AO工藝通常是在常規的好氧活性污泥法處理系統前，增加一段缺氧生物處理過程。在好氧段，好氧微生物氧化分解污水中的BOD5，同時進行硝化反應，有機氮和氨氮，在好氧段轉化為硝化氮并回流到缺氧段，其中的反硝化細菌利用化合態氮和污水中的有機碳進行反硝化反應，使化合態氮變成分子態氮，同時去除碳和氫的效果。這里著重介紹生物脫氮原理。
（1）生物脫氮的基本原理：
傳統的生物脫氮機理認為：脫氮過程一般包括氨化、硝化和反硝化三個過程。
①氨化（ Ammonification）：廢水中的含氮有機物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養型微生物氧化分解為氨氮的過程。
②硝化（ Nitrification）：廢水中的氨氮在硝化菌（好氧自養型微生物）的作用下被轉化為NO2和NO3的過程。
③反硝化（ Denitrification）：廢水中的NO2和NO3在缺氧條件下以及反硝化菌（兼性異養型細菌）的作用下被還原為N2的過程，其中硝化反應分為兩步進行：亞硝化和硝化。硝化反應過程方程式如下所示：①亞硝化反應：NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+③總的硝化反應：NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+反硝化反應過程分三步進行，反應方程式如下所示（以甲醇為電子供體為例）：第一步：3NO3-+CH3OH→3NO2+2H2O+CO2第二步：2H++2NO2-+CH3OH→N2+3H2O+CO2第三步：6H++6NO3-+5CH3OH→3N2+13H2O+5CO2除了上述脫氮原理外，還有一種短程反硝化作用可以脫氮，即氨氮在O池中未被完全硝化生成NO3-，而是生成了大量的NO2-N，但在A池NO2同樣被作為受氫體而進行脫氮（上述第二步可知）；再者在A池NO2-同樣也可和NH4+進行脫氮，即短程反硝化的過程可以表示為：NH4++NO2→N2+2H2O。
（2）A/O脫氮工藝主要特征
將脫氮池設置在去碳硝化過程的前端，一方面使脫氮過程能直接利用進水中的有機碳源而可以省去外加碳源；另一方面，則通過硝化池混合液的回流而使其中的NO3-在脫氮池中進行反硝化，且利用了短程硝化-反硝化以及短程硝化厭氧氨氧化等工藝特點。因此工藝內回流比的控制是較為重要的，因為如內回流比過低，則將導致脫氮池中BOD5/NO3-過高，從而使反硝化菌無足夠的NO3-或NO2-作電子受體而影響反硝化速率；如內回流比過高，則將導致BOD5/NO3-或BOD5/NO3-等過低，同樣將因反硝化菌得不到足夠的碳源作電子供體而抑制反硝化菌的生長。A/O工藝中因只有一個污泥回流系統，因而使好氧異養菌、反硝化菌和硝化菌都處于缺氧/好氧交替的環境中，這樣構成的一種混合菌群系統，可使不同菌屬在不同的條件下充分發揮它們的優勢。將反硝化過程前置的另—個優點是可以借助于反硝化過程中產生的堿度來實現對硝化過程中對堿度消耗的內部補充作用。在脫氮反應池（A段）中，進入脫氮池的廢水中的COD、BOD5和氨氮的濃度在反硝化菌的作用下均有所下降（COD和BOD5的下降是由反硝化菌在反硝化反過程中對碳源的利用所致），而氨氮的下降則是由反硝化菌的微生物細胞合成作用以及短程硝化-厭氧氨氧化所致），NO3-N的濃度則因反硝化作用而有大幅度下降；在硝化反應池（O段）中，隨硝化作用的迸行，NO3-的濃度快速上升，而通過內循環大比例的回流，反硝化段的NO3-N含量通過反硝化菌的作用明顯下降，COD和BOD5則在異養菌的作用下不斷下降。氨氮濃度的下降速率并不與NO3-濃度的上升相適應，這主要是由于異養菌對有機物的氨化而產生的補償作用造成的。與傳統的生物脫氮工藝相比，A/O系統不必投加外碳源，可充分利用原污水中的有機物作碳源進行反硝化，同時達到降低BOD5和脫氮的目的；AO系統中缺氧反硝化段設在好氧硝化段之前，因而當原水中堿度不足時，可利用反硝化過程中產生的堿度來補充硝化過程中對堿度的消耗。此外，AO工藝中只有一個污泥回流系統，混合菌群交替處于缺氧和好氧狀態及有機物濃度高和低的條件，有利于改善污泥的沉降性能及控制污泥的膨脹。
（3）硝化反應主要影響因素與控制要求
①好氧條件，并保持一定的堿度。氧是硝化反應的電子受體，硝化池內溶解氧的高低，必將影響硝化反應的進程，溶解氧質量濃度一般維持在2~3mg/L，不得低于1mg/L，當溶解氧質量濃度低于0.5~0.7mg/時，氨的硝態反應將受到抑制。除此之外，硝化菌對pH值的變化十分敏感，為保持適宜pH值，廢水應保持足夠的堿度以調節pH值的變化，對硝化菌的適宜pH值為8.0-8.4。②混合液中有機物含量不宜過高，否則硝化菌難成為優勢菌種。③硝化反應的適宜溫度是20~35℃。當溫度在5~35℃之間由低向高逐漸升高時，硝化反應的速率將隨溫度的升高而加快，而當溫度低至5℃時，硝化反應完全停止。對于去碳和硝化在同一個池子中完成的脫氮工藝而言，溫度對硝化速率的影響更為明顯。當溫度低于15℃時即發現硝化速率迅速下降。低溫狀態對硝化細菌有很強的抑制作用，如溫度為12~14℃時，反應器出水常會出現亞硝酸鹽積累的現象。因此，溫度的控制是相當重要的。④硝化菌在硝化池內的停留時間，即生物固體平均停留時間，必須大于最小的世代時間，否則硝化菌會從系統中流失殆盡。⑤有害物質的控制。除重金屬外，對硝化反應產生抑制作用的物質有高濃度NH4+-N、高濃度有機基質以及絡合陽離子等。
（4）反硝化反應主要影響因素與控制要求
①碳源（C/N）的控制。生物脫氮的反硝化過程中，需要一定數量的碳源以保證一定的碳氮比，而使反硝化反應能順利地進行。碳源的控制包括碳源種類的選擇、碳源需求量及供給方式等，反硝化菌碳源的供給可用外加碳源的方法（如傳統脫氮工藝）、利用原廢水中的有機碳（如前置反硝化工藝等）的方法來實現。反硝化的碳源可分為三類：第一類為外加碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖、淀粉、蛋白質等，但以甲醇為主；第二類為原廢水中的有機碳為細胞物質，細菌利用細胞成分進行內源反硝化，但反硝化速率最慢。當原廢水中的BOD5與TKN（總凱氏氨）之比在5~8時，BOD5與TKN之比大于3~5時，可認為碳源充足。如需外加碳源，多采用甲醇，因甲醇被分解后產物為CO2、H2O，不留任何難降解的產物。②反硝化反應最適宜的pH值為8~8.6，pH值高于8.6或低于6，反硝化速率將大幅度下降。③反硝化反應最適宜的溫度是20~40℃。低于15℃反硝化反應速率降低，為了保持一定的反應速率，在冬季時采用降低處理負荷、提高生物固體平均停留時間以及水力停留時間等措施。④反硝化菌屬于異養兼性厭氧菌，在無分子氧但存在硝酸和亞硝酸離子的條件下，一方面，它們能夠利用這些離子中的氧進行呼吸，使硝酸鹽還原；另一方面，因為反硝化菌體內的某些酶系統組分只有在有氧條件下才能合成，所以反硝化菌適宜在厭氧、好氧條件交替下進行，故溶解氧應控制在0.5mg/以下。
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