氨氮廢水生物處理技術(shù)研究進(jìn)展*

林鴻劍，劉　偉，陳宜濱

(華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建　廈門　361021)

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氨氮廢水生物處理技術(shù)研究進(jìn)展*

林鴻劍，劉偉，陳宜濱

(華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門361021)

氨氮廢水是造成河流及湖泊富營養(yǎng)化的主要因素，因此廣泛開展研究了高效的處理氨氮廢水，以降低河流及湖泊中的氨氮物質(zhì)的技術(shù)。本文綜述了氨氮廢水主要生物處理新工藝，其中包括同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝，簡(jiǎn)單概括了各方法的物理化學(xué)處理技術(shù)及其工藝,以及比較它們?cè)诠I(yè)中的應(yīng)用和特點(diǎn),并探討了氨氮廢水降解機(jī)制,綜述了目前國內(nèi)外研究進(jìn)展?fàn)顩r。

氨氮廢水；生物處理；新工藝

近幾十年來由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，居民的生活污水、城市垃圾、污水灌溉、農(nóng)業(yè)氨氮化肥等對(duì)農(nóng)村和城市水源都存在一定的氨氮污染[1]，許多工業(yè)廢水中都存在氨氮，而且像化工、化肥、煉油、稀土、鋼鐵等工業(yè)都排放出高濃度的氨氮廢水[2]。

氨氮作為植物的營養(yǎng)物質(zhì)，能夠引起水體得富營養(yǎng)化，影響飲用水水源。而且氨氮含量較高時(shí)，對(duì)魚類有毒害作用，甚至對(duì)人體也有一定的危害[3]。同時(shí)氨氮還是高耗氧性物質(zhì)，要消耗4.57 mg的溶解氧才能使1 mg NH3-N氧化成NO3-N[4]。對(duì)眾多金屬，尤其是金屬銅有很強(qiáng)的腐蝕性；污水回收的過程中由于再生水中氨氮組分的存在，導(dǎo)致用水設(shè)備、輸水管道中微生物的繁殖速度加快，由此生成的生物垢會(huì)進(jìn)一步堵塞管道和用水設(shè)備，并降低換熱效率[5]。

氨氮廢水生物脫氮工藝的研究始于1930年，近幾十年來又提出和開發(fā)了很多的廢水生物脫氮工藝，并不斷地在實(shí)際工程中推廣和應(yīng)用。隨著新生物脫氮途徑的探索發(fā)現(xiàn)，一些高效低耗環(huán)保的生物脫氮工藝在被廣泛地開發(fā)應(yīng)用[6]。本文綜述討論同時(shí)硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝脫氮的影響因素和特點(diǎn)，并結(jié)合其特點(diǎn)及影響因素，提出存在問題及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1　傳統(tǒng)生物處理法

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)，將硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)視為兩個(gè)獨(dú)立過程分開進(jìn)行，是目前應(yīng)用最為廣泛的脫氮方法[7]。在對(duì)污水生物脫氮處理的過程中，首先在好氧的條件下利用好氧硝化菌的作用，將污水中的氨氮組分氧化為硝酸鹽或者亞硝酸鹽。之后在缺氧條件下通過反硝化菌的作用將亞硝酸鹽或者硝酸鹽，還原為氮?dú)舛鴱奈鬯嗅尫排懦鯷8]?；镜脑硎窃诓煌姆磻?yīng)器中，或在同一個(gè)反應(yīng)器中控制時(shí)間和空間，交替造成缺氧和好氧環(huán)境進(jìn)行的生物處理法。

傳統(tǒng)生物處理方法的主要優(yōu)勢(shì)在于效果穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，且不產(chǎn)生二次污染；但缺點(diǎn)也很明顯，例如低溫時(shí)效率低，占地面積大，運(yùn)行成本高等。在這一處理過程中，實(shí)際工業(yè)運(yùn)用中有些問題應(yīng)給予考慮，例如有些像重金屬離子會(huì)對(duì)微生物的活動(dòng)和繁殖有抑制作用等。

2　同步硝化反硝化

所謂同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification,簡(jiǎn)寫成SND)，是指在同一反應(yīng)器中、相同操作條件下硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象[9]。可以從從宏觀環(huán)境理論、微環(huán)境理論、微生物理論三個(gè)方面解釋其作用機(jī)理[10]。在研究流化床反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤、SBR等不同的生物處理系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在[11]。影響生物同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化效果的主要影響因素有碳源、溶解氧濃度(DO)、微生物絮體結(jié)構(gòu)及尺寸、氧化還原電位(ORP)、pH值和游離氨的濃度(FA)等。

魏海娟等[12]采用移動(dòng)床生物膜系統(tǒng)，DO控制在2.5 mg/L左右時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化現(xiàn)象，而且在調(diào)整投加淀粉C/N比時(shí)，系統(tǒng)能夠取得良好的脫氮效果，氨氮的去除率均在93%以上。WANG Jianlong等[13]采取復(fù)合式生物反應(yīng)器(SHBR)，通過限制進(jìn)入反應(yīng)器中空氣流量，產(chǎn)生一個(gè)最終只對(duì)亞硝酸鹽起作用的缺氧條件，阻止硝酸鹽的生成。而且隨著亞硝酸鹽的平均積累率(NAR)增加，脫氮效率也隨著增加，亞硝酸鹽的平均積累率可以從60%升高到90%，總氮的去除率可以從68%提高到85%。Reginatto V等[14]在反硝化反應(yīng)器耦合到硝化反應(yīng)器中的操作系統(tǒng)中，處理屠宰場(chǎng)氨氮廢水。在反硝化反應(yīng)器操作中觀察氮平均去除率為50 mg/(L·d)。而且氮負(fù)荷率在33～67 mgN/(L·d)時(shí)，氨氮的平均去除率為40%～95%。

同步硝化反硝化(SND)脫氮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)除碳、硝化和反硝化。SND生物脫氮技術(shù)憑借其明顯的工藝優(yōu)勢(shì)，為降低投資和簡(jiǎn)化生物除氮技術(shù)提供了可能，而且在亞硝酸鹽階段的同步硝化反硝化脫氮技術(shù)因更具有節(jié)省有機(jī)碳源和曝氣量等諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)對(duì)SND生物脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展和實(shí)踐應(yīng)用起更進(jìn)一步推進(jìn)作用。

3　短程硝化反硝化

尚會(huì)來等[16]利用間歇式活性污泥法(SBR)處置生活污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較高溫度條件下(28±1)℃，通過實(shí)時(shí)控制污泥齡在10 d左右，可以成功實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，而且降低溫度對(duì)短程系統(tǒng)硝化反應(yīng)的影響要大于反硝化的影響。孫星凡等[17]在DO為110～115 mg/L，系統(tǒng)溫度為28℃，pH控制在7.5～8.6，進(jìn)水 NH3-N在 598.2～701.3 mg/L的條件下，用 AOMBR處理模擬高氨氮廢水，去除效果明顯，并在此基礎(chǔ)上探討了pH、溫度和DO等對(duì)系統(tǒng)短程硝化穩(wěn)定運(yùn)行的影響和影響機(jī)理。王歡等[18]采用短程硝化反硝化在常溫(13～20℃)、不調(diào)節(jié)pH的條件下，預(yù)處理低C/N(2左右)豬場(chǎng)廢水。達(dá)到去除部分CODCr、控制出水pH在7.5～8.0左右、氨氮和亞硝態(tài)氮濃度之比在1:1左右的目的，全程CODCr和總氮平均去除率分別為 64.3%和 49.1%。

4　厭氧氨氧化

所謂的厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，簡(jiǎn)寫成ANAMMOX)是在缺氧的條件，由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮?dú)獾纳锓磻?yīng)過程[20]。厭氧氨氧化是個(gè)放熱過程，從理論上講能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)提供一定能量，目前已經(jīng)推測(cè)厭氧氨氧化過程有多種途徑[21]。影響厭氧氨氧化的因素有：溶解氧濃度DO、pH、溫度T、泥齡控制SRT。

張鴻郭等[22]采用上流式厭氧污泥床，對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)行了處理。在厭氧氨氧化活性穩(wěn)定后，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器對(duì)氨氮和亞硝氮具有較好的處理效果，對(duì)氨氮、亞硝氮的平均去除率高，分別可以達(dá)到98.42%和99.01%。郭勇等[23]采用厭氧流化床反應(yīng)器(AFB)作為厭氧氨氧化反應(yīng)器，進(jìn)行了垃圾滲濾液的脫氮研究。在停留時(shí)間為5.5 h，進(jìn)水CODCr為2675.4～4289.1 mg/L，出水的CODCr在 1001.6～2617.7 mg/L，厭氧生物流化床反應(yīng)器對(duì)垃圾滲濾液具有一定的處理效果，平均去除率為48%。朱杰等[24]采用反硝化污泥啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器，處理典型高濃度養(yǎng)殖廢水經(jīng)UASB-短程亞硝化工藝處理后的廢水。在pH為7.50左右，溫度為30℃且系統(tǒng)不需投加有機(jī)碳源的條件下達(dá)到最佳運(yùn)行條件。在最佳進(jìn)水氨氮負(fù)荷0.2 kg/(m3·d)左右，系統(tǒng)的 HRT定為 2 d時(shí)，系統(tǒng)最終氨氮去除率能達(dá)到85%以上，亞硝態(tài)氮去除率達(dá)到95%以上。

目前，厭氧氨氧化工藝被認(rèn)為是擁有最簡(jiǎn)潔和最經(jīng)濟(jì)兩大獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的生物脫氮工藝，其優(yōu)勢(shì)是不需要氧氣和外加有機(jī)碳源，從而在實(shí)現(xiàn)高氨氮廢水的高效脫氮的同時(shí)節(jié)省能源和碳源[25]。傳統(tǒng)生物脫氮由于大量消耗有機(jī)物、高耗能、產(chǎn)生過多污泥等缺點(diǎn)，在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，氨氮污水處理工藝應(yīng)滿足污泥減量，提高效率，節(jié)能的要求，所以勢(shì)必會(huì)被節(jié)約能耗的厭氧氨氧工藝所替代[26]。

5　短程硝化-厭氧氨氧化

如上所提的同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化(ANAMMOX)等，是近十年來，人們研究開發(fā)出的新型、高效的生物脫氮工藝。但是，隨著生物脫氮理論的進(jìn)一步研究，發(fā)展出了眾多的聯(lián)合處理工藝[27]。其中，短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝(SHARON-ANAMMOX)，以其高效脫氮能力被關(guān)注。已經(jīng)開發(fā)出了兩類脫氮新工藝。一類為兩級(jí)反應(yīng)，另一類為單級(jí)反應(yīng)。短程硝化-厭氧氨氧化適用于處理多種含氮廢水，憑借該工藝的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，決定此工藝在處理含氮廢水處理中的廣泛應(yīng)用。

6　結(jié)語與展望

和傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，新型生物脫氮工藝具有各自的優(yōu)勢(shì)：(1)同步硝化反硝化同時(shí)實(shí)現(xiàn)了除碳、硝化和反硝化，而且無需外加碳源，很大程度上節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用；(2)短程硝化反硝化可以減少氧的供應(yīng)量和有機(jī)碳源用量，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高了效率，降低了運(yùn)行費(fèi)用；(3)厭氧氨氧化無需外加碳源，減少堿投加量及供氧，污泥產(chǎn)量少，能耗低，從而實(shí)現(xiàn)了低碳的目的；(4)短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝運(yùn)行穩(wěn)定，成功實(shí)現(xiàn)了自養(yǎng)脫氮，對(duì)氧的需求量少，而且可以有效降低能耗。

生物法處理氨氮廢水的方法有多種多樣，在國外，應(yīng)用和研究最多的是短程硝化-厭氧氨氧化相結(jié)合的新型生物脫氮工藝，不同的方法各有優(yōu)劣，有時(shí)為了達(dá)到較好的效果需要采取多種技術(shù)的聯(lián)合處理。在實(shí)際的應(yīng)用方面，還必須考慮不同廢水性質(zhì)異同，為確定最佳處理技術(shù)及工藝進(jìn)行系統(tǒng)性地分析研究，探索出一種能高效、低耗、穩(wěn)定的氨氮廢水處理方法。

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Research Progress on Biotechnology of Removing Ammonia-nitrogen from Wastewater*

LIN Hong-jian,LIU Wei，CHEN Yi-bin

(College of Chemical Engineering，Huaqiao University,Fujian Xiamen 361000,China)

The ammonia-nitrogen wastewater is the main factor of rich nourishment in the polluted rivers and lakes．Thus,highly efficient process to deal with amnonia-nitrogen from wastewater in order to decrease amnonia-nitrogen content of rivers and lakes is widely applied.Some new biological processes to remove ammonia-nitrogen in wastewater were discussed,including SHARON，SND，ANAMMOX and SHARON-ANAMMOX．The physical and chemical treatment technology and characteristics of these biotechnology processes were mainly introduced.Different methods were compared in industry apply and their advantages and disadvantages were found.Besides,the degradation mechanism of ammonia nitrogen from wastewater was discussed,the development trend of biotechnology process for removing ammonia-nitrogen for wastewater was predicted.

ammonia-nitrogen；biological treatment；new technology

華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目。

林鴻劍(1991-)，男，碩士研究生,主要從事固、液廢物處理及資源化研究。

X703

B

1001-9677(2016)011-0016-03