含氮废水的生物脱氮技术

崔晓芳

【摘要】城市污水中氮和磷的含量较高，是造成水体富营养化的最主要原因，因此对于城市污水处理厂来说，脱氮除磷是工作的重点和难点问题。传统的生物脱氮采用的是硝化、反硝化工艺，但存在着许多问题。目前，废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。本文对生物脱氮技术进行了探讨，希望对相关人士有所帮助。

【关键词】含氮废水；生物脱氮技术

一、前言

城市污水的来源包括城市居民生活污水、城市工业废水和降水等，污水中的氮、磷污染物含量很大，如果未经处理或脱氮除磷效果不佳就会造成水体富营养化，从而使水质恶化，水体生态环境被破坏，水生动植物大量死亡等，使水污染和水資源短缺的情况加剧，因此对于城市污水处理厂来说，脱氮除磷已经成为其工作的重点和难点问题。目前对城市污水脱氮除磷的工艺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厌氧氨氧化等，本文主要对这几种工艺进行了简要的介绍。

二、生物脱氮除磷机理

传统的生物脱氮理论认为生物脱氮是由氨化、硝化、反硝化三个步骤及微生物的同化作用来完成。在污水处理过程中，污水中的一部分氮被同化为微生物细胞的组成部分，微生物得到增殖。

污水生物除磷技术来源于微生物好氧吸磷现象的发现。磷在自然界以2种状态存在：可溶态或颗粒态。所谓的除磷就是把水中溶解性磷转化为颗粒性磷，达到磷水分离。废水在生物处理中，在厌氧条件下，聚磷菌的生长受到抑制，为了自身的生长便释放出其细胞中的聚磷酸盐，同时产生利用废水中简单的溶解性有机基质所需的能量，称该过程为磷的释放。进入好氧环境后，活力得到充分恢复，在充分利用基质的同时，从废水中摄取大量溶解态的正磷酸盐，从而完成聚磷的过程。

三、传统生物脱氮工艺存在的问题

硝化菌群增值速度慢，系统总水力停留时间较长、有机负荷较低，增加基建投资运行费用；

（1）反硝化时需另加碳源，增加运行费用；

（2）硝化过程需投加碱中和，增加了处理费用；

（3）氨氮完全硝化需要大量的氧，使动力费用增加；

（4）系统抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长；

（5）同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用；

（6）运行控制相对较为复杂等。

四、脱氮新技术

1、反硝化除磷

反硝化除磷菌（DPRB--Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria）能在缺氧，有硝酸盐的环境下聚磷。DPB的生物聚/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学（TU Delft）和日本东京大学（UT）研究人员所证实，它具有同PAO极为相似的除磷原理，只是氧化细胞内贮存的PHA时电子受体不同而已（PAO为O2，而DPB为NO3-）。在缺氧（无O2但存在NO3-）条件下，反硝化除磷细菌DPB能够像在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气，这使得摄磷和反硝化（脱氮）这两个不同的生物过程借助同一个细菌在同一个环境中完成，反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一。摄磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要，而且摄磷在缺氧条件下完成可缩小曝气区的体积（亦节省能源），产生的剩余污泥量也有望降低。

2、同步硝化反硝化

传统观点是硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化在厌氧条件下完成，两者不能在同一条件下进行。而近几年许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象，确实存在于不同的生物处理系统中，如间歇曝气反应器、SBR反应器、Orbal氧化沟、生物转盘及生物流化床等。其机理一方面认为好氧条件下存在缺氧甚至厌氧的微环境，另一方面从微生物的角度为好氧条件下同时存在好氧反硝化菌和异养硝化菌，这一现象将为生物法脱氮指引一个研究方向。

同步硝化反硝化具有以下优点是能有效保持反应器中pH值稳定，减少碱量的投加；减少传统反应器的容积，节省基建费用；对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，该反应能够缩短硝化、反硝化所需时间；能节省、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亚硝酸菌在动力学特性上存在的固有差异，控制硝化反应只进行到NO2--N阶段，造成大量的NO2--N累积，然后就进行反硝化反应。与传统生物脱氮相比具有节能、节约外加碳源、可以缩短水力停留时间、可减少剩余污泥的排放量和减少投碱量等优点。

4、厌氧氨氧化

在厌氧氨氧化过程中，羟胺和肼作为代谢过程的中间体。和其它浮霉菌门细菌一样，厌氧氨氧化菌也具有细胞内膜结构，其中进行氨厌氧氧化的囊称作厌氧氨氧化体（anammoxozome），小分子且有毒的肼在此内生成。厌氧氨氧化体的膜脂具有特殊的梯烷（ladderane）结构，可阻止肼外泄，从而充分利用化学能，且避免毒害细胞。

厌氧氨氧化正在开发的工艺有ANAMMOX和OLAND工艺2种。ANAMMOX工艺是由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发的新工艺。该工艺的原理是厌氧条件下，以NO2-和NO3-作为电子受体，将氨转化为氮气。OLAND工艺由比利时Gent微生物生态实验室开发，该工艺的关键是控制溶解氧，使硝化过程仅进行到NH4+氧化为NO2-阶段，由于缺乏电子受体，由NH4+氧化产生的NO2-氧化未反应的NH4+形成N2。

厌氧氨氧化（AnAMMOX）反应通常对外界条件（pH值、温度、溶解氧等）的要求比较苛刻，但这种反应由于不需要氧气和有机物的参与，因此对其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义。

厌氧氨氮化一般前置短程硝化工艺，将废水中的一部分氨氮转化成亚硝酸盐。目前在处理高氨氮焦化废水、垃圾渗滤液，消化污泥脱水液等废水方面已有成功的实例。

厌氧氨氧化工艺具有以下优点：

（1）反应无需外加有机 碳源作为电子供体， 在节约成本的同时， 防止了投加碳源产生的二次污染。

（2）只需将进水中约50%氨氮氧化为亚硝酸态氮，节省了供氧动力消耗。

（3）反应过程中几乎不产生 N2O， 避免了传统硝化-反硝化工艺中产生的温室气体排放。

（4）微生物增值速度慢，产泥量少。

五、结束语

综上所述，随着城镇化的大势所趋以及国民工业的飞速发展，我国城市污水的水量也不断增加，对于污水处理厂来说工作负荷进一步加大，因此需要合理选择生物脱氮除磷工艺。当前用于城市污水生物脱氮除磷的工艺有反硝化除磷、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厌氧氨氧化等，除此之外，氧化沟工艺也得到了一定程度的应用，在选择生物脱氮除磷工艺时，不但要考虑脱氮除磷效果和工作效率，而且还要考虑技术和经济可行性问题，发展处理效率高、技术可行、经济合理的脱氮除磷方法是未来城市污水处理工艺的发展方向。

参考文献：

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