生物脱氮工艺发展综述

生物脱氮工艺的发展

摘要：在阐述水体中氮的危害、城市污水生物脱氮机理的基础上，分析生物脱氮的常见工艺。回顾传统生物脱氮工艺的基本原理和工艺发展，针对传统生物脱氮技术在工业废水等高氮低磁废水处理的不足。介绍新型生物脱氮技术的基本理论和工艺。

关键字：同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；厌氧氨氧化;生物脱氮工艺；发展趋势。

前言：

长期以来，城市污水在处理过程中忽视对氮等营养物质的处理，大量的未经过处理或处理不充分的含氮废水外排，严重影响了地表水质，造成水体富营养化，所以城市对废水的脱氮要求越现紧迫。氮是造成水体富营养化的重要污染物质，随着排污标准对氮排放的日益重视，传统的生物脱氮方法得到了进一步发展，目前多种脱氮工艺组合或通过理论创新而开辟的新型生物脱氮路线成为新的发应用方向。在高浓度氨氮废水(如垃圾渗滤液、屠宰厂废水等)处理方面，短程硝化、硝化一反硝化、同步硝化反硝化和厌氧氨氧化工艺越来越受到重视，提供了可能有效解决此类废水污染的途径[1]。

1.水体中氮的危害

大量未经处理或未经适当处理的含氮的各种废水(包括生活污水及某些工业废水）排入江河，会给环境造成严重危害，主要表现为以下几个方面[2]：

1)造成水体的富营养化现象。当水体中含氮等营养物质过多时，将促进藻类等浮游生物的过度繁殖，致使水面上形成密集的“水华”或“赤潮”。藻类带有一股鱼腥味，可使水质下降。一些藻类的蛋白类毒素，可富集在水生生物中，并通过食物链使人中毒。

2)消耗水体中的氧气。藻类大量过度繁殖，死亡后藻类有机体被异养微生物分解，消耗了水中的大量溶解氧，使水中溶解氧含量急剧下降。此外，还原态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量的氧。

3)增加给水处理的困难。a由于水体的富营养化，大量藻类和水生微生物的繁殖使滤池堵塞，破坏其正常运行。而且，微生物还会穿透滤池在配水系统中繁殖，造成配水系统水流不畅或阻塞。b．藻类分泌出的有机物会妨碍絮凝作用，导致出水混浊，并影响加氯消毒过程。c．藻类分泌出的有机物经分解生成难以降解的腐殖质，使水质恶化。d．在水厂加氯消毒时，水体中少量氨会使加药量成倍增加，此外，脱色、除臭、除味的,药剂投加量亦会增加。

4)对人及生物具有毒害作用。游离氨对鱼类有毒害作用。对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死量为1m 。氨可转化为亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐与胺作用可进一步转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致变和致畸物对人体有潜在的威胁。

2.生物脱氮的机理

生物脱氮是通过硝化和反硝两个过程实现的。硝化作用通常被定义为由氨到硝酸的生物氧化过程，硝化是化能自养过程，一般分为两步进行，第一步由亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸盐（NO

2

-），这一过程称为氨化作用，这是有机氮转化为氨的生物转化形式，是矿化有机氮的第一步。第二步由硝酸细菌进一步将亚硝酸

盐氧化成硝酸盐(N0

3

-)。这两类细菌统称为硝化细菌，它们利用无机碳化物加

CO

32-、HCO

3

-和 CO

2

作为碳源，从NH

3

、NH

4

+或NO

2

的氧化反应中获得能量。

3.生物脱氮工艺

3.1多种生物脱氮工艺组合

传统生物脱氮工艺的基本原理是在二级生物处理过程中，先将有机氮转化为氨氮，再通过硝化菌和反硝化菌的作用将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，最终通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，至此完成脱氮过程。

硝化反应是由自养型好氧微生物完成，包括亚硝化和硝化两个步骤。参与硝

化过程的细菌统称为硝化菌，利用无机碳化合物作为碳源，从NH

3、NH

4

+或NO

2

-

的氧化反应中摄取能量。反硝化反应由异养型微生物在溶解氧极低的情况下，利用硝酸盐作为电子受体，有机碳作为碳源和电子供体进行反应，将硝酸盐和亚硝

酸盐还原为氮气或N

0。一般认为反硝化反应仅在缺氧条件下发生。由此可以看

2

出，硝化和反硝化反应的进行存在着相互制约的关系。一方面在存有大量有机物的情况下，自养硝化菌对氧气与营养物的竞争力不如好氧异养菌，导致反应中硝化菌种无法占据主导地位；另一方面，反硝化需要提供有机物作为电子供体，但硝化过程中去除了大量有机碳导致碳源缺乏。为平衡两个单元的不同需求，发展出多种生物脱氮方法相结合的新工艺。

3.1.1 缺氧一好氧(A/O)脱氮工艺[14]

缺氧一好氧(A/O)脱氮工艺即为前置反硝化生物脱氮工艺。该工艺中进水与回流硝化液进入反硝化反应器，利用进水中的有机碳作为反硝化反应的碳源。通过调整工艺流程，A/O脱氮工艺充分利用原有的碳源从而减少了外加碳源的费用，同时反硝化反应产生的碱度也补充了硝化池50％的碱消耗。A/O脱氮工艺的最终出水来自于硝化池，因此含有NOx-，不但限制了脱氮效率的提高，而且在反硝化作用下易使沉淀池发生污泥上浮的现象。

3.1.2 厌氧一缺氧一好氧(A2/O)脱氮工艺

厌氧一缺氧一好氧(A2/O)脱氮工艺是在A/O脱氮工艺前增设了厌氧反应器，通过增加厌氧反应器将聚磷过程和反硝化分离，目的是解决硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在的矛盾和竞争。通常A2/O脱氮工艺的设计基于以下假设：聚磷菌释磷充分与否对提高系统处理能力具有决定性作用，前置氧区可使聚磷微生物优先获得碳源从而充分释磷。但是，张波等人的研究发现聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其后续好氧吸磷能力的充分必要条件，提高聚磷菌吸磷动力的决定性因素是厌氧区水力停留时间 (HRT)和厌氧环境的厌氧程度。根据这一理论，张波等提出倒置A2/O脱氮工艺，即将常规生物脱氮除磷系统的厌氧、缺氧倒置，结果发现可以获得更好的脱氮除磷效果[3]。

3.1.3 间歇式(SBR)脱氮工艺

由于自动化控制技术的发展，硝化反应和反硝化反应所需的不同条件都可以在同一个SBR反应器中实现，所以SBR工艺在脱氮领域越来越受到重视。经典SBR 工艺包括进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期5个阶段。通过运行时间上的改变，在曝气阶段完成COD分解和硝化反应，在停止曝气的缺氧阶段进行反硝化脱氮，在闲置期还能进行内源反硝化，脱氮效果好。SBR工艺通过参数控制在一个池体中完成全程脱氮，节省了占地等基建投资。

3.1.4 曝气生物滤池(BAF)脱氮工艺