含氮廢水的生物脫氮技術

崔曉芳

【摘要】城市污水中氮和磷的含量較高，是造成水體富營養化的最主要原因，因此對于城市污水處理廠來說，脫氮除磷是工作的重點和難點問題。傳統的生物脫氮采用的是硝化、反硝化工藝，但存在著許多問題。目前，廢水生物脫氮已經成為水污染控制的一個重要研究方向。本文對生物脫氮技術進行了探討，希望對相關人士有所幫助。

【關鍵詞】含氮廢水；生物脫氮技術

一、前言

城市污水的來源包括城市居民生活污水、城市工業廢水和降水等，污水中的氮、磷污染物含量很大，如果未經處理或脫氮除磷效果不佳就會造成水體富營養化，從而使水質惡化，水體生態環境被破壞，水生動植物大量死亡等，使水污染和水資源短缺的情況加劇，因此對于城市污水處理廠來說，脫氮除磷已經成為其工作的重點和難點問題。目前對城市污水脫氮除磷的工藝主要包括反硝化除磷、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化等，本文主要對這幾種工藝進行了簡要的介紹。

二、生物脫氮除磷機理

傳統的生物脫氮理論認為生物脫氮是由氨化、硝化、反硝化三個步驟及微生物的同化作用來完成。在污水處理過程中，污水中的一部分氮被同化為微生物細胞的組成部分，微生物得到增殖。

污水生物除磷技術來源于微生物好氧吸磷現象的發現。磷在自然界以2種狀態存在：可溶態或顆粒態。所謂的除磷就是把水中溶解性磷轉化為顆粒性磷，達到磷水分離。廢水在生物處理中，在厭氧條件下，聚磷菌的生長受到抑制，為了自身的生長便釋放出其細胞中的聚磷酸鹽，同時產生利用廢水中簡單的溶解性有機基質所需的能量，稱該過程為磷的釋放。進入好氧環境后，活力得到充分恢復，在充分利用基質的同時，從廢水中攝取大量溶解態的正磷酸鹽，從而完成聚磷的過程。

三、傳統生物脫氮工藝存在的問題

硝化菌群增值速度慢，系統總水力停留時間較長、有機負荷較低，增加基建投資運行費用；

（1）反硝化時需另加碳源，增加運行費用；

（2）硝化過程需投加堿中和，增加了處理費用；

（3）氨氮完全硝化需要大量的氧，使動力費用增加；

（4）系統抗沖擊能力弱，高濃度氨氮和亞硝酸鹽進水會抑制硝化菌的生長；

（5）同時進行污泥回流和硝化液回流，增加了動力消耗及運行費用；

（6）運行控制相對較為復雜等。

四、脫氮新技術

1、反硝化除磷

反硝化除磷菌（DPRB--Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria）能在缺氧，有硝酸鹽的環境下聚磷。DPB的生物聚/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業大學（TU Delft）和日本東京大學（UT）研究人員所證實，它具有同PAO極為相似的除磷原理，只是氧化細胞內貯存的PHA時電子受體不同而已（PAO為O2，而DPB為NO3-）。在缺氧（無O2但存在NO3-）條件下，反硝化除磷細菌DPB能夠像在好氧條件下一樣，利用硝酸氮充當電子受體，產生同樣的生物攝磷作用在生物攝磷的同時，硝酸氮被還原為氮氣，這使得攝磷和反硝化（脫氮）這兩個不同的生物過程借助同一個細菌在同一個環境中完成，反硝化除磷細菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個原本認為彼此獨立的作用合二為一。攝磷和脫氮過程的結合不僅節省了脫氮對碳源的需要，而且攝磷在缺氧條件下完成可縮小曝氣區的體積（亦節省能源），產生的剩余污泥量也有望降低。

2、同步硝化反硝化

傳統觀點是硝化反應在好氧條件下進行，而反硝化在厭氧條件下完成，兩者不能在同一條件下進行。而近幾年許多研究者發現存在同時硝化反硝化現象，尤其是有氧條件下的反硝化現象，確實存在于不同的生物處理系統中，如間歇曝氣反應器、SBR反應器、Orbal氧化溝、生物轉盤及生物流化床等。其機理一方面認為好氧條件下存在缺氧甚至厭氧的微環境，另一方面從微生物的角度為好氧條件下同時存在好氧反硝化菌和異養硝化菌，這一現象將為生物法脫氮指引一個研究方向。

同步硝化反硝化具有以下優點是能有效保持反應器中pH值穩定，減少堿量的投加；減少傳統反應器的容積，節省基建費用；對于僅由一個反應池組成的序批式反應器來講，該反應能夠縮短硝化、反硝化所需時間；能節省、降低能耗。

3、短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亞硝酸菌在動力學特性上存在的固有差異，控制硝化反應只進行到NO2--N階段，造成大量的NO2--N累積，然后就進行反硝化反應。與傳統生物脫氮相比具有節能、節約外加碳源、可以縮短水力停留時間、可減少剩余污泥的排放量和減少投堿量等優點。

4、厭氧氨氧化

在厭氧氨氧化過程中，羥胺和肼作為代謝過程的中間體。和其它浮霉菌門細菌一樣，厭氧氨氧化菌也具有細胞內膜結構，其中進行氨厭氧氧化的囊稱作厭氧氨氧化體（anammoxozome），小分子且有毒的肼在此內生成。厭氧氨氧化體的膜脂具有特殊的梯烷（ladderane）結構，可阻止肼外泄，從而充分利用化學能，且避免毒害細胞。

厭氧氨氧化正在開發的工藝有ANAMMOX和OLAND工藝2種。ANAMMOX工藝是由荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室開發的新工藝。該工藝的原理是厭氧條件下，以NO2-和NO3-作為電子受體，將氨轉化為氮氣。OLAND工藝由比利時Gent微生物生態實驗室開發，該工藝的關鍵是控制溶解氧，使硝化過程僅進行到NH4+氧化為NO2-階段，由于缺乏電子受體，由NH4+氧化產生的NO2-氧化未反應的NH4+形成N2。

厭氧氨氧化（AnAMMOX）反應通常對外界條件（pH值、溫度、溶解氧等）的要求比較苛刻，但這種反應由于不需要氧氣和有機物的參與，因此對其研究和工藝的開發具有可持續發展的意義。

厭氧氨氮化一般前置短程硝化工藝，將廢水中的一部分氨氮轉化成亞硝酸鹽。目前在處理高氨氮焦化廢水、垃圾滲濾液，消化污泥脫水液等廢水方面已有成功的實例。

厭氧氨氧化工藝具有以下優點：

（1）反應無需外加有機 碳源作為電子供體， 在節約成本的同時， 防止了投加碳源產生的二次污染。

（2）只需將進水中約50%氨氮氧化為亞硝酸態氮，節省了供氧動力消耗。

（3）反應過程中幾乎不產生 N2O， 避免了傳統硝化-反硝化工藝中產生的溫室氣體排放。

（4）微生物增值速度慢，產泥量少。

五、結束語

綜上所述，隨著城鎮化的大勢所趨以及國民工業的飛速發展，我國城市污水的水量也不斷增加，對于污水處理廠來說工作負荷進一步加大，因此需要合理選擇生物脫氮除磷工藝。當前用于城市污水生物脫氮除磷的工藝有反硝化除磷、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化等，除此之外，氧化溝工藝也得到了一定程度的應用，在選擇生物脫氮除磷工藝時，不但要考慮脫氮除磷效果和工作效率，而且還要考慮技術和經濟可行性問題，發展處理效率高、技術可行、經濟合理的脫氮除磷方法是未來城市污水處理工藝的發展方向。

參考文獻：

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