废水生物脱氮工艺综述

2010-08-15王微微郭子洋

黑龙江水利科技 2010年1期

王微微，高路，郭子洋

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2.哈尔滨市建筑设计院，哈尔滨150001)

生活废水和工业废水中经常含有含氮类物质，其中以氨氮最为常见，水中的含氮类化合物如不经过妥善处理排入水体，会使水体发生富营养化的危险，因此需对排入水体的废水进行脱氮处理。废水处理工艺种类繁多，其中以生物脱氮工艺最为常见，生物脱氮工艺主要分为传统生物脱氮工艺和生物脱氮新工艺，文章对于传统的生物脱氮工艺和生物脱氮新工艺进行了评析。

1 传统生物脱氮工艺

1.1 传统生物脱氮工艺机理

微生物去除氨氮过程需要经历两个阶段，第一阶段是硝化过程。第二阶段为反硝化过程。生物硝化过程为自氧菌(亚硝酸菌和硝酸菌)在有氧的条件下将氨氮(NH3－N)转化为亚硝酸氮(NO2－N)和硝酸氮(NO3－N)的过程，这两种自养菌统称为硝化菌，它们都是严格的专性好氧菌，必须在有氧条件下才能进行硝化反应。硝化过程中NH3－N氧化为N3－N的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过程完成的。第一步先由氨氮氧化菌(AOB)将NH3－N转化为NO2－N，第二步再由亚硝酸盐氧化菌(NOB)将NO2－N氧化为NO3－N。

生物反硝化是指废水中的硝态氮和亚硝态氮在无氧或缺氧的条件下被反硝化菌还原转化为N2的过程，反应过程中必须有有机物的参与，它们在反应中作为电子供体被氧化而提供能量，反硝化菌是一种兼性异养菌，但氧气的存在会抑制硝酸盐的还原:一方面氧的存在会抑制硝酸盐还原酶的形成;氧可作为电子受体，阻碍硝酸盐的还原，因此反硝化反应必须在缺氧或无氧的条件下进行。

1.2 A2/O生化处理法

厌氧/缺氧/好氧工艺是在A/O工艺的基础上改进而发展起来的工艺。脱氮采用硝化、反硝化的原理。该法在A/O工艺中增加一个厌氧段可减轻后续反硝化一硝化系统中的NO3－N的积累，由于厌氧(酸化)作用将一部分难降解的有机物转化成为易降解的有机物，提高了可生化性，为缺氧段提供了较好脱氮环境。

1.3 序批式活性污泥法(SBR)

间歇式活性污泥法即序批式反应器是20世纪70年代以来升发的集生物降解和脱氮除磷于一体的新技术，它兼均化、初沉、生物降解.终沉等功能于一池，不需二沉池和污泥回流系统，结构形式简单，运行方式灵活多变，是一种间歇运行的废水处理工艺。与普通话性污泥法不同之处在于SBR法的运行工况为间歇操作，一传典型流程包括进水、反应、沉淀、排水、闲置等5个阶段。通过自动控制装置完成工艺操作。可以方便灵活地进行缺氧一厌氧一好氧的交替处理过程。

随着人们对SBR研究的深入，新型的SBR不断出现，80年代初，出现了连续进水的ICEAS，后来Goranzy教授相继开发了CASS和CAST工艺。90年代，比利时的SEGHERS公司开发了UNITANK系统，把SBR的时间推流与连续系统的空间推流结合起来。Hanqingyu等人用SBR工艺处理焦化废水。结果表明，采用曝气段前后各进行一段缺氧处理的方式比采用其他方式(前置反硝化和后置反硝化)脱氮效果更好。NH3和COD的去除率分别为82.5%和65.2%;Min Woo Lee等人以醋酸钠作为外加碳源，研究了用SBR工艺完全脱除焦化废水中NH3－N的可行性。结果表明，外加碳源的速率能显著影响反硝化的效率，其最佳速率由反硝化阶段的COD与NOx－N的比值决定。

2 生物脱氮新方法

传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分别由硝化细菌和反硝化细菌作用完成，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立地进行。然而，生物脱氮技术的新发展却突破了传统理论的认识。近年来的许多研究表明硝化反应不仅由自养型细菌完成，某些异养型细菌也可以进行硝化作用;反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化;而且，许多好氧反硝化细菌同时也是异养型硝化细菌(如Thiosphaera pantotropha菌)，可以把氧化成后直接进行反硝化反应。生物脱氮技术在概念和工艺上的新发展主要有:短程反硝化(shortcut nitrification－denitrification)、同时硝化反硝化(simultaneous nitrification–denitrification－SND)和厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidiation－ANAMMOX)等。

2.1 同时硝化反硝化

传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发生，而近年来的新发现却突破了这一认识，使得同时硝化反硝化成为可能。近年来好氧反硝化细菌和异养硝化细菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了SND生物脱氮的理论基础。在SND工艺中，硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成。所以，与传统生物脱氮工艺相比，SND工艺具有明显的优越性，主要表现在:①节省反应器体积;②缩短反应时间;③无需酸碱中和。其技术的关键就是硝化与反硝化的反应动力学平衡控制。

目前，对SND生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、SBR等反应器系统。Rittmann等在工业规模的氧化沟中成功地实现了SND，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区内连续进行，通过控制DO浓度可以实现在同一反应器中的SND。Gupta等证实了Thiosphaena pantotropha细菌具有好氧反硝化的功能，并指出SND是最经济的脱氮方法，结果表明，在氮负荷为9.36gN/m3d，HRT为2 d的条件下，氮的去除率可达90%以上。Daigger等对6个采用分段、闭环沟道的Orbal氧化沟工艺运行数据进行了分析评定，确定了该工艺中SND的发生程度，指出Orbal氧化沟中很容易发生SND，并进一步证实了微环境理论对SND解释的正确性。YOOH.等研究了间歇式曝气反应器中的SND现象，并确定了关键的控制参数，研究了COD/N比为5∶1和10∶1两种废水在最佳条件下，氮的去除率高达90%以上，同时还可以去除95%以上的COD。在国内，对SND的研究也日趋活跃，高廷耀等对几种不同的生物脱氮工艺中的SND现象进行了试验分析，研究表明，影响SND的因素有DO浓度、污泥絮体结构及污泥有机负荷等。孟怡、徐亚同等采用内置填料的反应器处理含氮制药废水，结果表明，在适宜的条件下，NH3－N及TN的去除率分别达到90%和70%。

2.2 厌氧氨氧化

比利时Gent微生物生态实验室开发了OLAND工艺。该工艺的关键是控制DO，在硝化过程中将氧化到阶段后，再以为电子供体，以反应产生的电子受体进行氨厌氧氧化反应，产生N2。与传统的硝化反硝化工艺或同时硝化反硝化工艺相比，其主要优点表现在:①无需外加有机物作电子供体，既可以节省费用，又可以防止二次污染;②硝化反应每氧化1 mol耗氧2 mol，而在厌氧氨氧化反应中，氧化1 mol仅需0.75 mol氧，耗氧剧减;③同传统硝化反硝化相比，该工艺产酸量大为下降，产碱量为零，可节省可观的中和试剂。这些工艺的特点是进水NH3－N浓度高(>500 mg/L)，但是出水氨氮浓度也高(>40 mg/L)这对处理高浓度氨氮废水具有重要意义，工艺的稳定性尚在研究与实验阶段。

2.3 短程硝化－反硝化

短程硝化－反硝化技术的理论基础是生物脱氮原理，生物脱氮主要有硝化和反硝化2个过程。硝化过程可以分为2个阶段，即:氨氮氧化菌(AOB)将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化菌(NOB)将短程硝化－反硝化技术是把硝化反应控制在阶段，直接以作为氢受体进行反硝化。短程硝化－反硝化生物脱氮可减少对有机物和氧气的需要，每还原1 g，需要甲醇分别为1.53 g和2.47 g。

短程硝化－反硝化技术具有以下优点:①相对于活性污泥法，硝化阶段可节省25%的好氧量，降低能耗;②反硝化阶段所需碳源减少40%，反硝化率提高，这对处理高浓度氨氮焦化废水具有特别意义;③厌氧反硝化阶段剩余污泥量减少;④HRT较短，反应器的容积减少;⑤减少了投碱量，可以节约外加酸碱中和试剂用量。实现短程硝化与反硝化技术的关键是抑制硝酸菌的活性，其标志是获得稳定高效的的积累，即亚硝化率>50%。如何将硝化反应稳定地控制在亚硝化阶段，抑制硝酸菌的活性，已成为废水生物脱氮的一个重要研究方向。