度迅速下降，5℃時反應幾乎完全停止。
由于硝化菌是自養菌，若水中BOD5值過高，將有助于異氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生長世代周期較長，為了保證硝化作用的進行，泥齡應取大于硝化菌最小世代時間兩倍以上。
硝化反應對溶解氧有較高的要求，處理系統中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反應過程中，有H+釋放出來，使pH值下降。硝化菌受pH 值的影響很敏感，為了保持適宜的pH值7—8，應在廢水中保持足夠的堿度，以調節pH值的變化。1g氨態氮(以N計)完全硝化，需堿度(以CaCO3 計)7.1 g。
反硝化反應是指在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮NO2-)還原為氮氣的過程。反應如下：
6NO3-+5CH3OH=5CO2+3N2+7H2O+6OH-
反硝化菌屬異養型兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O2為電子受體進行好氧呼吸；在無氧而有O3-或N02-存在時，則以N03-或N02-為電子受體，以有機碳為電子供體和營養源進行反硝化反應。
在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程，在反硝化反應中，最大的問題就是污水中可用于反硝化的有機碳的多少及其可生化程度。當污水中BOD5／TKN>3～5時，可認為碳源充足。不同的有機碳將導致反硝化速率的不同。碳源按其來源可分為三類：
①外加碳源，多采用甲醇，因為甲醇被分解后的產物為CO2，H20，不產生其它難降解的中間產物，但其費用較高；
②原水中含有的有機碳；
③內源呼吸碳源——細菌體內的原生物質及其貯存的有機物。
反硝化反應的適宜pH值為6．5～7．5。pH值高于8或低于6時，反硝化速率將迅速下降。
反硝化反應的溫度范圍較寬，在5℃～40℃范圍內都可以進行。但溫度低于15℃時，反硝化速率明顯下降。
(2)生物脫氮工藝 生物脫氮技術的開發是在30年代發現生物濾床中的硝化、反硝化反應開始的。但其應用還是在1969年美國的Barth提出三段生物脫氮工藝后。現對幾種典型的生物脫氮工藝進行討論。
①三段生物脫氮工藝
該工藝是將有機物氧化，硝化及反硝化段獨立開來，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統。使除碳，硝化和反硝化在各自的反應器中進行，并分別控制在適宜的條件下運行，處理效率高。
由于反硝化段設置在有機物氧化和硝化段之后，主要靠內源呼吸碳源進行反硝化，效率很低，所以必須在反硝化段投加外加碳源來保證高效穩定的反硝化反應。隨著對硝化反應機理認識的加深，將有機物氧化和硝化合并成一個系統以簡化工藝，從而形成二段生物脫氮工藝成為現實。各段同樣有其自己的沉淀及污泥回流系統。除碳和硝化作用在一個反應器中進行時，設計的污泥負荷率要低，水力停留時間和泥齡要長，否則，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源來維持反硝化的順利進行。
②Bardenpho生物脫氮工藝
該工藝取消了三段脫氮工藝的中間沉淀池。該工藝設立了兩個缺氧段，第一段利用原水中的有機物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態氮的混合液進行反硝化反應。經第一段處理，脫氮已基本完成。為進一步提高脫氮效率，廢水進入第二段反硝化反應器，利用內源呼吸碳源進行反硝化。最后的曝氣池用于吹脫廢水中的氮氣，提高污 泥的沉降性能，防止在二沉池發生污泥上浮現象。這一工藝比三段脫氮工藝減少了投資和運行費用。
③缺氧一好氧生物脫氮工藝
該工藝于80年代初開發。該工藝將反硝化段設置在系統的前面，因此又稱為前置式反硝化生物脫氮系統，是目前較為廣泛采用的一種脫氮工藝。反硝化反應以污水中的有機物為碳源，曝氣池中含有大量硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進行反硝化脫氮。在反硝化反應中產生的堿度可補償硝化反應中所消耗的堿度的50％左右。該工藝流程簡單，無需外加碳源，因而基建費用及運行費用較低，脫氮效率一般在70％左右；但由于出水中含有一定濃度的硝酸鹽，在二沉池中，有可能進行反硝化反應，造成污泥上浮，影響出水水質。
隨著生物脫氮技術的發展，新的工藝不斷被開發出來，如氧化溝、序批式活性污泥法等，可在同一池中通過控制運行條件，在不同時段，形成缺氧和好氧的條件，從而達到除碳和脫氮的目的。另外，人們又開發了與除磷相結合的脫氮工藝，該內容將在本節后面加以討論。
由于過量的氨氮與硝酸鹽及亞硝酸鹽會破壞水質，因此含氮化合物的去除非常關鍵。氨在水環境中揮發需要一定量的氧，氧化一克的氨需要4.7克氧。對水生生物來說，亞硝酸鹽是有毒物質，并可使人誘發高鐵血紅蛋白癥（血液中攜氧量減少），因此在污水被排放至自然水域之前，要求有效去除污水中的氮。
在廢水處理當中，氨氮去除一直是個難題，傳統式除氮始于氨氮氧化為亞硝酸氮及硝酸氮（硝化作用），完結于亞硝酸氮或硝酸氮轉變為氮氣(反硝化作用)。但是實際運行中，硝化細菌對環境因素非常敏感，生長繁殖很容易受到抑制，傳統的除氮法在第一步已經受阻，后續步驟就沒法進行。碧沃豐提供高效硝化菌的同時，對傳統除氮方法也進行了改進。
氮在污水中有四種形態:
1. 有機氮（氨基酸、蛋白質、嘌呤、嘧呤和核酸）
2. 氨氮（NH3-N)
3. 亞硝酸氮（NO2-N）
4. 硝酸氮（NO3-N）
在未處理的污水中，主要成分通常是氨氮化合物和有機氮。這些成份氧化為亞硝酸氮后轉變為環境中的硝酸氮。
傳統的生物硝化作用有兩個步驟：在亞硝化細菌的作用下氨氮開始轉化為亞硝酸氮，隨后在硝化細菌的作用下亞硝酸氮被氧化為硝酸氮。這些菌類都是硝化作用過程中典型的菌種，都是自然界中以二氧化碳為碳源的自養菌種。
由于這些菌種對環境的敏感度極高，用自給營養的細菌將氨氮通過硝化作用轉化為硝酸氮就存在很多問題。
該處理需要幾天以上的細胞平均停留時間（MCRT），因此細菌數需要達到一個極大值才有效。細菌對系統中低溫和有毒化學物質非常敏感。在寒冷氣候下，硝化速度會大幅度降低。10℃以下細菌將停止生長，30℃是最適宜溫度。
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