低碳氮比生活污水脫氮處理工藝及應用

程家貴，裴廷權，成曉陽，楊 穎

（深圳市華宇創(chuàng)鑫環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518000）

在生活污水處理的過程中，脫氮處理是關鍵環(huán)節(jié)，若生活污水的碳氮比相對均衡，就可以滿足基本的生化反應條件，則脫氮效果較好，但若出現低碳氮比的情況，則需要補充相應的碳源，或營造更好的工藝反應條件，進而才能有效提升污水處理系統(tǒng)的脫氮效率。當前，隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，村鎮(zhèn)生活污水小型集中處理的要求越來越高，但南方地區(qū)歷史遺留的雨污合流制、入河混流制、末端水體倒灌入管網等問題，以及高速公路服務區(qū)特有的污水水質條件等因素，導致大部分的生活污水具有明顯的低碳氮比特性，這給當前的污水處理工作造成了很大的困難，同時也限制了污水處理系統(tǒng)的反硝化作用，所以無法確保處理后的水質達到排放標準。經相關研究顯示，生活污水對水生態(tài)環(huán)境的危害性較大，而且呈現出逐年遞增的趨勢。因此，在我國生態(tài)文明建設的背景下，應逐步提升脫氮處理工藝水平，并選擇與污水水質相適應的技術與設備，以此嚴格控制生活污水中的氨氮含量，從而使水環(huán)境維持在相對較好的水平，同時增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在污水處理過程中，不同處理技術的應用要點和影響因素也存在較大的差異性，因此，需結合實際情況進行選擇，而且要在實踐中還要注重技術創(chuàng)新改進，以獲得更好的水質處理方法和條件。

1 水體中氮的來源及危害

近年來，隨著人類活動加劇，導致生活污水增多，且污染來源呈現廣泛性的特點，因而對污水治理工藝技術成熟度和完整性要求更高。比如，在農業(yè)生產中，會使用大量化肥和農藥，使水體中的氮含量增加，引起氨氮污染，對環(huán)境安全形成了較大威脅。同時，農村地區(qū)的畜牧業(yè)發(fā)展速度也逐漸加快，若未能及時對家禽的糞便進行處理，也會產生大量的廢水。當這些廢水在降雨天氣進入到地表水體中，會引發(fā)不同程度的污染。還有，如果在處理垃圾滲濾液時缺乏可靠的控制措施，也會導致地表水體受到污染，進而氨氮含量會隨之上升，這是引發(fā)環(huán)境問題的主要原因。而當水體中的氮含量逐漸提升時，還會造成富營養(yǎng)化狀況，使水體環(huán)境受到一定威脅，這也是造成黑臭水體的主要原因。而當水體出現黑臭現象時，水環(huán)境中的生物就會受到影響，嚴重時會出現大面積死亡的情況，從而加大了環(huán)境治理的投入成本[1]。此外，氮元素也會使人們身體健康受到威脅，尤其是當飲用水源受到污染時會引發(fā)各類疾病，包括甲亢、非霍奇金淋巴瘤和胃癌等。

2 低碳氮比生活污水脫氮處理工藝及應用措施

2.1 外加碳源脫氮技術

外加碳源脫氮技術是處理低碳氮比生活污水的常用方法，是通過提供碳源的方式滿足反硝化反應的要求，以確保出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的要求，有效降低生活污水對水環(huán)境造成的危害。乙酸鈉、甲醇和乙酸等是幾種常用的碳源類型，但應嚴格控制用量，防止出現二次污染。同時，為了改善碳源的使用情況，可采用改性天然緩釋碳源，也可以充分發(fā)揮活性污泥反應器的作用，增強好氧顆粒污泥的處理效果，這樣不僅能滿足脫氮的要求，而且除磷作用也十分顯著；在提供外加碳源時也可以選擇污泥發(fā)酵物，使低碳氮比生活污水的處理作用更好，且不會干擾系統(tǒng)的運行狀態(tài)，有效保持菌群結構的合理性，使脫氮效率大幅提升。通常，微曝氧化溝技術在處理生活污水中的應用較為普遍，但在處理低碳氮比生活污水時卻存在一定的局限性。因此，可運用污泥發(fā)酵液進行改善，并通過提供豐富的碳源來改善出水水質，使其達到一級A標準要求，減少了商業(yè)碳源的用量，具有良好的經濟優(yōu)勢[2]。而在采用A2/O系統(tǒng)處理生活污水的過程中，也可以加入適量的污泥發(fā)酵液，能有效提高脫氮除磷的效率。目前，污泥堿性發(fā)酵液在污水處理中應用較多，可滿足大批量的處理要求，在實踐中還可以運用水解酸化液和污泥混合液進行聯合處理，有效促進處理過程中的反硝化反應進程，提高系統(tǒng)的反應能效。比如，在生物絮凝吸附-前置反硝化曝氣生物濾池工藝中，就可以引入污泥酸化液作為可靠碳源，以改善傳統(tǒng)工藝的應用效果，同時也提高了資源化的利用率。外加碳源脫氮技術流程如圖1所示。

圖1 外加碳源脫氮技術流程

2.2 無外加碳源脫氮技術

2.2.1 生物脫氮技術

2.2.1.1 ANAMMOX技術

ANAMMOX技術即厭氧氨氧化技術，其在生物脫氮工藝環(huán)節(jié)應用較多，已有30年的發(fā)展歷史，積累了豐富的基礎數據和理論經驗。在實際應用過程中，是以厭氧條件為核心，使NH4+在NO2-電子受體的作用下轉化為N2，且亞硝酸主體處理工藝和厭氧氨氧化技術的融合度越來越高，在兩個反應主體中發(fā)生的反應不同，但會產生相互協同的生化反應，最終實現脫氮處理的目標。尤其是在低碳氮比生活污水的處理中，ANAMMOX技術的適用性更強，但該工藝的實際應用效果也會受到諸多因素干擾，包括溫度、DO、SRT和pH值等。因此，需加強控制以創(chuàng)造更好的應用環(huán)境和工藝參數。通常，在使用ANAMMOX技術進行脫氮時，應將溫度控制在30～35 ℃左右，pH值最高不要超過8.3，最低不要低于7.5；而ANAMMOX菌活性也會受到有機質的影響，包括葡萄糖和甲醇、丙酮酸等。如果DO濃度較高，也會對處理效果產生負面影響，所以，在實際運行中不能超過300 mg/L。厭氧環(huán)境的限制是影響該技術發(fā)展的關鍵因素，因此，要合理營造生態(tài)反應環(huán)境，充分發(fā)揮出厭氧氨氧化菌團的作用。此外，還也可以引入沸石微粒和高濃度無機鹽，以改善厭氧氨氧化菌的活性。經相關研究顯示，采用該方法對污泥消化液實施減量化處理，在1周后能將氮的去除率提升到94%左右，且誤差不超過1.7%[3]。其中，USAB反應器是采用ANAMMOX技術時的主流工藝設備，可有效滿足污泥混合接種的處理要求，特別是當NH4+-N濃度在3～5 mmol/L時，運用該方法能將氨氮的去除率提升到68%左右。因此，該方法的優(yōu)勢顯著，不僅不需要碳源的輔助作用，還不會產生較多污泥，相應降低了系統(tǒng)的運行負擔，具有良好的經濟性。但該技術在實踐中也面臨著一些的限制，尤其是對于溫度控制的要求較高，而且系統(tǒng)的抗沖擊能力有一定的局限性。

2.2.1.2 SHARON技術

SHARON技術即亞硝化脫氮技術，也是生物脫氮領域中的主要工藝方法，與ANAMMOX技術不同，該技術在應用中需要提供有氧環(huán)境，使NH4+在自養(yǎng)型亞硝酸菌的作用下轉化為NO2-，而后續(xù)提供的無氧環(huán)境是發(fā)揮異養(yǎng)型反硝化菌的作用，最終產物包括H2O和CO2和NO2-等。通常情況下，亞硝化反應是該技術應用時的關鍵階段，主要是充分發(fā)揮硝酸菌和亞硝酸菌的作用，以滿足氨氧化要求[4]。而完全混合反應器是采用SHARON技術的核心裝置，解決了傳統(tǒng)工藝中污泥停留時間過長等問題，其最佳反應溫度在30～35 ℃左右，其中亞硝酸菌的活性優(yōu)于硝酸菌，再合理配置水力停留時間等參數，可有效控制或去除硝酸菌群。與傳統(tǒng)技術比較，該技術對碳源的需求量更少，而且反應裝置的性能也得到了較大改善，不會產生大量的污泥。因此，環(huán)保綜合效益明顯。但該技術也存在一定的局限性，尤其是在城市污水處理中的應用效果較差，容易受到溫度的影響，所以在使用該技術時，需要對NO2-的濃度實施嚴格控制，避免造成二次污染。

2.2.1.3 SHARON-ANAMMOX技術

SHARON-ANAMMOX技術可充分發(fā)揮兩種組合技術的優(yōu)勢，且在SHARON硝化反應器的作用下，能有效去除50%的NH4+，還會使其快速轉化為NO2-；再通過ANAMMOX反硝化反應器的作用完成污水處理。通常，ANAMMOX反應器進水為SHARON反應器的出水，其出水生成的產物包括H2O、CO2和N2等，因此，不會對環(huán)境造成污染。但為了提高污水的整體處理效果，需要控制各項反應條件，包括酸堿環(huán)境、溫度環(huán)境等，同時，溶解氧也不能進入到ANAMMOX反應器中。在實際應用中，ANAMMOX菌和氨氧化菌的共同作用是處理生活污水的關鍵，因此，可以不再使用碳源，且氧氣使用量更少，這樣可有效降低污水處理的成本[5]。在處理污泥上清液時，要充分發(fā)揮HCO3-的作用，主要是該物質對酸堿環(huán)境的要求較低，所以提高了處理工作的便捷性。此外，在實際應用SHARON-ANAMMOX技術進行污水處理時，運用EGSB反應器會使氨氮的去除率更高，即亞硝化反應器和厭氧氨化反應器中的去除率分別為79%和45%。

2.2.1.4 CANON技術

在實際應用中，以亞硝化技術和厭氧氨化技術為依托，還可以采用CANON技術對低碳氮比生活污水實施脫氮處理。該技術也被稱為全程自養(yǎng)脫氮技術，主要是借助反應器或生物膜控制水體中的氮元素，并充分發(fā)揮出了厭氧氨氧化作用和亞硝化作用，但在處理過程中需合理控制溶解氨的含量。該技術的主要產物包括H2O、N2和H+、NO3-等。通常情況下，異氧菌、厭氧氨化菌、亞硝化細菌和硝化細菌是支持CANON技術發(fā)揮凈化能效的關鍵，這不僅充分發(fā)揮出了ANAMMOX菌和硝化細菌的作用，還綜合提高了污水的處理效果[6]。該技術的優(yōu)勢在于對曝氣的需求量相對較小，所以可合理降低系統(tǒng)能耗，且占地面積合理，而消耗的氧氣量較常規(guī)處理工藝會降低65%左右。

2.2.1.5 同步硝化反硝化技術

該技術是指在同一個反應器中完成同步硝化和反硝化的工作，且在微環(huán)境理論和好氧反硝化菌理論的支持下，該技術獲得了可靠發(fā)展。其中，BAF反應器是該技術采用的主要裝置，是將兼性菌和硝化菌設置在內層和外層，同時發(fā)揮活性污泥的作用，而且要在填料綜合體以及單個填料反應體中均營造缺氧環(huán)境、厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境，以滿足該污水處理技術的反應需求。在實際應用中，BAF反應器可以選擇火山巖或軟性聚氨酯填料作為載體，同時，還要控制反應器中溶解氧的濃度，一般在0.5～3.0 mg/L[7]。雖然BAF反應器可以提高系統(tǒng)的整體脫氮效果，但需要嚴格控制DO的濃度，并通過對整個反應過程實施優(yōu)化，并結合液相-生物膜傳質系數和系統(tǒng)負荷等運行工況進行綜合考慮，確定出最佳反應條件。該技術相比于傳統(tǒng)處理技術，可有效提升生化反應的速率，且曝氣量較低，具有良好的節(jié)能效果。

2.2.1.6 短程硝化反硝化技術

對于低碳氮比生活污水的處理，在NO2-生成階段實施硝化反應后，再控制缺氧環(huán)境以滿足反硝化的要求，這時污水的處理效果較好。因此，在采用短程硝化反硝化技術時，應做好NO2-濃度的控制，避免受到硝酸鹽細菌菌群的干擾。另外，其他環(huán)境因素也會對NO2-的累積產生干擾，包括DO、pH值、FH和溫度等。所以，為了改善富集效果，宜將反應溫度控制在35 ℃左右，并強化NO2-的累積作用，以此加快對氮素的去除速率。同時，適當控制溶解氧的濃度，既可以為氨氧化菌提供良好的環(huán)境，還可以提高整體的去除效果[8]。在實際應用中，由于該技術的需氧量低，所以可縮短整個工藝系統(tǒng)的反應時間，降低系統(tǒng)的運行成本，減少污泥的產出量，從而有效降低了工藝實施強度。

2.2.2 電化學脫氮技術

電化學脫氮技術可以彌補生物脫氮技術的不足，該技術不需要使用添加劑，就可以有效降低運營成本，且處理效率更高。其中，電解反應是采用電化學脫氮技術的關鍵，主要是指在強氧化劑的作用下，強制分解水體中的污染物，以發(fā)揮電極的氧化還原作用，強化整體脫氮效果。通常，在電化學脫氮技術中，三維電極技術的應用較多，且成熟度較高。但該技術在使用時需設置填充床，主要是為了保障電氧化作用的良好效果，而且還需要嚴格控制填充物的類型，以增強傳質作用，并最終降低系統(tǒng)的運行能耗。同時，在處理生活污水的過程中，運用三維電極反應裝置可更加高效地去除其中的NH3-N，但為了確保更好的脫氮效率，可用鐵鹽優(yōu)化系統(tǒng)，改善生化反應器的反應性能。此外，微電解自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)也可以滿足脫氮處理的要求，但為了保障自養(yǎng)反硝化過程的有效實施，可加入適量的廢鐵屑，這樣就可以在提升氮素去除率的同時，加快系統(tǒng)反應過程，并且還可以降低綜合成本30%左右。但要注意在工業(yè)生產中，廢鐵屑屬于廢物，若不能得到有效妥善處理，會造成環(huán)境污染，因此，將其應用于生活污水的處理過程中，不僅實現了廢物資源的高效利用，還達到了以廢治廢的目的[9]。

2.3 多工藝組合脫氮技術

在實際污水處理過程中，采用單一的工藝往往難以達到預期目標，因此，可采用多種工藝組合實現污水的綜合處理，即強化生活污水的脫氮作用。通常是將電化學處理法和生物膜法協同應用，以提高整個處理系統(tǒng)的硝化和反硝化的反應能效，有效削減或去除水體中的氮素。目前，隨著技術水平的提升以及反應設備性能的完善，A/O-MBR反應器和UF/RO膜分離技術逐漸得到應用，不僅可以確保出水水質達到國家標準，還加快了脫氮處理的速度和進展[10]。此外，電極生物膜反應器也可以與人工濕地處理方法相融合，以滿足低碳氮比生活污水的處理要求，且脫氮效果也較好。此外，雙回流系統(tǒng)也可以有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中碳源不足等問題，可有效提升原水碳源的利用效率，降低外加資源的消耗量，實現脫氮和除磷過程的一體化和集成化，促進系統(tǒng)高效運行。

3 結語

在污水處理過程中，低碳氮比生活污水的脫氮處理應用了較為完善和穩(wěn)定的污水處理工藝，可有效降低含氮量，避免造成嚴重的水環(huán)境污染，從而進一步改善了環(huán)境質量。但由于水體中氮的來源十分廣泛，特別是在城鎮(zhèn)化和居民生活節(jié)奏逐步加快的趨勢下，生活污水的產出量也在持續(xù)增加，這給水環(huán)境治理工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。當前，生活污水脫氮處理工作主要是采用外加碳源脫氮技術和無外加碳源脫氮技術、多工藝組合脫氮技術進行控制。而無外加碳源脫氮技術又可以分為生物脫氮技術和電化學脫氮技術，其中，生物脫氮技術成熟度較高，涉及ANAMMOX技術、SHARON技術、SHARON-ANAMMOX技術、CANON技術、同步硝化反硝化技術和短程硝化反硝化技術等?；谝陨隙喾N技術，所以在實際運用中應結合具體的技術工藝特點和適用條件加以選擇，才能更好地改善生活污水的整體脫氮效果，降低對環(huán)境產生的危害。