低碳氮比污水脫氮技術(shù)最新進(jìn)展

張 巖，趙劍文，宋 超，俞 斌，康樹林

（上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠，上海 201203）

隨著水污染加劇，我國部分水體湖泊富營養(yǎng)化嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)功能嚴(yán)重退化。水十條發(fā)布以后，國內(nèi)大部分污水廠針對出水總氮進(jìn)行考核，要求污水廠出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，而目前國內(nèi)大部分污水處理廠的總氮不能達(dá)標(biāo)排放，因此全國各地為保證總氮達(dá)標(biāo)進(jìn)行了新一輪的提標(biāo)和改擴(kuò)建。從脫氮技術(shù)角度來看，生物脫氮技術(shù)是目前污水脫氮處理最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。但是對于低碳氮比的污水，傳統(tǒng)的工藝到不到理想的脫氮效果，而且處理過程需氧量大，動力消耗大，為了保證較高的污泥濃度和良好的脫氮效果，必須同時(shí)進(jìn)行污泥和消化液回流，同時(shí)為了保證硝化菌的活性，工藝的HRT較長，曝氣池投資較大，運(yùn)行費(fèi)用較高。

在處理低C/N廢水方面，厭氧氨氧化工藝不需要外加有機(jī)碳源，并且比傳統(tǒng)的硝化-反硝化反應(yīng)減少了25%需氧量，從而降低了投資和運(yùn)行費(fèi)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，針對低碳氮比污水，尋求經(jīng)濟(jì)有效的處理技術(shù)具有重要意義。本文針對上述生物脫氮技術(shù)問題，結(jié)合最新的國內(nèi)外研究成果，闡述了低碳氮比廢水的技術(shù)研究最新進(jìn)展，以期為廢水的治理提供一定的參考。

1 常規(guī)脫氮技術(shù)進(jìn)展

1.1 傳統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化

污水廠進(jìn)水碳氮比較低，導(dǎo)致現(xiàn)有活性污泥系統(tǒng)對總氮的去除不完全，進(jìn)而影響出水總氮的達(dá)標(biāo)。首先，需要從現(xiàn)有工藝出發(fā)，對進(jìn)水碳源進(jìn)行合理分配，提高氮源的利用率。國內(nèi)多位學(xué)者和工程技術(shù)人員通過對現(xiàn)有工藝的優(yōu)化來進(jìn)一步提升碳源的利用率，主要措施包括合理控制池內(nèi)不同區(qū)域的溶解氧，通過調(diào)整不同位置的溶解氧水平，避免進(jìn)水中的碳源被過快消耗，從而為后續(xù)生物脫氮保留足夠的碳源[1]。對進(jìn)水進(jìn)行分段或者多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)水，保證各段微生物能充分利用進(jìn)水中的有效碳源進(jìn)行反硝化[2]。對于傳統(tǒng)脫氮除磷工藝，碳源既要脫氮又要兼顧除磷，脫氮效率很難得到保證，因此，部分污水廠調(diào)整碳源的利用策略，進(jìn)水的碳源優(yōu)先保證脫氮所需的碳源，進(jìn)水中的磷通過添加化學(xué)藥劑進(jìn)行輔助去除，這樣節(jié)省了生物除磷所需的碳源，進(jìn)而提高了脫氮效率[3-4]。

1.2 生物強(qiáng)化工藝

生物強(qiáng)化工藝包括定向培養(yǎng)部分微生物菌種和微生物固定化技術(shù)，提高低碳氮比污水的脫氮效果。劉向陽針對養(yǎng)豬廢水的高氨氮低C/N沼液，通過培養(yǎng)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌作為生物強(qiáng)化劑，以PAN活性炭纖維作為填料的生物接觸氧化池（BCO）為膜生物反應(yīng)器，強(qiáng)化處理豬場沼液，結(jié)果顯示，NH4-N+、TN的去除率比傳統(tǒng)工藝提高29.3%、20.2%[5]。賈小寧通過固定化微生物組合床型對低C/N比污水的脫氮性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著碳氮比的增大，TN去除率快速增大，碳氮比為3時(shí)，該工藝對NH4-N+、TN的去除率分別達(dá)到了97.89%、72.52%[6]。王春喜研究了固定化反硝化菌聯(lián)合固定碳源小球處理低碳氮比污水，最終投了小球的試驗(yàn)組NH4-N+、TN的去除率分別達(dá)到了85.46%、78.33%[7]。

1.3 投加碳源和無機(jī)鹽

目前，大部分企業(yè)選擇外加碳源來補(bǔ)充污水中缺少的碳源，常見的外加碳源主要包括小分子有機(jī)物質(zhì)，如甲醇、乙醇、乙酸、乙酸鈉等；大分子有機(jī)物如葡萄糖、蔗糖、糖蜜等；纖維素類有機(jī)物如木屑、麥稈、稻殼等；人工合成類高分子材料如PHA、PHB、PHAS等，其中人工合成類的固體緩釋碳源由于具有緩慢釋放有機(jī)碳，降低有機(jī)碳添加過量引起的二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，還能為系統(tǒng)內(nèi)微生物提供附著點(diǎn)等作用，成為研究熱點(diǎn)之一。裴延權(quán)投加PHB作為固體緩釋碳源處理CRI出水，通過投加緩釋碳源33 d后，系統(tǒng)的NH4-N+、TN的去除率均值分別達(dá)到了77.18%、74.06%；裴延權(quán)采用了稻殼、玉米芯、陳米等作為外加碳源，發(fā)現(xiàn)陳米更合適作為脫氮的碳源，出水總氮范圍為0.69～10.80 mg/L[8-9]。而投加鐵鹽類無機(jī)鹽可以為反硝化菌提供電子供體，促進(jìn)反硝化作用，提高系統(tǒng)脫氮效率，解決進(jìn)水的碳源缺乏問題。張嘉輝研究了低碳氮比污水投加Fe2+輔助活性污泥進(jìn)行脫氮，結(jié)果表明，投加Fe2+后系統(tǒng)內(nèi)脫氮效率提高了8%[10]。

1.4 污泥發(fā)酵液應(yīng)用

污泥發(fā)酵液中含有大量的VFAs，VFAs作為微生物容易利用的碳源，用來補(bǔ)充反硝化所需的碳源，同時(shí)也為污泥減量化開辟了新出路，是近年來新興的熱點(diǎn)。羅哲利用污泥厭氧發(fā)酵液作為碳源的中試研究表明，污泥液作為外加碳源時(shí)，出水的NH4-N+、TN去除率分別達(dá)到了88.91%、64.86%[11]。姚創(chuàng)通過對比乙酸鈉和污泥發(fā)酵液作為外加碳源，用于氧化溝脫氮除磷研究，結(jié)果表明，污泥發(fā)酵液作為脫氮除磷碳源能達(dá)到和乙酸鈉同樣的效果，可以替代商業(yè)碳源使用[12]。劉紹根利用絮凝污泥水解酸化液作為外加碳源處理低碳氮比生活污水，NH4-N+、TN去除率分別達(dá)到了96.12%、79.80%[13]。

1.5 多工藝組合

通過傳統(tǒng)工藝和生物膜技術(shù)的組合工藝，人們可以得到更好的有機(jī)物和氨氮的去除效果，多種工藝的組合可以達(dá)到較好的耐沖擊負(fù)荷能力、提高氧的利用率、降低污泥產(chǎn)量。張國珍通過投加懸浮復(fù)合填料的方式對多級A/O進(jìn)行了改良，結(jié)果表明，添加填料后進(jìn)一步提高了脫氮效果[14]。Hu Xiang通過缺氧/厭氧/好氧/預(yù)缺氧-MBR來處理低C/N的城市生活污水，結(jié)果表明，往缺氧區(qū)投加外加碳源后，最終NH4-N+、TN去除率分別達(dá)到了98.1%、74.9%[15]。吳勇采用多級AO-MBR組合工藝來處理低碳氮比城市污水，通過優(yōu)化工藝，最終系統(tǒng)出水的氨氮、總氮均值分別為1.39 mg/L、12.40 mg/L，出水能滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[16]。

2 新型脫氮技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)的生物脫氮是一種高能耗、高成本的模式，尤其是對于低碳氮比的污水，碳源不足，脫氮效率會偏低。因此，研究低能耗高效率的脫氮工藝，已經(jīng)成為當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著生物信息學(xué)和微生物鑒定技術(shù)的發(fā)展，人們對脫氮機(jī)理的認(rèn)識更加深入，多種新型脫氮理論和工藝應(yīng)運(yùn)而生，短程硝化反硝化技術(shù)、同步硝化反硝化技術(shù)（SND）、同步反硝化脫氮除磷技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)以及多種工藝的組合應(yīng)用，均在21世紀(jì)得到了較大的發(fā)展，下文將展開論述。

2.1 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是將氨氮的硝化反應(yīng)控制在亞硝酸鹽階段，然后利用亞硝酸鹽菌（AOB）進(jìn)行反硝化.與完全硝化反應(yīng)相比，短程硝化反硝化具有更快的反硝化速率，縮短了反應(yīng)過程，可以使反應(yīng)器容積減少40%左右，同時(shí)曝氣量降低約25%，碳源需求也得到了降低。鞏秀珍利用SBR反應(yīng)器，結(jié)合后置短程硝化反硝化技術(shù)處理低C/N比的城市污水，通過優(yōu)化曝氣量和缺氧停留時(shí)間，最終整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的NO2-N-、TN去除率分別達(dá)到了81.64%、95.26%[17]。吳春雷建立了A2/O工藝中試裝置，研究了低C/N條件下污水短程硝化反硝化工藝的脫氮性能，結(jié)果表明，亞硝氮的積累率穩(wěn)定在62%以上，出水總氮低于9.0 mg/L，同時(shí)在最優(yōu)工況下，系統(tǒng)節(jié)約碳源約27.3%[18]。王永慶采用厭氧-好氧-好氧-厭氧工藝處理老齡垃圾滲濾液，該廢水具有高氨氮、低C/N的特點(diǎn)，在控制溶解氧在0.1～0.5 mg/L和充足堿度的條件下，O1池NO2-N-的累計(jì)率在90%以上，系統(tǒng)對NH4-N+、TN去除率分別達(dá)到了95%、66.5%，O1池優(yōu)勢菌種為AOB，成功實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化體系[19]。

2.2 同步硝化反硝化技術(shù)（SND）

SND技術(shù)是指在同一反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)發(fā)生硝化和反硝化現(xiàn)象，近幾年SND技術(shù)國內(nèi)外也有不少報(bào)道，SND存在于多種系統(tǒng)內(nèi)，生物膜系統(tǒng)、SBR和氧化溝等均發(fā)現(xiàn)了SND現(xiàn)象。鄧時(shí)海模擬低了C/N比污水，在SBR系統(tǒng)內(nèi)添加改性活性炭纖維來研究脫氮效果，發(fā)現(xiàn)C/N為5:1時(shí)，NH3-N從15 mg/L降至2.5 mg/L，總氮從20 mg/L降至4 mg/L[20]。Yuhai Liang采用SNAD工藝處理低C/N比污水，總氮去除率達(dá)到81%，同時(shí)鑒定出系統(tǒng)內(nèi)的菌株主要為Nitrosomonas和Candidatus brocadia[21]。Gogina通過實(shí)驗(yàn)室小試裝置研究了SND技術(shù)處理低碳氮比廢水，經(jīng)過49 d的試驗(yàn)，結(jié)果表明有機(jī)物去除率在95%～96%，氨氮去除率在80%～90%[22]。

2.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在厭氧條件下，微生物以NH4-N+為電子供體，以NO2-N-電子受體，將NH4-N+轉(zhuǎn)變?yōu)镹2和少量NO3-N的生物氧化過程。1977年，Broda通過熱力學(xué)計(jì)算預(yù)言了厭氧氨氧化反應(yīng)，至今厭氧氨氧化技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于污水處理，厭氧氨氧化反應(yīng)無需外加碳源、水力停留時(shí)間短、耗氧量少，但厭氧氨氧化細(xì)菌培養(yǎng)條件比較苛刻，系統(tǒng)啟動較困難[23]。強(qiáng)紅研究了厭氧氨氧化工藝的啟動及其處理低碳氮比城市污水，研究表明，通過接種厭氧氨氧化污泥，啟動時(shí)間大大縮短，氨氮和亞硝氮的去除率達(dá)到92%[24]。Rui Du通過Anammox工藝研究低碳氮比、低溫的生活污水，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水COD、NH3-N、NO3-N-分別為166.3 mg/L、60.6 mg/L、50 mg/L時(shí)，去除率分別達(dá)到了78.7%、97.6%、89.5%[25]。Shenbin Cao通過兩段PD-Anammox工藝處理低碳氮比城市生活污水，結(jié)果表明，氨氮去除率達(dá)到了95.2%，總氮出水低于4.0 mg/L[26]。

2.4 多種工藝聯(lián)用

隨著研究的深入，國內(nèi)外許多學(xué)者通過上述新型的脫氮技術(shù)聯(lián)合使用，使其在節(jié)能減耗、脫氮效率、污泥減量方面產(chǎn)生了更好的效果。劉洪濤在SBR系統(tǒng)內(nèi)，利用亞硝化-復(fù)合式UASB厭氧氨氧化組合工藝處理模擬廢水，NH4-N+和COD的進(jìn)水濃度均為300 mg/L，最后TN和COD的去除率達(dá)到了91.99%和93.59%，該組合工藝處理污泥脫水液時(shí)，TN和COD的去除率達(dá)到了84.27%和90.33%[27]。Deniz通過UASB-MBR-SHARON-ANAMMOX工藝聯(lián)用，處理填埋場滲濾液，取得了較好的效果，最終TKN和COD的去除率均超過了90%[28]。Loosdrecht利用SHARONANAMMOX組合工藝處理高氨氮廢水，結(jié)果表明，每天有接近80%的氨氮被轉(zhuǎn)換成了氮?dú)?，處理?fù)荷約為1.2 kg N/（m3·d）[29]。Tian Li通過 ABR-CANON 組合工藝處理城市生活污水，該系統(tǒng)5 d時(shí)間成功啟動，在DO為0.5～2.0 mg/L、HRT為6 h、pH為8時(shí)，總氮去除率為81%～87%，出水COD約為40 mg/L[30]。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)硝化反硝化工藝主要應(yīng)用于低氨氮廢水，對于低碳氮比的廢水達(dá)不到理想的處理效果，因此需要對工藝進(jìn)行優(yōu)化，常見的有添加碳源、生物膜和現(xiàn)有活性污泥工藝聯(lián)合處理，以盡可能降低出水的總氮，使其污水達(dá)標(biāo)排放。而新興脫氮技術(shù)對處理低碳氮比的污水具有較高的脫氮效果，國內(nèi)外學(xué)者和技術(shù)人員對亞硝化與厭氧氨氧化等技術(shù)進(jìn)行了研究和實(shí)際應(yīng)用，對脫氮處理效果、降解機(jī)理和主要影響因素等進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)低碳氮比廢水的高效、低能耗處理，為新技術(shù)的推廣提供了理論依據(jù)。本文介紹了傳統(tǒng)的和新型的脫氮處理技術(shù)，以期使科研人員和工程技術(shù)人員更全面、更深入地了解低碳氮比廢水的處理技術(shù)。