污水生物脱氮技术研究现状

污水生物脱氮技术研究现状摘要：概述了传统生物脱氮技术原理及传统的生物脱氮技术，分析了传统生物脱氮工艺的不足，并介绍了同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等几种生物脱氮新技术的机理、特点和研究现状。

最后对生物脱氮技术的今后的发展趋势进行了展望及建议，指出高效、低能耗的可持续脱氮工艺是污水处理的发展方向。

关键词：生物处理；生物脱氮；短程硝化反硝化；同步硝化反硝化；厌氧氨氧化Research Status of Biological Removal of Nitrogenfrom WastewaterAbstract：Summarizes the conventional biodenitrification technology principle and conventional biological removal of nitrogen technology, analyzes the deficiencies of conventional biological removal of nitrogen, and introduces nitration denitrification, shortcut nitrification and denitrification anaerobic ammonium oxidation ,and the features, the mechanism and the current research status of the several biological new technologies,. Finally have a outlook and Suggestions of the new technologies , points out that high efficiency, low energy consumption is the development direction of removal of nitrogen in sewage treatment.Keywords：biological disposal；nitrogen removal；shortcut nitrification；Simultaneous nitrification and denitrifieation；anaerobic ammonium近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高，合成洗涤剂、化肥和农药被广泛使用。

大量氮元素进入水体，使水体富营养化日益严重，我国现有污水处理厂中有60%没有脱氮功能,即使有脱氮功能的污水处理厂采用传统的脱氮技术对氨氮、总氮的去除率仅在10％～30％之间仍然难达到一级A标准[1]。

因此，越来越多的国家和地区开始制定日趋严格的污水排放标准，这就意味着对新建及已建污水处理厂提出了更高的要求。

和其他的脱氮技术相比生物脱氮技术相对其他方法的脱氮技术有着很强的优势，但传统的生物脱氮工艺存在着一些不可避免的缺陷，随着研究的不断深入，新的脱氮技术越来越多的引起人们的注意，已经成为当前研究的热点[2]。

1生物脱氦机理生物脱氮包括氨化、硝化、反硝化三个过程，并由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成，即水体中的有机氮首先在氨化菌的作用下转化为氨态氮，这也就是所谓的氨化阶段。

一般氨化过程与微生物去除有机物同时进行，氨化作用进行得很快，有机物去除结束时，氨化过程也已完成；之后是硝化阶段，-一N；最后是反硝化阶氨态氮在好氧的条件下通过亚硝化菌和硝化菌转化为NO2段，该阶段在缺氧的条件下，通过反硝化菌将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮转化为N2 O。

由于反硝化细菌是兼性厌氧菌，只有在缺氧或厌氧条件下才能进行反硝或N2化，因此需要为其创造一个缺氧或厌氧的环境[1]。

而近年来的一些研究发现，在好氧的条件下发生了同时硝化和反硝化作用；在厌氧的条件下氨态氮减少；这些现象都无法用传统生物脱氮理论来解释，表明除了传统的生物脱氮理论外，还存在其他的生物脱氮原理。

2传统生物脱氮技术废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝氮和硝酸盐4种形态存在。

传统生物脱氮技术遵循已发现的自然界氮循环机理，废水中的有机氮依次在氨化菌、亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下进行氮化反应、亚硝化反应、硝化反应和反硝化反应后最终转变为氮气而溢出水体，达到了脱氮目的。

普遍认为氨氮的去除是通过硝化和反硝化这两个相互独立的过程实现的，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，反硝化反应则发生在严格的缺氧或厌氧条件下。

在这种理论指导下，传统的生物脱氮工艺都是将缺氧区(或厌氧区)与好氧区分隔开，如A／0、A2／O等工艺；或者是在同一个反应器中，通过时问或空问上的好氧和缺氧的交替进行来实现氮的去除，如SBR等工艺[2]。

2.1 传统生物脱氮工艺2.1.1 三级活性污泥法脱氮工艺[5]它是以氨化、硝化和反硝化3项反应过程为基础建立的。

其工艺流程示之于下图所示：第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除BOD、COD，使有机氮转化，形成NH3、NH4，即完成氨化过程。

第二级硝化曝气池，在这里进行硝化反应，使NH3及NH4氧化为NO3-N。

第三级为反硝化反应器，这里在缺氧条件下，NO3-N还原为气态N2，并逸往大气，在这一级应采取厌氧--缺氧交替的运行方式。

这种系统的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌，分别在各自反应器内生长增值，环境条件适宜，而且各自回流在沉淀池分离的污泥，反应速度快而且比较彻底。

但处理设备多，造价高，管理不够方便。

2.1.2 A/O工艺该工艺是80年代初开创的工艺流程，其主要特点是将反硝化反应器放置在系统之首，即反硝化、硝化与BOD去除分别在两个不同的反应器内进行。

其工艺流程示之于图2：本工艺主要不足之处是该流程的处理水是来自硝化反应器，因此，在处理水中含有一定浓度的硝酸盐，如果运行不当，在沉淀池内也会发生反硝化反应，使污泥上浮，使处理水水质恶化。

3生物脱氮新工艺目前研究较多的生物脱氮新工艺主要有:短程硝化反硝化(Shortcut Nitrification D e n i t r i f i c a t i o n) 、同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification, SND)厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation,ANAMMOX)。

3.1 同步硝化反硝化根据传统脱氮理论: 氨氮的去除通过硝化和反硝化两个独立过程实现, 由于对环境的要求不同,两个过程不能同时发生。

现行的生物脱氮工艺是把硝化和反硝化作为两个独立的阶段分别安排在不同的反应器中(空间上)或者利用间歇好氧和厌氧条件(时间上)实现氮的去除, 往往造成系统复杂, 能耗较大且运行管理不便。

然而, 近几年国内外有不少试验和报道证明硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下与同一反应器内进行, 称为好氧反硝化或同步硝化反硝化现象( S imu ltaneous N itrification and Den itrif ication, 简称SND)。

有研究表明, 好氧条件下的反硝化现象存在于各种不同的生物处理系统, 如流化床反应器、生物转盘、SBR、氧化沟、CAST工艺等。

3.1.1 同步硝化反硝化工艺机理目前，对于SND现象的形成原因有很多种解释，归纳起来主要集中于两个方面：物理学解释和生物学解释。

物理学解释认为，SND是一种物理现象，是由于曝气方式、反应器构型等造成的宏观缺氧环境。

或者受微生物种群结构、基质分布和生物代谢反应的不均匀性，以及物质传递变化等因素的相互作用，缺氧(或厌氧)段可以在活性污泥菌胶团内部形成微观缺氧环境。

关于SND的生物学解释认为硝化过程被认为发生在好氧条件下, 反硝化过程被认为在缺氧条件下发生。

但是20世纪80年代好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现, 打破了传统理论认为的硝化反应只能由自养细菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点, 为好氧反硝化的解释提供了生物学的依据。

研究表明反硝化在好氧条件下也能发生, 同样, 硝化反应在氧浓度较低时也能够发生。

在此过程中, 好氧反硝化菌同时利用氮和氧作为最终电子受体, 直接将氨转化为最终气态产物。

由于许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌, 能够直接把NH+4 转化为最终气态产物而去除, 因此, 同步硝化反硝化生物脱氮也就成为可能。

影响SND 脱氮效率及脱氮速率的控制因素还有很多, 如: 溶解氧、ORP、pH 值、碳源、污泥龄。

利用氧化还原电极电位ORP控制实际上是一种间接DO 控制。

ORP可以很好地反映DO 的变化, 特别是DO 比较低时。

若DO 无法直接测量, ORP 更可成为DO 的间接测量手段。

pH 是影响废水生物脱氮处理工艺运行的一个重要因子。

考虑到硝化和反硝化两过程中碱度消耗与产生的相互性, 同步硝化与反硝化的最适pH 值应保持在8. 0左右。

此外, 温度、污泥浓度以及游离氨浓度( FA )等也都会对SND有着一定的影响。

3.1.2 同步硝化反硝化工艺研究前景同步硝化反硝化技术的产生为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了可能性, 在荷兰、丹麦、德国、意大利等国已有污水处理工厂在利用同步硝化反硝化脱氮工艺运行, 但关于同步硝化反硝化机理的研究大多数仍处于实验阶段, 离投入工程运行还有距离。

总的来说, 今后在以下方面还值得作进一步深入的研究：1) 好氧颗粒污泥具有同步硝化反硝化的微观环境,可对其形成机理、微生物学特性、脱氮性能等方面加以研究。

2) 研究发现兼性反硝化菌具有很强的生物摄、放磷能力, 如何将脱氮除磷有机的结合起来, 探索一种可持续城市污水生物处理技术正成为研究热点。

3）逸出造成二次污染问题的有害中间气态产物如NO、N2O等也是近期研究的课题。

4）如何综合考虑各种影响因素, 以及实际工程应用中控制条件的确定, 以便提高同步硝化反硝化工艺的稳定可靠性。

3.2 短程硝化反硝化通常，有机氮化合物在氨化细菌的脱氨基作用下产生氨(氨化作用)，氨在有氧的条件下，经亚硝化菌的作用转化为亚硝酸或亚硝酸盐，然后再经硝化菌的作用转化为硝酸或者硝酸盐，这就是硝化作用；而反硝化作用是在厌氧的条件下，反硝化细菌将硝酸盐还原成为HNO2、N2等物质的作用。

短程硝化反硝化技术（Shortcut Nitrification and Denitrification）则是将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化，就转入反硝化反应。

因此，它可以缩短曝气时间，节省运行费用。