低碳氮比污水脫氮技術最新進展

張 巖，趙劍文，宋 超，俞 斌，康樹林

（上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠，上海 201203）

隨著水污染加劇，我國部分水體湖泊富營養化嚴重，生態系統功能嚴重退化。水十條發布以后，國內大部分污水廠針對出水總氮進行考核，要求污水廠出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A排放標準，而目前國內大部分污水處理廠的總氮不能達標排放，因此全國各地為保證總氮達標進行了新一輪的提標和改擴建。從脫氮技術角度來看，生物脫氮技術是目前污水脫氮處理最經濟有效的技術。但是對于低碳氮比的污水，傳統的工藝到不到理想的脫氮效果，而且處理過程需氧量大，動力消耗大，為了保證較高的污泥濃度和良好的脫氮效果，必須同時進行污泥和消化液回流，同時為了保證硝化菌的活性，工藝的HRT較長，曝氣池投資較大，運行費用較高。

在處理低C/N廢水方面，厭氧氨氧化工藝不需要外加有機碳源，并且比傳統的硝化-反硝化反應減少了25%需氧量，從而降低了投資和運行費用，具有廣闊的應用前景。因此，針對低碳氮比污水，尋求經濟有效的處理技術具有重要意義。本文針對上述生物脫氮技術問題，結合最新的國內外研究成果，闡述了低碳氮比廢水的技術研究最新進展，以期為廢水的治理提供一定的參考。

1 常規脫氮技術進展

1.1 傳統工藝進行優化

污水廠進水碳氮比較低，導致現有活性污泥系統對總氮的去除不完全，進而影響出水總氮的達標。首先，需要從現有工藝出發，對進水碳源進行合理分配，提高氮源的利用率。國內多位學者和工程技術人員通過對現有工藝的優化來進一步提升碳源的利用率，主要措施包括合理控制池內不同區域的溶解氧，通過調整不同位置的溶解氧水平，避免進水中的碳源被過快消耗，從而為后續生物脫氮保留足夠的碳源[1]。對進水進行分段或者多點同時進水，保證各段微生物能充分利用進水中的有效碳源進行反硝化[2]。對于傳統脫氮除磷工藝，碳源既要脫氮又要兼顧除磷，脫氮效率很難得到保證，因此，部分污水廠調整碳源的利用策略，進水的碳源優先保證脫氮所需的碳源，進水中的磷通過添加化學藥劑進行輔助去除，這樣節省了生物除磷所需的碳源，進而提高了脫氮效率[3-4]。

1.2 生物強化工藝

生物強化工藝包括定向培養部分微生物菌種和微生物固定化技術，提高低碳氮比污水的脫氮效果。劉向陽針對養豬廢水的高氨氮低C/N沼液，通過培養異養硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌作為生物強化劑，以PAN活性炭纖維作為填料的生物接觸氧化池（BCO）為膜生物反應器，強化處理豬場沼液，結果顯示，NH4-N+、TN的去除率比傳統工藝提高29.3%、20.2%[5]。賈小寧通過固定化微生物組合床型對低C/N比污水的脫氮性能進行了研究，結果表明，隨著碳氮比的增大，TN去除率快速增大，碳氮比為3時，該工藝對NH4-N+、TN的去除率分別達到了97.89%、72.52%[6]。王春喜研究了固定化反硝化菌聯合固定碳源小球處理低碳氮比污水，最終投了小球的試驗組NH4-N+、TN的去除率分別達到了85.46%、78.33%[7]。

1.3 投加碳源和無機鹽

目前，大部分企業選擇外加碳源來補充污水中缺少的碳源，常見的外加碳源主要包括小分子有機物質，如甲醇、乙醇、乙酸、乙酸鈉等；大分子有機物如葡萄糖、蔗糖、糖蜜等；纖維素類有機物如木屑、麥稈、稻殼等；人工合成類高分子材料如PHA、PHB、PHAS等，其中人工合成類的固體緩釋碳源由于具有緩慢釋放有機碳，降低有機碳添加過量引起的二次污染的風險，還能為系統內微生物提供附著點等作用，成為研究熱點之一。裴延權投加PHB作為固體緩釋碳源處理CRI出水，通過投加緩釋碳源33 d后，系統的NH4-N+、TN的去除率均值分別達到了77.18%、74.06%；裴延權采用了稻殼、玉米芯、陳米等作為外加碳源，發現陳米更合適作為脫氮的碳源，出水總氮范圍為0.69～10.80 mg/L[8-9]。而投加鐵鹽類無機鹽可以為反硝化菌提供電子供體，促進反硝化作用，提高系統脫氮效率，解決進水的碳源缺乏問題。張嘉輝研究了低碳氮比污水投加Fe2+輔助活性污泥進行脫氮，結果表明，投加Fe2+后系統內脫氮效率提高了8%[10]。

1.4 污泥發酵液應用

污泥發酵液中含有大量的VFAs，VFAs作為微生物容易利用的碳源，用來補充反硝化所需的碳源，同時也為污泥減量化開辟了新出路，是近年來新興的熱點。羅哲利用污泥厭氧發酵液作為碳源的中試研究表明，污泥液作為外加碳源時，出水的NH4-N+、TN去除率分別達到了88.91%、64.86%[11]。姚創通過對比乙酸鈉和污泥發酵液作為外加碳源，用于氧化溝脫氮除磷研究，結果表明，污泥發酵液作為脫氮除磷碳源能達到和乙酸鈉同樣的效果，可以替代商業碳源使用[12]。劉紹根利用絮凝污泥水解酸化液作為外加碳源處理低碳氮比生活污水，NH4-N+、TN去除率分別達到了96.12%、79.80%[13]。

1.5 多工藝組合

通過傳統工藝和生物膜技術的組合工藝，人們可以得到更好的有機物和氨氮的去除效果，多種工藝的組合可以達到較好的耐沖擊負荷能力、提高氧的利用率、降低污泥產量。張國珍通過投加懸浮復合填料的方式對多級A/O進行了改良，結果表明，添加填料后進一步提高了脫氮效果[14]。Hu Xiang通過缺氧/厭氧/好氧/預缺氧-MBR來處理低C/N的城市生活污水，結果表明，往缺氧區投加外加碳源后，最終NH4-N+、TN去除率分別達到了98.1%、74.9%[15]。吳勇采用多級AO-MBR組合工藝來處理低碳氮比城市污水，通過優化工藝，最終系統出水的氨氮、總氮均值分別為1.39 mg/L、12.40 mg/L，出水能滿足一級A排放標準[16]。

2 新型脫氮技術進展

傳統的生物脫氮是一種高能耗、高成本的模式，尤其是對于低碳氮比的污水，碳源不足，脫氮效率會偏低。因此，研究低能耗高效率的脫氮工藝，已經成為當今污水處理領域的研究熱點。隨著生物信息學和微生物鑒定技術的發展，人們對脫氮機理的認識更加深入，多種新型脫氮理論和工藝應運而生，短程硝化反硝化技術、同步硝化反硝化技術（SND）、同步反硝化脫氮除磷技術、厭氧氨氧化技術以及多種工藝的組合應用，均在21世紀得到了較大的發展，下文將展開論述。

2.1 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是將氨氮的硝化反應控制在亞硝酸鹽階段，然后利用亞硝酸鹽菌（AOB）進行反硝化.與完全硝化反應相比，短程硝化反硝化具有更快的反硝化速率，縮短了反應過程，可以使反應器容積減少40%左右，同時曝氣量降低約25%，碳源需求也得到了降低。鞏秀珍利用SBR反應器，結合后置短程硝化反硝化技術處理低C/N比的城市污水，通過優化曝氣量和缺氧停留時間，最終整個反應系統的NO2-N-、TN去除率分別達到了81.64%、95.26%[17]。吳春雷建立了A2/O工藝中試裝置，研究了低C/N條件下污水短程硝化反硝化工藝的脫氮性能，結果表明，亞硝氮的積累率穩定在62%以上，出水總氮低于9.0 mg/L，同時在最優工況下，系統節約碳源約27.3%[18]。王永慶采用厭氧-好氧-好氧-厭氧工藝處理老齡垃圾滲濾液，該廢水具有高氨氮、低C/N的特點，在控制溶解氧在0.1～0.5 mg/L和充足堿度的條件下，O1池NO2-N-的累計率在90%以上，系統對NH4-N+、TN去除率分別達到了95%、66.5%，O1池優勢菌種為AOB，成功實現了短程硝化反硝化體系[19]。

2.2 同步硝化反硝化技術（SND）

SND技術是指在同一反應器內同時發生硝化和反硝化現象，近幾年SND技術國內外也有不少報道，SND存在于多種系統內，生物膜系統、SBR和氧化溝等均發現了SND現象。鄧時海模擬低了C/N比污水，在SBR系統內添加改性活性炭纖維來研究脫氮效果，發現C/N為5:1時，NH3-N從15 mg/L降至2.5 mg/L，總氮從20 mg/L降至4 mg/L[20]。Yuhai Liang采用SNAD工藝處理低C/N比污水，總氮去除率達到81%，同時鑒定出系統內的菌株主要為Nitrosomonas和Candidatus brocadia[21]。Gogina通過實驗室小試裝置研究了SND技術處理低碳氮比廢水，經過49 d的試驗，結果表明有機物去除率在95%～96%，氨氮去除率在80%～90%[22]。

2.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在厭氧條件下，微生物以NH4-N+為電子供體，以NO2-N-電子受體，將NH4-N+轉變為N2和少量NO3-N的生物氧化過程。1977年，Broda通過熱力學計算預言了厭氧氨氧化反應，至今厭氧氨氧化技術已經成功應用于污水處理，厭氧氨氧化反應無需外加碳源、水力停留時間短、耗氧量少，但厭氧氨氧化細菌培養條件比較苛刻，系統啟動較困難[23]。強紅研究了厭氧氨氧化工藝的啟動及其處理低碳氮比城市污水，研究表明，通過接種厭氧氨氧化污泥，啟動時間大大縮短，氨氮和亞硝氮的去除率達到92%[24]。Rui Du通過Anammox工藝研究低碳氮比、低溫的生活污水，發現當進水COD、NH3-N、NO3-N-分別為166.3 mg/L、60.6 mg/L、50 mg/L時，去除率分別達到了78.7%、97.6%、89.5%[25]。Shenbin Cao通過兩段PD-Anammox工藝處理低碳氮比城市生活污水，結果表明，氨氮去除率達到了95.2%，總氮出水低于4.0 mg/L[26]。

2.4 多種工藝聯用

隨著研究的深入，國內外許多學者通過上述新型的脫氮技術聯合使用，使其在節能減耗、脫氮效率、污泥減量方面產生了更好的效果。劉洪濤在SBR系統內，利用亞硝化-復合式UASB厭氧氨氧化組合工藝處理模擬廢水，NH4-N+和COD的進水濃度均為300 mg/L，最后TN和COD的去除率達到了91.99%和93.59%，該組合工藝處理污泥脫水液時，TN和COD的去除率達到了84.27%和90.33%[27]。Deniz通過UASB-MBR-SHARON-ANAMMOX工藝聯用，處理填埋場滲濾液，取得了較好的效果，最終TKN和COD的去除率均超過了90%[28]。Loosdrecht利用SHARONANAMMOX組合工藝處理高氨氮廢水，結果表明，每天有接近80%的氨氮被轉換成了氮氣，處理負荷約為1.2 kg N/（m3·d）[29]。Tian Li通過 ABR-CANON 組合工藝處理城市生活污水，該系統5 d時間成功啟動，在DO為0.5～2.0 mg/L、HRT為6 h、pH為8時，總氮去除率為81%～87%，出水COD約為40 mg/L[30]。

3 結語

傳統硝化反硝化工藝主要應用于低氨氮廢水，對于低碳氮比的廢水達不到理想的處理效果，因此需要對工藝進行優化，常見的有添加碳源、生物膜和現有活性污泥工藝聯合處理，以盡可能降低出水的總氮，使其污水達標排放。而新興脫氮技術對處理低碳氮比的污水具有較高的脫氮效果，國內外學者和技術人員對亞硝化與厭氧氨氧化等技術進行了研究和實際應用，對脫氮處理效果、降解機理和主要影響因素等進行了研究，以實現低碳氮比廢水的高效、低能耗處理，為新技術的推廣提供了理論依據。本文介紹了傳統的和新型的脫氮處理技術，以期使科研人員和工程技術人員更全面、更深入地了解低碳氮比廢水的處理技術。