（来源 微信视频号：WATERCNWW1985）

     在污水处理中，添加碳源的主要目的是为微生物提供必要的营养和能量，以支持生物处理过程中脱氮、除磷等关键反应的进行。以下是具体目的和原理：

 

1. 补充有机物，维持生物处理效率

碳氮比（C/N）平衡：污水中天然存在的有机物（如BOD）是微生物生长的主要碳源。但某些污水（如工业废水、低浓度生活污水）可能碳源不足，导致碳氮比（C/N）或碳磷比（C/P）过低。此时需额外投加碳源，确保微生物正常代谢。

防止处理效率下降：碳源不足时，微生物活性降低，无法有效去除污染物（如氨氮、总磷），导致出水不达标。

2. 强化脱氮（反硝化作用）

反硝化需求：在生物脱氮过程中，反硝化菌需要在缺氧条件下将硝酸盐（NO₃⁻）转化为氮气（N₂）。此过程需要有机物作为电子供体（碳源），反应式为：

NO3−+有机物反硝化菌N2+CO2+H2O

 

碳源不足的后果：若原水碳源不足，反硝化反应无法充分进行，导致出水硝酸盐浓度偏高。

3. 促进生物除磷

聚磷菌的作用：在厌氧-好氧（A/O）工艺中，聚磷菌需在厌氧阶段吸收挥发性脂肪酸（VFAs）等小分子有机物，并释放磷；在好氧阶段过量吸磷。碳源不足时，聚磷菌无法有效释磷和吸磷，导致除磷效率降低。

碳源类型影响：乙酸、丙酸等易降解碳源更有利于生物除磷。

4. 优化微生物群落结构

充足碳源可维持微生物多样性，避免功能菌群（如硝化菌、反硝化菌）因营养不足而衰减，保障系统稳定性。

注意事项

投加量控制：过量碳源会导致出水COD升高或污泥膨胀。

经济性：选择性价比高的碳源（如乙酸钠成本较高，甲醇需注意毒性）。

工艺匹配：根据水质（如C/N比）和工艺需求（如脱氮优先或除磷优先）调整碳源类型和投加点。

总结

      污水处理中投加碳源的核心目的是通过补充有机物，保障微生物高效完成脱氮、除磷及有机物降解，最终实现出水水质达标。合理选择碳源类型和投加策略是优化处理效果、降低运行成本的关键。

污水厂要进行脱氮除磷的话，一般会上 A²/O 工艺，这个工艺结构简单、水力停留时间（HRT）短且易于控制。目前挺多污水厂都是采用传统 A²/O 工艺进行污水处理。

然而，生物脱氮除磷的过程中涉及硝化、反硝化、摄磷和释磷等多个生化过程，而每个过程对微生物组成、基质类型及环境条件的要求存在许多差异。

在传统 A²/O 工艺的单泥系统中高效地完成脱氮和除磷两个过程，就会发生各种矛盾冲突，比如泥龄的矛盾、碳源竞争、硝酸盐及溶解氧（DO）残余干扰等。

传统A²O工艺存在的矛盾有以下几点

1、污泥龄矛盾

传统A²/O 工艺属于单泥系统，聚磷菌（PAOs）、 反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生长于同一系统中，而各类微生物实现其功能最大化所需的泥龄不同：

1）自养硝化菌与普通异养好氧菌和反硝化菌相比，硝化菌的世代周期较长，欲使其成为优势菌群， 需控制系统在长泥龄状态下运行。冬季系统具有良好硝化效果时的污泥龄（SRT）需控制在 30d 以上；即使夏季，若 SRT＜5 d，系统的硝化效果将显得极其微弱 。

2）PAOs 属短世代周期微生物，甚至其最大世代周期（Gmax）都小于硝化菌的最小世代周期（Gmin）。

从生物除磷角度分析富磷污泥的排放是实现系统磷减量化的唯一渠道。

若排泥不及时，一方面会因 PAOs 的内源呼吸使胞内糖原 （Glycogen）消耗殆尽，进而影响厌氧区乙酸盐的吸收及聚 -β- 羟基烷酸（PHAs）的贮存，系统除磷率下降，严重时甚至造成富磷污泥磷的二次释放；另一方面，SRT 也影响到系统内 PAOs 和聚糖菌（GAOs） 的优势生长。

在 30 ℃的长泥龄（SRT≈ 10 d）厌氧环境中，GAOs 对乙酸盐的吸收速率高于PAOs，使其在系统中占主导地位，影响 PAOs 释磷行为的充分发挥。 

2、碳源竞争及硝酸盐和DO残余干扰 

在传统A²/O脱氮除磷系统中，碳源主要消耗于释磷、反硝化和异养菌的正常代谢等方面，其中释磷和反硝化速率与进水碳源中易降解部分的含量有很大关系。一般而言，要同时完成脱氮和除磷两个过程，进水的碳氮比（BOD5 /ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5 /ρ(TP)）＞20～30。

当碳源含量低于此时，因前端厌氧区 PAOs 吸收进水中挥发性脂肪酸（VFAs）及醇类等易降解发酵产物完成其细胞内 PHAs 的合成，使得后续缺氧区没有足够的优质碳源而抑制反硝化潜力的充分发挥，降低了系统对 TN 的脱除效率。 

反硝化菌以内碳源和甲醇或 VFAs 类为碳源时的反硝化速率分别为 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不彻底而残余的硝酸盐随外回流污泥进入厌氧区，反硝化菌将优先于 PAOs 利用 环境中的有机物进行反硝化脱氮，干扰厌氧释磷的正常进行，最终影响系统对磷的高效去除。

一般， 当厌氧区的 NO3-N 的质量浓度＞1.0 mg/L 时，会对 PAOs 释磷产生抑制，当其达到 3～4 mg/L 时，PAOs 的释磷行为几乎完全被抑制，释磷（PO4 3--P）速率降 至 2.4 mg/(g·d)。

按照回流位置的不同，溶解氧（DO）残余干扰主要包括：

1）从分子态氧（O2）和硝酸盐（NO3-N） 作为电子受体的氧化产能数据分析，以 O2 作为电子受体的产能约为 NO3-N 的 1.5 倍，因此当系统中同时存在 O2 和 NO3-N 时，反硝化菌及普通异养菌将优先以 O2 为电子受体进行产能代谢。

2）氧的存在破坏了 PAOs 释磷所需的“厌氧压抑”环境，致使厌氧菌以 O2 为终电子受体而抑制其发酵产酸作用，妨碍磷的正常释放，同时也将导致好氧异养菌与 PAOs 进行碳源竞争。

一般厌氧区的 DO 的质量浓度应严格控制在 0.2 mg/L 以下。从某种意义上来说硝酸盐及 DO 残余干扰释磷或反硝化过程归根还是功能菌对碳源的竞争问题。

 

传统A²O工艺改进策略

1、基于 SRT 矛盾的复合式 

A²/O工艺在传统 A²/O工艺的好氧区投加浮动载体填料， 使载体表面附着生长自养硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌则处于悬浮生长状态，这样附着态的自养硝化菌的 SRT 相对独立，其硝化速率受短 SRT 排泥的影响较小，甚至在一定程度上得到强化。 

悬浮污泥 SRT、填料投配比及投配位置的选择不仅要考虑硝化的增强程度，还要考虑悬浮态污泥 含量降低对系统反硝化和除磷的负面影响。

载体填料的投配并不意味可大幅度增加系统排泥量，缩短悬浮污泥 SRT 以提高系统除磷效率；相反，SRT 的 缩短可能降低悬浮态污泥（MLSS）含量，从而影响 系统的反硝化效果，甚至造成除磷效果恶化。 

研究表明，当悬浮污泥 SRT 控制为 5 d 时，复合式 A²/O 工艺的硝化效果与传统  A²/O工艺相比， 两者的硝化效果无明显差异，复合式  A²/O工艺的载 体填料不能完全独立地发挥其硝化性能；若再降低悬浮污泥 SRT 则因系统悬浮污泥含量的降低致使 硝酸盐积累，影响厌氧磷的正常释放。 

2、基于“碳源竞争”角度的工艺 

解决传统  A²/O工艺碳源竞争及其硝酸盐和 DO 残余干扰释磷或反硝化的问题，主要集中在 3 方面：

• 针对碳源竞争采取的解决策略，如补充外碳源、反硝化和释磷 重新分配碳源（如倒置  A²/O工艺）等；

• 解决硝酸盐干扰释磷提出的工艺改革，如 JHB、UCT、MUCT 等工艺；

• 针对 DO 残余干扰释磷、反硝化的问题， 可在好氧区末端增设适当容积的“非曝气区”。 

a、补充外碳源 

补充外碳源是在不改变原有工艺池体结构及各功能区顺序的情况下，针对短期内因水质波动引起碳源不足而提出的应急措施。一般供选择的碳源可分为 2 类：

1）甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠等有机化合物；

2）可替代有机碳源，如厌氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽粪便及含高碳源的工业废水等。相对糖类、纤维素等高碳物质而言，因微生物以低分子碳水化合物（如，甲醇、乙酸钠等）为碳源进行合成代谢时所需能量较大，使其更倾向于利用此类碳源进行分解代谢，如反硝化等。 

任何外碳源的投加都要使系统经历一定的适应期，方可达到预期的效果。

针对要解决的矛盾主体选择合适的碳源投加点对系统的稳定运行和节能降耗至关重要。一般在厌氧区投加外碳源不仅能改善系统除磷效果，而且可增强系统的反硝化潜能；但是若反硝化碳源严重不足致使系统 TN 脱除欠佳时， 应优先考虑向缺氧区投加。

b、倒置  A²/O 工艺及其改良工艺 

传统  A²/O工艺以牺牲系统的反硝化速率为前提，优先考虑释磷对碳源的需求，而将厌氧区置于工艺前端，缺氧区后置，忽视了释磷本身并非除磷工艺的目的所在。

从除磷角度分析可知，倒置 A²/O 工艺还具有 2 个优势：

• “饥饿效应”。PAOs厌氧释磷后直接进入生化 效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的摄磷驱 动力可以得到充分地利用。

• “群体效应”。允许所有 参与回流的污泥经历完整的释磷、摄磷过程。然而有研究者认为，倒置 A2 /O 工艺的布置形式。

c、JHB、UCT 及改良 UCT 工艺 

与分点进水倒置 A2 /O 工艺相比，JHB（亦称 A+ A2 /O 工艺） 和 UCT 工艺的设计初衷是通过改变外回流位点以解决硝酸盐、DO残余干扰释磷。 

JHB 工艺中的氮素的脱除主要发生在污泥反硝化区和缺氧区，且两者的脱除量相当， 污泥反硝化区的设置改变了氮素在各功能区的分配比例，使厌氧区能够更好地专注于释磷。 

JHB 工艺流程

 

与倒置 A2 /O 工艺相同，对于低 C/N 进水而言， JHB 工艺污泥反硝化区的设置可能会引起后续各功能区的碳源不足，为此也有必要采用分点进水方式。 

与倒置 A2 /O 工艺不同，UCT 工艺是在不改变传统 A2 /O 工艺各功能区空间位置的情况下，污泥先回流至缺氧区，使其经历反硝化脱氮后，再通过缺氧区的混合液回流至厌氧区，避免了回流污泥中硝酸盐、DO 对厌氧释磷的干扰。

UCT 工艺流程

 

在进水C/N适中的情况下，缺氧区的反硝化作用可使回流至厌氧区的混合液中硝酸盐的含量接近于0；而当进水C/N较低时， UCT工艺中的缺氧区可能无法实现氮的完全脱除， 仍有部分硝酸盐进入厌氧区，因此又产生了改良UCT工艺（MUCT）。 

与UCT工艺相比，MUCT将传统 A2 /O工艺中 的缺氧区分隔为 2 个独立区域，前缺氧区接受来自 二沉池的回流污泥，后缺氧区接受好氧区的硝化液， 从而使外回流污泥的反硝化与内回流硝化液的反硝 化完全分离，进一步减少了硝酸盐对厌氧释磷的影响。

以MUCT工艺为主体工艺的流程图

 

无论UCT还是MUCT，回流系统的改变强化了 厌氧、缺氧的交替环境，使其与JHB一样，缺氧区容易富集反硝化PAOs，实现同步脱氮除磷。

3、兼顾SRT矛盾及“碳源竞争”工艺 

（一）新型双污泥脱氮除磷工艺 

新型双污泥脱氮除磷工艺（PASF）工艺也可谓是传统 A2/O 与曝气生物滤池（BAF）的组合工艺， 是以分相培养为基础的双泥系统，能更好地满足各功能微生物对环境、营养物质及生存空间的最佳需 求。

在工艺设计及运行过程中，通过缩短前端 A2 /O 工艺好氧区的 HRT，将硝化过程从中分离而顺序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。

对于 PAOs 的厌氧释磷而言，因前端的污泥单元不承担硝化功能，在理想条件下外回流污泥中不含有硝酸盐，为 PAOs 释磷创造了良好的“压抑”环境，使其优先利用原水中的 VFAs 类物质合成 PHAs 并释放磷；

再者，也因长SRT硝化菌以生物膜形式固着生长在填料表面而短SRT的 PAOs和反硝化菌呈悬浮态生长在前端的污泥单元，实现了硝化菌与反硝化菌、PAOs 等功 能微生物的SRT分离，缓解了SRT矛盾。 

决定缺氧区反硝化效果的因素主要有2个：进入缺氧区的优质碳源（VFAs 和 PHAs）含量及来自 BAF 的内回流硝化液中的硝酸盐含量。

当进水 C/N 较高时，硝酸盐成为反硝化的限制因子，随着内回流比的增大缺氧区异养反硝化效果也相应提高，但升高幅度却呈递减趋势；

而当进水 C/N 较低时，因碳源成为反硝化的限制因子，根据异养反硝化菌和反 硝化 PAOs 对电子受体的竞争机制，适当提高内回 流硝酸盐负荷的方式刺激反硝化聚磷菌（DPAOs） 的优势生长，使其以硝酸盐为电子受体，并以 PHAs 为电子供体进行同步反硝化脱氮除磷，实现“一碳 两用”，同时可节省系统的能耗，减少污泥产量。 

（二）双循环两相生物处理工艺 

双循环两相生物处理工艺（BICT）是在序批式活性污泥法的基础上，增设独立的生物膜硝化反应器，使自养硝化菌与反硝化菌、PAOs 等异养菌分相培养，以克服脱氮与除磷间的 SRT 矛盾及硝酸盐、 DO 干扰释磷而开发的污水处理新工艺，其主体单元由厌氧生物选择器、序批式悬浮污泥主反应器、生物膜硝化反应器组成。 

BICT工艺流程图

该工艺正常运行时主要完成 4 个操作过程：

1） 进水、曝气搅拌 + 污泥回流

原水与沉淀池的回流污泥在厌氧生物选择器内混合接触，借助高负荷梯 度产生的“选择压力”筛选出具有良好絮凝性的细 菌，并使 PAOs 厌氧释磷。此时，主反应器在曝气搅 拌的作用下，完成 COD 的去除及 PAOs 的超量摄磷； 

2）缺氧搅拌 + 硝化液回流

主反应器接受来自生物膜反应器的硝化液，在机械搅拌作用下，完成反硝化脱氮，同时被挤出的混合液进入沉淀池，经沉淀分离后上清液进入生物膜硝化反应器；

3）再曝气（可选做）

吹脱污泥中包裹的氮气以利于泥水分离，也 可强化 PAOs 的好氧摄磷；

4）静止沉淀、滗水

静止沉淀的同时排出富磷污泥。此工艺独立硝化反应单元的设置消除了 SRT 与 硝化的高度关联性，SRT 不再是影响系统脱氮效率 的限制因子。

（三）BCFS 工艺 

BCFS 工艺（Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering） 可实现磷的完全去除和氮的最佳脱除。

BCFS工艺流程图

与 UCT 工艺相比，BCFS 工艺在主流线上增设2个反应区——接触区和混合区。

介于厌氧区与缺 氧区之间的接触区相当于第 2 选择池，可以有效控 制丝状菌的异常生长，防止污泥膨胀的发生；另外， 也因回流污泥先回流于此进行反硝化脱氮反应，给 PAOs 厌氧释磷营造了良好的“压抑”环境。

介于缺氧区与好氧区之间的混合区相当于一个“机动单元”， 可通过曝气系统的启闭灵活地控制其前端好氧区和后端缺氧区的氧化还原电位，也可在低 C/N 条件下诱导反硝化 PAOs 成为优势菌群而发挥同步脱氮除磷，实现“一碳两用”。

污水处理过程中出现这几种情况，说明该加碳源了

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  导  读  

 

在污水处理过程中，碳源投加是一项重要的调控策略，对于优化处理效果、提升出水水质以及保障微生物活性具有关键作用。碳源的主要作用是提供微生物生长所需的碳元素，促进生物降解过程，进而有效改善水质和优化生态系统的稳定性。然而，何时投加碳源并非一成不变，而是需要根据具体的工艺条件和环境因素综合判断。

 

碳源投加的判定条件通常因素

 

生物需氧量（BOD）与化学需氧量（COD）比值失衡：当污水中的BOD/COD比率低于0.3时，表明污水中可生物降解的有机物含量较低，微生物活性受限，此时应适当投加碳源以提升微生物降解能力。

硝化与反硝化过程需求：在厌氧氨氧化或反硝化脱氮过程中，为实现高效的氮素转化，需要足够的有机碳作为电子供体。若系统内部碳源不足，则可能导致反硝化反应受阻，这时就需要考虑额外补充碳源。

污泥沉降性能下降：碳源对污泥的絮凝及沉降特性具有重要影响。当发现污泥沉降性能变差、SVI值升高时，可能是由于微生物代谢产生的多糖类物质减少导致，适当的碳源投加能够恢复污泥的正常结构与功能。

冬季低温期运行：在低温环境下，微生物活性显著降低，自我合成碳源的能力减弱，为了保证生化系统的稳定运行，可能需要增加碳源的投加量。

出水水质不达标：在常规处理流程下，如果出水水质仍无法达到排放标准，尤其是COD指标持续偏高时，也提示可能需要通过投加碳源来增强污染物的生物降解效果。

生化处理效率与CNP比失衡：当污水中的碳、氮、磷（CNP）比例失调，特别是碳元素不足时，即CN比低于微生物正常生长代谢所需的适宜范围（一般认为是4-6之间），此时需要额外投加碳源以满足微生物进行生物降解过程中的能量需求。

总氮达标或客户特定要求：为了实现总氮（TN）的去除目标，在硝化反硝化等工艺中，如果原水体中的有机物不足以提供足够的碳源来支持反硝化菌利用NO_x-N还原为氮气，那么就需要补充碳源。

活性污泥培养驯化阶段：在新建或重启的污水处理厂中，活性污泥微生物群落的初期培养和驯化阶段，往往需要充足的碳源来促进微生物快速繁殖并形成稳定的生态系统。

工业废水处理成本优化：对于某些工业废水中，若通过投加经济且有效的碳源能够提高整个污水处理工艺的经济效益，并确保出水水质达标，则会考虑投加碳源。

特殊环境下的冲击负荷应对：当污水厂受到高浓度污染物冲击或者季节性变化导致进水水质波动较大时，可能也需要临时增加碳源投加量以增强系统的抗冲击能力和稳定运行性能。

在污水处理工艺，尤其是在脱氮除磷过程中，碳源的投加扮演着至关重要的角色。一方面，它是微生物进行生化反应的重要“燃料”，另一方面，对于优化处理流程、提高氮磷去除效率具有决定性的影响。

那么，何时判断需要向污水中添加碳源呢？

硝化-反硝化过程：生物脱氮主要包括氨氧化（硝化）和硝酸盐还原（反硝化）两个阶段。在硝化过程中，尽管微生物可以利用废水中的有机物作为能源来源，但如果进水BOD/N值过低，即可生物降解的有机碳相对缺乏时，微生物可能无法获得充足的能量来完成硝化过程，这将直接影响后续的反硝化进程。因此，在这种情况下，补充适量的外加碳源，如乙酸钠等易降解有机物，有助于保障硝化与反硝化的稳定进行，实现高效脱氮。

厌氧释磷和好氧吸磷阶段：在除磷过程中，聚磷菌首先在厌氧条件下释放磷酸盐以获取能量，然后在好氧环境下通过吸收有机碳源重新积累细胞内磷酸盐。当进水中有机碳含量不足以支持微生物在此交替代谢过程中充分利用磷元素时，就需要额外添加碳源，以促进微生物更好地进行磷的吸收和储存，从而提高除磷效率。

系统恢复及稳定运行：当污水处理厂遭遇冲击负荷、污泥活性下降或系统调整恢复期，合理投加碳源能激活并复苏微生物活性，增强污泥沉降性能，恢复和稳定整个系统的处理效能。

综上所述，科学合理地判断并适时添加碳源是优化脱氮除磷效果的关键措施之一，需结合污水处理厂的实际运行参数（如BOD、N、P浓度、微生物活性等）以及工艺特点做出精准决策。

 

 

 

简化版的碳源投加量计算公式

 

 

C = 5NQ / COD_当量值

 

其中：

C：需要投加的碳源量（单位可以是g、kg等）。

N：污水中待去除的氮负荷，一般指硝态氮浓度（mg/L）转换为以kg为单位的质量。

Q：处理水量，单位通常是m³或L。

COD_当量值：所选碳源与化学需氧量（COD）之间的换算系数，即每克碳源相当于多少COD。实际操作时，这个公式可能需要根据特定工艺条件、微生物活性及反应器性能等因素进行调整，并结合不同碳源的实际COD当量值来计算精确的投加量。同时，也要注意各种碳源的价格和环境影响，在保证脱氮效果的同时，实现经济高效的碳源投加策略。

 

 

 

碳源投加参考性公式

 

 

C = BOD_缺/YQ 

 

其中：

C：所需投加的碳源量（通常以kg COD或mg/L表示）。

BOD_缺：为了满足硝化反硝化过程所需的额外生化需氧量（BOD），这个值根据污水中氮负荷和去除目标计算得出。

Y：反硝化速率为BOD:N的比例系数，通常在0.5至1.5之间变化，取决于具体工艺条件和微生物群落特性。

Q：处理水量（m³或L）。

 

请注意，上述公式是简化的理论模型，实际应用时可能还需要考虑其他因素，如现有进水中有机物的实际可利用性、水温对微生物活性的影响、反硝化速率的变化等。

因此，在实际操作中，通常会通过实验测试、运行数据分析和实时监测等方式来动态调整碳源投加量。

 

 

 

碳源投加的实操案例

 

 

假设有一个小型城市污水厂，其进水的生化需氧量（BOD5）为20mg/L，总氮（TN）含量为30mg/L，计算得到实际BOD5/TN比值为0.67。

为了有效进行反硝化反应，需要将此比例提升至4。首先，根据所需比例计算所需的碳源补充量：(目标BOD5/TN －实际BOD5/TN)×TN = (4－0.67)×30mg/L = 98.1mg/L这意味着每升污水需要额外投加约98.1mg的易生物降解碳源（如乙酸钠或甲醇）以满足反硝化的碳需求。

在实操中，污水厂会按照日处理水量进行总量计算，并选择合适的投加点和投加方式，如在反硝化滤池或缺氧区连续均匀投加。同时，监测系统会实时监控进出水水质变化，包括TN、COD、NO_x-N等指标，并根据实际效果动态调整碳源投加量，确保反硝化过程高效稳定运行。此外，在整个过程中还需考虑微生物对碳源的适应性和利用效率，可能需要经过一段时间的驯化期以及根据季节、温度等因素的变化进行相应的调整。

 

 

 

如何精确计算所需碳源量以优化反硝化？

 

 

精确计算所需碳源量以优化反硝化过程，通常需要依据以下步骤：

分析进水水质：测定污水中总氮（TN）和生化需氧量（BOD5）的浓度，计算出BOD5/TN比值。理论上，为了有效进行反硝化反应，该比例应在3-5之间。如果实际比例低于此范围，则可能需要添加碳源。

计算补充碳源量：基于上述比例，可以计算每去除单位重量的TN所需投加的碳源量。一般采用公式为(理论BOD5/TN－实际BOD5/TN)×TN。例如，如果实际BOD5/TN为2，而目标是4，那么每单位TN所需的碳源量就是(4-2)×TN。

考虑微生物转化效率：实际操作时还需要考虑微生物对碳源的利用率，以及在处理过程中的其他损失，因此实际投加量可能会高于理论计算值。

动态调整：在实施碳源投加后，通过持续监测出水TN、COD（化学需氧量）、污泥沉降性能等指标，适时调整碳源投加策略，确保既能满足反硝化需求，又能保证整体污水处理系统的稳定运行和经济性。

请注意，以上步骤仅为一般性指导原则，具体应用时需结合现场条件及实验数据进行精细化调整。

来源：环保工程师

污水硝化—反硝化脱氮处理是一种利用硝化细菌和反硝化细菌的污水微生物脱氮处理方法。

此法分为硝化和反硝化两个阶段，在好氧条件下利用污水中硝化细菌将含氮物质转化为硝酸盐，然后在缺氧条件下利用污水中反硝化细菌将硝酸盐还原成气态氮。两段生物脱氮法是污水微生物脱氮的有效方法，作为标准生物脱氮法已得到较广泛应用。

相信大家对硝化反硝化工艺不陌生了，今天就让小编来带大家一起复习一下基础的原理吧。

 

一、硝化反应过程

硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（Nitrosomonas sp）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（Nitrobacter sp）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO₂、CO₃^2-、HCO^3-等做为碳源，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好氧（Aerobic或Oxic）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：

亚硝化反应方程式：

55NH₄⁺+76O₂+109HCO₃^-→C₅H₇O₂N﹢54NO₂^-+57H₂O+104H₂CO₃

硝化反应方程式：

400NO₂^-+195O₂+NH₄⁺+4H₂CO₃+HCO₃^-→C₅H₇O₂N+400NO₃^-+3H₂O

硝化过程总反应式：

NH₄⁺+1.83O₂+1.98HCO₃^-→0.021C₅H₇O₂N+0.98NO₃^-+1.04H₂O+1.884H₂CO₃

 

通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以CaCO3计）碱度。

在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程：氨离子NH₄^-→羟胺NH₂OH→硝酰基NOH→亚硝酸盐NO₂^-→硝酸盐NO₃^-。

 

二、反硝化反应过程

 

反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。

反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N³⁺和N⁵⁺做为电子受体，O^2-作为受氢体生成水和OH^-碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO₃^-还原为N₂的过程如下：NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO₃^-中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示：

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^-

污水中含碳有机物做为反硝化反应过程中的电子供体。由上式可知，每转化1gNO₂^-为N₂时，需有机物（以BOD表示）1.71g;每转化1gNO₃^-为N₂时，需有机物（以BOD表示）2.86g。同时产生3.57g重碳酸盐碱度（以CaCO₃计）。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化完全，所需碳源有机物（以BOD表示）用下式计算：

 

C=2.86Ni+1.71N0+DO₀

其中：C为反硝化过程有机物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni为初始硝酸盐氮浓度（mg/l）N0为初始亚硝酸盐氮浓度（mg/l）DO₀为初始溶解氧浓度（mg/l）如果污水中碳源有机物浓度不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖类）。以甲醇为例，则

NO₃+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇O₂N+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃^-

如果水中有NO₂^-,则会发生下述反应：

NO₂^-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO₃→0.04C₅H₇O₂N+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上式可见，每还原1gNO₂^-和1gNO₃^-分别需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

当水中有溶解氧存在时，氧消耗甲醇的反应式为：

O₂+0.93CH₃OH+0.056NO₃^-→0.056C₅H₇O₂N+1.64H₂O+0.056HCO₃^-+0.59H₂CO₃

综上所述，可得反硝化过程需要有机碳源（甲醇）的投加量公式为：Cm=2.47Ni+1.53N0+DO₀

其中：Cm为反硝化过程中需要的甲醇浓度（mg/l）其余符号同上综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗碱度7.14g,表现为PH值下降，在反硝化过程中，去除硝酸盐氮的同时去除碳源，这部分碳源折合DO 2.6g,另外，反硝化过程中补偿碱度3.57g。

三、传统生物脱氮工艺

 

传统的生物脱氮工艺是由巴茨（ Barth）开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三项反应过程为基础建立的。传统的生物脱氮工艺是单独进行硝化和反硝化的工艺系统，每一部分都有自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统，使除碳、硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行。

第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除有机物，使有机氮转化为氨氮。经过沉淀后，废水进入第二级硝化曝气池。在第二级硝化曝气池进行硝化反应，使氨氮转化为硝态氮。在第二段硝化过程中要消耗一定的碱度，使 PH值下降，进而会降低硝化反应的速度，因此，需要投加碱补充碱度。第三级为反硝化池，需要维持缺氧条件，不进行曝气，只采用搅拌机械使污泥处于悬浮状态并与污水充分混合，硝态氮还原为氮气，反硝化过程所需要的碳源不足，需要外加碳源。这种流程的优点是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构筑物中，均可在各自适宜的环境条件下生长繁殖，所以反应速度较快，可以得到较好的 BOD5去除和脱氮效果。缺点是流程长、处理构筑物多、附属设备多，基建费用高、需要补充碱度和外加碳源因而运转费用较高。

四、A/O工艺

 

A/O 工艺是一种有回流的前置反硝化生物脱氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中进行，硝化在好氧池中进行。原污水先进入缺氧池，并将好氧池的混合液与沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保证了缺氧池和好氧池有足够数量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所产生的硝酸盐。而原污水和混合液的直接进入又为缺氧池反硝化提供了充足的碳源有机物，使反硝化反应能在缺氧池中进行，反硝化反应的出水又可在好氧池中进行BOD₅的降解。

A/O与传统的生物脱氮工艺相比，其特点有：流程简单，构筑物少，费用小，占地少；以原污水中的含碳有机物和内源代谢产物为碳源，节省外加碳源的费用；好氧池在缺氧池后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物，改善出水水质；缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了一部分碳源有机物，可减轻好氧池的有机负荷，并且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的消耗。其缺点是：三种不同作用的微生物同在一个系统中，经常改变条件，则存在不断改变环境、不断适应环境的过程，微生物有适应期、闲置期，未能发挥最佳作用。

随着水体富营养化问题的日益突出、水质指标系统不断严格化，使废水脱氮问题成为了水污染控制中广泛关注的热点。而传统多级分设备的生物脱氮工艺以及序批式活性污泥工艺等，虽然在废水脱氮方面起着重要的作用，但仍然存在着以下问题：

①硝化反应和反硝化反应所需要的条件不同，需要序批式进行，且 HRT较长，反应池占地面积大；

②污泥产生量大，剩余污泥处理费用高，污泥不易沉降，而且容易发生污泥膨胀；

③耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；

④中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用；

⑤曝气池中的生物浓度低，曝气池氧的传质效率低。

与此相比，单级生物脱氮工艺在生物脱氮过程当中展现出更多的优势。硝化反应耗氧、耗碱度、但不消耗碳源，而反硝化过程不需氧、产生碱度、消耗大量碳源，两者在多方面表现为互补。如果硝化和反硝化反应能在同一处理系统中连续实现，硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中的NO₂^-的积累对硝化反应的抑制，加快硝化反应的速度，还可以有效利用废水中有机碳源进行反硝化；而且也不需外加动力进行硝化液循环；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在相同的条件和系统中进行，简化了操作的难度 。

五、短程硝化反硝化工艺

 

短程硝化反硝化工艺:短程硝化反硝化工艺（ Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite ）是一种新型的脱氮工艺。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，是经NH₄⁺-N→ NO₂^--N→ N₂的途径完成，整个过程较全程硝化反硝化大大缩短。短程硝化的标志是有稳定且较高的 NO₂^--N 积累，即亚硝酸氮积累率较高。

与传统的生物脱氮工艺相比，该工艺具有以下优点：硝化与反硝化两个阶段在同一反应器中完成，可以简化工艺流程；可节省反硝化过程所需要的外加碳源 ，同时硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少了处理费用；可以缩短水力停留时间，减少反应器体积和占地面积；只需要将氨氮氧化成亚硝酸盐，可减少25% 左右的供气量，降低能耗。

 

六、厌氧氨氧化工艺

 

厌氧氨氧化工艺:厌氧氨氧化工艺（ Anaerobic AMMonium Oxidation ）是由荷兰Delft大学于 1990年提出的。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，以氨氮作为电子供体，将氨氮氧化生成氮气，硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。厌氧氨氧化是 Mulder和 Graaf对一个使用硫化物做电子供体的流化床反应器自养菌反硝化运行工况仔细观测和研究发现的。该工艺中亚硝酸盐是一个关键的电子受体。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子供体。

从这一反应中所产生的吉布斯（ Gibbs）自由能甚至比好氧氨氧化（硝化）所产生的能量还要高，所以能够支持自养菌生长。这表明在这一工艺中发生的反硝化反应中不需外加碳源。厌氧氨氧化工艺特别适宜在温度高于 20℃和自营养系统中运行。这种工艺多用于处理工业废水，也可用于处理其他废液，如污泥消化池上清液。

七、脱氮除磷工艺

 

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

 

缺氧池（区）指非充氧池（区），溶解氧浓度一般为0.2～0.5mg/L。当存在大量硝酸盐、亚硝酸盐和充足的有机物时，可在该池（区）内进行反硝化脱氮反应。

好氧池（区）指充氧池（区），溶解氧浓度一般不小于2mg/L，主要功能是降解有机物和进行硝化反应。

当以除磷为主时，应采用厌氧/好氧工艺，基本工艺流程如下：

 

当以除氮为主时，宜采用缺氧/好氧工艺，基本工艺流程如下：

 

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（聚羟基脂肪酸），PO（磷酸盐），PP（多聚磷酸盐）厌氧条件下，PAOs吸收VFA转化为PHA，这一过程PP高能键断裂为这一过程释放能量，同时释放出磷酸盐，而磷酸盐浓度升高，恰恰是我们说的能够利于PAOs生长繁殖好氧条件下，正好与其相反，吸收Po形成PP，而此时的能源则是PHA，如厌氧过程所说，PP是吸收PO所需要的能量物质，也就等于是为下一次代谢周期做准备，与此同时，PAOs分裂生成新的细胞，但是由于，PO含量降低，将会限制它的生存繁殖，所以必须通过人为过程使PO含量升高，完成一个完整的周期。如果不进行循环，聚磷菌是无法完成完整的生命周期的。