强化脱氮技术在污水处理中的研究进展

吴晓倩

摘要：过多的氮素排放到环境水体中，会引起水体的富营养化，有些甚至影响水源地的水质。国家对环境保护的力度和要求在逐年升高，由于GB18918–2002的污水处理厂污染物排放一级A的排放标准远高于GB3838–2002地表水V类的要求，因此污水处理厂的排水多被视为重点点源排入收纳水体。基于此，传统的脱氮工艺，因存在供氧动力消耗大，需投加有机碳源，耐冲击负荷差，启动时间长等问题，急需升级改造，因此强化脱氮技术应运而生。强化脱氮技术是指在污染处理系统中通过调整微生物结构、增加物理化学手段及改善工艺的方法，增强对含氮化合物的降解能力，提高降解速率，改善出水水质。污水生物脱氮已得到了人们的关注，但是如何高效脱氮，依然是现在污水处理所面临的巨大的挑战。

关键词：脱氮技术；污水处理；措施

一、傳统生物脱氮除磷理论与技术

（一）传统生物脱氮原理

在厌氧或缺氧条件下经反硝化细菌的参与完成反消化作用（将NO2-和NO3-转化为N2排入大气）。这一过程的反应方程式为：

（二）传统生物除磷原理

这一过程的反应方程式为：

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量（厌氧条件下）

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O（好氧条件下）

通过排除剩余污泥或侧流富集厌氧上清液将磷从系统内排除，在生物除磷过程中，碳源微生物也得到分解。

（三）常用工艺及升级改造

具有代表性的常用工艺有A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺、SBR工艺、Bardenpho工艺、生物转盘工艺等，这些工艺都是通过调节工况，利用各阶段的优势菌群，尽可能的消除各影响因素间的干扰，以达到适应各阶段菌群生长条件，实现水处理效果。近年来随着研究的深入，对常用工艺有了一些改进，目前应用最广泛、水厂升级改造难度较低的是分段进水工艺。

与传统A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺等相比，分段进水工艺可以充分利用碳源并能较好的维持好样、厌氧（或缺氧）环境，具有脱氮除磷效率高、无需内循环、污泥浓度高、污泥龄长等优点。分段进水工艺适用于对A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺等的升级改造，通过将生化反应池分隔并使进水按一定比例分段进入各段反应池，以充分利用碳源，解决目前污水处理厂普遍存在的碳源不足和剩余污泥量过大的问题。分段进水工艺虽然对提高出水水质有较好的效果，但该工艺并不能提高处理能力，当水厂处于超负荷运行时，分段进水改造也不能达到良好的处理效果。

二、新型生物脱氮理论与技术

（一）短程硝化反硝化工艺

传统生物脱氮理论为全程硝化反硝化过程，即以NO3-为反硝化过程的电子受体；而短程硝化反硝化利用NO2-为反硝化过程的电子受体。这一过程的反应方程式为：

通过分析反应方程式可以得出，短程硝化反硝化相对全程硝化反硝化节省了25%的曝气量、节省了40%的有机碳源并缩短了反应时间的结论。因此实现与维持短程硝化反硝化具有实际工程应用价值。实现短程硝化反硝化的关键在于硝化反应过程中氨氧化菌相对于亚硝酸盐氧化菌优势增殖，即氨氧化菌积累。短程硝化反硝化的影响因素主要有温度、p H、溶解氧（DO）浓度、游离氨（FA）浓度、污泥龄（SRT）、有机物浓度等。

具有代表性的短程硝化反硝化工艺为SHARON工艺，该工艺利用高温（30～36℃）抑制亚硝酸盐氧化菌增殖、实现氨氧化菌积累，从而控制硝化反应维持在NO2-阶段，随后进行反硝化。

（二）同步硝化反硝化工艺

同步硝化反硝化工艺是指硝化和反硝化过程在同一个反应器中进行，系统不需要明显的缺氧时间或缺氧区域而能将总氮去除的工艺。屈佳玉[6]利用固定化微生物技术将包埋有硝化细菌的微生物载体投入好氧池，结果表明氨氮去除率达到90%以上，处理效果有明显提高。硝化细菌载体投加方便、抗冲击负荷能力较强、运行管理方便、成本较低、处理效果较好，具有良好的应用前景。

（三）厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化工艺是指在厌氧条件下，以NO2-作为电子受体，将NH3转化为N2的工艺。这一过程的反应方程式为：

从厌氧氨氧化反应过程可以看出，反应过程中无需有机碳源和O2的介入。从工程角度看，厌氧氨氧化工艺较传统生物脱氮工艺有明显优势，这一过程可以即可以摆脱对传统电子供体（有机碳源）的束缚，又可以省去硝化过程的需氧量；从而即减少了剩余污泥，又节约了能源。此外，将厌氧氨氧化菌以颗粒污泥的形式富集于反应器中，可以充分利用垂直空间，减少占地。当然，厌氧氨氧化工艺的反应器形式不仅可以是颗粒污泥形式，也可以是SBR、生物转盘、移动床等。

虽然厌氧氨氧化技工艺有诸多优点，但其工程应用受限于厌氧氨氧化菌极低的生长率（世代时间10d左右），反应器启动时间极长。目前，该工艺主要针对高NH4+、低COD且有一定余温的污废水，如厌氧消化液、垃圾渗滤液等。

基于厌氧氨氧化机理开发的工艺有代尔夫特理工大学开发的SHARON-ANAMMOX工艺以及该工艺改进后的CANON工艺，以及比利时根特大学开发的OLAND工艺。

代尔夫特理工大学在鹿特丹Dokhaven污水处理厂正在进行中试，试验表明，厌氧氨氧化菌能够在市政污水处理厂主流线上生长，并形成新的颗粒污泥富集在反应器内对不同粒径的厌氧男氧化颗粒污泥脱氮性能进行了研究；对厌氧氨氧化耦合脱氮系统中的反硝化细菌进行了研究。

三、结论

目前，虽然关于物化强化脱氮技术原理的研究已基本完成，但在实际应用中物化强化脱氮技术仍面临许多难题，如运行成本高、往往会引入二次污染、抗冲击负荷能力差等问题。因此，针对物化强化脱氮技术的研究急需进一步加强，以满足我国在水处理领域的迫切需要，今后的研究重点应集中在具有节能降耗、灵活多变功能的污水物化强化脱氮新技术。