污水處理中生物脫氮工藝的研究進(jìn)展

邊春捷

（中廣核宏達(dá)環(huán)境科技有限責(zé)任公司山東濟(jì)南250300）

污水處理中生物脫氮工藝的研究進(jìn)展

邊春捷

（中廣核宏達(dá)環(huán)境科技有限責(zé)任公司山東濟(jì)南250300）

氮元素在自然界中大量存在，是非常豐富的元素之一，它在自然界中主要以分子氮、有機(jī)氮化合物和無機(jī)氮化合物的形式存在。它們?cè)谖⑸?、?dòng)物、植物體內(nèi)相互轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化，構(gòu)成了氮循環(huán)。而微生物在其中起著非常重要的作用，主要通過氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用來實(shí)現(xiàn)的。而目前，水體污染越遠(yuǎn)越嚴(yán)重，處理難度越拉越大，生物處理工藝受到了更多的重視。

生物脫氮；污水處理；工藝

1　生物脫氮技術(shù)的機(jī)理

1.1氨化作用

氨化作用是脫氮作用的初始步驟，是將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為氨氮的一個(gè)過程。在這個(gè)步驟中起關(guān)鍵作用的微生物稱為氨化菌，其分布較為廣泛，包括好氧的靈桿菌、兼性變形桿菌、厭氧的腐敗梭菌等。其脫氨作用根據(jù)不同的菌類分為好氧型和兼性、厭氧型的，在好氧菌中有氧化脫氨和水解脫氨；在兼性、厭氧型菌種有還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種。

1.2硝化作用

硝化作用是利用亞硝酸菌和硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮的過程，該過程的微生物為好氧自養(yǎng)型微生物，利用氨氮、亞硝酸鹽為氮源，CO32-、HCO-、CO2等作為無機(jī)碳源來獲得能量。其硝化過程的特征為：該過程是一個(gè)好氧的反應(yīng)，且需要大量的氧氣來完成；該反應(yīng)過程中微生物生長(zhǎng)率低，生物量濃度較低，且受環(huán)境條件較敏感；硝化過程是一個(gè)產(chǎn)酸的反應(yīng)，在反應(yīng)過程中需要補(bǔ)充大量的堿來保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。

1.3反硝化作用

反硝化作用是由反硝化菌完成的脫氮步驟，需在厭氧或兼氧條件下以硝酸氮為電子受體，最終還原為氮?dú)饣蛘叩钠渌麣鈶B(tài)形式。該類細(xì)菌在自然界的分布極為廣泛，而且在有氧的條件下，可以利用作為電子受體進(jìn)行氧化有機(jī)物；在厭氧條件下可以利用硝酸氮來進(jìn)行能量獲取的過程，而且利用氧氣和硝酸氮之間的轉(zhuǎn)換是非常容易進(jìn)行的，這也使得該微生物的生命力增強(qiáng)，對(duì)污水的沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

2　傳統(tǒng)生物脫氮工藝

目前實(shí)際中應(yīng)用最多的技術(shù)有A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝等。

2.1傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝

活性污泥法是應(yīng)用最早的生物脫氮技術(shù)，是利用氨化、硝化和反硝化最為典型的污水處理技術(shù)。主要構(gòu)筑物為曝氣池、硝化池、反硝化池和沉淀池，在曝氣池中進(jìn)行氨化作用和有機(jī)物的降解，然后在硝化池中氨氮在亞硝化菌和硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮和硝酸氮；在反硝化池中最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)?；該工藝分別在各自的構(gòu)筑物中進(jìn)行脫氮反應(yīng)，反應(yīng)速度快且徹底，脫氮效果非常好，但是其存在的缺點(diǎn)是工藝流程長(zhǎng)、所需構(gòu)筑物多、投資高等。

2.2缺氧—好氧（A/O）工藝

生物脫氮過程是自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌和需氧菌、厭氧菌參與的過程，它們相互配合，同時(shí)又相互制約。硝化過程無需有機(jī)碳，而發(fā)硝化過程需要大量的有機(jī)物參與；硝化過程是好氧反應(yīng)，而反硝化過程是嚴(yán)格厭氧的條件；硝化反應(yīng)是耗堿的過程，而反硝化是產(chǎn)堿的過程。正是由于存在這個(gè)聯(lián)系和矛盾，研究者開發(fā)了新的生物脫氮工藝，將缺氧和好氧反應(yīng)器獨(dú)立開來，回流沉淀池中的污泥到缺氧反應(yīng)器，同時(shí)好氧反應(yīng)器中的污水向缺氧反應(yīng)器中進(jìn)行回流，該工藝稱其為缺氧—好氧生物脫氮工藝，簡(jiǎn)稱（A/O）工藝。

A/O工藝對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行了改進(jìn)，解決了活性污泥法中的一些缺點(diǎn)，在目前的實(shí)際工程中有著廣泛的應(yīng)用。該工藝能夠充分利用反硝化中產(chǎn)生的堿度，無需另行投加堿；此外，該工藝流程短，運(yùn)行費(fèi)用低。但其還存在一些確定，就是該工藝中需進(jìn)行雙循環(huán)，且出水中可能會(huì)含有硝酸鹽，而且易發(fā)生二沉池污泥上浮的現(xiàn)象。

2.3厭氧/缺氧/好氧（A2/O）工藝

A2/O工藝是在A/O工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)研究的結(jié)果，是一種能夠同時(shí)脫氮除磷的污水處理工藝。A2/O工藝是在A/O工藝前增加了厭氧構(gòu)筑物形成了厭氧-缺氧-好氧的處理過程，在保證了脫氮效果的基礎(chǔ)上增加了除磷的功能。在前端增加了厭氧池使得聚磷過程和反硝化得到了分離，解決了硝化菌、反硝化菌和聚磷菌之間存在的相互制約作用。

對(duì)A/O工藝進(jìn)行改進(jìn)的A2/O工藝本具有以下特點(diǎn)：（1）相比其它脫氮除磷工藝流程較為簡(jiǎn)單，水力停留時(shí)間低于同類工藝；（2）厭氧、缺氧和好氧條件交替運(yùn)行，絲狀菌不易大量繁殖且污泥膨脹現(xiàn)象較低；（3）該工藝中剩余污泥中含磷量較高，是磷肥的良好原料；（4）該工藝運(yùn)行過程中不需要投加藥劑，運(yùn)行費(fèi)用較低。

雖然A2/O工藝在一定程度上改進(jìn)了工藝，提高了污水處理能力及效率，但是還存在一些問題，對(duì)于脫氮除磷的整體效果難于得到進(jìn)一步的提高；在運(yùn)行時(shí)需在沉淀池入水中保證一定的溶解氧，以便保證在污泥中出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象。

2.4氧化溝工藝

氧化溝工藝是在上世紀(jì)50年代由荷蘭的研究者開發(fā)研制出的污水處理工藝。它是一種封閉的溝渠型結(jié)構(gòu)，污水和污泥在整個(gè)渠道中不斷的循環(huán)流動(dòng)，根據(jù)處理的水質(zhì)條件設(shè)置好氧區(qū)和厭氧區(qū)來實(shí)現(xiàn)污水脫氮。隨著對(duì)污水水質(zhì)要求的提高，氧化溝的構(gòu)型和處理效果也進(jìn)行了不斷的改進(jìn)。

氧化溝工藝使得處理構(gòu)筑物更為簡(jiǎn)化，其在封閉的渠道中添加曝氣裝置，能夠更加有效的控制好氧段和厭氧段；且在處理運(yùn)行時(shí)無需外加碳源，降低了工藝運(yùn)行的費(fèi)用。大量的研究結(jié)果表明，在氧化溝中存在同步硝化反硝化的現(xiàn)象，對(duì)處理含氮污水有著更好的運(yùn)行結(jié)果。

2.5間歇式（SBR）脫氮工藝

SBR脫氮工藝也是在對(duì)污水處理技術(shù)不斷改進(jìn)的條件下發(fā)展起來的。它的處理流程主要有進(jìn)水期、反應(yīng)期、沉淀期、排水排泥期和閑置期五個(gè)階段。通過自控技術(shù)改變進(jìn)水、曝氣、排水等階段，使得污水在反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)COD的降解、硝化作用以及反硝化作用。SBR工藝相比其它脫氮工藝更為靈活，占地面積小，設(shè)計(jì)靈活適應(yīng)各種地理?xiàng)l件。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，使得SBR工藝也得到了提高，對(duì)其運(yùn)行控制更為準(zhǔn)確、靈活，也使得SBR工藝在脫氮技術(shù)方面有了更大的提高和應(yīng)用的廣泛性。

3　新型生物脫氮工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝的改進(jìn)主要通過調(diào)整工藝流程來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而改變硝化菌和反硝化菌的生存環(huán)境，解決它們之間存在的這種環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的矛盾。隨著對(duì)生物脫氮工藝的進(jìn)一步深入研究，一些新型的工藝不斷的涌現(xiàn)，對(duì)污水脫氮效果有著更為簡(jiǎn)潔和高效[1]。

3.1同步硝化反硝化脫氮工藝

傳統(tǒng)的研究結(jié)果表明硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所需的環(huán)境不同，它們不能在同一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中共同實(shí)現(xiàn)。但隨著對(duì)兩類細(xì)菌及脫氮工藝的深入研究，發(fā)現(xiàn)在好氧狀態(tài)下污水中有30%的總氮會(huì)被去除，這和傳統(tǒng)的理論截然不同。再進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在好氧的環(huán)境中也存在反硝化的現(xiàn)象，其存在著一種好氧反硝化的細(xì)菌。

隨著同步硝化反硝化理論的出現(xiàn)，在一些污水處理工藝中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。目前對(duì)該理論的解釋有三種：（1）環(huán)境理論：研究這認(rèn)為在好氧的構(gòu)筑物中，曝氣的不均勻，在環(huán)境中局部出現(xiàn)了缺氧、厭氧和好氧的環(huán)境，因此在工藝運(yùn)行過程中，會(huì)在局部出現(xiàn)適合反硝化反應(yīng)的條件。（2）微觀環(huán)境理論：該理論主要是針對(duì)顆粒污泥形式的微觀環(huán)境，研究著認(rèn)為在大于100μm的顆粒污泥中，在顆粒中回形成內(nèi)部缺氧或厭氧的環(huán)境，進(jìn)而在顆粒外部進(jìn)行硝化反應(yīng)，在內(nèi)部進(jìn)行反硝化作用，因此，可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化。（3）微生物理論：認(rèn)為存在好氧環(huán)境進(jìn)進(jìn)行反硝化的細(xì)菌，即好氧反硝化菌。在好氧環(huán)境中硝化菌和好氧反硝化菌相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化[2]。

3.2短程硝化反硝化脫氮工藝

在對(duì)脫氮工藝不斷的研究中發(fā)現(xiàn)，生物脫氮可以氨化、亞硝化和反硝化來實(shí)現(xiàn)。以亞硝酸鹽為電子受體，進(jìn)行反硝化，從而節(jié)約了氨氮硝化過程中氧氣的消耗，節(jié)省了動(dòng)力費(fèi)用，同時(shí)還減少了反硝化過程中碳源的消耗[3]。目前短程硝化反硝化主要應(yīng)用于高濃度氨氮廢水中，游離氨對(duì)亞硝化菌存在抑制作用。此外，亞硝化菌對(duì)溫度以及環(huán)境中溶解氧濃度的要求都比較嚴(yán)格，其應(yīng)用的廣泛性和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究，以保證其能夠更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.3厭氧氨氧化（ANAMMOX）脫氮工藝

厭氧氨氧化脫氮是由Mulder在流化床工藝中發(fā)現(xiàn)的，研究過程中發(fā)現(xiàn)氨氮和亞硝酸鹽在厭氧條件下按照一定的比例可以同時(shí)被去除，后來將這一現(xiàn)象命名為厭氧氨氧化。其脫氮原理為在厭氧條件下，氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽作為電子受體，通過厭氧氨氧化菌的作用下轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。該工藝相比傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝具有很多優(yōu)勢(shì)：（1）該反應(yīng)過程中只需要無機(jī)碳源，不需要添加有機(jī)碳源，節(jié)約了成本，同時(shí)也防止二次污染；（2）該工藝中只需將氨氮氧化為亞硝酸氮，節(jié)省了曝氣設(shè)備的動(dòng)力消耗；（3）厭氧氨氧化菌的反應(yīng)幾乎不產(chǎn)生N2O，避免了傳統(tǒng)脫氮工藝中溫室氣體的排放。但其生長(zhǎng)的時(shí)代周期較長(zhǎng)，而且單獨(dú)細(xì)菌個(gè)體不能生長(zhǎng)。該工藝在應(yīng)用技術(shù)上還需深入研究，進(jìn)而保證良好的運(yùn)行和處理效果，以改善傳統(tǒng)的脫氮技術(shù)，提高處理能力。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)水環(huán)境及其可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)越來越加深，對(duì)廢水處理工藝的要求也越來越高。目前生物脫氮技術(shù)還有許多領(lǐng)域需要深入研究，對(duì)處理的效果還應(yīng)不斷加強(qiáng)，應(yīng)對(duì)其主要的影響因素重點(diǎn)研究，逐步解決各要素之間的相互關(guān)系。新的脫氮處理工藝，新的填料和新的硝化細(xì)菌等的探索和研究是將來生物脫氮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，能源的節(jié)約和有效利用也是必需要考慮的重要因素。

[1]楊慶,彭永臻.中試規(guī)模的城市污水常、低溫短程硝化反硝化[J].中國(guó)給水排水,2007,23（15）:1-3.

[2]馬雅琳,沈?qū)幰?舒余德.生物降解技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].湖南有色金屬.2000,16(2):34-37.

[3]湯爭(zhēng)爭(zhēng).短程硝化反硝化實(shí)現(xiàn)條件及穩(wěn)定性研究[D].天津:天津大學(xué),2006.

邊春捷（1981—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人。