污水生物脫氮工藝技術(shù)應(yīng)用分析

夏麗君

（常州西源污水處理有限公司，江蘇 常州 213135）

在國(guó)家發(fā)展政策進(jìn)行深刻轉(zhuǎn)型之際，綠色、環(huán)保和可持續(xù)的發(fā)展理念已經(jīng)深入人心。面對(duì)城鎮(zhèn)的污水處理問(wèn)題，需要找尋更高效和更徹底的解決方案。當(dāng)前國(guó)內(nèi)在城鎮(zhèn)污水處理中使用最廣泛的傳統(tǒng)生物脫氮工藝，始終存在著工藝流程復(fù)雜、成本投入高等詬病，亟需科技含量更高、處理更簡(jiǎn)單、效果更明顯的新工藝進(jìn)行替代。本文從傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)著手，梳理污水生物脫氮工藝發(fā)展史，尤其重點(diǎn)介紹同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化工藝技術(shù)，以幫助后續(xù)的深入研究和技術(shù)更新提供參考。

1 傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)分為三個(gè)階段進(jìn)行：氨化反應(yīng)階段、硝化反應(yīng)階段和反硝化反應(yīng)階段。本文以我國(guó)的生物脫氮標(biāo)準(zhǔn)流程為例進(jìn)行介紹[1]。

1.1.1 氨化作用

氨化反應(yīng)階段，也被稱為脫氨反應(yīng)階段，其根本原理在于，利用微生物的有機(jī)氮分解作用，在有氧或者無(wú)氧的反應(yīng)條件下都能夠?qū)ξ鬯械牡M(jìn)行分解反應(yīng)，而這一反應(yīng)的結(jié)果是會(huì)產(chǎn)生氨類(lèi)物質(zhì)。

氨化反應(yīng)的第一步是要實(shí)現(xiàn)對(duì)含氮元素的有機(jī)物進(jìn)行生物降解，形成多肽物質(zhì)在內(nèi)的一系列結(jié)構(gòu)建安的氮類(lèi)化合物；第二步，是要將上一步得到的氮類(lèi)化合物再次降解并轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。一般來(lái)說(shuō)，在這一反應(yīng)階段中，能夠有效參與的微生物數(shù)量越多，最終的反應(yīng)效果也會(huì)越好。

1.1.2 硝化作用

硝化反應(yīng)階段是要將水體中的氨、氮元素在硝化細(xì)菌的分解作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}類(lèi)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)降低水體氨、氮元素濃度的目的。通常在這一階段要進(jìn)行亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩項(xiàng)工作。

亞硝化反應(yīng)主要是利用氨氧化細(xì)菌（Ammonia oxidizing bacteria）的自身化學(xué)分解作用，將水體中的氮、氨轉(zhuǎn)變成亞硝態(tài)氮的過(guò)程。

硝化反應(yīng)是要將上一步得到的亞硝態(tài)氮再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成硝酸鹽類(lèi)物質(zhì)。這一步則需要亞硝酸氧化菌（Nitrite oxidlizing bacteria）的有效參與。

1.1.3 反硝化反應(yīng)

反硝化反應(yīng)階段是為了實(shí)現(xiàn)將污水中的全部硝酸鹽類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行去除處理，最終生成氮?dú)獾倪^(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，這一步反應(yīng)需要在缺氧的環(huán)境下進(jìn)行，氧氣的供應(yīng)程度需要根據(jù)具體的反應(yīng)物情況進(jìn)行有效界定。利用反硝化細(xì)菌，在有合適的電子供體和有效碳源的供應(yīng)下，利用反硝化反應(yīng)機(jī)理，將污水中所含有的全部硝酸鹽類(lèi)物質(zhì)通過(guò)離子作用形成氮?dú)猓罱K實(shí)現(xiàn)污水中氮元素的凈化和去除。

1.2 常用工藝

常用工藝一般是基于A/A/O工藝及其關(guān)聯(lián)的變形工藝（同步脫氮除磷）進(jìn)行的。工藝的變形主要體現(xiàn)在對(duì)于環(huán)境的氧氣供應(yīng)程度的把控實(shí)現(xiàn)的[2]。

1.2.1 厭氧/缺氧/好氧工藝

厭氧/缺氧/好氧工藝是將厭氧、缺氧和好氧三種氧氣環(huán)境進(jìn)行串聯(lián)，并在同一污泥反應(yīng)條件中交替反應(yīng)，在除氮的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)磷元素的去除。

1.2.2 厭氧/缺氧/好氧活性污泥法

厭氧/缺氧/好氧活性污泥法是由開(kāi)普敦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究并提出的一種能顧實(shí)現(xiàn)高效脫氮去磷的變形工藝。其主要的轉(zhuǎn)變是進(jìn)行了厭氧、缺氧、缺氧和好氧的工藝流程順序調(diào)整，并配合上新的內(nèi)回流方式。一反面將好氧回流設(shè)置到缺氧反應(yīng)之后，另一方面，是要將第一個(gè)缺氧區(qū)回流作用與厭氧區(qū)反應(yīng)相連但與保持彼此間的獨(dú)立。

2 同步硝化反硝化（SND）技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

在傳統(tǒng)的生物脫氮工藝中，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行有流程上的先后順序，并且彼此之間的獨(dú)立性較強(qiáng)，造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。考慮到這一問(wèn)題，就產(chǎn)生了同步硝化反硝化反應(yīng)技術(shù)。

2.1.1 宏觀環(huán)境

在好氧的反應(yīng)條件下，具備活性的污泥系統(tǒng)由于氣體供應(yīng)在環(huán)境內(nèi)部的不均勻性，以及由于氧氣供應(yīng)口的物理設(shè)置問(wèn)題等原因，很容易形成氧氣在反應(yīng)環(huán)境分布不均勻的問(wèn)題。在這樣的現(xiàn)實(shí)考量下，提出了關(guān)于硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的可行性。

2.1.2 微觀環(huán)境

微生物在物理空間的存在是以微米級(jí)作為體積衡量單位的，其對(duì)于生存環(huán)境的影響也可以忽略不計(jì)。宏觀環(huán)境的微小變化，都會(huì)對(duì)微觀環(huán)境造成極大活動(dòng)影響，這也是同步反應(yīng)的理論基礎(chǔ)之一。借助生物膜技術(shù)的應(yīng)用，能夠在供養(yǎng)空間內(nèi)形成溶解氧梯度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)。

2.2 常用工藝

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法最早可以追溯到1914年，可以分五個(gè)階段進(jìn)行操作：進(jìn)水、曝氣、沉淀、芼水和限制。這種工藝方法的實(shí)施主要利用的是時(shí)間更替理論實(shí)現(xiàn)的，基于活性污泥法的工藝研究基礎(chǔ)，加上對(duì)于時(shí)間控制的觀察。這種方法非常適合小型的污水處理工廠實(shí)踐，既能夠保障處理效果，還能獲得很高的經(jīng)濟(jì)收益，唯一的缺點(diǎn)就是處理污水的承載量比較小。

2.2.2 氧化溝工藝（OD）

該工藝主要是通過(guò)控制曝氣的時(shí)間形成對(duì)處理效果的有效把控。OD充分利用微生物生存環(huán)境的多樣性、物質(zhì)傳遞的相互關(guān)聯(lián)性作為研究基礎(chǔ)，形成活性污泥生物絮狀體。通過(guò)對(duì)于二沉負(fù)荷控制和曝氣量的調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)最理想的反應(yīng)時(shí)間把控，最終達(dá)到生物脫氮的目的。

2.2 工藝展望

專(zhuān)業(yè)人員已對(duì)同步硝化和反硝化反應(yīng)的研究持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但收獲效果有限，技術(shù)創(chuàng)新性較低。因此，相關(guān)研究人員可對(duì)其反應(yīng)機(jī)理的優(yōu)越性進(jìn)行持續(xù)研究。

3 短程硝化反硝化工藝（SCND）技術(shù)

相比于上述的兩種工藝技術(shù)，短程硝化反硝化工藝技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)比較晚。1975年時(shí)，這種工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究才被學(xué)術(shù)界認(rèn)可，并且展開(kāi)了一系列的實(shí)用性方案的研究。

3.1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝主要是依靠硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的協(xié)同作用。短程硝化反硝化工藝則重點(diǎn)考慮將硝化作用的最終結(jié)果保持在亞硝酸離子狀態(tài)，以其作為原料直接開(kāi)展反硝化反應(yīng)，以此縮短工藝流程。

3.2 工藝特征

（1）通過(guò)溫度、酸堿度以及熔接氧等環(huán)境條件的控制，實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)生長(zhǎng)速率的差異化控制，最終將反應(yīng)原料保持在亞硝酸離子狀態(tài)；

（2）兩步反應(yīng)置于同一反應(yīng)容器內(nèi)，且反應(yīng)容器內(nèi)部不保留活性污泥，流程簡(jiǎn)化；

（3）對(duì)于酸堿性的調(diào)節(jié)并不需要花費(fèi)精力；（4）供氧量和碳源供給的有效減少。

4 厭氧氨氧化技術(shù)（Anammox）

4.1 技術(shù)原理

該工藝技術(shù)主要是在厭氧或者缺氧環(huán)境下，將厭氧氨氧化菌作為亞硝酸離子的電子受體，以胺離子作為電子供體，直接將胺根離子一步氧化成氮?dú)鈁3]。

4.2 常用工藝

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工藝

該工藝主要是將亞硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)分別置于兩步不同的反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行操作。第一步反應(yīng)，通過(guò)控制溫度、酸堿性、溶解氧等諸多客觀反應(yīng)條件，使反應(yīng)容器內(nèi)部的兩種細(xì)菌出現(xiàn)生長(zhǎng)速率差，實(shí)現(xiàn)保持亞硝酸離子在反應(yīng)中存留的目的；第二步反應(yīng)，是利用厭氧氨氧化工藝，將污水中的胺根離子和亞硝酸離子直接反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

4.2.2 OLAND工藝

限制自養(yǎng)硝化反硝化工藝（OLAND），是2005年由比利時(shí)的Gent大學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出并發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)報(bào)道中提出的。這一新的工藝需要引入生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器作為基礎(chǔ)反應(yīng)場(chǎng)所之一。反應(yīng)器表面放置氨氧化細(xì)菌和AAOB，AAOB為底、細(xì)菌為表。表層細(xì)菌接觸空氣中的物質(zhì)，反應(yīng)形成亞硝酸根離子，底部的細(xì)菌層也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。通過(guò)分子擴(kuò)散，使得AAOB與胺根離子和亞硝酸根離子發(fā)生反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)生物脫氮目的。

5 結(jié)論

總而言之，污水生物脫氮問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要關(guān)注問(wèn)題。在進(jìn)行化工工藝技術(shù)選擇時(shí)，不單需要考慮基本的氮、磷污染元素的去除的基本要求，還需要充分保障工藝的處理效果和經(jīng)濟(jì)投入問(wèn)題。正是處于這樣的現(xiàn)實(shí)考慮，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的工藝需要，人們也開(kāi)始更多傾向于使用新興工藝技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。然而，新興工藝的大規(guī)模應(yīng)用必然需要有時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的積累的。無(wú)論是同步硝化反硝化、短程硝化反硝化還是厭氧氨氧化工藝，都擁有著自己的優(yōu)勢(shì)和弊端，需要在實(shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)和利用現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行工藝弊端的有效控制。