污水生物脫氮工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用

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（青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和人民生活水平逐漸提高，氣候條件也在不斷改變，人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)也有了更高的要求。“十三五”規(guī)劃提出，2020年底要實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施全覆蓋，城市污水處理率達(dá)95%。快速、高效、徹底處理城鎮(zhèn)污水的問(wèn)題亟需解決，而處理的關(guān)鍵在于氮、磷等污染物的去除，這類污染物的超標(biāo)排放也使得我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，這也是環(huán)境工作者面臨的重大問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，但存在工藝復(fù)雜、成本能耗高等問(wèn)題，相比之下，一些新興工藝的發(fā)現(xiàn)得到了人們的關(guān)注和應(yīng)用，其處理效果既能遏制有機(jī)物的污染，也能有效解決脫氮除磷問(wèn)題。本文主要對(duì)傳統(tǒng)和新興工藝的原理進(jìn)行了分析，指出不同生物脫氮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

迄今為止，傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)已發(fā)展近百年，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用與推廣，主要反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)反應(yīng)過(guò)程

1.1.1 氨化作用

氨化作用，即脫氨作用，微生物在有氧或無(wú)氧條件下將有機(jī)氮分解并產(chǎn)生氨的過(guò)程。氨化作用的第一步是先將含氮有機(jī)物降解為多肽等簡(jiǎn)單含氮化合物，第二步使含氮化合物降解轉(zhuǎn)變?yōu)榘睉B(tài)氮[1]。在污水的處理過(guò)程中，能夠進(jìn)行氨化作用的微生物相對(duì)較多，氨化反應(yīng)效率也較高。

1.1.2 硝化作用

硝化作用是將水中的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，降低氨氮濃度的過(guò)程。一般分為亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩步。（1）亞硝化反應(yīng)是在氨氧化細(xì)菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）[2]的參與下，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，反應(yīng)如式1；（2）硝化反應(yīng)是在亞硝酸氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的參與下，將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，反應(yīng)如式2。AOB和NOB統(tǒng)稱為硝化細(xì)菌，均為自養(yǎng)型微生物，在有氧環(huán)境下，硝化細(xì)菌以氧氣為電子受體，利用無(wú)機(jī)碳化合物為碳源進(jìn)行硝化反應(yīng)[3]。

1.1.3 反硝化作用

反硝化作用是將污水中原有的和通過(guò)氨化和硝化作用得到的硝酸鹽去除生成N2的過(guò)程。在缺氧環(huán)境下，反硝化細(xì)菌在有合適電子供體和碳源的情況下，利用式3所示的反硝化作用，將污水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦觥４蟛糠址聪趸?xì)菌是異養(yǎng)型菌，主要以有機(jī)物為碳源和電子供體，進(jìn)行無(wú)氧呼吸[4]。

1.2 常用工藝

1.2.1 A/A/O及其變形工藝（同步脫氮除磷）

（1）厭氧/缺氧/好氧工藝（Anaerobic/Anoxic/Oxic，A/A/O），工藝流程如圖2所示，該工藝是將厭氧-缺氧-好氧三種環(huán)境串聯(lián)，交替反應(yīng)，使氨化作用、硝化作用和反硝化作用在同一污泥系統(tǒng)中，同時(shí)利用聚磷菌除磷，達(dá)到同步脫氮除磷的效果。

（2）厭氧/缺氧/缺氧/好氧活性污泥法（MUCT工藝）[5]，是由南非開(kāi)普敦大學(xué)提出的一種能夠提高除磷脫氮效率的變形工藝，系統(tǒng)在A/A/O工藝基礎(chǔ)上，改變?yōu)閰捬?缺氧-缺氧-好氧的流程，并改變內(nèi)回流，一方面將好氧區(qū)回流至后置缺氧區(qū)，另一方面將前置缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[6]，使兩段回流相互獨(dú)立。這種變形工藝有效提高了系統(tǒng)脫氮除磷的效率[7]，但因?yàn)樵黾觾?nèi)回流，系統(tǒng)能耗增大。

1.3 工藝展望

目前，傳統(tǒng)生物脫氮工藝技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但仍存在一系列問(wèn)題，因此演變出很多在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的變形工藝，如兩段式A/O工藝、多段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝、多級(jí)厭氧/缺氧/好氧活性污泥法（Multilevel Anaerobic/Anoxic/Oxic，MAAO）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）等[8]。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外采用最多的污水處理方法，研究前景十分廣闊，但隨著社會(huì)的發(fā)展，仍有很大的進(jìn)步空間。針對(duì)不同的水質(zhì)情況，研究不同的生物脫氮工藝，優(yōu)化控制條件，降低成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和效益雙目標(biāo)，是目前發(fā)展研究的方向。

2 同步硝化反硝化（SND）技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

圖2 A/A/O反應(yīng)流程圖

根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)是在不同的時(shí)間和空間條件下進(jìn)行的，相互獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。同步硝化反硝化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將兩個(gè)反應(yīng)在同一操作條件下進(jìn)行的目的。

2.1.1 宏觀環(huán)境

一般在好氧環(huán)境下的活性污泥系統(tǒng)中，由于曝氣不均勻或采用點(diǎn)源性曝氣裝置等原因，易造成局部明顯缺氧的大環(huán)境，在這種環(huán)境下能夠形成同步硝化反硝化的反應(yīng)[9]。

2.1.2 微觀環(huán)境

從微觀環(huán)境物理學(xué)角度解釋SND，一般認(rèn)為微生物體積為微米級(jí)單位，因此影響生物的生存環(huán)境也是微小的。當(dāng)宏觀環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響微觀環(huán)境生物的活動(dòng)形態(tài)。SND主要是利用硝化作用和反硝化作用的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中溶解氧（DO）濃度、微生物絮體結(jié)構(gòu)特征和生物膜厚度的作用。在微觀環(huán)境下，微生物絮體內(nèi)的各種生態(tài)因子都會(huì)發(fā)生變化，具體如圖3所示。一般認(rèn)為，在微生物絮體或生物膜內(nèi)，由于氧擴(kuò)散的限制，絮體或生物膜存在DO梯度，外部因?yàn)镈O含量高，好氧硝化菌和氨化菌適宜生存，內(nèi)部因?yàn)檠鮽鬟f受阻以及外部好氧菌的消耗，DO含量低，反硝化菌取得優(yōu)勢(shì)，適宜生存。

圖3 微生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)分布和底物濃度變化

從微觀環(huán)境微生物學(xué)角度解釋SND。硝化過(guò)程被認(rèn)為發(fā)生在好氧條件下，反硝化過(guò)程發(fā)生在缺氧環(huán)境下。而在20世紀(jì)80年代，隨著好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)，為SND現(xiàn)象提供了合理依據(jù)。另外Kuenen等[10]還發(fā)現(xiàn)許多異養(yǎng)硝化菌同時(shí)也可進(jìn)行好氧反硝化反應(yīng)，這種情況下，產(chǎn)生的NO-、NO-32等產(chǎn)物被還原，一次性將NH4+轉(zhuǎn)化為N2去除，達(dá)到脫氮的效果。

2.2 常用工藝

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

SBR工藝最初于1914年由美國(guó)學(xué)者發(fā)明，該工藝可分為5個(gè)階段：進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置。SBR工藝?yán)脮r(shí)間上的更替來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法的脫氮效果，可操控性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，較為適合小型污水處理。

2.2.2 氧化溝工藝（OD）

OD工藝是一種通過(guò)對(duì)曝氣時(shí)間進(jìn)行控制來(lái)改變活性污泥處理效率的方法。SND很早就應(yīng)用于氧化溝工藝，該工藝?yán)梦⑸锏沫h(huán)境復(fù)雜多變以及物質(zhì)傳遞變化等因素的相互作用，形成活性污泥生物絮體。氧化溝同步硝化反硝化通過(guò)控制二沉池負(fù)荷、曝氣量等，達(dá)到理想的水力停留時(shí)間，進(jìn)行脫氮處理。該工藝建造成本較低，且管理和運(yùn)行較為簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。

2.3 工藝展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)各種常用工藝的SND進(jìn)行深刻研究，并大量投入實(shí)踐應(yīng)用，但是仍有很多有待深入研究的內(nèi)容。此外，將不同工藝結(jié)合也是研究的方向之一，如將SND與除磷工藝結(jié)合也是目前亟需探索的一種生物處理污水技術(shù)。在SND的機(jī)理解釋上，未來(lái)也仍有可探索的空間。

3 短程硝化反硝化工藝（SCND）技術(shù)

短程硝化反硝化工藝在1975年被提出后得到廣泛研究，至今已經(jīng)衍變出多種變形工藝。

3.1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)認(rèn)為在硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌協(xié)同作用下，將污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饬鞣诺酱髿庵小Ｏ趸饔靡匝鯕庾鳛殡娮邮荏w，反硝化作用以有機(jī)基質(zhì)作為電子供體，SCND工藝就是將硝化作用控制在NO2-狀態(tài)下，直接以NO2-作為原料進(jìn)行反硝化作用，因此省去了亞硝酸氧化細(xì)菌將NO-2氧化為NO3-的過(guò)程，二者流程如圖4所示。

圖4 全程與短程硝化反硝化途徑流程對(duì)比

通過(guò)圖4兩種途徑比較，SCND工藝在全程的基礎(chǔ)上縮短流程，這也使得短程硝化反硝化技術(shù)有了一定的優(yōu)勢(shì)：（1）SCND工藝將步驟簡(jiǎn)化，減少了中間氧化過(guò)程，化學(xué)需氧量與電子供體數(shù)量減少，降低能耗；（2）減少亞硝酸氧細(xì)菌的參與，使得反應(yīng)所需的碳源量減少，運(yùn)行成本得到降低；（3）直接通過(guò)氧化亞硝酸鹽得到氣態(tài)氮，其反應(yīng)速率與全程硝化相比更快，所需的反應(yīng)器體積工程量小，在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益高；（4）剩余污泥量少。

3.2 常用工藝

SHARON工藝典型特征為：（1）通過(guò)調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)部的主要環(huán)境條件，如溫度、溶解氧、pH等，使內(nèi)部的氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)速率大于亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，進(jìn)而將反應(yīng)物質(zhì)狀態(tài)控制在NO2-階段；（2）工藝將短程硝化反應(yīng)和短程反硝化反應(yīng)置于同一反應(yīng)器內(nèi)，且反應(yīng)器內(nèi)不留存活性污泥，簡(jiǎn)化反應(yīng)器和反應(yīng)流程；（3）習(xí)慣上認(rèn)為大部分硝化反應(yīng)產(chǎn)物為酸性，反硝化反應(yīng)為堿性，因處于同一反應(yīng)器內(nèi)存在酸堿中和作用，所以SHARON工藝只需稍加調(diào)控即可；（4）相比傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，該工藝可減少供氧量25%和外加碳源40%。

4 厭氧氨氧化技術(shù)（Anammox）

4.1 技術(shù)原理

Anammox工藝是指在厭氧或缺氧條件下，厭氧氨氧化菌（AAOB）以NO2-為電子受體，以NH4+為電子供體，將NH4+直接氧化為N2的過(guò)程。因?yàn)锳nammox工藝主要依靠AAOB進(jìn)行反應(yīng)，AAOB對(duì)環(huán)境條件控制的要求也非常嚴(yán)格，因此存在許多影響厭氧氨氧化污泥活性的因素。

4.2 常用工藝

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工 藝， 即SHARON和ANAMMOX的組合工藝。該工藝是目前應(yīng)用最為廣泛的厭氧氨氧化工藝，原理是將亞硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行，第一步是利用SHARON工藝，通過(guò)控制溫度、溶解氧、pH、水力停留時(shí)間等因素，使內(nèi)部的氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)速率大于亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，使氨氧化菌為主體菌，將反應(yīng)物質(zhì)狀態(tài)控制在NO2-階段。第二步是利用ANAMMOX工藝，水體中的NH4+與NO2-在AAOB作用下生成氮?dú)猓_(dá)到生物脫氮作用。

4.2.2 OLAND工藝

OLAND工藝（限制自養(yǎng)硝化反硝化工藝）是2005年由比利時(shí)Gent大學(xué)開(kāi)發(fā)的[11]。該工藝是在生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，反應(yīng)器表面由氨氧化細(xì)菌與AAOB構(gòu)成，氨氧化菌位于表層，AAOB位于底層。表層的氨氧化菌利用空氣或水中的DO，通過(guò)反應(yīng)將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-，同時(shí)底層環(huán)境變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，AAOB利用擴(kuò)散的NH4+和NO2-為反應(yīng)物，到達(dá)生物脫氮的目的。4.2.3 CANON工藝

CANON工藝是由荷蘭Delft大學(xué)以Sharon-Anammox工藝為基礎(chǔ)，發(fā)展的全新工藝[12]。利用亞硝化和厭氧氨氧化工藝的發(fā)展基礎(chǔ)，在單個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)曝氣等手段控制DO實(shí)現(xiàn)亞硝酸和厭氧氨氧化的過(guò)程。在曝氣條件下，絮狀污泥表面DO充足，表層的AOB數(shù)量多且種類豐富，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-，同時(shí)表面DO消耗殆盡，形成污泥內(nèi)部厭氧環(huán)境，為AAOB提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，并利用原水中的NO2-和NH4+為原料進(jìn)行厭氧氨氧化，實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著生物脫氮工藝的進(jìn)步，目前不僅有較高的氮磷去除要求，還要求處理效果的穩(wěn)定和相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝早已不能滿足現(xiàn)有的污水脫氮需求。新興的工藝已基本成熟，但尚未大規(guī)模在全國(guó)應(yīng)用生產(chǎn)。同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化工藝等仍在實(shí)際應(yīng)用中存在弊端，需要不斷更新發(fā)展，與自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)等結(jié)合，使各項(xiàng)工藝在污水處理行業(yè)有更廣泛的應(yīng)用。