工業(yè)污水處理廠生物脫氮效率提升措施的研究

許興原

（南京環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 南京 211500）

當(dāng)前世界水資源緊張，社會(huì)用水需求激增，工業(yè)的發(fā)展使大量污水排入河流湖泊。一旦氮含量較高的污水排入河流，就會(huì)使河流湖泊水體中的氮含量迅速激增，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化，微生物繁殖速度加快，進(jìn)而威脅人類用水安全。用水安全有兩層含義：第一類是水體質(zhì)量安全，第二類是水源數(shù)量安全。水源中的氮含量直接影響水體質(zhì)量，因此污水處理過(guò)程中的氮含量是衡量水體質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此在污水處理過(guò)程中，我們必須注重脫氮效率的提升。

1 生物脫氮技術(shù)研究

1.1 生物脫氮技術(shù)概述

生物脫氮技術(shù)主要指利用污水中某些細(xì)菌，在氧化還原作用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的生物脫氮技術(shù)，這種技術(shù)從碳來(lái)源可分為外碳來(lái)源和內(nèi)碳來(lái)源兩種；從硝化反應(yīng)中可分為硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)兩種；按照細(xì)菌狀態(tài)不同，可分為活性法和生物膜。前者硝化菌、反硝化菌處于懸浮狀態(tài)，而后者則依附于各類微生物膜上[1]。

1.2 生物脫氮技術(shù)基本原理

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)，其脫氮過(guò)程主要分為氨化、硝化、反硝化三個(gè)階段，其中氨化階段是指利用各種異氧型微生物、好氧性微生物來(lái)分解污水中的氮物質(zhì)，生成氨氮。硝化階段是指利用細(xì)菌依靠酶系統(tǒng)使氨氮作為電子供體與氧反應(yīng)，生成NO3-或NO2-。反硝化階段指的是利用細(xì)菌依靠自身酶系統(tǒng)使NO3-及NO2-與無(wú)機(jī)碳發(fā)生反應(yīng)，形成N2。生物脫氮可分為氧化工藝、兩級(jí)活性污泥脫氮工藝和傳統(tǒng)脫氮工藝，其主要涉及的化學(xué)反應(yīng)如下。

（1）硝化反應(yīng)主要包括硝化與亞硝化兩個(gè)步驟。該反應(yīng)活動(dòng)需借助兩種不同的硝化細(xì)菌來(lái)完成硝化反應(yīng)。但由于所選用的兩種細(xì)菌對(duì)環(huán)境較為敏感，因此為了順利完成硝化反應(yīng)，其反應(yīng)環(huán)境必須保障有以下要素。首先具有好氧條件，且好氧度要≥1 mg/L。同時(shí)要保障有一定的堿度，并酸堿數(shù)值一般處5.9～9，硝化反應(yīng)在5.5～9間均可反應(yīng)。亞硝化要實(shí)現(xiàn)短程硝化與反硝化，pH需要控制在8以上，溫度要高于24℃，這樣可使亞硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌群。其次是反應(yīng)環(huán)境溫度要適宜，以20～30℃為標(biāo)準(zhǔn)。若反應(yīng)環(huán)境溫度不足15℃，其硝化反應(yīng)速度將大幅度降低，若反應(yīng)環(huán)境處在5℃左右，硝化反應(yīng)活動(dòng)將停止。再次，水中所放入的有機(jī)物應(yīng)保持在合適的濃度。最后，硝化菌反應(yīng)器停留時(shí)間不可低于最小值，通常為3～10 d。

（2）反硝化反應(yīng)。NO3-N與NO2-N中的N反應(yīng)存在兩種形式。一種是同反硝化反應(yīng)形成氮有機(jī)物，其最終反應(yīng)形態(tài)為菌體。第二種是與異化反硝化反應(yīng)形成有機(jī)氮，為完成上述反應(yīng)需滿足以下條件。首先是碳源，外加碳源是工業(yè)污水硝化反應(yīng)中的主要碳源，若污水中的C/N超出3～5，則表明碳源充足，不需要再額外增加碳源；若污水中的C/N不足，則需要外加碳，借助甲醇補(bǔ)充工業(yè)污水中的碳源。其次，是酸堿值。為保障反硝化反應(yīng)順利進(jìn)行，必須保障污水中的酸堿值，其數(shù)值以6.5～7.5為適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。若酸堿值小于6或者是大于8，均會(huì)對(duì)硝化反應(yīng)速度產(chǎn)生影響。再次，是溶解氧環(huán)境。在硝化反應(yīng)過(guò)程中，必須保障其溶解氧適宜，在缺氧環(huán)境下反硝化菌將會(huì)產(chǎn)生反硝化反應(yīng)，因此需要控制工業(yè)污水中的氧含量，最大應(yīng)控制在0.5 mg/L，愈小愈好。理論上該過(guò)程不應(yīng)有分子氧的參與，但在實(shí)際工作期間很難真正達(dá)到理想狀態(tài)，因此需把氧含量控制在最低。最后，是溫度。反硝化反應(yīng)對(duì)溫度提出了較高要求，需要保障溫度在20～40℃，若溫度不足將極大降低硝化反應(yīng)速度[2]。

2 工業(yè)污水處理廠生物脫氮現(xiàn)狀

高效脫氮一直是城市工業(yè)污水處理中的難題，我國(guó)城市污水中通常含有大量工業(yè)廢水，污水處理廠就成為了綜合性的處理場(chǎng)所，因工業(yè)廢水中的水質(zhì)含量復(fù)雜，因此也為綜合性污水處理廠帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，因其良好的脫氮效果，在各大污水處理廠中得到了廣泛使用，但其在使用過(guò)程中極易因運(yùn)行控制不當(dāng)而降低脫氮效果[3]。其中高效生物脫氮一直是社會(huì)污水處理的關(guān)鍵難題。隨著更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的提出，許多污水處理廠都面臨著提標(biāo)改造這一問(wèn)題。目前在提標(biāo)升級(jí)改造中主要采用三級(jí)生物脫氮處理方法，例如反硝化濾池、深床濾池等，這樣卻大幅度增加了污水處理廠的運(yùn)行成本。事實(shí)上，當(dāng)前運(yùn)行的生物脫氮工藝，并未充分發(fā)揮其生物脫氮潛力。

3 污水處理廠常見(jiàn)的生物脫氮技術(shù)

3.1 工藝原理

A2/O是利用好氧、厭氧以及缺氧段的不同微生物變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物氨氮的去除，通過(guò)二次沉池來(lái)實(shí)現(xiàn)泥水分離，將大分子轉(zhuǎn)換為小分子，去除水中的有機(jī)物，為MBR工藝和曝氣生物濾池工藝降低處理難度。MBR工藝借助缺氧、厭氧好氧微生物的硝化、氧化與反硝化反應(yīng)去除氨氮，并借助膜的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)泥水分離，為曝氣生物濾池工藝預(yù)先去除水中泥污。曝氣生物濾池工藝主要利用濾池表面生物膜中的不同微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)硝化反應(yīng)，進(jìn)而去除工業(yè)污水中的氮元素，確保出水達(dá)標(biāo)。

3.2 工藝特征

A2/O技術(shù)主要利用懸浮型活性污泥去除法，氧利用高，水頭損失小，工業(yè)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，具有較為成熟的管理流程，出水可靠，可通過(guò)對(duì)運(yùn)行模式的調(diào)整來(lái)滿足不同的工程需求。曝氣生物濾池工藝使用附著型生物法，具有占地面積小、氧利用率高、投資成本小等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是水頭損失較大、污泥量較大、CN去除效果較低，該法對(duì)水質(zhì)有較高要求，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少，存在較高的自控要求。MBR使用生物脫氮懸浮性污泥去除法和膜技術(shù)，其出水水質(zhì)較高，占地面積較小，脫氮效果較佳，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷性，但對(duì)水質(zhì)具有較高要求，且其水頭損失較大，設(shè)備投資成本高。

3.3 外界適應(yīng)性

A2/O技術(shù)出水質(zhì)較為穩(wěn)定，對(duì)外界環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。曝氣生物濾池出水水質(zhì)穩(wěn)定，外界條件適應(yīng)性強(qiáng)，可對(duì)進(jìn)水SS以及油脂進(jìn)行預(yù)處理。MBR工藝水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)外界條件有著較好的適應(yīng)性。

3.4 運(yùn)行管理

A2/O工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理較為成熟，設(shè)備需求量較少。曝氣池工藝設(shè)備數(shù)量多，流程復(fù)雜，但自控度較高，管理相對(duì)困難。MBR工藝所需構(gòu)筑物少，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但自控要求較高。

4 提高污水處理廠生物脫單效率的方式

4.1 厭氧氨氧化

在厭氧環(huán)境下，NH4+-N+-N、NO2-N可分別作為電子供體、電子受體，形成氮?dú)饧礊閰捬醯趸４送?，在厭氧氮氧化下主要涉及亞硝化反?yīng)，亞硝化反應(yīng)主要在好氧環(huán)境下發(fā)生，然后進(jìn)入或回流至厭氧段進(jìn)行厭氧氨氧化、厭氧氨氧反應(yīng)兩個(gè)過(guò)程。亞硝化反應(yīng)中的細(xì)菌可在氧氣充足的條件下實(shí)現(xiàn)NH4+-N+-N向NO2-N轉(zhuǎn)變；在厭氧環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)NO2-N為主要電子受體，進(jìn)而將NH4+-N向氮?dú)廪D(zhuǎn)化，此方式所具備的優(yōu)勢(shì)如下：首先，在反應(yīng)過(guò)程中不需要額外添加碳源，以NH4+-N便可作為電子載體，可以在最大限度上節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。其次，其所需要的能源消耗較少，若不考慮細(xì)胞合成這一要素，最少可降低62.5%的能耗。厭氧氨氧反應(yīng)中，每氧化NH4+-N僅需0.75 mol，在硝化反應(yīng)中最低氧耗0.75 mol NH4+-N。最后，在此類氧化反應(yīng)中所使用的添加劑量最少，在通常情況下，此類氧化反應(yīng)中，生物產(chǎn)堿量通常為0，同時(shí)其產(chǎn)酸量也將隨之降低。

4.2 短程硝化反硝化

傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為，污水處理中的亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等可將工業(yè)污水中的NH4+-N生成NO3--N，并借助反硝化細(xì)菌生成氮?dú)猓M(jìn)而去除工業(yè)污水中的氮元素。在污水處理過(guò)程中為提升脫氮效率，可在NO2--N階段便完成硝化反應(yīng)，使NO2--N形成最終的電子受體，同時(shí)有機(jī)物也可在該反應(yīng)過(guò)程中成為電子供體，完成反硝化反應(yīng)。PH值為7.5～9.2最佳，溫度在30℃，即可為短硝化反應(yīng)提供基礎(chǔ)，通過(guò)該反應(yīng)步驟還可積累大量的NO2-N，因其可在NO2--N階段便可完成硝化反應(yīng)，使NO2--N形成最終的電子受體。因此該方式具備以下優(yōu)勢(shì)：首先，該反應(yīng)可最大限度上減少碳消耗、能源消耗、反應(yīng)時(shí)間，提高硝化速率，降低污泥產(chǎn)率[4]。

5 結(jié)論

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，資源緊缺問(wèn)題也日益嚴(yán)重，為此必須提升工業(yè)污水處理水平，保障出水水質(zhì)，以提升水資源利用率。其中生物脫氮工藝在保障水資源質(zhì)量方面占據(jù)著重要位置。未來(lái)圍繞工業(yè)污水生物脫氮效率這一問(wèn)題，我們還應(yīng)持續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究，對(duì)厭氧氨氧化、短程硝化反應(yīng)提高生物脫氮效率的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析與優(yōu)化。這樣可以切實(shí)提升工業(yè)污水處理廠生物脫氮速率，保障出水水質(zhì)，提高水資源利用率。