生物脫氮工藝在天然橡膠初加工廢水處理中的應(yīng)用

王謙(海南銳博科技有限公司, 海南 海口 570203 )

氮素對水環(huán)境具有不良影響。除了分子態(tài)氮(N2)以外，幾乎所有其它形態(tài)的氮素積累都會對人類和環(huán)境水體產(chǎn)生不良影響，其主要的不良影響有如下幾點:①氨(NH3)會消耗水中的溶解氧，還會毒害水生生物，誘發(fā)富營養(yǎng)化；②羥胺(NH2OH)對水生生物產(chǎn)生劇毒作用；③硝酸(鹽)(NO3-)會誘發(fā)富營養(yǎng)化問題；④亞硝酸(鹽)(NO2-)不僅消耗水中的溶解氧，誘發(fā)富營養(yǎng)化問題，還會對人體產(chǎn)生致癌作用；⑤氧化氮(NO)和氧化二氮(N2O)會破壞臭氧層，導(dǎo)致酸雨產(chǎn)生。

其中以以氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(鹽)(NO3--N)和亞硝態(tài)氮(鹽)(NO2--N)對水體的危害最為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為:①使湖泊、水庫等水體發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象；②使給水處理工程的加氯量大大增加，從而增加了處理成本；③還原態(tài)氮(NH4+-N、NH3)會消耗水中的溶解氧，使水體發(fā)臭；④影響污水的再生利用。

隨著氮素污染的日益加劇，以及人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，氮素工程治理已成為環(huán)保行業(yè)尤為重視的問題。

1 受能力傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)

(1) 傳統(tǒng)生物脫氮的原理 傳統(tǒng)生物脫氮的基本原理是首先將廢水中的NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-，然后再將NO2-進(jìn)一步氧化為，最終經(jīng)過還原轉(zhuǎn)化為N2的一個過程。因此，在傳統(tǒng)的廢水生物脫氮工藝中，廢水中的N經(jīng)歷了從最低價的-3價到最高的+5價，然后再逐漸回到0價的一個漫長和反應(yīng)復(fù)雜的過程。

這個過程主要分為兩個階段，第一個階段為硝化過程，是由兩類自養(yǎng)型硝化細(xì)菌(亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌)完成的。第二個階段是反硝化過程，由另一類異養(yǎng)型反硝化細(xì)菌來完成，它們將氧化態(tài)氮(NO3--N或NO2--N)還原為N2，最終排放到大氣中。反硝化過程需要利用有機物作為電子供體，消耗一定的有機物。

硝化過程反應(yīng)式如下:

反硝化過程反應(yīng)式如下:

根據(jù)理論計算，每氧化1mgNH4+-N為NO3--N，需要消耗堿7.07mg(以CaCO3計)。因此，如果污水中沒有足夠的堿度來維持，硝化反應(yīng)將導(dǎo)致廢水的pH值下降，最終導(dǎo)致反應(yīng)速度變慢。另外，完全氧化1mgNH4+-N為NO3--N，需要氧氣4.57mg。

反硝化過程轉(zhuǎn)化1mg NO3--N為N2，相當(dāng)于提供2.86mg的O2；與此同時，還產(chǎn)生3.57mg的堿度(以CaCO3計)。但為達(dá)到充分脫氮，需要有充足的有機碳作為電子供體，當(dāng)BOD5/TkN>3～5:1時，才可以達(dá)到徹底脫氮的目的。

(2)傳統(tǒng)生物脫氮工藝運行的影響因素 傳統(tǒng)生物脫氮工藝運行的影響因素主要有如下幾點:

①pH值。pH值是影響廢水生物脫氮系統(tǒng)正常運行的重要參數(shù)。在硝化階段要消耗廢水中的堿度而使pH值下降，而在反硝化階段會產(chǎn)生一定量的堿度使pH值有所上升；但是反硝化所產(chǎn)生的堿度比硝化階段所消耗的堿度要少，如果脫氮系統(tǒng)進(jìn)水的堿度低，一般需要另外補充堿度才能將硝化反硝化反應(yīng)控制在最佳的pH值范圍。

②溶解氧(DO)。溶解氧含量的多寡將影響整個脫氮工藝的處理效率，同時也會影響硝化與反硝化的類型。當(dāng)廢水中溶解氧含量低于0.5～0.7mg/L時，會影響硝化菌的生物代謝，氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)和亞硝態(tài)氮的硝化反應(yīng)將受抑制。在反硝化階段，溶解氧濃度過高時，會對反硝化菌產(chǎn)生抑制作用，使反硝化速率下降，所以，反硝化段的溶解氧濃度應(yīng)控制在0.5mg/L以下為宜。

③溫度。生物硝化反應(yīng)的溫度范圍在5～35℃之間，但是硝化菌的最佳生長溫度為30～35℃，亞硝化菌最佳生長溫度為30℃。當(dāng)溫度低于15℃時，硝化速率急劇下降；低于5℃時，硝化反應(yīng)作用幾乎停止。反硝化受溫度的影響也很大，反硝化最適合的溫度為20～35℃，當(dāng)溫度低于15℃時，反硝化速率明顯降低；在5℃以下時反硝化雖然也能進(jìn)行，但其速率極低。

④碳氮比(C/N)。碳氮比(C/N)是控制脫氮效果的另外一個重要因素。目前含氮廢水(特別是低C/N廢水)生物脫氮處理所面臨的最大問題是碳源不足。據(jù)理論計算，將1mgNO-N3還原為N2需要有機碳(以BOD5表示)為2.86mg。當(dāng)廢水中碳氮比(C/N)大于3～5時，利用傳統(tǒng)脫氮技術(shù)不必外加碳源也要獲得好的脫氮效果。

⑤污泥齡(θC)。污泥齡的長短受污泥負(fù)荷控制，污泥負(fù)荷是指單位質(zhì)量的活性污泥中微生物群體的數(shù)量在單位時間內(nèi)所去除的污染物的量。生物脫氮工藝中的污泥齡必須大于硝化菌最小的世代時間，否則硝化菌的流失速度將大于其凈增殖率，從而使硝化菌從系統(tǒng)中流失。

(3)傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)在天然橡膠初加工廢水處理中的局限性 傳統(tǒng)生物脫氮常用的工藝(如A/O法、氧化溝、SBR法等)在天然橡膠初加工廢水脫氮方面可以起到了一定的作用，但是仍然存在一些問題:

①硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高生物濃度，因此造成系統(tǒng)總水力停留時間較長，有機負(fù)荷較低，增加了基建投資和運行費用；②實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)的抗沖擊能力較弱，如果氨氮或者亞硝酸鹽氮的濃度偏高，將會抑制硝化菌的生長；③反硝化過程需要消耗太多碳源，如果廢水中的碳源不足，反硝化的速率將會降低；④氨氮全程硝化，需要消耗大量的氧氣，所需的動力費用較大；⑤由于天然橡膠初加工廢水曝氣處理設(shè)施經(jīng)常會出現(xiàn)進(jìn)水氨氮高而BOD5較低的情況，不能滿足BOD5/TkN>3的要求，需要額外投加碳源，增加了運行成本。

2 天然橡膠初加工生產(chǎn)廢水生物脫氮處理新工藝

(1)生物脫氮處理新工藝 一直以來，在高濃度含氮廢水的工程實踐中，都一直認(rèn)為要徹底實現(xiàn)廢水生物脫氮就必須使NH4+-N經(jīng)歷典型的硝化和反硝化過程才能完全被除去。在傳統(tǒng)的生物脫氮反應(yīng)中，NO3--N的生成不僅延長了脫氮反應(yīng)歷程，而且會造成碳源和外加能源的浪費。因此，縮短和控制脫氮歷程在很大程度上節(jié)約了廢水處理的基建成本和運行成本，具有重要的實際應(yīng)用價值，成為了很多實踐工作者和理論研究者追求的目標(biāo)。

從氮的微生物轉(zhuǎn)化過程來看，NH4+-N被氧化成NO3--N是由兩類獨立的細(xì)菌催化完成的兩個不同的反應(yīng)，對于反硝化菌，無論是NO2--N還是NO3--N均可以作為最終受氫體。因而整個生物脫氮過程可以通過NH4+-N—NO2-N—N2的途徑完成，從而縮短了反應(yīng)歷程。因此，人們就把經(jīng)此途徑進(jìn)行脫氮的技術(shù)稱為短程硝化反硝化生物脫氮技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于垃圾填埋場滲濾液、消化污泥脫水上清液的處理中，近年來，也逐漸地被應(yīng)用到天然橡膠初加工的高濃度氨氮廢水處理中。

(2)短程硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的可行性與經(jīng)濟分析 ①短程硝化反硝化工藝將硝化過程控制在NO2-階段而中止，隨后進(jìn)行反硝化。通過能影響微生物生命活動的因素將硝化控制停止在NO2-階段是實現(xiàn)這一類型生物脫氮技術(shù)的關(guān)鍵。為了避免在反應(yīng)過程中NO2-N進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成NO3-N，使反應(yīng)盡可能停留在亞硝化階段，可以通過控制硝化菌和亞硝化菌的相對活性，或通過調(diào)整曝氣量這兩個途徑來實現(xiàn)，具有可操作性。②由于亞硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，所以泥齡也相應(yīng)縮短。把反應(yīng)控制在亞硝酸型階段易提高微生物濃度和硝化反應(yīng)速度，縮短硝化反應(yīng)的歷程和反應(yīng)時間，從而可以減小反應(yīng)器的容積，節(jié)省了構(gòu)筑物的建設(shè)費用。③從亞硝酸菌的生物氧化反應(yīng)可以看到，把反應(yīng)控制在亞硝酸階段，節(jié)省了氧化NO2--N為NO3—N所需的氧氣量，大大降低了運行成本。④從反硝化的角度來看，把NO--N還原到N比從NO-223-N還原到N2需要的氫供體要少得多，有機碳源的需求量也比硝酸型脫氮減少了40%左右，所需C/N比值較傳統(tǒng)工藝要小。⑤脫氮過程對廢水C/N比的要求低，在反硝化過程中最大限度地降低有機碳源CODcr消耗量，可允許更多的CODcr在前置的厭氧反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為生物能源——甲烷，具有較好的經(jīng)濟效益。