強化脫氮技術在污水處理中的研究進展

吳曉倩

摘要：過多的氮素排放到環境水體中，會引起水體的富營養化，有些甚至影響水源地的水質。國家對環境保護的力度和要求在逐年升高，由于GB18918–2002的污水處理廠污染物排放一級A的排放標準遠高于GB3838–2002地表水V類的要求，因此污水處理廠的排水多被視為重點點源排入收納水體?；诖?，傳統的脫氮工藝，因存在供氧動力消耗大，需投加有機碳源，耐沖擊負荷差，啟動時間長等問題，急需升級改造，因此強化脫氮技術應運而生。強化脫氮技術是指在污染處理系統中通過調整微生物結構、增加物理化學手段及改善工藝的方法，增強對含氮化合物的降解能力，提高降解速率，改善出水水質。污水生物脫氮已得到了人們的關注，但是如何高效脫氮，依然是現在污水處理所面臨的巨大的挑戰。

關鍵詞：脫氮技術；污水處理；措施

一、傳統生物脫氮除磷理論與技術

（一）傳統生物脫氮原理

在厭氧或缺氧條件下經反硝化細菌的參與完成反消化作用（將NO2-和NO3-轉化為N2排入大氣）。這一過程的反應方程式為：

（二）傳統生物除磷原理

這一過程的反應方程式為：

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量（厭氧條件下）

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O（好氧條件下）

通過排除剩余污泥或側流富集厭氧上清液將磷從系統內排除，在生物除磷過程中，碳源微生物也得到分解。

（三）常用工藝及升級改造

具有代表性的常用工藝有A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝、SBR工藝、Bardenpho工藝、生物轉盤工藝等，這些工藝都是通過調節工況，利用各階段的優勢菌群，盡可能的消除各影響因素間的干擾，以達到適應各階段菌群生長條件，實現水處理效果。近年來隨著研究的深入，對常用工藝有了一些改進，目前應用最廣泛、水廠升級改造難度較低的是分段進水工藝。

與傳統A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等相比，分段進水工藝可以充分利用碳源并能較好的維持好樣、厭氧（或缺氧）環境，具有脫氮除磷效率高、無需內循環、污泥濃度高、污泥齡長等優點。分段進水工藝適用于對A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等的升級改造，通過將生化反應池分隔并使進水按一定比例分段進入各段反應池，以充分利用碳源，解決目前污水處理廠普遍存在的碳源不足和剩余污泥量過大的問題。分段進水工藝雖然對提高出水水質有較好的效果，但該工藝并不能提高處理能力，當水廠處于超負荷運行時，分段進水改造也不能達到良好的處理效果。

二、新型生物脫氮理論與技術

（一）短程硝化反硝化工藝

傳統生物脫氮理論為全程硝化反硝化過程，即以NO3-為反硝化過程的電子受體；而短程硝化反硝化利用NO2-為反硝化過程的電子受體。這一過程的反應方程式為：

通過分析反應方程式可以得出，短程硝化反硝化相對全程硝化反硝化節省了25%的曝氣量、節省了40%的有機碳源并縮短了反應時間的結論。因此實現與維持短程硝化反硝化具有實際工程應用價值。實現短程硝化反硝化的關鍵在于硝化反應過程中氨氧化菌相對于亞硝酸鹽氧化菌優勢增殖，即氨氧化菌積累。短程硝化反硝化的影響因素主要有溫度、p H、溶解氧（DO）濃度、游離氨（FA）濃度、污泥齡（SRT）、有機物濃度等。

具有代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，該工藝利用高溫（30～36℃）抑制亞硝酸鹽氧化菌增殖、實現氨氧化菌積累，從而控制硝化反應維持在NO2-階段，隨后進行反硝化。

（二）同步硝化反硝化工藝

同步硝化反硝化工藝是指硝化和反硝化過程在同一個反應器中進行，系統不需要明顯的缺氧時間或缺氧區域而能將總氮去除的工藝。屈佳玉[6]利用固定化微生物技術將包埋有硝化細菌的微生物載體投入好氧池，結果表明氨氮去除率達到90%以上，處理效果有明顯提高。硝化細菌載體投加方便、抗沖擊負荷能力較強、運行管理方便、成本較低、處理效果較好，具有良好的應用前景。

（三）厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝是指在厭氧條件下，以NO2-作為電子受體，將NH3轉化為N2的工藝。這一過程的反應方程式為：

從厭氧氨氧化反應過程可以看出，反應過程中無需有機碳源和O2的介入。從工程角度看，厭氧氨氧化工藝較傳統生物脫氮工藝有明顯優勢，這一過程可以即可以擺脫對傳統電子供體（有機碳源）的束縛，又可以省去硝化過程的需氧量；從而即減少了剩余污泥，又節約了能源。此外，將厭氧氨氧化菌以顆粒污泥的形式富集于反應器中，可以充分利用垂直空間，減少占地。當然，厭氧氨氧化工藝的反應器形式不僅可以是顆粒污泥形式，也可以是SBR、生物轉盤、移動床等。

雖然厭氧氨氧化技工藝有諸多優點，但其工程應用受限于厭氧氨氧化菌極低的生長率（世代時間10d左右），反應器啟動時間極長。目前，該工藝主要針對高NH4+、低COD且有一定余溫的污廢水，如厭氧消化液、垃圾滲濾液等。

基于厭氧氨氧化機理開發的工藝有代爾夫特理工大學開發的SHARON-ANAMMOX工藝以及該工藝改進后的CANON工藝，以及比利時根特大學開發的OLAND工藝。

代爾夫特理工大學在鹿特丹Dokhaven污水處理廠正在進行中試，試驗表明，厭氧氨氧化菌能夠在市政污水處理廠主流線上生長，并形成新的顆粒污泥富集在反應器內對不同粒徑的厭氧男氧化顆粒污泥脫氮性能進行了研究；對厭氧氨氧化耦合脫氮系統中的反硝化細菌進行了研究。

三、結論

目前，雖然關于物化強化脫氮技術原理的研究已基本完成，但在實際應用中物化強化脫氮技術仍面臨許多難題，如運行成本高、往往會引入二次污染、抗沖擊負荷能力差等問題。因此，針對物化強化脫氮技術的研究急需進一步加強，以滿足我國在水處理領域的迫切需要，今后的研究重點應集中在具有節能降耗、靈活多變功能的污水物化強化脫氮新技術。