含氮廢水的生物脫氮技術(shù)

崔曉芳

【摘要】城市污水中氮和磷的含量較高，是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的最主要原因，因此對(duì)于城市污水處理廠來說，脫氮除磷是工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的生物脫氮采用的是硝化、反硝化工藝，但存在著許多問題。目前，廢水生物脫氮已經(jīng)成為水污染控制的一個(gè)重要研究方向。本文對(duì)生物脫氮技術(shù)進(jìn)行了探討，希望對(duì)相關(guān)人士有所幫助。

【關(guān)鍵詞】含氮廢水；生物脫氮技術(shù)

一、前言

城市污水的來源包括城市居民生活污水、城市工業(yè)廢水和降水等，污水中的氮、磷污染物含量很大，如果未經(jīng)處理或脫氮除磷效果不佳就會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而使水質(zhì)惡化，水體生態(tài)環(huán)境被破壞，水生動(dòng)植物大量死亡等，使水污染和水資源短缺的情況加劇，因此對(duì)于城市污水處理廠來說，脫氮除磷已經(jīng)成為其工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前對(duì)城市污水脫氮除磷的工藝主要包括反硝化除磷、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化等，本文主要對(duì)這幾種工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。

二、生物脫氮除磷機(jī)理

傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為生物脫氮是由氨化、硝化、反硝化三個(gè)步驟及微生物的同化作用來完成。在污水處理過程中，污水中的一部分氮被同化為微生物細(xì)胞的組成部分，微生物得到增殖。

污水生物除磷技術(shù)來源于微生物好氧吸磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。磷在自然界以2種狀態(tài)存在：可溶態(tài)或顆粒態(tài)。所謂的除磷就是把水中溶解性磷轉(zhuǎn)化為顆粒性磷，達(dá)到磷水分離。廢水在生物處理中，在厭氧條件下，聚磷菌的生長(zhǎng)受到抑制，為了自身的生長(zhǎng)便釋放出其細(xì)胞中的聚磷酸鹽，同時(shí)產(chǎn)生利用廢水中簡(jiǎn)單的溶解性有機(jī)基質(zhì)所需的能量，稱該過程為磷的釋放。進(jìn)入好氧環(huán)境后，活力得到充分恢復(fù)，在充分利用基質(zhì)的同時(shí)，從廢水中攝取大量溶解態(tài)的正磷酸鹽，從而完成聚磷的過程。

三、傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在的問題

硝化菌群增值速度慢，系統(tǒng)總水力停留時(shí)間較長(zhǎng)、有機(jī)負(fù)荷較低，增加基建投資運(yùn)行費(fèi)用；

（1）反硝化時(shí)需另加碳源，增加運(yùn)行費(fèi)用；

（2）硝化過程需投加堿中和，增加了處理費(fèi)用；

（3）氨氮完全硝化需要大量的氧，使動(dòng)力費(fèi)用增加；

（4）系統(tǒng)抗沖擊能力弱，高濃度氨氮和亞硝酸鹽進(jìn)水會(huì)抑制硝化菌的生長(zhǎng)；

（5）同時(shí)進(jìn)行污泥回流和硝化液回流，增加了動(dòng)力消耗及運(yùn)行費(fèi)用；

（6）運(yùn)行控制相對(duì)較為復(fù)雜等。

四、脫氮新技術(shù)

1、反硝化除磷

反硝化除磷菌（DPRB--Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria）能在缺氧，有硝酸鹽的環(huán)境下聚磷。DPB的生物聚/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)（TU Delft）和日本東京大學(xué)（UT）研究人員所證實(shí)，它具有同PAO極為相似的除磷原理，只是氧化細(xì)胞內(nèi)貯存的PHA時(shí)電子受體不同而已（PAO為O2，而DPB為NO3-）。在缺氧（無O2但存在NO3-）條件下，反硝化除磷細(xì)菌DPB能夠像在好氧條件下一樣，利用硝酸氮充當(dāng)電子受體，產(chǎn)生同樣的生物攝磷作用在生物攝磷的同時(shí)，硝酸氮被還原為氮?dú)?，這使得攝磷和反硝化（脫氮）這兩個(gè)不同的生物過程借助同一個(gè)細(xì)菌在同一個(gè)環(huán)境中完成，反硝化除磷細(xì)菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個(gè)原本認(rèn)為彼此獨(dú)立的作用合二為一。攝磷和脫氮過程的結(jié)合不僅節(jié)省了脫氮對(duì)碳源的需要，而且攝磷在缺氧條件下完成可縮小曝氣區(qū)的體積（亦節(jié)省能源），產(chǎn)生的剩余污泥量也有望降低。

2、同步硝化反硝化

傳統(tǒng)觀點(diǎn)是硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行，而反硝化在厭氧條件下完成，兩者不能在同一條件下進(jìn)行。而近幾年許多研究者發(fā)現(xiàn)存在同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象，尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象，確實(shí)存在于不同的生物處理系統(tǒng)中，如間歇曝氣反應(yīng)器、SBR反應(yīng)器、Orbal氧化溝、生物轉(zhuǎn)盤及生物流化床等。其機(jī)理一方面認(rèn)為好氧條件下存在缺氧甚至厭氧的微環(huán)境，另一方面從微生物的角度為好氧條件下同時(shí)存在好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌，這一現(xiàn)象將為生物法脫氮指引一個(gè)研究方向。

同步硝化反硝化具有以下優(yōu)點(diǎn)是能有效保持反應(yīng)器中pH值穩(wěn)定，減少堿量的投加；減少傳統(tǒng)反應(yīng)器的容積，節(jié)省基建費(fèi)用；對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，該反應(yīng)能夠縮短硝化、反硝化所需時(shí)間；能節(jié)省、降低能耗。

3、短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亞硝酸菌在動(dòng)力學(xué)特性上存在的固有差異，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NO2--N階段，造成大量的NO2--N累積，然后就進(jìn)行反硝化反應(yīng)。與傳統(tǒng)生物脫氮相比具有節(jié)能、節(jié)約外加碳源、可以縮短水力停留時(shí)間、可減少剩余污泥的排放量和減少投堿量等優(yōu)點(diǎn)。

4、厭氧氨氧化

在厭氧氨氧化過程中，羥胺和肼作為代謝過程的中間體。和其它浮霉菌門細(xì)菌一樣，厭氧氨氧化菌也具有細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，其中進(jìn)行氨厭氧氧化的囊稱作厭氧氨氧化體（anammoxozome），小分子且有毒的肼在此內(nèi)生成。厭氧氨氧化體的膜脂具有特殊的梯烷（ladderane）結(jié)構(gòu)，可阻止肼外泄，從而充分利用化學(xué)能，且避免毒害細(xì)胞。

厭氧氨氧化正在開發(fā)的工藝有ANAMMOX和OLAND工藝2種。ANAMMOX工藝是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新工藝。該工藝的原理是厭氧條件下，以NO2-和NO3-作為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻LAND工藝由比利時(shí)Gent微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，該工藝的關(guān)鍵是控制溶解氧，使硝化過程僅進(jìn)行到NH4+氧化為NO2-階段，由于缺乏電子受體，由NH4+氧化產(chǎn)生的NO2-氧化未反應(yīng)的NH4+形成N2。

厭氧氨氧化（AnAMMOX）反應(yīng)通常對(duì)外界條件（pH值、溫度、溶解氧等）的要求比較苛刻，但這種反應(yīng)由于不需要氧氣和有機(jī)物的參與，因此對(duì)其研究和工藝的開發(fā)具有可持續(xù)發(fā)展的意義。

厭氧氨氮化一般前置短程硝化工藝，將廢水中的一部分氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽。目前在處理高氨氮焦化廢水、垃圾滲濾液，消化污泥脫水液等廢水方面已有成功的實(shí)例。

厭氧氨氧化工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）反應(yīng)無需外加有機(jī) 碳源作為電子供體， 在節(jié)約成本的同時(shí)， 防止了投加碳源產(chǎn)生的二次污染。

（2）只需將進(jìn)水中約50%氨氮氧化為亞硝酸態(tài)氮，節(jié)省了供氧動(dòng)力消耗。

（3）反應(yīng)過程中幾乎不產(chǎn)生 N2O， 避免了傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝中產(chǎn)生的溫室氣體排放。

（4）微生物增值速度慢，產(chǎn)泥量少。

五、結(jié)束語

綜上所述，隨著城鎮(zhèn)化的大勢(shì)所趨以及國(guó)民工業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)城市污水的水量也不斷增加，對(duì)于污水處理廠來說工作負(fù)荷進(jìn)一步加大，因此需要合理選擇生物脫氮除磷工藝。當(dāng)前用于城市污水生物脫氮除磷的工藝有反硝化除磷、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化等，除此之外，氧化溝工藝也得到了一定程度的應(yīng)用，在選擇生物脫氮除磷工藝時(shí)，不但要考慮脫氮除磷效果和工作效率，而且還要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性問題，發(fā)展處理效率高、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的脫氮除磷方法是未來城市污水處理工藝的發(fā)展方向。

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