常数（7.12）
图7.5该图说明了即便在自由水层中存在好氧条件也能发生反硝化的原因
（硝酸盐通过生物膜好氧部分扩散，然后在缺氧区反硝化；右图示出反硝化率比无氧反硝化低）
好氧区的硝酸盐浓度剖面是直线。
在缺氧区，浓度变化呈抛物线，其顶点在xN处。
该图表明反硝化速率rA,NO3随废水中氧和硝酸盐浓度比而变化，其值小于无氧反硝化速率k1/2A,NO3SNO31/2。
硝酸盐的穿透可表达为氧和硝酸盐的穿透：
NO3,red=O22+NO32
式中O2––––氧的穿透度
NO3––––硝酸盐的穿透度
NO3,red––––有氧存在时的硝酸盐穿透度
NO3,red2=
【例7.3】完全混合生物滤池的出水浓度为：
氧SO2=2gO2/m3；甲醇SMe=20gCH3OH/m3；硝酸盐SNO3=5gNO3--N/m3。
每平方米滤料去除多少甲醇和硝酸盐?
选择以下常数（表5.1、表5.2和表7.2均按gCH3OH计算，而不按gCOD计算）。
甲醇和氧：
k0Vf,Me=90kgCH3OHm3/d
DMe=1.0×10-4m2/d
DO2=1.7×10-4m2/d
νMe,O2=1.1gO2/gCH3OH
甲醇和硝酸盐：
k0f,NO3=30kgNO3--Nm3/d
k1/2A,NO3=3gNO3--N1/2m-1/2d-1
DNO3=0.7×10-4m2/d
νNO3,Me=3gCH3OH/gNO3--N
氧是去除的限制因素。
rA,Me=（2DO2k0Vf,Me/vMe,O2）1/2SO21/2
=（2×1.7×10-4×90×103/1.1）1/2×21/2=7.5gCH3OHm2/d
氧对生物膜的穿透率为：
L=
=83m
相应于硝酸盐的去除：
rA,NO3,max=k1/2A,NO3SNO31/2=3×51/2=7gNO3--N/（m2∙d）
根据图7.5看出反硝化率最多约为60%。
rA,NO3=0.6×7=4.2gNO3--Nm-2d-1
尽管水中具有好氧条件，反硝化率仍是可观的。
氧和硝酸盐的完全穿透率为：
L=
=
=174m
欢迎热心的读者解出这个关于甲醇扩散的方程式以求出甲醇是否有足够的浓度达到如此深的穿透。
图7.6中是两个生物滤池（BAF）的组合，其上面一个滤池进行曝气。
这种装置近年来已开始进入生产性规模[6]。
反硝化池是推流式纵向扩散，佩克莱特数PeL约为50。
由于曝气，其硝化池纵向的扩散效果较好。
图7.6混合滤池进行硝化和反硝化的物料平衡
7.2反硝化处理工艺的种类
有关各种反硝化工艺装置的讨论为时已久，在系统述评中[7]，介绍了3种主要的类型，其中有无数变量。
但是从那时起，生物滤池工艺领域内又增添了大量新的类型和变量。
关于活性污泥工艺，其决定性的差别为：
反硝化是该工艺系统的唯一工艺过程（单污泥），还是整个处理系统的一个组成部分。
在后一种情况中，除反硝化外，活性污泥还参与其他工艺过程（混合污泥）。
图7.7示出的是根据上述两种原理设计的典型处理工艺装置。
各种处理工艺装置的其他差别为：
采用废水有机物还是外源碳有机物（如甲醇，淀粉或醋酸）。
生物滤池反硝化工艺装置的发展主要体现在利用淹没式滤池全面更新滤池的工艺技术。
其原因是必须在新式滤池中可以形成使反硝化反应发生的特有工艺条件，而传统的滴滤池难以适应这种过程。
图7.8示出的是各种滤池不同的工艺技术原理。
应注意的是生物滤池进行反硝化通常采用单一污泥系统。
图7.8只给出反硝化滤池的结构。
生物转盘是在二沉池内将处理水及剩余污泥分离，而淹没式滤池和流化床滤池其顶部结构起分离作用。
剩余污泥可以直接从滤池中排出。
但目前尚缺少反硝化滤池运行方面的经验。
图7.7分别以单独和混合活性污泥设计的反硝化装置
图7.8各种类型的反硝化滤池
下面将介绍一些反硝化工艺。
所介绍的活性污泥工艺主要都是生产性的，补充一些能说明重要工艺特性的装置。
关于生物滤池，很少在商业上应用，现列举一些最引人注目的设计。
7.2.1单一污泥反硝化系统
单一污泥系统基本上都是生产性工艺系统，尤其在美国。
单独设置反硝化处理段的工艺设计都是用于已有的去除有机物与硝化的处理厂扩建，其氮的去除作为进一步的处理要求。
图7.7a给出了后置反硝化工艺的设计。
可见，反硝化与原有处理系统的出水有关，当反硝化需要有机物时，必须投加甲醇。
对于某些原污水中已存在硝酸盐的工业废水处理厂，可设计成单一污泥的反硝化处理系统。
在这种情况下，将其设计为一个处理段，如图7.9所示。
可以投加反硝化所需的有机物（如以甲醇的形式），或者已存在于废水中的有机物。
图7.9处理含有硝酸盐废水的工业废水单独反硝化
7.2.2混合污泥反硝化处理工艺
混合污泥系统是最主要的生产性反硝化处理系统（图7.7b）。
其主要原因是可以利用原污水中的有机物进行反硝化。
该过程无须投加有机物（如甲醇或醋酸），同时又能节约氧，污水中的部分有机物被硝酸盐而不是被氧所氧化。
图7.10是后置反硝化工艺的流程简图，其污泥本身所含的有机物可作为反硝化过程的能源。
图7.10以污泥作为有机物的常规后置反硝化装置
这类处理系统是在第一次污水反硝化试验中使用的，仅具有历史意义[1]。
工艺系统中的污泥在第1段完成有机物去除和硝化，在第2段完成反硝化。
由于反硝化所需的有机物产生于污泥的降解过程，因而反硝化过程是缓慢的。
如果在反硝化过程中加入碳源，则有可能使工艺过程加快（如图7.11所示）。
碳源可以是外加的（甲醇、醋酸等）或内部的（污水、上清液、水解产物等）。
对于含有大量还原性氮（特别是氨氮）的碳源，需要把处理水回流到硝化段以使氨氮氧化成硝酸盐。
如果回流比大大增加，则采用前置反硝化，如图7.12所示。
这种反硝化过程可更好地直接利用污水中的碳源。
回流比取决于处理效率，一般为2～4（包括回流污泥）。
图7.11外加碳源的后置反硝化（如果碳源含有氨氮，必须有回流，如虚线所示）
根据图7.12所示原理，回流的设计有许多种方法，可以在外部回流，也可以在混合硝化/反硝化池内进行，后一种技术在南非的许多处理厂中应用。
图7.12进行回流的前置反硝化
许多处理厂并不都是一个处理池专门进行硝化，另一个处理池进行反硝化。
在某个时期用一个处理池或其中一部分进行硝化，而其他时间则进行反硝化。
关于这种处理过程，可以是前置反硝化（如图7.12所示）或前置反硝化与后置反硝化的综合。
交替处理过程就是用池内硝化和反硝化之间的切换取代回流的前置反硝化。
该处理系统有利于过程控制和最优化。
这种处理系统是丹麦开发的（Biodenitro），在丹麦的生产性除氮处理厂中占有主导地位。
图7.13交替运行的反硝化过程
图7.14是Frederikssund中心处理厂（丹麦）的空中摄影照片，该处理厂自1978年以来就进行交替运行。
处理厂内共有4个池，成对即2×2工作。
如图7.13所示，该处理厂的每个周期的运行时间为4h。
图7.15是硝化和反硝化在一个反应池内交替进行的处理系统。
在一个运行周期内分别完成各个过程。
这种交替系统的设计方法有很多种，如果该系统具有单独的沉淀池，则可连续排放出水。
如果有可能在工艺池前头收集污水，就可以在阶段C和D排放，故污水只需在阶段A和B进入，只要在阶段B进水，反硝化就可最大限度地利用污水中的有机物。
图7.14Frederikssund中心处理装置（丹麦）
图7.15在一个池内进行硝化和反硝化（SBR装置或氧化沟）
如设有单独的沉淀池，阶段C和D可省略，池子也在阶段A和B出水
另一种交替过程见图7.16，其供氧的方式是整个池内存在有氧区和无氧区，但带污水和污泥从这个区到另一个区时硝化和反硝化交替发生。
奥地利维也纳一个很大的处理厂（Vienna-Blumental）就采用这种系统。
反硝化所需的有机物来自于污水以及通过污泥降解而得。
图7.16所示的处理系统的运行需要非常精确的控制。
负荷或工艺过程变化期间，很难使氧在硝化区和反硝化区之间的分布达到最佳化。
这种处理系统的硝化和反硝化之间的切换十分频繁（1～2分钟），很趋近于同时硝化和反硝化。
在这类系统以及其他混合污泥系统中，反硝化与硝化同时发生。
其原因是絮体或生物膜的最里面部分是无氧区，但那里有硝酸盐促使反硝化发生。
硝化池内还存在曝气不足的区域，这有助于“同时”反硝化。
图7.16好氧与缺氧条件不断改变的同时反硝化处理系统
7.2.3反硝化生物滤池
所有反硝化生物滤池都是淹没式的，就是说它们都是灌满水的。
凡采用生物转盘或填充滤料（塑料盘或松散载体）时，通常通过沉淀将处理水中的污泥除去，见图7.17。
关于反冲洗滤池（砾石、Leca等）系统的设计见图7.18，流化床滤池的设计见图7.19。
流化床滤池可用砂或塑料作载体或者凭借无载体的球状细菌絮体（小颗粒）工作。
有关反硝化滤池的生产性试验极少。
往往在滤池中加入甲醇、醋酸或工业废水等外碳源。
图7.17污泥连续分离的反硝化滤池（塑料填料滤池或转盘）
图7.18带反冲洗的反硝化滤池（滤料：
砂或多孔物质，如Leca）
与硝化组合的处理系统一般按前置反硝化运行，即硝化滤池在反硝化滤池之后，然后是硝化水回流。
由于硝化滤池不能负担太多的有机物，只能允许反硝化滤池出水含有少量的悬浮固体。
需要回流指的是不具有污水沉淀的反硝化滤池，即最好是反冲洗滤池（图7.18）或流化床滤池（图7.18）。
至于其他类型，回流意味着需要很大的沉淀池（因而很费钱）。
图7.19反硝化流化滤池（载体：
砂）
7.3反硝化处理系统的设计
在设计反硝化处理系统时，应考虑一些特有的工艺条件。
本节将讨论以下几个问题：
●C/N比
●供氧/搅拌
●沉淀池内的氮气
●通过利用原污水为碳源的反硝化进行氧的回收
●碱度
●去除率
7.3.1C/N比值
通过反硝化过程可以去除有机物和氮，反硝化过程需要一定数量的有机物，所以C/N比对于工艺过程的成败具有重要意义。
在评价反硝化系统时，对于需要去除部分氮的单独反硝化系统，通常要计算进水的COD/N或BOD/N比。
关于混合污泥处理系统，如果是前置反硝化，则要计算反硝化池进水的C/N比，见图7.12；如果是混合污泥的后置反硝化，则用硝化池进水来计算C/N比。
可用C/N比粗略估算工艺的可能性并弄清楚是否需要外加碳源。
用图7.4的符号计算进水的C/N比（C/N）1，从而得出：
（COD/TN）1=CCOD,1/CTN,1（7.13）
或（BOD/TN）1=CBOD,1/CTN,1（7.14）
更详细地分析有机物的消耗量及氮的去除将更有利于了解污水的组分是否偏离正常值或是否正需要一个新的处理系统。
反硝化系统中的有机物有以下3个方面的用途：
1.把硝酸盐（或亚硝酸盐）转化为氮气；
2.产生污泥；
3.进行有氧呼吸。
如果得知上述3
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