#废水生物处理基本原理#
生物脱氮是指将废水中间的含氮的物质最终转变为氮气，从水中脱除的过程。
生物脱氮基本过程
生物脱氮主要包括三个过程，分别是氨化、硝化和反硝化。
生物脱氮过程—氨化、硝化、反硝化氨化所用：指的是废水中的一些含氮的有机物，在好氧菌或者厌氧菌的作用下，转变为氨氮的过程。硝化过程：指的是在硝化细菌（氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌）的作用下，将废水中的氨氮转化为亚硝酸盐或硝酸盐的过程。反硝化过程：指的是在缺氧的条件下，在一些反硝化细菌的作用下，将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气。从上图的流程中我们看到，亚硝酸盐是一个中间过程，如果我们能将硝化作用停留在亚硝酸盐，那么亚硝酸盐就可以马上进行反硝化，这个过程就称为短程生物脱氮：
短程生物脱氮硝化反应
先看一下硝化反应需要的环境条件：
硝化反应的环境条件这里的pH在实际运行中也可以运行到7.5左右；如果BOD5过高，进水中有机物的氧化就会与硝化过程争夺溶解氧；当温度＜15℃时，硝化速率会明显的下降，当温度＜5℃时则会完全停止；硝化细菌最小的世代时间为3~10天，所以污泥龄一般会在15天，甚至20天以上；关于抑制性物质，强调一点，虽然氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐是硝化过程中的基质和中间产物，但是浓度过高，也会对硝化反应造成严重的影响。整个硝化反应分为两步：首先是通过氨氧化细菌（AOB）将氨氮变成亚硝酸盐的亚硝化反应，然后是通过亚硝酸盐氧化细菌（NOB）将亚硝酸盐变成硝酸盐的硝化反应。
这两种硝化细菌都是革兰氏阴性、无芽孢的短杆菌或球菌。都强烈的好氧，不能在酸性的条件下生长。
作为化能自养型细菌，硝化细菌生长缓慢，世代都比较长，在生长的过程中以废水中间的含氮化合物作为能源，以无机碳作为碳源，不需要有机物。
接下来再看一下硝化反应过程中的反应方程式，第一个反应是亚硝化反应：
亚硝化反应通过上述方程我们可以知道，每将1mg的氨氮氧化为亚硝酸盐，需要3.43mg的氧气和7.14mg的碱度（以碳酸钙计算）
第二个反应是硝化反应：
硝化反应同样可以计算得到，每将1mg的亚硝酸盐氧化为硝酸盐，需要1.14mg的氧气，这个过程是不消耗碱度的。
两个反应合并后的总反应方程如下：
总硝化反应最终，将1mg的氨氮氧化成硝酸盐，需要4.57mg的氧气和7.14mg的碱度。
反硝化反应
将废水中的硝酸盐或亚硝酸盐，在反硝化细菌的作用下还原为气态氮的过程就是反硝化反应。
反硝化细菌属于异养型的兼性细菌，并不是一类专门的细菌，分属于不同的种属，在自然界中广泛的分布。反硝化细菌能够在缺氧条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，以有机物作为电子供体，对硝态氮进行还原。
反硝化反应的基本反应过程如下：
反硝化的基本反应过程硝酸盐通过逐步反应，变成亚硝酸盐，最终变成氮气。其在一定的条件下还有可能会生成一氧化二氮，也就是我们常说的笑气，一氧化二氮也是一种温室气体，所以也需要尽量避免其生成。
如果以甲醇作为电子供体，反硝化反应方程如下：
反硝化反应方程（甲醇）硝酸盐在甲醇的作用下被还原成亚硝酸盐，然后继续在有甲醇的条件下被还原为氮气，在这个过程中还会产生二氧化碳和水，由于反应中还会消耗一定的氢离子，说明反硝化过程对于系统的pH值的恢复也是有一定贡献的。
反硝化过程的主要影响因素有以下几个方面：
反硝化过程的环境条件反硝化过程需要有充足的可生物降解的碳源，当原废水中的碳源不足时，就要外加碳源（比如甲醇、乙酸等有机物）。
新型生物脱氮过程
从上面的内容中我们可以了解到，生物脱氮的过程中包含了氨化、硝化和反硝化过程。
我们的目的就是要将废水中的氨氮转化为零价的氮气，这个过程中需要先将氨氮转化为亚硝酸盐，然后转化为硝酸盐，然后再还原为亚硝酸盐，最终还原为氮气。
那么我们有没有更简洁的途径来完成生物脱氮过程呢？验证证明也是有可能的，比如上面我们提到过的短程生物脱氮工艺或者厌氧氨氧化工艺，以此为基础又开发出了SHARON工艺，ANAMMOX工艺、OLAND工艺和CANON工艺等。
这里以SHARON工艺和ANAMMOX工艺为例：
SHARON工艺就是将废水中的氨氮通过氧气在AOB（氨氧化细菌）的作用下，只转化为亚硝酸盐，然后利用还原性物质将亚硝酸盐还原成氮气。
SHARON工艺其实质上相当于一个短程硝化反硝化工艺。
ANAMMOX工艺的核心是一种能将氨氮和亚硝酸盐直接反应生成氮气和水的细菌。其包含生物合成的反应方程式如下：
ANAMMOX工艺可以看到，氨氮在1.32倍的亚硝酸盐的作用下，最终生成了1.02倍的氮气，还生成了一点硝酸盐和细胞物质的合成。
如果将前面的亚硝化作用和厌氧氨氧化作用做成一个组合工艺，就可以得到一个简洁经济的生物脱氮过程：
亚硝化反应利用AOB（氨氧化细菌）将废水中的氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐与氨氮通过ANAMMOX工艺直接生成氮气。
最后总的反应方程式可以看出，氨氮在0.75mol的氧的作用下变成氮气，另外还生成了氢离子。
将亚硝化-厌氧氨氧化工艺与传统硝化反硝化工艺、短程硝化反硝化工艺进行如下比较：
硝化反应工艺对比可以看出亚硝化-厌氧氨氧化工艺的反应是最好的，其氧需求仅需要1.71mg且完全不需要有机物。