城市污水处理中生物脱氮技术的应用及工艺优化路径探析

陈转琴

（伊犁州环境应急保障中心，新疆 伊犁 835000）

城市污水处理是城市环境保护的重要组成部分，而污水中氮、磷等营养物质的排放是城市水体富营养化的主要原因之一，对水体生态环境和人类健康造成了严重威胁。其中，氮的排放是导致水体富营养化的重要因素之一。因此，如何有效地去除污水中的氮成为城市污水处理的重要研究方向。生物脱氮技术是一种通过微生物将氨氮转化为氮气的方法，主要包括硝化和反硝化两个过程。在生物脱氮技术中，反硝化过程是关键步骤，需要通过控制反硝化菌的生长和代谢来实现氮的去除。因此，对于生物脱氮技术的研究和优化具有重要意义。

1 生物脱氮技术的应用背景

生物脱氮技术作为一种环保、高效的污水处理方法，其应用背景主要源于城市污水处理中氮污染问题的日益严重。氮污染物主要包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，这些氮化合物在水体中的过量存在会对环境和生态系统产生严重影响。而生物脱氮技术便是通过微生物的作用，将污水中的氮化合物转化为氮气并排放至大气，从而达到减轻氮污染的目的。随着城市化进程的加速，人口密集地区产生的污水量不断增加，导致氮污染问题越来越严重。特别是在工业、农业和生活污水的处理过程中，氮污染物的排放量居高不下，对水体环境造成了极大压力。为应对这一问题，各国政府和相关部门纷纷出台了严格的排放标准，限制氮污染物的排放，这为生物脱氮技术的发展和应用提供了政策支持。生物脱氮技术的应用背景还与传统物理和化学脱氮方法存在的问题密切相关，传统物理和化学脱氮方法虽然可以达到一定的脱氮效果，但操作复杂、成本高、副产物污染严重，相比之下，生物脱氮技术具有操作简单、成本低、无有害副产物等优势，更符合环保和可持续发展的要求。因此，在污水处理领域，生物脱氮技术得到了越来越广泛的关注和应用。

2 生物脱氮技术在城市污水处理中的应用现状

2.1 常用的生物脱氮工艺

城市污水处理中常用的生物脱氮工艺主要有以下几种，这些工艺均以微生物为主体，通过不同的反应过程将污水中的氮化合物去除或降解，从而达到脱氮目的。

2.1.1 A/O工艺（厌氧-好氧工艺）

A/O工艺是一种常见的生物脱氮技术，它将厌氧区和好氧区分开设置，通过两个连续的生物反应区实现脱氮。在厌氧区，微生物将污水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐；在好氧区，微生物将亚硝酸盐进一步还原为氮气并释放到大气中。A/O工艺具有设备简单、操作方便、成本较低等优点，因此在城市污水处理中得到了广泛应用。

2.1.2 SBR工艺（顺序批式反应器工艺）

SBR工艺是一种以顺序批式反应器为核心的生物脱氮技术。该工艺通过在同一反应器中分时控制好氧和厌氧条件，实现硝化和反硝化过程。SBR工艺具有灵活性好、处理效果好、能适应不同污水负荷等优点，逐渐成为城市污水处理中的主流脱氮技术。

2.1.3 MBBR工艺（移动床生物膜反应器工艺）

MBBR工艺是一种生物膜脱氮技术，它利用悬浮在反应器中的生物填料作为微生物生长载体，通过增加生物膜的活性和容量来提升脱氮效果。MBBR工艺在城市污水处理中具有占地面积小、处理效率高、运行稳定等优点，尤其适用于处理高浓度氮污水。

2.1.4 ANAMMOX工艺（厌氧氨氧化工艺）

ANAMMOX工艺是一种新型生物脱氮技术，通过特殊的厌氧氨氧化菌直接将污水中的氨氮和亚硝酸盐转化为氮气。与传统的硝化-反硝化工艺相比，ANAMMOX工艺具有能耗低、运行成本低、无需添加有机物等优点，因此在城市污水处理中得到了越来越多的关注。

2.2 生物脱氮技术的优缺点

2.2.1 优点

2.2.1.1 环保

生物脱氮技术利用微生物，将污水中的氮化合物转化为无害的氮气排放至大气中，对环境和生态系统的影响较小。相比传统的物理和化学脱氮方法，生物脱氮技术更加环保。

2.2.1.2 成本效益高

生物脱氮技术通常运行成本较低，与物理和化学脱氮方法相比，生物脱氮技术无需使用昂贵的化学试剂，且能源消耗较低。

2.2.1.3 操作简单

生物脱氮技术的操作过程相对简单，只需控制微生物的生长和活性条件，如温度、pH值和溶解氧浓度等，具有较好的可操作性。

2.2.1.4 适应性强

生物脱氮技术具有较强的适应性，可以应用于各种类型和规模的污水处理系统。通过优化工艺参数，生物脱氮技术可高效去除氮污染物。

2.2.1.5 无有害副产物

生物脱氮技术在处理过程中无需添加化学试剂，因此无有害副产物生成，这一点使得生物脱氮技术在环保和可持续发展方面具有较大优势。

2.2.2 缺点

2.2.2.1 脱氮效率受限

生物脱氮技术的脱氮效率受到微生物种类和活性的限制，因此可能无法达到预期的脱氮效果。此外，生物脱氮技术对水质和污水中营养物质的要求较高，对于一些特殊类型的污水，如高浓度氮污水，脱氮效果可能不理想。

2.2.2.2 启动期较长

生物脱氮系统在初始阶段，需要一定时间建立微生物菌群。在这个启动期内，脱氮效果可能较差。此外，对于新建的污水处理厂，需要引入适宜的微生物种群，可能存在一定的风险。

2.2.2.3 微生物的稳定性问题

生物脱氮技术的稳定性取决于微生物的稳定性。环境因素的变化，如温度、pH值、溶解氧浓度等都可能影响微生物的活性和生长，从而影响脱氮效果。因此，相关人员在实际应用中需要密切关注这些因素的变化，以保持生物脱氮系统的稳定运行。

2.2.2.4 对碳源的需求

生物脱氮技术在反硝化过程中需要充足的碳源，对于一些低碳源的污水，可能需要额外添加碳源以实现有效的脱氮，这会增加处理成本和操作复杂度。

2.2.2.5 产生N2O等温室气体

部分生物脱氮过程中可能产生N2O等温室气体，尽管其排放量相对较低，但仍可能对环境造成一定影响。

3 生物脱氮工艺优化路径探讨

3.1 工艺参数优化

3.1.1 气流控制

气流控制是生物脱氮工艺中一个关键的优化参数，对于脱氮效果和运行稳定性具有重要影响。通过合理调节气流量，可以确保充足的溶解氧供应、提高脱氮效率并降低能耗。在生物脱氮过程中，硝化作用需要充足的溶解氧来进行。通过合理控制气流量，可以确保硝化过程中的微生物获得足够的溶解氧，从而提高硝化效率。此外，减少气流量还可以降低溶解氧过量导致的氧化剂消耗，从而实现节能减排目标。气流控制对污水处理系统的混合效果具有重要影响，适当的气流量可以确保污水中的污染物与微生物充分接触，提升处理效果。

为实现气流控制的优化，相关人员可以采取以下控制策略：（1）监测溶解氧浓度：通过实时监测溶解氧浓度，根据系统需求调节气流量，可确保硝化和反硝化过程的正常进行。（2）脉冲曝气：采用间歇性或脉冲式曝气方式，可在满足脱氮需求的同时降低能耗。（3）负荷响应调节：根据污水处理系统的实际负荷变化调整气流量，以满足不同负荷下的脱氮需求，这可以提高系统的适应性和稳定性，同时降低能耗。（4）DO控制策略：合理的溶解氧设定值可根据实时监测数据自动调整气流量，以保持最佳的脱氮效果；此外，可以考虑引入模糊控制或神经网络等智能控制方法，以提高气流控制的精度和响应速度。（5）通过调整污泥年龄（SRT），可以影响微生物群落的构成和活性。在合适的SRT下，可以减少气流量对脱氮效果的影响。

3.1.2 pH值的控制

在生物脱氮工艺中，pH控制是一个关键参数，因为它直接影响微生物的活性和脱氮效果。合理的pH控制有助于提高脱氮效率，优化系统性能并降低运行成本。硝化和反硝化过程在不同的pH条件下进行，因此相关人员需要根据实际需求调整污水处理系统的pH值。在硝化过程中，微生物将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，这一过程通常在中性至微碱性条件下进行。硝化细菌对pH值的敏感性较高，因此需要保持相对稳定的pH环境[1]。pH值过低会导致硝化效率降低，甚至中断硝化过程；而过高的pH值可能导致氨氮的挥发，影响系统的稳定性。在反硝化过程中，微生物将硝酸盐还原为无害的氮气，这一过程通常在酸性至中性条件下进行。适当的pH控制可以提高反硝化效率，降低碳源的消耗。因此，相关人员在实际应用中需要密切关注pH值的变化，并采取相应措施进行调整。合理的pH控制策略可以保证生物脱氮系统的稳定运行，降低能耗和成本。相关人员可以监测污水处理系统的实时pH值，并可以根据硝化和反硝化过程的需要进行调节，如可以采用添加酸碱调节剂、控制碳源投加量或调整曝气量等方法进行pH调节；为实现pH控制的优化，可以考虑引入智能控制技术，如模糊控制、神经网络或其他先进的控制算法，这些技术可以实现精确且自适应的pH控制，提升系统的响应速度和稳定性。

3.1.3 回流比调整

回流比是指污水处理系统中反硝化区进水与沉淀后的混合液回流至硝化区的比例。合理的回流比可以提高脱氮效率、降低能耗、减少污泥产量，从而实现高效、经济和环保的污水处理目标。在生物脱氮过程中，硝化和反硝化反应是相互依赖的，硝化过程将氨氮转化为硝酸盐，而反硝化过程将硝酸盐还原为氮气。因此，相关人员需要通过回流比调整来保证两个过程的平衡，以实现最佳的脱氮效果。在回流比调整中可采用先进的控制策略，如模糊控制、神经网络或其他智能控制算法，实现精确且自适应的回流比调整，提升系统的响应速度和稳定性。

3.2 微生物菌群优化

3.2.1 调整菌群结构

微生物菌群直接参与氮的转化过程，通过优化微生物菌群结构，可以提高脱氮效率、降低能耗并减少污泥产量，实现高效、经济和环保的污水处理目标。优化微生物菌群结构，相关人员首先需要了解不同微生物在脱氮过程中的作用。在生物脱氮系统中，硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐，而反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气，因此需要在系统中培养出具有高效硝化和反硝化能力的微生物菌群。为实现菌群结构的优化，相关人员可以通过调整污水处理系统的运行条件来创造有利于特定微生物生长的环境，例如可以通过控制溶解氧（DO）浓度、pH值和污泥年龄（SRT）等参数，促进硝化细菌和反硝化细菌的生长，从而提升脱氮效果。在实际应用中，相关人员还可以通过添加功能性微生物菌群来优化生物脱氮系统的菌群结构，这些功能性微生物具有高效的脱氮能力，可以显著提高系统的脱氮效率。例如，通过添加具有高效硝化能力的硝化细菌和高效反硝化能力的反硝化细菌，可以实现更好的脱氮效果，必要时可以采用分子生物学技术（如PCR、FISH等）对微生物菌群进行定性和定量分析，以评估菌群结构的优化效果[2]。

3.2.2 增强菌群功能

首先，为提高脱氮效率，相关人员需要在系统中培养出具有高效硝化和反硝化能力的微生物菌群，实现菌群功能的增强。例如，可以通过控制溶解氧（DO）浓度、pH值和温度等参数，促进硝化细菌和反硝化细菌的生长。适当的环境条件可以刺激微生物的代谢活性，从而提升脱氮效果。其次可以通过合成生物学技术对微生物菌群进行基因工程改造，以强化其脱氮功能。通过引入具有高效脱氮功能的基因或调控元件，可以增强微生物对硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮的转化能力。这种方法可以实现对微生物功能的精确调控，为提高脱氮效率提供新的途径[3]。最后，为保证菌群功能增强的持续性和稳定性，需要建立合适的生物脱氮系统运行策略，包括定期监测和调整环境参数、合理设置污泥年龄（SRT）和适时补充功能性微生物等。通过实施有效的运行策略，可以确保微生物菌群在不同环境条件下保持高效的脱氮功能。

3.2.3 优化脱氮技术组合

在生物脱氮工艺中，选择合适的脱氮技术组合对于实现高效、经济和环保的污水处理目标至关重要。不同的脱氮技术具有各自的优缺点，通过合理的组合和配置，可以发挥各种技术的优势，实现最佳的脱氮效果。首先，相关人员要充分了解各种生物脱氮技术的原理、特点和适用范围。常见的生物脱氮技术包括常规活性污泥法、A/O、A2/O、SBR、MBR等，不同的技术在处理效果、能耗、占地面积、投资成本和运行成本等方面各有不同，因此需要相关人员根据实际需求和条件进行综合评估。其次，在选择脱氮技术组合时，相关人员要充分考虑污水处理厂的实际情况和需求，例如需要考虑污水处理厂的规模、处理能力、污水水质、脱氮目标和投资预算等因素，此外还要考虑污水处理厂的现有设施和技术水平，以充分利用现有资源，降低技术改造的难度和成本。在实际应用中，相关人员可以通过组合不同的生物脱氮技术，实现最佳的脱氮效果，例如可以将A2/O技术与MBR技术相结合，既可以利用A2/O技术高效去除氮磷，又可以利用MBR技术提高出水水质[4]。此外，还可以考虑将生物脱氮技术与其他污水处理技术（如化学脱氮、膜分离等）相结合，实现更高效、经济和环保的污水处理。在优化脱氮技术组合的过程中，相关人员要密切关注各种技术的运行效果和稳定性，并对其进行实时监测和调整，可以采用先进的监测和控制技术，如传感器、在线监测系统和智能控制算法，实现精确且自适应的脱氮技术组合调整。

4 结语

生物脱氮工艺优化是实现高效、经济和环保的污水处理的关键。本文从调整回流比、菌群结构，增强菌群功能和优化脱氮技术组合等方面探讨了生物脱氮工艺的优化路径。相关人员通过综合应用这些策略，可以提高脱氮效率、降低能耗并减少污泥产量，从而实现可持续和环保的污水处理。在实际操作中，相关人员需要根据污水处理厂的具体情况和需求来选择合适的优化策略，此外还要密切关注脱氮技术的发展趋势和新兴技术，不断创新和完善生物脱氮工艺，为实现城市污水处理的高效、经济和环保目标提供有力支持。