生物脫氮工藝在天然橡膠初加工廢水處理中的應用

王謙(海南銳博科技有限公司, 海南 海口 570203 )

氮素對水環境具有不良影響。除了分子態氮(N2)以外，幾乎所有其它形態的氮素積累都會對人類和環境水體產生不良影響，其主要的不良影響有如下幾點:①氨(NH3)會消耗水中的溶解氧，還會毒害水生生物，誘發富營養化；②羥胺(NH2OH)對水生生物產生劇毒作用；③硝酸(鹽)(NO3-)會誘發富營養化問題；④亞硝酸(鹽)(NO2-)不僅消耗水中的溶解氧，誘發富營養化問題，還會對人體產生致癌作用；⑤氧化氮(NO)和氧化二氮(N2O)會破壞臭氧層，導致酸雨產生。

其中以以氨氮(NH3-N)、硝態氮(鹽)(NO3--N)和亞硝態氮(鹽)(NO2--N)對水體的危害最為嚴重，主要表現為:①使湖泊、水庫等水體發生富營養化現象；②使給水處理工程的加氯量大大增加，從而增加了處理成本；③還原態氮(NH4+-N、NH3)會消耗水中的溶解氧，使水體發臭；④影響污水的再生利用。

隨著氮素污染的日益加劇，以及人們對環境質量要求的不斷提高，氮素工程治理已成為環保行業尤為重視的問題。

1 受能力傳統生物脫氮技術

(1) 傳統生物脫氮的原理 傳統生物脫氮的基本原理是首先將廢水中的NH4+轉化為NO2-，然后再將NO2-進一步氧化為，最終經過還原轉化為N2的一個過程。因此，在傳統的廢水生物脫氮工藝中，廢水中的N經歷了從最低價的-3價到最高的+5價，然后再逐漸回到0價的一個漫長和反應復雜的過程。

這個過程主要分為兩個階段，第一個階段為硝化過程，是由兩類自養型硝化細菌(亞硝化細菌和硝化細菌)完成的。第二個階段是反硝化過程，由另一類異養型反硝化細菌來完成，它們將氧化態氮(NO3--N或NO2--N)還原為N2，最終排放到大氣中。反硝化過程需要利用有機物作為電子供體，消耗一定的有機物。

硝化過程反應式如下:

反硝化過程反應式如下:

根據理論計算，每氧化1mgNH4+-N為NO3--N，需要消耗堿7.07mg(以CaCO3計)。因此，如果污水中沒有足夠的堿度來維持，硝化反應將導致廢水的pH值下降，最終導致反應速度變慢。另外，完全氧化1mgNH4+-N為NO3--N，需要氧氣4.57mg。

反硝化過程轉化1mg NO3--N為N2，相當于提供2.86mg的O2；與此同時，還產生3.57mg的堿度(以CaCO3計)。但為達到充分脫氮，需要有充足的有機碳作為電子供體，當BOD5/TkN>3～5:1時，才可以達到徹底脫氮的目的。

(2)傳統生物脫氮工藝運行的影響因素 傳統生物脫氮工藝運行的影響因素主要有如下幾點:

①pH值。pH值是影響廢水生物脫氮系統正常運行的重要參數。在硝化階段要消耗廢水中的堿度而使pH值下降，而在反硝化階段會產生一定量的堿度使pH值有所上升；但是反硝化所產生的堿度比硝化階段所消耗的堿度要少，如果脫氮系統進水的堿度低，一般需要另外補充堿度才能將硝化反硝化反應控制在最佳的pH值范圍。

②溶解氧(DO)。溶解氧含量的多寡將影響整個脫氮工藝的處理效率，同時也會影響硝化與反硝化的類型。當廢水中溶解氧含量低于0.5～0.7mg/L時，會影響硝化菌的生物代謝，氨氮轉化為硝態和亞硝態氮的硝化反應將受抑制。在反硝化階段，溶解氧濃度過高時，會對反硝化菌產生抑制作用，使反硝化速率下降，所以，反硝化段的溶解氧濃度應控制在0.5mg/L以下為宜。

③溫度。生物硝化反應的溫度范圍在5～35℃之間，但是硝化菌的最佳生長溫度為30～35℃，亞硝化菌最佳生長溫度為30℃。當溫度低于15℃時，硝化速率急劇下降；低于5℃時，硝化反應作用幾乎停止。反硝化受溫度的影響也很大，反硝化最適合的溫度為20～35℃，當溫度低于15℃時，反硝化速率明顯降低；在5℃以下時反硝化雖然也能進行，但其速率極低。

④碳氮比(C/N)。碳氮比(C/N)是控制脫氮效果的另外一個重要因素。目前含氮廢水(特別是低C/N廢水)生物脫氮處理所面臨的最大問題是碳源不足。據理論計算，將1mgNO-N3還原為N2需要有機碳(以BOD5表示)為2.86mg。當廢水中碳氮比(C/N)大于3～5時，利用傳統脫氮技術不必外加碳源也要獲得好的脫氮效果。

⑤污泥齡(θC)。污泥齡的長短受污泥負荷控制，污泥負荷是指單位質量的活性污泥中微生物群體的數量在單位時間內所去除的污染物的量。生物脫氮工藝中的污泥齡必須大于硝化菌最小的世代時間，否則硝化菌的流失速度將大于其凈增殖率，從而使硝化菌從系統中流失。

(3)傳統生物脫氮技術在天然橡膠初加工廢水處理中的局限性 傳統生物脫氮常用的工藝(如A/O法、氧化溝、SBR法等)在天然橡膠初加工廢水脫氮方面可以起到了一定的作用，但是仍然存在一些問題:

①硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高生物濃度，因此造成系統總水力停留時間較長，有機負荷較低，增加了基建投資和運行費用；②實際應用中，傳統生物脫氮系統的抗沖擊能力較弱，如果氨氮或者亞硝酸鹽氮的濃度偏高，將會抑制硝化菌的生長；③反硝化過程需要消耗太多碳源，如果廢水中的碳源不足，反硝化的速率將會降低；④氨氮全程硝化，需要消耗大量的氧氣，所需的動力費用較大；⑤由于天然橡膠初加工廢水曝氣處理設施經常會出現進水氨氮高而BOD5較低的情況，不能滿足BOD5/TkN>3的要求，需要額外投加碳源，增加了運行成本。

2 天然橡膠初加工生產廢水生物脫氮處理新工藝

(1)生物脫氮處理新工藝 一直以來，在高濃度含氮廢水的工程實踐中，都一直認為要徹底實現廢水生物脫氮就必須使NH4+-N經歷典型的硝化和反硝化過程才能完全被除去。在傳統的生物脫氮反應中，NO3--N的生成不僅延長了脫氮反應歷程，而且會造成碳源和外加能源的浪費。因此，縮短和控制脫氮歷程在很大程度上節約了廢水處理的基建成本和運行成本，具有重要的實際應用價值，成為了很多實踐工作者和理論研究者追求的目標。

從氮的微生物轉化過程來看，NH4+-N被氧化成NO3--N是由兩類獨立的細菌催化完成的兩個不同的反應，對于反硝化菌，無論是NO2--N還是NO3--N均可以作為最終受氫體。因而整個生物脫氮過程可以通過NH4+-N—NO2-N—N2的途徑完成，從而縮短了反應歷程。因此，人們就把經此途徑進行脫氮的技術稱為短程硝化反硝化生物脫氮技術。該技術最早應用于垃圾填埋場滲濾液、消化污泥脫水上清液的處理中，近年來，也逐漸地被應用到天然橡膠初加工的高濃度氨氮廢水處理中。

(2)短程硝化反硝化生物脫氮技術的可行性與經濟分析 ①短程硝化反硝化工藝將硝化過程控制在NO2-階段而中止，隨后進行反硝化。通過能影響微生物生命活動的因素將硝化控制停止在NO2-階段是實現這一類型生物脫氮技術的關鍵。為了避免在反應過程中NO2-N進一步轉化成NO3-N，使反應盡可能停留在亞硝化階段，可以通過控制硝化菌和亞硝化菌的相對活性，或通過調整曝氣量這兩個途徑來實現，具有可操作性。②由于亞硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，所以泥齡也相應縮短。把反應控制在亞硝酸型階段易提高微生物濃度和硝化反應速度，縮短硝化反應的歷程和反應時間，從而可以減小反應器的容積，節省了構筑物的建設費用。③從亞硝酸菌的生物氧化反應可以看到，把反應控制在亞硝酸階段，節省了氧化NO2--N為NO3—N所需的氧氣量，大大降低了運行成本。④從反硝化的角度來看，把NO--N還原到N比從NO-223-N還原到N2需要的氫供體要少得多，有機碳源的需求量也比硝酸型脫氮減少了40%左右，所需C/N比值較傳統工藝要小。⑤脫氮過程對廢水C/N比的要求低，在反硝化過程中最大限度地降低有機碳源CODcr消耗量，可允許更多的CODcr在前置的厭氧反應器中轉化為生物能源——甲烷，具有較好的經濟效益。