生物脫氮工藝的原理及研究發(fā)展

王 冰 ,楊 琳，孫 冰，劉云龍（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人民對(duì)于水資源的需求逐漸擴(kuò)大，工農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的污廢水也越來越多，水資源短缺和水污染的問題越來越嚴(yán)峻，水體中的大量氮、磷元素，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)平衡，對(duì)環(huán)境造成了非常大的影響，也影響了社會(huì)發(fā)展和人民的健康。如何脫氮成為了水處理領(lǐng)域中普遍面臨的問題。

A/O 工藝、A2/O 工藝、氧化溝等傳統(tǒng)脫氮工藝雖然發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定，但是存在占地面積大、運(yùn)行費(fèi)用高、易受到進(jìn)水水質(zhì)的影響等一系列問題。隨著我國(guó)水資源環(huán)境的不斷惡化和人民環(huán)保意識(shí)的不斷提高，這些傳統(tǒng)的脫氮工藝已經(jīng)不能滿足如今污水脫氮的處理要求。城市污水處理的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了開發(fā)新型、節(jié)能、高效的污水脫氮工藝。近些年來，經(jīng)過各位學(xué)者的不斷研究和創(chuàng)新，污水處理工藝的發(fā)展不斷進(jìn)步，根據(jù)水污染現(xiàn)有實(shí)際情況，在基于傳統(tǒng)脫氮工藝的原理上出現(xiàn)了一些具有能耗低、投資省、方便管理、處理效率高的生物脫氮工藝。

1 氮污染的來源和危害

1.1 氮污染的來源

氮元素的來源分為人為來源和自然來源[1]，其中前者占主要部分：一是土壤中大量農(nóng)藥化肥存在導(dǎo)致的氮元素超標(biāo)，經(jīng)過下滲和雨水的沖刷之后進(jìn)入水體；二是生活污水和工業(yè)廢水的肆意排放[2]，含氮廢水沒有經(jīng)過嚴(yán)格的處理就排放到水體中，這也是目前水體氮污染的最主要原因。

1.2 氮污染的危害

水體中的過量氮元素會(huì)造成水中的一些浮游生物和藻類的繁殖過量，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化[1]，這種情況會(huì)造成大量水生生物死亡，人們食用了在這種環(huán)境中生長(zhǎng)的魚蝦會(huì)攝入亞硝酸鹽，亞硝酸鹽在人體中的長(zhǎng)期累積會(huì)產(chǎn)生致癌作用，水體富營(yíng)養(yǎng)化成為了水處理領(lǐng)域的難題。水質(zhì)污染惡化對(duì)人類和社會(huì)造成的危害也是在警告我們，只有尊重大自然，與大自然和諧共生才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久發(fā)展。因此，不斷研究開發(fā)新型的水處理工藝，改善水污染的現(xiàn)狀，是至關(guān)重要的，也將是水處理領(lǐng)域的學(xué)者們一直研究的課題。

2 污水處理生物脫氮工藝

2.1 SHARON 工藝

SHARON工藝也稱短程硝化反硝化工藝，最早提出這項(xiàng)脫氮工藝的是荷蘭Delft 技術(shù)大學(xué)，該工藝的反應(yīng)發(fā)生過程是通過→N2[3]進(jìn)行的。利用硝化菌和亞硝化菌在一定溫度下的生長(zhǎng)速度不同，且二者的最小停留時(shí)間也不同的特征。通過控制溫度和系統(tǒng)停留時(shí)間等條件，硝化菌逐步劣勢(shì)被淘汰，使亞硝化菌獲得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而使有穩(wěn)定積累，以有機(jī)物作為電子供體，在缺氧條件下直接進(jìn)行反硝化，釋放氮?dú)?，不?jīng)過階段，縮短了反應(yīng)流程[4]。

SHARON 工藝縮短了全程硝化反硝化的反應(yīng)流程,具有總氮去除率高、降低耗氧量、降低能耗、節(jié)省碳源、減少污泥產(chǎn)生量[3]、縮小反應(yīng)容器、減少工藝運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，適宜處理垃圾滲濾液、高氨氮廢水等。但是該工藝對(duì)反應(yīng)時(shí)的條件要求嚴(yán)格，如溫度等。也缺乏對(duì)硝化過程中的積累原理的理論依據(jù)[1]。因此，的積累研究，維持反應(yīng)中的濃度水平是SHARON 工藝未來的主要研究方向。

2.2 ANAMMOX 工藝

ANAMMOX 工藝即厭氧氨氧化工藝，此工藝是1990 年由荷蘭Delft 技術(shù)大學(xué)研究開發(fā)的[3]。該工藝原理是指在缺氧或厭氧的環(huán)境下，厭氧氨氧化菌使污水中的氨鹽、硝酸鹽反應(yīng)釋放N2的過程。反應(yīng)原理方程式為：

ANAMMOX 工藝是現(xiàn)存已知最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)的污水脫氮工藝[5]，具有節(jié)省成本、總氮去除率高、不需外加碳源、能耗低、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)[6]。該工藝適合應(yīng)用于高氨廢水處理以及城市污水深度處理。但是該種工藝厭氧氨氧化菌的適應(yīng)能力差，生長(zhǎng)繁殖速度緩慢[7]，且對(duì)溫度和PH 等生存環(huán)境的要求都很嚴(yán)格。維持充足的生物量，提高厭氧氨氧化菌的適應(yīng)能力和脫氮效率是未來 ANAMMOX 工藝的主要研究課題。

2.3 SHARON- ANAMMOX 工藝

SHARON- ANAMMOX 工藝即短程硝化-厭氧氨氧化工藝，是部分短程硝化反硝化工藝和厭氧氨氧化工藝二者的結(jié)合體。該過程分為SHARON 段和ANAMMOX 段兩部分，發(fā)生在兩個(gè)不同反應(yīng)器中，大部分的氨態(tài)氮在SHARON 段被氧化成亞硝酸氮[3]，SHARON段生成的亞硝酸氮和剩余部分的氨態(tài)氮與在ANAMMOX 段進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)釋放氮?dú)夂蜕倭肯跛岬?/p>

SHARON- ANAMMOX 工藝具有明顯的減少供氧量[8]，不需外加碳源，節(jié)省投料量、縮減污泥產(chǎn)量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在與SHARON 工藝和ANAMMOX 工藝相似的缺點(diǎn)，即厭氧氨氧化菌的適應(yīng)性差，微生物的生物量難以維持，運(yùn)行過程對(duì)于環(huán)境要求苛刻。

2.4 OLAND 工藝

OLAND 工藝即限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝，最早是由比利時(shí)Ghent 大學(xué)在1998 年提出的[9]，該工藝結(jié)合了限氧亞硝化與厭氧氨氧化兩部分來達(dá)到脫氮目的[3]，反應(yīng)包括兩個(gè)步驟：首先是在限氧環(huán)境下將污水中的一部分氧化為然后是在厭氧環(huán)境下，使原本剩余的和之前所產(chǎn)生的發(fā)生ANAMMOX 反應(yīng)生成N2，成功完成污水的脫氮。

OLAND工藝目前在工程應(yīng)用中尚不多見，該工藝具有提高脫氮效率[9]、降低反應(yīng)耗氧量、運(yùn)行能耗低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)。OLAND 工藝與ANAMMOX 工藝相似，存在生物量生長(zhǎng)極其緩慢，較難維持穩(wěn)定的亞硝化的缺點(diǎn)。未來隨著對(duì)生物量的控制研究和生物脫氮工藝的發(fā)展，相信OLAND 工藝有希望能實(shí)現(xiàn)于工程應(yīng)用中。

2.5 CANON 工藝

CANON 工藝即完全自養(yǎng)脫氮工藝，這種工藝是在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行部分亞硝化和厭氧氨氧化兩種反應(yīng)的一種單相節(jié)能脫氮工藝，通過把廢水中DO 控制在較低水平以實(shí)現(xiàn)亞硝化和氨氧化的同步發(fā)生，該反應(yīng)中把氧氣作為亞硝酸菌的電子受體，將氧化成厭氧氨氧化菌則以為電子受體在厭氧環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)釋放N2，該工藝的反應(yīng)方程式為：

CANON 工藝具有工藝流程短、污泥產(chǎn)量低、占地面積小、無需外加碳源[10]、降低曝氣量等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際工程應(yīng)用方面也多用于處理高的工業(yè)廢水、污泥消化液、低的養(yǎng)殖廢水以及老齡垃圾滲濾液等方面[11]。但是，此工藝仍有缺點(diǎn)，運(yùn)行過程中亞硝酸鹽的富集受到諸多因素的影響，如溫度、溶解氧和氨氮濃度等，CANON 工藝在工程應(yīng)用中性能不穩(wěn)定[12]，還要面臨有機(jī)物質(zhì)和低溫的影響。保證氨氮的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，控制硝化菌的生長(zhǎng)，解決處理高氨氮、低C/N 廢水的碳源不足和能源消耗等問題，是未來該工藝的主要發(fā)展方向。

2.6 SND 工藝

SND 工藝即同步硝化反硝化工藝。這種工藝實(shí)現(xiàn)了在同一反應(yīng)器中進(jìn)行硝化和反硝化的一種全新的污水脫氨技術(shù)。當(dāng)兩種反應(yīng)發(fā)生在同一反應(yīng)器中時(shí)[1]，反硝化反應(yīng)可以利用硝化反應(yīng)產(chǎn)生的亞硝酸鹽繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，提高硝化速度；硝化反應(yīng)中所消耗的堿度可以被反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的堿度中和，因此不需要另外加添加物質(zhì)來調(diào)節(jié)pH 值[4]。

SND 工藝具有加快硝化反應(yīng)速度、不需另調(diào)pH 值、運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)單、占地面積小、減少基建費(fèi)用、降低能耗等優(yōu)點(diǎn)[13]。實(shí)現(xiàn)SND 的關(guān)鍵在于如何培養(yǎng)和控制硝化反硝化菌，其受到溶解氧、有機(jī)碳源、溫度、pH 值等的影響。

3 結(jié)語

綜上看來，生物脫氮的研究前景相當(dāng)廣闊。傳統(tǒng)活性污泥法雖然發(fā)展成熟且運(yùn)行穩(wěn)定，但是運(yùn)行費(fèi)用高、易受進(jìn)水水質(zhì)影響、占地面積大、耗能大。而生物脫氮技術(shù)不僅在氨氮去除率方面有良好的效果，還能相對(duì)降低運(yùn)行成本，節(jié)省耗氧量和碳源。但是由于微生物工藝的復(fù)雜性和不確定性，還有某些工藝在實(shí)際運(yùn)行中的不穩(wěn)定性，使個(gè)別工藝還沒有廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐中，需進(jìn)一步研究。因此，新型脫氮工藝的開發(fā)研究是將來生物脫氮技術(shù)的發(fā)展方向，尋找合適的具有高效性、專一性的菌種成為減短菌種篩選時(shí)間, 節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，提高脫氮效率的重要手段，相信未來污水脫氮技術(shù)能越來越完善。