短程硝化反硝化氨氮脫除技術(shù)研究進(jìn)展

羅博 黃安壽 陳海龍

摘要：敘述了短程硝化反硝化的優(yōu)勢(shì)、工藝原理，總結(jié)了分析了溫度、pH、游離氨、碳氮比以及污泥齡在高氨氮、低碳氮比有機(jī)廢水方面影響因素以及工程化應(yīng)用現(xiàn)狀，最后提出了該技術(shù)工程化應(yīng)用方面的有待優(yōu)化解決的問(wèn)題與方向。

關(guān)鍵詞：短程硝化反硝化;氨氮脫除;污水處理技術(shù);亞硝酸鹽

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）01-0-02

Abstract：The advantages and process principles of short-range nitrification and denitrification are described， and the influencing factors and engineering applications of temperature， pH， free ammonia， carbon-to-nitrogen ratio，and sludge age in high ammonia nitrogen and low carbon-nitrogen ratio organic wastewater are analyzed .At present， the problems and directions to be optimized in engineering application of the technology are finally put forward.

Key words：Short-range nitrification and denitrification;Ammonia nitrogen removal;Wastewater treatment technology; Nitrite

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)在處理高COD、高氨氮、高SS、低C/N比的特點(diǎn)的廢水存在能耗高、工藝流程復(fù)雜、成本高等局限，因此開(kāi)發(fā)處理能耗低、效率高的新型生物脫氮技術(shù)成為近年的研究熱點(diǎn)。1975年，Voet等在處理高濃度氨氮廢水的研究中，發(fā)現(xiàn)了硝化過(guò)程N(yùn)O2--N的累積現(xiàn)象，首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的原理。對(duì)于傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氮技術(shù)，短程硝化反硝化具有幾大特點(diǎn)：一是可節(jié)約25%的供氧量，40%的反硝化有機(jī)碳源;二是反硝化速率提高了60%，缺氧段污泥量減少了30%。

1 短程硝化原理

AOB：氨氧化細(xì)菌;NOB：亞硝酸鹽氧化細(xì)菌;DB：反硝化細(xì)菌

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，然后就進(jìn)行反硝化反應(yīng)。短程硝化過(guò)程即通過(guò)控制環(huán)境條件，抑制亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）的同時(shí)，使氨氧化細(xì)菌（AOB）成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而實(shí)現(xiàn)NO2--N的大量累積;反硝化過(guò)程主要是反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，將NO2--N還原為N2的過(guò)程。

2 短程硝化反硝化影響因素

短程硝化反硝化能否取得成功，關(guān)鍵是氨氮的硝化反應(yīng)過(guò)程控制于亞硝酸鹽階段，同時(shí)在反硝化階段擁有足夠的碳源和污泥齡，因此影響短程硝化反硝化進(jìn)程的主要因素包括以下幾個(gè)方面：

2.1 溫度

溫度是控制短程消化反硝化的關(guān)鍵因素之一。硝化反應(yīng)在5～35℃下都能進(jìn)行，最適合溫度為25～30℃[1]，當(dāng)溫度在12～14℃范圍或者大于30℃時(shí)，亞硝酸鹽氧化菌（NOB）會(huì)受到抑制，從而出現(xiàn)亞硝酸鹽的累積，在5～40℃范圍內(nèi)，可以利用Arrhenius equation[2]來(lái)描述溫度和硝化細(xì)菌最大生產(chǎn)速率之間的關(guān)系。

式中，t為溫度，℃;和分別表示當(dāng)溫度為t℃和20℃時(shí)，亞硝酸鹽氧化菌最大的生長(zhǎng)速率，;表示反應(yīng)活化能，kJ/mol;R為常數(shù)，其值一般為8.314J/（mol·K）。

2.2 pH與游離氨（FA）

pH對(duì)短程硝化的影響主要有兩個(gè)方面，一是為微生物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境，硝化過(guò)程中，AOB菌的最佳pH范圍是7.0～8.5，NOB為6.0～7.5，污水中pH由酸性向堿性移動(dòng)時(shí)，會(huì)降低亞硝酸鹽細(xì)菌的硝化速率，菌而反硝化細(xì)菌生存的最佳pH范圍是6.5～7.5[3];二是對(duì)污水中游離氨（FA）的調(diào)節(jié)，由于餐廚厭氧廢水中存在HCO3-/NH4+-N 的緩沖體系，pH的高低對(duì)污水中氨的形態(tài)有直接影響，如下平衡反應(yīng)：

游離氨的濃度可以通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，C表示FA質(zhì)量濃度，以（mg/L）表示;表示氨氮質(zhì)量濃度，以N（mg/L）表示，為氨水解的電離常數(shù)，為水的電離常數(shù)。

許多短程消化研究通過(guò)控制游離氨，實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的累積，就是利用游離氨對(duì)氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽細(xì)菌的抑制濃度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]。

2.3 溶解氧（DO）

溶解氧（DO）對(duì)短程硝化反硝化進(jìn)程起著關(guān)鍵作用，為保證徹底的硝化反應(yīng)過(guò)程，污水中溶解氧濃度一般在2mg/L以上，其中AOB細(xì)菌的溶解氧一般在0.2～0.4mg/L，而NOB細(xì)菌的溶解氧值在1.2～1.5mg/L，因此，為了促進(jìn)亞硝酸鹽的累積，溶解氧值不應(yīng)高于0.5mg/L[5]。

2.4 碳氮比（C/N）

碳氮比（C/N）是影響短程硝化的重要影響因素，主要表現(xiàn)在硝化過(guò)程中自養(yǎng)型細(xì)菌與異養(yǎng)型細(xì)菌的相對(duì)數(shù)量方面。碳氮比越大，異養(yǎng)菌的繁殖速度越快，硝化細(xì)菌屬于自養(yǎng)型，因此硝化反應(yīng)在一定程度上受到抑制，如果碳氮比較低，則會(huì)導(dǎo)致反硝化過(guò)程碳源不足而影響反硝化中總氮的去除，表1為不同碳氮比條件下的污水脫氮效果。

2.5 污泥齡（SRT）

污泥齡是指活性污泥在系統(tǒng)中的平均停留時(shí)間。一般情況下，硝化過(guò)程中AOB菌的世代時(shí)間為1天左右，NOB菌的時(shí)代時(shí)間為3～5天，因此，通過(guò)將污泥齡選擇一個(gè)較低的停留時(shí)間，則AOB菌逐步成為優(yōu)勢(shì)菌種[6]。Pollic研究了SBBR硝化性能與供氧之間的影響關(guān)系中將污泥齡從84d降低到3d，發(fā)現(xiàn)隨著污泥齡的縮短，硝酸鹽生成量減少，亞硝酸鹽累積量加大。崔慧慧等也發(fā)現(xiàn)常污泥齡的SBR系統(tǒng)不能建立穩(wěn)定長(zhǎng)期的亞硝化系統(tǒng)[7]，因此，要建立穩(wěn)定的短程硝化體系，在保證污泥濃度的前提條件下，適當(dāng)?shù)奈勰帻g尤為重要。

3 應(yīng)用研究

雖然短程硝化反硝化技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但針對(duì)不同類型工藝和反應(yīng)器，仍存在啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，工藝控制要求高、菌種培養(yǎng)難等局限，大大限制了其規(guī)模化工程應(yīng)用。國(guó)外在該領(lǐng)域的工程應(yīng)用案例較多，2002年帕克公司在荷蘭建設(shè)了第一個(gè)Sharon-anammox系統(tǒng)工程案例處理污泥脫水液，伺候在德國(guó)、日本等地也建立了100多座短程消化不同類型工藝的短程消化反硝化工程。國(guó)內(nèi)許多研究多處于中試階段。馬斌在城市污研究短程硝化厭氧氨氧化脫氮效率中實(shí)現(xiàn)了A/O硝化系統(tǒng)中亞硝酸鹽累積率達(dá)到95%以上，在UASB系統(tǒng)中總氮88.38%的去除率[8];吳麗娜等通過(guò)短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝處理垃圾滲濾液也可以實(shí)現(xiàn)COD、氨氮和總氮的去除率達(dá)到88%，95%和91%[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

短程硝化反硝化技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，在氨氮、低碳氮比類污水處理的能耗和藥劑消耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于餐廚垃圾厭氧消化廢水、垃圾填埋場(chǎng)廠滲濾液等低碳氮比、高氨氮有機(jī)廢水的處理處置。隨著研究的深入，已在部分工程的運(yùn)行方面有所應(yīng)用，但仍有許多問(wèn)題尚未解決，比如針對(duì)特定污水，如何通過(guò)污泥停留時(shí)間、溶解氧、溫度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)氨氧化細(xì)菌的富集，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;如何針對(duì)不同類型工藝，確定短程硝化反硝化關(guān)鍵參數(shù)，從而為真正意義上的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

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[9]吳麗娜，徐瑩瑩，史梟，等.短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝深度處理垃圾滲濾液[J].環(huán)境科學(xué)研究，2016，29（4）：587-593.

收稿日期：2019-10-18

基金項(xiàng)目：重慶市科技局社會(huì)民生類重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（cstc2018jscx-mszdx0070）

作者簡(jiǎn)介：羅博（1981-），男，土家族，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣虖U處理與資源化。