污水脱氮技术浅析

1 污水脱氮技术浅析 刘钰畴 (南昌有色冶金设计研究院 南昌 330002)

[内容摘要] 介绍了各种污水脱氮方法及其基本原理，着重介绍生物法脱氮技术。对污水脱氮的

发展趋势做了简要说明。 [关 键 词] 富营养化 硝化 反硝化 生物法脱氮

随着人类活动的不断增加，环境资源的不断改变，水体氮污染日趋严重，据统计，我国主要湖泊处于因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56%之多，过多的氮化合物进入天然水体将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，氮污染的主要危害为： (1)使水体正常的溶解氧平衡遭受干扰，并进一步促使水质恶化； (2)影响水源水质，增加水处理负担； (3)加速水体的富营养化过程； (4)含氮化合物对人和生物有毒害作用； (5)使水体感官性状恶化，从而降低水体美学价值。 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中，有机氮有蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，它们经微生物分解后转为无机氮，水中无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮。各种形态氮的相对含量，根据污水的性质而有所不同。 近半个世纪以来，人们对转化和去除污水中的氮进行了大量的工作，尝试并运用了各种可行的方法，主要方法有：物理法、化学法、离子交换法、人工湿地法、生物法及它们之间的组合。下面就这些方法作一些简单介绍。 1 物理法 （1）吹脱法：污水中的氨氮是以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)两种形式保持平衡状态而存在： NH3+H2O==NH4++OH— 将pH值保持在11.5左右(投加一定量的碱)，让污水流过吹脱塔，使NH3逸出，以达脱氮目的。 首先投加石灰调pH值至11.5以促使NH4+—N向NH3—N转化，然后在除氮塔内，空气自下向上吹入塔内，水自上而下喷淋，析出的NH3进入空气中，其去除率可达85%，水得以净化后再回流至格栅前，而除氮塔出来的空气再进入硫酸淋洗塔生成(NH4)2SO4，可作肥料或工业原料，该法虽然操作简便易控，除氨效果稳定，但存在下列问题：pH值过高易生成水垢；游离氨逸散造成二次污染等。 （2）电渗析法和反渗透法：这两种方法脱氮效果都好，但对水质要求高，处理成本高，一般极少使用。 2

（3）过滤法：脱氮效果不理想，一般可作脱氮预处理。 2 化学法 （1）折点加氯法：利用游离氯与污水中的氨作用，生成氮气而去除污水中的氮。 2NH4+3HOCL==N2+3CL—+3H2O+5H+ 在pH值为中性，进行不连续点氯化处理时，进水中的NH4+—N可以在5分钟内去除90%以上，不过出水残留有氯，须附设除余氯的工艺设施，一般可设活性炭过滤设备，其滤层高2~6m，停留时间为半小时较宜。 （2）化学混凝法：脱氮效果不够理想，产生的污泥量较大，一般不单独采用该法脱氮。 3 离子交换法 常用斜发沸石作为除氨的离子交换体，它对氨离子的选择优于钙、镁、钠等离子，当日处理水量1000m3(原水中NH4+—N浓度为20mg/L)，去除率标准为80%，再生液中的氨可以以游离氨或分子氮形式排放大气，也可以成氨溶液回收后作肥料，但该法脱氮成本高，不经济，此外还存在再生液处理等问题。 4 人工湿地法 利用农田、卵石床水栽植物进行处理，在澳大利亚新南威尔士的Wyong镇，污水流量为1700m3/d，二级处理出水含氮、磷分别为35mg/L、17mg/L，采用深0.3~1.0m，面积90ha，生长芦苇和阔叶树等植物的沼泽地进行湿地处理，在距湿地系统进口650m处取样，测得氮、磷含量已降至0.03mg/L、0.06mg/L。 该法投资少，运行方便，对农村及小城镇很适用，不过过量使用可能造成附近水井、河流、水库中的NO3—增加。 5 生物法 生物法是目前运用最广、最有研究前景的方法，详细介绍如下。 生物脱氮是生物法控制氮的一个重要分类。其主要原理是经硝化—反硝化处理，把污水中的氮变成无害的N2排除体系。硝化是污水中的有机氮在生物处理过程中被异氧型微生物氧化解，转化为氨氮，然后由自氧型硝化细菌将其转化为NO3—和NO2—的过程；反硝化是反硝化细菌经厌氧呼吸将NO3—和NO2—还原转化为N2的过程，从而达到脱氮的目的。 硝化过程： 有机氮 氨化菌 有机氮NH3+CO2+小分子有机物 NH4++O2 亚硝酸菌 NO2-+H20+H+ NO2-+O2 硝酸菌 NO3- NH4++O2 硝化菌 NO3-+H20+H+ 反硝化过程： NO3- 同化反硝化NO2- →NO→N2O→N2 （占90%以上） NO3- 异化反硝化NO2- →X→NH2OH→有机氮 5.1 影响生物脱氮的环境因素 在生物法脱氮中，硝化菌、反硝化菌发挥了重要作用，这些细菌对于生物降解过程有一定的环境条件要求。 （1）DO：在缺氧构筑物中，反硝化脱氮的最佳DO为0.5mg/L以下，在好氧构筑物中，有机物好氧代谢，硝化菌将NH4+—N氧化成NHx——N,都需要氧，DO应控制在2mg/L以上。DO的变化，可以明显地影响系统中硝化细菌总量及指示性微生物数量的变化。当混合液中的DO浓度低时，氮硝化过程的指示性微生物数量少，氮的硝化效果差；反之，则指示性微生物数量多，氮的硝化率也随之提高。但由于高浓度溶解氧对硝化菌有一定的抑制作用，故DO一般控制在大于2mg/L的条件下偏低为宜。 （2）营养物质的量是影响生物脱氮的重要因素，在氮的硝化过程中，由于硝化细菌在生活中不需要有机养料，较高的有机负荷会影响硝化细菌的生长，从而使硝化率降低，所以一 3

般认为BOD5值应小于20mg/L时硝化反应才能完成。而对于反硝化反应，由于其以有机碳为电子供体，所以废水中必须有足够的碳源，一般认为当废水中的BOD5/TKN大于3~5，即认为碳源充足，勿需外加碳源。 （3）碱度：生物反硝化产生大量的碱，而硝化过程正需要碱，故常将反硝化过程放在硝化反应之前，若不足，则考虑添加碱，最常用的为NaHCO3。对于典型的城市污水，碱度约为300mg/L(以CaCO3计)，而硝化过程中消耗的碱小于200mg/L，故对于城市污水，当采用生物脱氮工艺时，不需要补充碱源。 （4）温度：硝化细菌的生长速率及代谢能力受温度的影响较大。硝化过程指示性生物数量随温度变化的基本规律是：随温度的上升而增多，随温度的降低而减少。适宜温度为20~30℃，15℃以下时，硝化反应速度下降，5℃时完全停止。 （5）pH值：由于细菌的代谢作用离不开酶的活动，而酶作用的pH值范围较窄，所以氮的生物硝化反应过程有直接影响。pH值中性及偏碱性条件下可以获得较好的氮硝化效果。 5.2 生物脱氮的工艺方法 生物法除脱氮工艺形式多样，不过，每种工艺都包括厌氧、好氧过程，各种工艺不同，不外乎是变化顺序、级数、回流方式、进水方式等，将传统的AB活性污泥法的B段运行方式作些变换，可得：A/O、A2/O、UCT、VIP、THB等各种工艺方式，同时还有DE型氧化沟、生物膜、生物滤池等方法脱氮，下面简要介绍几种典型的工艺方法： （1）A/O法（图1） 进水 →缺氧段 →好氧段 →二沉池 →出水

← 回流污泥 →废弃污泥 图1 A/O工艺 这是最基本的硝化、反硝化脱氮工艺。在缺氧段，反硝化菌利用污水中的有机碳作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体进行“无氧呼吸”，将回流液中硝态氮还原成氮气释放出来，完成反硝化过程，在好氧段，硝化菌把污水中的氨氮氧化成硝酸盐，再向缺氧池回流，为脱氮作好必要的准备，这样，缺氧段、好氧段微生物互不相混，各自始终处于最佳生态环境中，不受厌氧、好氧环境交替的抑制作用，该系统停留时间短、脱氮效果好，用于城市污水处理时出水TN可达到8~9mg/L，若对出水TN有更严格的要求，可采用巴氏生物脱氮工艺(图2)。 混合液回流(I=400%Q)←

进水→第一缺氧池→第一好氧池→第二缺氧池→第二好氧池→沉淀池→出水 污泥回流（R=100%Q） ← →剩余污泥 图2 四阶段巴氏生物脱氮工艺 为解决低温时A/O法脱氮效果差这一问题，人们正在不断开发，部份水厂已将软性填料运用于生产中，天津纪庄子污水处理厂采用在O段悬挂软性填料，以此增加硝化菌数量，满足硝化需要，经测试，效果良好，哈尔滨建筑工程学院和鞍山焦化耐火设计院共同研制出A段挂软性填料，O段内回流的A/O新工艺，并在山东薜城焦化厂应用，在进水厂TN为590mg/L时，去除率达80%以上。 （2）A2/O法（图3） 针对A/O工艺中废弃污泥含磷量较高的特点，A2/O工艺相对而言，增添了一个厌氧过程（除磷），将脱氮除磷与降解有机物结合起来，该工艺对COD、BOD、N、P等去除率高，污泥沉降性好，投资少，开发前景看好，但A/O工艺、A2/O工艺在运行管理、配套设备等方面还 4

有待进一步加强。 ←内循环 进水 → 厌氧段 →缺氧段 →好氧段 →二沉池 → 出水

回流污泥 ← → 废弃污泥 图3 A2/O工艺

（3）生物滤池（图4） ←污泥回流

进水 →初沉池 →反硝化滤池 →中间沉淀池 →硝化滤池 →滤网 →滤池 →出水

图4 生物滤池工艺 生物膜外层好氧，内层缺氧，只有提供充足的碳源，才能去除NO3—--N，要达到完全反硝化，COD/N必需大于12~14，在欧洲，二级处理厂使用生物滤池的较多，效果也不错，英国的Borougn大学对硝化生物滤池的填料作了研究，认为天然的无机填料优于人工塑料，而且保湿性能好，有利于微生物的生长。 采用生物滤池脱氮，投资省，设计、施工、运行简单、占地少、运行效果良好，但要注意碳源是否充足，必要时须投加甲醇等，以调节硝化过程中所需的碳、氮比。 在高含氮废水的生物硝化过程中，硝化和反硝化是生物脱氮工艺中相辅相成、互相促进的两个组成部分，一般情况下是组合进行的。而硝化工艺作为废水处理的一种新技术，尚有许多问题需要我们去认识，大量未知规律需要我们去探索。 6 脱氮发展趋势 近年来，水体中营养物质的控制，主要是氮、磷的控制已引起了广泛的重视。且经过许多研究者的不懈努力，取得了很大的进展。特别是人们对生物法脱氮技术的研究已经开展得很多，运用也最广。最主要的一点是大大提高了生物处理过程中氮、磷的去除率和缩短了处理过程中的停留时间。 由于填料技术发展很快，开发新型高效填料用于除氮系统是近年来很有前途的一项研究课题，不论是对于普通活性污泥系统，还是对于生物滤池，投加适宜填料皆可提高脱氮能力。 新建污水处理设施一般在要求去除BOD、SS的同时，同时考虑去除氮、磷。对现有的污水处理设施进行改造，使之并入好氧、厌氧结合的工艺，也可使之达到脱氮效果。另外，发展脱氮装置的小型化、商品化、规模化，以适应不同场合如宾馆、小区的污水处理的需要，也是近年来污水脱氮的一个发展趋势。