新型生物脱氮工艺

新型生物脱氮工艺

摘要介绍六种新型生物脱氮工艺的基本原理和研究现状。随后介绍新型生物脱氮工艺

的原理和特征及工艺的发展前景。

关键词SHARON工艺；ANAMMOX工艺；SHARON-ANAMMOX组合工艺；OLAND 工艺；CANON工艺；

随着现代工业的不断发展、化肥的普遍应用及大量生活污水的排放，废水中的氮污染日益严重。各种水体富营养污染事件频繁爆发，破坏了水体原有的生态平衡，严重污染了周围环境。我国作为水资源十分短缺的国家，严格控制脱氮污水的超标排放是十分必要的。对于氮素污染的治理，国内外常见的工程技术有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、磷酸铵镁沉淀法、生物脱氮法等。其中，生物脱氮法使用范围广，投资及运转成本低，操作简单，无二次污染，处理后的废水易达标排放，已成为脱氮常用处理方法。

1 传统生物脱氮工艺

传统生物脱氮一般包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。硝化反应是由一类化能自养好样的硝化细菌完成，主要包括两个步骤：第1步称为亚硝化过程，由亚硝酸菌将氨态氮转化为亚硝酸盐；第2步称为硝化过程，由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。

反硝化作用是在厌氧或缺氧条件下反硝化菌把硝酸盐转化为氮气排除。该转化过程有许多中间产物，如HNO2、NO2和N2O。反硝化菌多数是兼性厌氧菌，在无分子态氮存在的环境下，利用硝酸盐作为电子受体，有机物作为碳源和电子供体提供能量并被转化为CO2、H2O。

传统生物脱氮工艺在废水脱氮方面起到了一定的作用，但任存在以下问题[1]：

（1）在低温冬季硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度。造成系统总水力停留时间（HRT）长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用。

（2）硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量的能耗；

（3）反硝化过程需要一定的有机物，废水中的COD经过曝气有一大部分被去除，因此反硝化时往往要另外加入碳源；

（4）系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须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；

（5）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；

（6）为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用；

2SHARON工艺

2.1 SHARON工艺的研发

SHARON(Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite)工艺是荷兰Delft技术大学开发的一种新型的脱氮工艺[2]。其基本原理是在同一个反应器内，先在有氧的条件下，利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-；然后再缺氧的条件下，以有机物作为电子供体，将亚硝酸盐反硝化，生成氨气。其反应式如式（1），式（2）所示。由于该工艺把

硝化作控制在亚硝酸盐阶段，比传统硝化—反硝化工艺缩短了一段流程，因此国内形象地将它称为短程硝化—反硝化工艺。

NH4+ + 1.5O2→NO2- + 2H+ + H2O

NO2- + 0.5O2→NO3-

SHARON工艺的典型特征是：①短程硝化和短程反硝化被放置在一个反应器内实施，工艺流程较短；②反应器内不持留活性污泥，装置结构简单；③操作温度较高（30~40℃），处理效率较好；④借助于反硝化作用调控酸碱度（Ph7~8）,无需加碱中和。

2.2SHARON工艺的微生物

Loosdrecht等人[3]认为，氧化NH3—N的通常是Nitrosomonas europaea，这是一种典型的好氧氨氧化菌。郑平[4]的研究表明，该种细菌培养物的氨氧化活性高于氨氧化菌和硝化

菌的混培物的氨氧化活性。

Logemann等人[5]采用现代分子生物学技术对SHARON反应器中的微生物群落进行研究，结果表明SHARON工艺中其主要作用的细菌是Nitrosomonas europaea，即一种普遍存在的氨氧化细菌。

2.3SHARON工艺的技术要点

SHARON工艺的核心是使消化过程终止于亚硝酸盐阶段。在实施上，不仅主要抑制亚硝酸盐氧化，还要促进氨化，只有这样，才能使工艺经济效益高。

2.3.1温度控制

温度对生物反应有很大的影响。升高温度一方面可加快酶促反应，另一方面也可加快酶变性失活。如果其他条件保持不变，生物反应有一个最适温度。对于硝化反应，文献来源不同，所报道的温度范围和适宜温度差距很大。总的来看，硝化反应的温度范围为4~45℃，适宜温度为20~30℃，温度低于15℃或高于40℃硝化反应速率降低。

Hellinga等人认为，在常温（5~20℃）下，由于亚硝化细菌的生长速率小于硝化细菌

的速率，前者产生的亚硝酸盐很容易被后者氧化为硝酸盐，因此在这个温度范围运作的传统生物脱氮工艺，只能进行全程硝化—反硝化反应。[2]提升反应器的运行温度（20~30℃），利用亚硝化细菌和硝化细菌不同的温度效应，有助于亚硝化细菌从而实现短程硝化。需要指出的是，温度并非越高越好，温度超过40℃会导致反应速率下降；另外，废水升温需要能量，温度越高，能耗越大。综合考虑，SHARON工艺的操作温度以30~35℃为宜。2.3.2pH控制

在硝化工艺中，pH是一个非常重要的调控参数。一般而论，硝化反应的pH范围为5.5~10.0，适宜pH为6.5~9.0。pH低于6.5或高于9.0，硝化速率降低。其中，亚硝化细菌与硝化细菌适宜生长的pH范围略有差异，分别为7.0~8.5和6.5~7.5。pH7.4~8.3时亚硝化细菌的活性较高，亚硝化细菌的活性较高，亚硝酸盐产生速率较快，最大值出现在pH8.0附近。硝化细菌在pH7.0附近较高，硝酸盐产生速率的最大值也出现在中性范围。试验表明，pH大于7.4时，亚硝酸盐占产物的比例高于90%。SHARON工艺的pH宜控制在7.4~8.3之间。

2.3.3溶解氧浓度控制

氨氧化细菌和硝化菌都是绝对好氧菌，一般认为应使DO在0.5mg/L以上时硝化作用才能较好的进行。Hanaki等人[6]研究表明，在25℃时，进水NH3—N为80mg/L，低溶解氧（0.5mg/L）下，氨氧化细菌的增值速率加快近一倍，不唱了由于低溶解氧所造成的代谢活性的下降，使得从氨氧化到NO2—N的过程没有受到明显的影响；而硝化细菌的增殖速度在低的溶解氧（0.5mg/L）下没有任何提高，从NO2-—N到NO3-—N的氧化过程受到了严重的抑制，从而导致NO2-—N的大量积累。因此，即使再较低温度（25℃）下，控制较低的溶解氧浓度也可以抑制硝化菌生长获得NO2-—N的积累。

2.3.4泥龄控制

泥龄是指活性污泥在反应器内的平均停留时间，也即反应器内污泥完全更新一次所需时间。由于亚硝化细菌的倍增时间短于硝化细菌，在悬浮生长系统中，控制污泥泥龄可逐渐洗出硝化细菌而保留亚硝化细菌，从而实现短程硝化。Van Kempen[7]等人根据SHARON 工艺生产性应用经验，推荐奖泥龄控制在1~2.5d。

2.4SHARON工艺的应用

SHARON是应荷兰鹿丹特Dokhaven污水处理厂的要求而研发的，它没有经过中间的试验，直接从实验室规模（1.5L）放大到生产性规模（1800m3）。Dokhaven污水处理厂的工艺流程如图1所示。其中SHARON工艺用于处理厌氧消化污泥分离液。