廢水生物脫氮工藝綜述

王微微，高 路，郭子洋

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.哈爾濱市建筑設(shè)計(jì)院，哈爾濱150001)

生活廢水和工業(yè)廢水中經(jīng)常含有含氮類物質(zhì)，其中以氨氮最為常見，水中的含氮類化合物如不經(jīng)過妥善處理排入水體，會(huì)使水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的危險(xiǎn)，因此需對(duì)排入水體的廢水進(jìn)行脫氮處理。廢水處理工藝種類繁多，其中以生物脫氮工藝最為常見，生物脫氮工藝主要分為傳統(tǒng)生物脫氮工藝和生物脫氮新工藝，文章對(duì)于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝和生物脫氮新工藝進(jìn)行了評(píng)析。

1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝

1.1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝機(jī)理

微生物去除氨氮過程需要經(jīng)歷兩個(gè)階段，第一階段是硝化過程。第二階段為反硝化過程。生物硝化過程為自氧菌(亞硝酸菌和硝酸菌)在有氧的條件下將氨氮(NH3－N)轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮(NO2－N)和硝酸氮(NO3－N)的過程，這兩種自養(yǎng)菌統(tǒng)稱為硝化菌，它們都是嚴(yán)格的專性好氧菌，必須在有氧條件下才能進(jìn)行硝化反應(yīng)。硝化過程中NH3－N氧化為N3－N的硝化反應(yīng)是由兩組自養(yǎng)型好氧微生物通過兩個(gè)過程完成的。第一步先由氨氮氧化菌(AOB)將NH3－N轉(zhuǎn)化為NO2－N，第二步再由亞硝酸鹽氧化菌(NOB)將NO2－N氧化為NO3－N。

生物反硝化是指廢水中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮在無氧或缺氧的條件下被反硝化菌還原轉(zhuǎn)化為N2的過程，反應(yīng)過程中必須有有機(jī)物的參與，它們?cè)诜磻?yīng)中作為電子供體被氧化而提供能量，反硝化菌是一種兼性異養(yǎng)菌，但氧氣的存在會(huì)抑制硝酸鹽的還原:一方面氧的存在會(huì)抑制硝酸鹽還原酶的形成;氧可作為電子受體，阻礙硝酸鹽的還原，因此反硝化反應(yīng)必須在缺氧或無氧的條件下進(jìn)行。

1.2 A2/O生化處理法

厭氧/缺氧/好氧工藝是在A/O工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而發(fā)展起來的工藝。脫氮采用硝化、反硝化的原理。該法在A/O工藝中增加一個(gè)厭氧段可減輕后續(xù)反硝化一硝化系統(tǒng)中的NO3－N的積累，由于厭氧(酸化)作用將一部分難降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為易降解的有機(jī)物，提高了可生化性，為缺氧段提供了較好脫氮環(huán)境。

1.3 序批式活性污泥法(SBR)

間歇式活性污泥法即序批式反應(yīng)器是20世紀(jì)70年代以來升發(fā)的集生物降解和脫氮除磷于一體的新技術(shù)，它兼均化、初沉、生物降解.終沉等功能于一池，不需二沉池和污泥回流系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，運(yùn)行方式靈活多變，是一種間歇運(yùn)行的廢水處理工藝。與普通話性污泥法不同之處在于SBR法的運(yùn)行工況為間歇操作，一傳典型流程包括進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置等5個(gè)階段。通過自動(dòng)控制裝置完成工藝操作?？梢苑奖沆`活地進(jìn)行缺氧一厭氧一好氧的交替處理過程。

隨著人們對(duì)SBR研究的深入，新型的SBR不斷出現(xiàn)，80年代初，出現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)水的ICEAS，后來Goranzy教授相繼開發(fā)了CASS和CAST工藝。90年代，比利時(shí)的SEGHERS公司開發(fā)了UNITANK系統(tǒng)，把SBR的時(shí)間推流與連續(xù)系統(tǒng)的空間推流結(jié)合起來。Hanqingyu等人用SBR工藝處理焦化廢水。結(jié)果表明，采用曝氣段前后各進(jìn)行一段缺氧處理的方式比采用其他方式(前置反硝化和后置反硝化)脫氮效果更好。NH3和COD的去除率分別為82.5%和65.2%;Min Woo Lee等人以醋酸鈉作為外加碳源，研究了用SBR工藝完全脫除焦化廢水中NH3－N的可行性。結(jié)果表明，外加碳源的速率能顯著影響反硝化的效率，其最佳速率由反硝化階段的COD與NOx－N的比值決定。

2 生物脫氮新方法

傳統(tǒng)生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化反應(yīng)分別由硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌作用完成，由于對(duì)環(huán)境條件的要求不同，這兩個(gè)過程不能同時(shí)發(fā)生，而只能序列式進(jìn)行，即硝化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應(yīng)發(fā)生在缺氧或厭氧條件下。由此而發(fā)展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區(qū)與好氧區(qū)分開，形成分級(jí)硝化反硝化工藝，以便硝化與反硝化能夠獨(dú)立地進(jìn)行。然而，生物脫氮技術(shù)的新發(fā)展卻突破了傳統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)。近年來的許多研究表明硝化反應(yīng)不僅由自養(yǎng)型細(xì)菌完成，某些異養(yǎng)型細(xì)菌也可以進(jìn)行硝化作用;反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行，某些細(xì)菌也可在好氧條件下進(jìn)行反硝化;而且，許多好氧反硝化細(xì)菌同時(shí)也是異養(yǎng)型硝化細(xì)菌(如Thiosphaera pantotropha菌)，可以把氧化成后直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)。生物脫氮技術(shù)在概念和工藝上的新發(fā)展主要有:短程反硝化(shortcut nitrification－denitrification)、同時(shí)硝化反硝化(simultaneous nitrification–denitrification－SND)和厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidiation－ANAMMOX)等。

2.1 同時(shí)硝化反硝化

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為硝化與反硝化反應(yīng)不能同時(shí)發(fā)生，而近年來的新發(fā)現(xiàn)卻突破了這一認(rèn)識(shí)，使得同時(shí)硝化反硝化成為可能。近年來好氧反硝化細(xì)菌和異養(yǎng)硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)以及好氧反硝化、異養(yǎng)硝化和自養(yǎng)反硝化等研究的進(jìn)展，奠定了SND生物脫氮的理論基礎(chǔ)。在SND工藝中，硝化與反硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成。所以，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，SND工藝具有明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在:①節(jié)省反應(yīng)器體積;②縮短反應(yīng)時(shí)間;③無需酸堿中和。其技術(shù)的關(guān)鍵就是硝化與反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡控制。

目前，對(duì)SND生物脫氮技術(shù)的研究主要集中在氧化溝、SBR等反應(yīng)器系統(tǒng)。Rittmann等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功地實(shí)現(xiàn)了SND，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了反硝化反應(yīng)可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，通過控制DO濃度可以實(shí)現(xiàn)在同一反應(yīng)器中的SND。Gupta等證實(shí)了Thiosphaena pantotropha細(xì)菌具有好氧反硝化的功能，并指出SND是最經(jīng)濟(jì)的脫氮方法，結(jié)果表明，在氮負(fù)荷為9.36gN/m3d，HRT為2 d的條件下，氮的去除率可達(dá)90%以上。Daigger等對(duì)6個(gè)采用分段、閉環(huán)溝道的Orbal氧化溝工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析評(píng)定，確定了該工藝中SND的發(fā)生程度，指出Orbal氧化溝中很容易發(fā)生SND，并進(jìn)一步證實(shí)了微環(huán)境理論對(duì)SND解釋的正確性。YOOH.等研究了間歇式曝氣反應(yīng)器中的SND現(xiàn)象，并確定了關(guān)鍵的控制參數(shù)，研究了COD/N比為5∶1和10∶1兩種廢水在最佳條件下，氮的去除率高達(dá)90%以上，同時(shí)還可以去除95%以上的COD。在國(guó)內(nèi)，對(duì)SND的研究也日趨活躍，高廷耀等對(duì)幾種不同的生物脫氮工藝中的SND現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)分析，研究表明，影響SND的因素有DO濃度、污泥絮體結(jié)構(gòu)及污泥有機(jī)負(fù)荷等。孟怡、徐亞同等采用內(nèi)置填料的反應(yīng)器處理含氮制藥廢水，結(jié)果表明，在適宜的條件下，NH3－N及TN的去除率分別達(dá)到90%和70%。

2.2 厭氧氨氧化

比利時(shí)Gent微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了OLAND工藝。該工藝的關(guān)鍵是控制DO，在硝化過程中將氧化到階段后，再以為電子供體，以反應(yīng)產(chǎn)生的電子受體進(jìn)行氨厭氧氧化反應(yīng)，產(chǎn)生N2。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝或同時(shí)硝化反硝化工藝相比，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在:①無需外加有機(jī)物作電子供體，既可以節(jié)省費(fèi)用，又可以防止二次污染;②硝化反應(yīng)每氧化1 mol耗氧2 mol，而在厭氧氨氧化反應(yīng)中，氧化1 mol僅需0.75 mol氧，耗氧劇減;③同傳統(tǒng)硝化反硝化相比，該工藝產(chǎn)酸量大為下降，產(chǎn)堿量為零，可節(jié)省可觀的中和試劑。這些工藝的特點(diǎn)是進(jìn)水NH3－N濃度高(>500 mg/L)，但是出水氨氮濃度也高(>40 mg/L)這對(duì)處理高濃度氨氮廢水具有重要意義，工藝的穩(wěn)定性尚在研究與實(shí)驗(yàn)階段。

2.3 短程硝化－反硝化

短程硝化－反硝化技術(shù)的理論基礎(chǔ)是生物脫氮原理，生物脫氮主要有硝化和反硝化2個(gè)過程。硝化過程可以分為2個(gè)階段，即:氨氮氧化菌(AOB)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽氧化菌(NOB)將短程硝化－反硝化技術(shù)是把硝化反應(yīng)控制在階段，直接以作為氫受體進(jìn)行反硝化。短程硝化－反硝化生物脫氮可減少對(duì)有機(jī)物和氧氣的需要，每還原1 g，需要甲醇分別為1.53 g和2.47 g。

短程硝化－反硝化技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):①相對(duì)于活性污泥法，硝化階段可節(jié)省25%的好氧量，降低能耗;②反硝化階段所需碳源減少40%，反硝化率提高，這對(duì)處理高濃度氨氮焦化廢水具有特別意義;③厭氧反硝化階段剩余污泥量減少;④HRT較短，反應(yīng)器的容積減少;⑤減少了投堿量，可以節(jié)約外加酸堿中和試劑用量。實(shí)現(xiàn)短程硝化與反硝化技術(shù)的關(guān)鍵是抑制硝酸菌的活性，其標(biāo)志是獲得穩(wěn)定高效的的積累，即亞硝化率>50%。如何將硝化反應(yīng)穩(wěn)定地控制在亞硝化階段，抑制硝酸菌的活性，已成為廢水生物脫氮的一個(gè)重要研究方向。

3 結(jié)論

廢水生物脫氮工藝經(jīng)歷了很長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期，傳統(tǒng)生物脫氮工藝是在廢水處理工程中的設(shè)計(jì)依據(jù)，其具有穩(wěn)定、高效的特點(diǎn)。生物脫氮的新工藝以傳統(tǒng)生物脫氮工藝的原理為基礎(chǔ)，提出了一些新的觀點(diǎn)，豐富了生物脫氮理論，為廢水生物脫氮的發(fā)展具有指導(dǎo)性意義。

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