氨氮廢水生物處理技術研究進展*

林鴻劍，劉　偉，陳宜濱

(華僑大學化工學院，福建　廈門　361021)

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氨氮廢水生物處理技術研究進展*

林鴻劍，劉偉，陳宜濱

(華僑大學化工學院，福建廈門361021)

氨氮廢水是造成河流及湖泊富營養化的主要因素，因此廣泛開展研究了高效的處理氨氮廢水，以降低河流及湖泊中的氨氮物質的技術。本文綜述了氨氮廢水主要生物處理新工藝，其中包括同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、短程硝化-厭氧氨氧化聯合工藝，簡單概括了各方法的物理化學處理技術及其工藝,以及比較它們在工業中的應用和特點,并探討了氨氮廢水降解機制,綜述了目前國內外研究進展狀況。

氨氮廢水；生物處理；新工藝

近幾十年來由于工農業的快速發展，居民的生活污水、城市垃圾、污水灌溉、農業氨氮化肥等對農村和城市水源都存在一定的氨氮污染[1]，許多工業廢水中都存在氨氮，而且像化工、化肥、煉油、稀土、鋼鐵等工業都排放出高濃度的氨氮廢水[2]。

氨氮作為植物的營養物質，能夠引起水體得富營養化，影響飲用水水源。而且氨氮含量較高時，對魚類有毒害作用，甚至對人體也有一定的危害[3]。同時氨氮還是高耗氧性物質，要消耗4.57 mg的溶解氧才能使1 mg NH3-N氧化成NO3-N[4]。對眾多金屬，尤其是金屬銅有很強的腐蝕性；污水回收的過程中由于再生水中氨氮組分的存在，導致用水設備、輸水管道中微生物的繁殖速度加快，由此生成的生物垢會進一步堵塞管道和用水設備，并降低換熱效率[5]。

氨氮廢水生物脫氮工藝的研究始于1930年，近幾十年來又提出和開發了很多的廢水生物脫氮工藝，并不斷地在實際工程中推廣和應用。隨著新生物脫氮途徑的探索發現，一些高效低耗環保的生物脫氮工藝在被廣泛地開發應用[6]。本文綜述討論同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和短程硝化-厭氧氨氧化聯合工藝脫氮的影響因素和特點，并結合其特點及影響因素，提出存在問題及未來的發展趨勢。

1　傳統生物處理法

傳統的生物脫氮技術，將硝化反應和反硝化反應視為兩個獨立過程分開進行，是目前應用最為廣泛的脫氮方法[7]。在對污水生物脫氮處理的過程中，首先在好氧的條件下利用好氧硝化菌的作用，將污水中的氨氮組分氧化為硝酸鹽或者亞硝酸鹽。之后在缺氧條件下通過反硝化菌的作用將亞硝酸鹽或者硝酸鹽，還原為氮氣而從污水中釋放排出[8]。基本的原理是在不同的反應器中，或在同一個反應器中控制時間和空間，交替造成缺氧和好氧環境進行的生物處理法。

傳統生物處理方法的主要優勢在于效果穩定經濟，操作簡單，適用范圍廣，且不產生二次污染；但缺點也很明顯，例如低溫時效率低，占地面積大，運行成本高等。在這一處理過程中，實際工業運用中有些問題應給予考慮，例如有些像重金屬離子會對微生物的活動和繁殖有抑制作用等。

2　同步硝化反硝化

所謂同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification,簡寫成SND)，是指在同一反應器中、相同操作條件下硝化反應和反硝化反應同時發生的現象[9]。可以從從宏觀環境理論、微環境理論、微生物理論三個方面解釋其作用機理[10]。在研究流化床反應器、生物轉盤、SBR等不同的生物處理系統時發現在有氧條件下的反硝化現象確實存在[11]。影響生物同時進行硝化反硝化效果的主要影響因素有碳源、溶解氧濃度(DO)、微生物絮體結構及尺寸、氧化還原電位(ORP)、pH值和游離氨的濃度(FA)等。

魏海娟等[12]采用移動床生物膜系統，DO控制在2.5 mg/L左右時，反應器內發生了同步硝化反硝化現象，而且在調整投加淀粉C/N比時，系統能夠取得良好的脫氮效果，氨氮的去除率均在93%以上。WANG Jianlong等[13]采取復合式生物反應器(SHBR)，通過限制進入反應器中空氣流量，產生一個最終只對亞硝酸鹽起作用的缺氧條件，阻止硝酸鹽的生成。而且隨著亞硝酸鹽的平均積累率(NAR)增加，脫氮效率也隨著增加，亞硝酸鹽的平均積累率可以從60%升高到90%，總氮的去除率可以從68%提高到85%。Reginatto V等[14]在反硝化反應器耦合到硝化反應器中的操作系統中，處理屠宰場氨氮廢水。在反硝化反應器操作中觀察氮平均去除率為50 mg/(L·d)。而且氮負荷率在33～67 mgN/(L·d)時，氨氮的平均去除率為40%～95%。

同步硝化反硝化(SND)脫氮技術實現了在同一個反應器內除碳、硝化和反硝化。SND生物脫氮技術憑借其明顯的工藝優勢，為降低投資和簡化生物除氮技術提供了可能，而且在亞硝酸鹽階段的同步硝化反硝化脫氮技術因更具有節省有機碳源和曝氣量等諸多優點，將會對SND生物脫氮技術的研究進展和實踐應用起更進一步推進作用。

3　短程硝化反硝化

尚會來等[16]利用間歇式活性污泥法(SBR)處置生活污水，實驗結果發現在較高溫度條件下(28±1)℃，通過實時控制污泥齡在10 d左右，可以成功實現短程硝化反硝化，而且降低溫度對短程系統硝化反應的影響要大于反硝化的影響。孫星凡等[17]在DO為110～115 mg/L，系統溫度為28℃，pH控制在7.5～8.6，進水 NH3-N在 598.2～701.3 mg/L的條件下，用 AOMBR處理模擬高氨氮廢水，去除效果明顯，并在此基礎上探討了pH、溫度和DO等對系統短程硝化穩定運行的影響和影響機理。王歡等[18]采用短程硝化反硝化在常溫(13～20℃)、不調節pH的條件下，預處理低C/N(2左右)豬場廢水。達到去除部分CODCr、控制出水pH在7.5～8.0左右、氨氮和亞硝態氮濃度之比在1:1左右的目的，全程CODCr和總氮平均去除率分別為 64.3%和 49.1%。

4　厭氧氨氧化

所謂的厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，簡寫成ANAMMOX)是在缺氧的條件，由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮氣的生物反應過程[20]。厭氧氨氧化是個放熱過程，從理論上講能夠為微生物生長提供一定能量，目前已經推測厭氧氨氧化過程有多種途徑[21]。影響厭氧氨氧化的因素有：溶解氧濃度DO、pH、溫度T、泥齡控制SRT。

張鴻郭等[22]采用上流式厭氧污泥床，對某垃圾填埋場滲濾液進行了處理。在厭氧氨氧化活性穩定后，發現反應器對氨氮和亞硝氮具有較好的處理效果，對氨氮、亞硝氮的平均去除率高，分別可以達到98.42%和99.01%。郭勇等[23]采用厭氧流化床反應器(AFB)作為厭氧氨氧化反應器，進行了垃圾滲濾液的脫氮研究。在停留時間為5.5 h，進水CODCr為2675.4～4289.1 mg/L，出水的CODCr在 1001.6～2617.7 mg/L，厭氧生物流化床反應器對垃圾滲濾液具有一定的處理效果，平均去除率為48%。朱杰等[24]采用反硝化污泥啟動厭氧氨氧化反應器，處理典型高濃度養殖廢水經UASB-短程亞硝化工藝處理后的廢水。在pH為7.50左右，溫度為30℃且系統不需投加有機碳源的條件下達到最佳運行條件。在最佳進水氨氮負荷0.2 kg/(m3·d)左右，系統的 HRT定為 2 d時，系統最終氨氮去除率能達到85%以上，亞硝態氮去除率達到95%以上。

目前，厭氧氨氧化工藝被認為是擁有最簡潔和最經濟兩大獨特優勢的生物脫氮工藝，其優勢是不需要氧氣和外加有機碳源，從而在實現高氨氮廢水的高效脫氮的同時節省能源和碳源[25]。傳統生物脫氮由于大量消耗有機物、高耗能、產生過多污泥等缺點，在倡導可持續發展的大環境下，氨氮污水處理工藝應滿足污泥減量，提高效率，節能的要求，所以勢必會被節約能耗的厭氧氨氧工藝所替代[26]。

5　短程硝化-厭氧氨氧化

如上所提的同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化(ANAMMOX)等，是近十年來，人們研究開發出的新型、高效的生物脫氮工藝。但是，隨著生物脫氮理論的進一步研究，發展出了眾多的聯合處理工藝[27]。其中，短程硝化-厭氧氨氧化聯合工藝(SHARON-ANAMMOX)，以其高效脫氮能力被關注。已經開發出了兩類脫氮新工藝。一類為兩級反應，另一類為單級反應。短程硝化-厭氧氨氧化適用于處理多種含氮廢水，憑借該工藝的經濟性和可持續性，決定此工藝在處理含氮廢水處理中的廣泛應用。

6　結語與展望

和傳統脫氮技術相比，新型生物脫氮工藝具有各自的優勢：(1)同步硝化反硝化同時實現了除碳、硝化和反硝化，而且無需外加碳源，很大程度上節省了運行費用；(2)短程硝化反硝化可以減少氧的供應量和有機碳源用量，縮短反應時間，提高了效率，降低了運行費用；(3)厭氧氨氧化無需外加碳源，減少堿投加量及供氧，污泥產量少，能耗低，從而實現了低碳的目的；(4)短程硝化-厭氧氨氧化聯合工藝運行穩定，成功實現了自養脫氮，對氧的需求量少，而且可以有效降低能耗。

生物法處理氨氮廢水的方法有多種多樣，在國外，應用和研究最多的是短程硝化-厭氧氨氧化相結合的新型生物脫氮工藝，不同的方法各有優劣，有時為了達到較好的效果需要采取多種技術的聯合處理。在實際的應用方面，還必須考慮不同廢水性質異同，為確定最佳處理技術及工藝進行系統性地分析研究，探索出一種能高效、低耗、穩定的氨氮廢水處理方法。

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Research Progress on Biotechnology of Removing Ammonia-nitrogen from Wastewater*

LIN Hong-jian,LIU Wei，CHEN Yi-bin

(College of Chemical Engineering，Huaqiao University,Fujian Xiamen 361000,China)

The ammonia-nitrogen wastewater is the main factor of rich nourishment in the polluted rivers and lakes．Thus,highly efficient process to deal with amnonia-nitrogen from wastewater in order to decrease amnonia-nitrogen content of rivers and lakes is widely applied.Some new biological processes to remove ammonia-nitrogen in wastewater were discussed,including SHARON，SND，ANAMMOX and SHARON-ANAMMOX．The physical and chemical treatment technology and characteristics of these biotechnology processes were mainly introduced.Different methods were compared in industry apply and their advantages and disadvantages were found.Besides,the degradation mechanism of ammonia nitrogen from wastewater was discussed,the development trend of biotechnology process for removing ammonia-nitrogen for wastewater was predicted.

ammonia-nitrogen；biological treatment；new technology

華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目。

林鴻劍(1991-)，男，碩士研究生,主要從事固、液廢物處理及資源化研究。

X703

B

1001-9677(2016)011-0016-03