含氨廢水生物脫氮工藝的研究進展

李志瑞，高會杰，孫丹鳳

含氨廢水生物脫氮工藝的研究進展

李志瑞，高會杰，孫丹鳳

（撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

在簡要介紹傳統(tǒng)生物脫氮理論與工藝的基礎上，詳述了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、氧限制自養(yǎng)硝化反硝化等新型生物脫氮工藝的原理及研究進展，并對其發(fā)展前景進行了展望，指出了各種技術在今后研究中需要解決的問題。

含氨廢水；生物法；脫氮

化工企業(yè)每天產(chǎn)生大量含氨廢水。如果直接排放，會造成水體富營養(yǎng)化，藻類過度生長，不僅降低了水體觀賞價值，而且使水生生物缺氧死亡。一些藻類蛋白毒素還會經(jīng)過食物鏈使人中毒，嚴重危害人類及生物生存。污水回用時，再生水中的氨氮還會促進輸水和用水設備中微生物繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水設備，影響換熱效率[1-3]。為此，如何經(jīng)濟有效地去除廢水中的氨氮已成為亟待解決的問題。

物化法脫氮時間短，見效快，去除率高；但是處理成本較高，還會帶來二次污染。而生物脫氮憑借其特有的經(jīng)濟性和無二次污染等優(yōu)點被公認為是一種最有發(fā)展前途的方法。

1 傳統(tǒng)生物脫氮理論與工藝

1.1 生物硝化與反硝化

生物脫氨氮是由硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，再由反硝化菌將硝態(tài)氮還原轉(zhuǎn)化為N2，從而達到脫氮的目的。

硝化過程是由自養(yǎng)硝化細菌——亞硝酸菌和硝酸菌完成，首先亞硝酸菌將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，然后由硝酸菌進一步氧化為硝態(tài)氮。硝酸菌的生長速率較慢，為使其能在連續(xù)流反應器中存活，微生物的停留時間必須大于自養(yǎng)硝酸菌的最小世代時間。硝化反應的好壞直接影響脫氮效率，因此硝化作用的程度往往是生物脫氮的關鍵。

反硝化是在無氧或低氧條件下，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮被微生物轉(zhuǎn)化為 N2的過程。反應中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮作為電子受體，并以有機碳作為碳源和能源。在有氧條件下，反硝化菌利用氧進行呼吸，氧化分解有機物。在無氧條件下，同時存在硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮時，他們利用這些離子中的氧進行呼吸，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的存在是反硝化的先決條件。

1.2 傳統(tǒng)生物脫氮工藝

傳統(tǒng)生物脫氮工藝主要有A/O、A2/O、氧化溝以及SBR的各種改進工藝等。傳統(tǒng)工藝適用于處理低濃度氨氮廢水，處理高濃度氨氮廢水存在如下問題[4]：①需要增加供氧量，增加了處理的基建投資和供氧動力費用。②對緩沖能力差的體系，還需補充大量堿度來維持pH值。③高氨氮廢水中存在的游離氨對微生物活性有抑制作用，影響處理系統(tǒng)的正常運行。④對可生化性差的高氨氮濃度廢水，反硝化需要投加大量外部碳源，成本偏高。

2 新型生物脫氮工藝

國內(nèi)外在氨氮廢水處理方面開展了較多研究，出現(xiàn)了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、氧限制自養(yǎng)硝化反硝化等多種新型工藝。

2.1 同時硝化反硝化

傳統(tǒng)脫氮理論認為硝化與反硝化不能在同一反應器內(nèi)同時發(fā)生，而近年來研究表明，反硝化可以在有氧條件下進行，這一新發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)認識，使同時硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND)生物脫氮成為可能。SND實現(xiàn)了在同一反應器同一條件下完成脫氮，目前研究的主要是將硝化菌與反硝化菌投加到同一反應器中進行混合培養(yǎng)。但是，近年來發(fā)現(xiàn)許多好氧反硝化菌同時也是異養(yǎng)硝化菌，可將氨氮在好氧條件下直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物[5]，進一步簡化了脫氮工藝。

荷蘭、丹麥、意大利、德國等已有污水廠在利用該工藝，國內(nèi)目前尚處于實驗室研究階段。耿金菊等[6]從土壤和水中篩選分離到混合脫氮微生物菌群，能在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為 N2排放，30 h內(nèi)氨氮去除率達98%以上。廖小紅等[7]對篩選到的蠟狀芽孢桿菌WXZ-8進行異養(yǎng)硝化-好氧反硝化性能測定，在最優(yōu)條件下，氨氮去除率高達96.06%。

SND具有以下優(yōu)點：簡化傳統(tǒng)工藝，省去了厭氧反硝化池，減少了占地面積，縮短了水力停留時間，降低了投資；硝化反應的酸度可部分被反硝化產(chǎn)生的堿度中和；減少甚至不需要投加碳源等。因此，SND成為目前生物脫氮研究的熱點，新型好氧反硝化菌的篩選和好氧同時硝化-反硝化生物脫氮技術已成為生物脫氮領域新的研究和發(fā)展趨勢。

2.2 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化(Shortcut Nitrification and Denitrification，SHARON)工藝是荷蘭Delft大學開發(fā)的[8-9]一種新型工藝，也稱為亞硝酸型生物脫氮技術，是利用在較高溫度下硝酸菌生長速率明顯低于亞硝酸菌生長速率的特點，抑制硝酸菌生長，將硝化過程控制在亞硝化階段，然后再進行反硝化。

1975年，Voct[10]發(fā)現(xiàn)了硝化過程中亞硝態(tài)氮的積累，提出了短程硝化反硝化的概念。短程硝化反硝化成功的關鍵是形成穩(wěn)定持久的亞硝態(tài)氮積累。Jetten等[11]利用硝酸菌和亞硝酸菌在較高溫度下生長速度的顯著差異，通過控制溫度和污泥停留時間，將在高溫下生長速度較慢的硝酸菌從反應器中沖洗出去，使亞硝酸菌在反應器中占優(yōu)勢，從而將氨氧化控制在亞硝化階段。

SHARON工藝具有以下優(yōu)點：①在同一反應器完成硝化與反硝化過程，使工藝流程大大簡化。②反硝化產(chǎn)生的堿度可部分中和硝化產(chǎn)生的酸度，減少投堿量，降低運行費用。③縮短反應歷程，節(jié)省了25%供氧量，降低能耗。④在低C/N條件下，實現(xiàn)了反硝化脫氮，節(jié)省40%外加碳源。⑤節(jié)省50%的反硝化反應器容積和占地面積。缺點是對溫度要求較高，比較適用于水溫較高的含氨廢水。

2.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX)是荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室開發(fā)的一種全新生物脫氮工藝，該工藝是在厭氧條件下，以亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮為電子受體，將氨氮氧化生成N2。

Broda[12]指出可能存在以硝態(tài)氮、CO2和O2為氧化劑將氨氮氧化為 N2的微生物。Straous 等[13]用生物固定床和流化床反應器研究ANAMMOX污泥特性，結(jié)果表明氨氮和硝態(tài)氮去除率分別高達82%和99%。解慶林等[14]采用ASBR反應器，接種消化污泥和厭氧顆粒污泥的混合污泥，在溫度(35±1)℃、HRT為24 h、pH為7.3～8.5的條件下，獲得厭氧氨氧化菌菌膠團，氨氮和亞硝態(tài)氮去除率平均為93.2%和95.7%，總氮平均去除率為86.9%。

ANAMMOX工藝優(yōu)點如下：無需外加碳源；減少堿投加量及供氧能耗；污泥產(chǎn)量少并降低CO2排放量。該工藝不僅能節(jié)省費用、降低能耗，而且可以防止二次污染，很有研究價值和開發(fā)前景。厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)為低C/N廢水的處理提供了新的思路，對于含氨廢水處理具有良好的開發(fā)應用前景。

2.4 氧限制自養(yǎng)硝化反硝化

氧限制自養(yǎng)硝化反硝化（Oxygen Limited Autotrophic Nitrification and Denitrification，OLAND）是由比利時Gent微生物實驗室開發(fā)的一種新型脫氮工藝[15]。該工藝是根據(jù)亞硝酸菌與硝酸菌對氧親和力的不同，淘汰硝酸菌的同時實現(xiàn)亞硝態(tài)氮的積累。該工藝關鍵是控制溶氧，即在限氧條件下，先由亞硝酸菌將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，再利用生成的亞硝態(tài)氮去氧化氨氮，達到脫氮目的。

OLAND在低溶氧濃度下維持亞硝態(tài)氮的積累，優(yōu)點在于反應器中的溶氧易于控制，操作方便，但需進一步提高其穩(wěn)定性。比傳統(tǒng)工藝節(jié)省供氧62.5%，不需外加碳源；比 SHARON-ANAMMOX系統(tǒng)節(jié)能37.5%，并在較低溫度下（22～30 ℃）仍可獲得較好效果。但是OLAND還未實現(xiàn)穩(wěn)定可行的工藝設計，仍在進一步研究和開發(fā)中，相信不久會成為一種高效生物脫氮工藝。

2.5 短程硝化-厭氧氨氧化

實現(xiàn)厭氧氨氧化（ANAMMOX）的先決條件是在同一反應器中同時存在氨氮和亞硝態(tài)氮，所以必須通過合理的工藝設計或者生物轉(zhuǎn)化實現(xiàn)系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮的自給。因此，短程硝化（SHARON）與ANAMMOX工藝的有機結(jié)合更具有現(xiàn)實意義。

與傳統(tǒng)工藝相比，SHARON-ANAMMOX在需氧量和外加碳源上都具有明顯優(yōu)勢：傳統(tǒng)工藝每kg氨氮需氧4.65 kg，而該組合工藝僅需1.7 kg，不需外加碳源。Fux等[16]采用該工藝對污泥消化液進行脫氮，在30 ℃條件下獲得2.4 kg/(m3?d) 的總氮去除率。Klemedtsson等[17]將該工藝與傳統(tǒng)工藝比較，認為前者耗氧只有后者的38%～56%，污泥產(chǎn)量只有后者的8%。王歡等[18]在常溫、不調(diào)節(jié)pH條件下，采用短程硝化反硝化預處理低C/N豬場廢水，并以經(jīng)預處理后廢水作為進水進行厭氧氨氧化脫氮。結(jié)果表明，預處理為厭氧氨氧化創(chuàng)造了進水條件，脫氮效果穩(wěn)定，氨氮、亞硝態(tài)氮、總氮的平均去除率分別為91.8%、99.3%、84.1%。

目前，該聯(lián)合工藝的研究仍處于實驗室階段，還需要進一步調(diào)整和優(yōu)化工藝條件，提高聯(lián)合工藝處理實際高氨氮廢水的總氮去除效能。

3 結(jié)束語

生物脫氮工藝正向著簡潔、高效、經(jīng)濟的方向發(fā)展，是廢水處理中一個頗受關注的領域。脫氮不僅要求較高的氨氮去除率，而且要求處理效果穩(wěn)定、工藝控制靈活、運行維護方便、投資成本低廉。盡管各種工藝都有其優(yōu)勢與不足，但由于不同廢水水質(zhì)的差異，各種條件的控制仍需進一步的探索。目前，只有 SHARON工藝得到實際應用，其它都處于實驗室階段。今后氨氮廢水的研究應著重考慮以下幾個方面：①加快新型工藝的實際應用，開發(fā)新的治理方法。②改善和優(yōu)化現(xiàn)有工藝條件，降低成本，提高廢水的脫氮效率。③應用生物強化技術，深入研究微生物法去除氨氮，馴化或者構(gòu)建高效菌種。④采用生物脫氮與其它方法聯(lián)合處理，即可保證廢水處理的有效性和經(jīng)濟性，又能降低能耗。

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Research Progresses in Bio-denitrification Treatment of Ammonium-containing Wastewater

LI Zhi-rui，GAO Hui-jie，SUN Dan-feng
(Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning Fushun 113001，China）

On the basis of introducing theory and technology of traditional biological nitrogen removal process，principle and research progress of some new biological denitrification processes were discussed. At last，application prospects of these new techniques in the future and problems needed to be solved were put forward.

Ammonium-containing wastewater; Biotreatment; Denitrification

X 703

A

1671-0460（2010）06-0664-03

2010-10-20

李志瑞（1982—），女，陜西延安人，助理工程師，碩士，2008年畢業(yè)于西北大學生物化工專業(yè)，現(xiàn)從事環(huán)境微生物研究。E-mail：lizhirui.fshy@sinopec.com，電話：0413-6389824。