污水處理生物脫氮技術

傳統生物脫氮方法在廢水脫氮方面起到了一定的作用，但仍存在許多問題。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，増加了動力消耗；對C/N比低的廢水，需外加有機碳源；工藝流程長，占地面積大，基建投資高等。

近年來，生物脫氮領域開發了許多新工藝，主要有：同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；厭氧氨氧化和全程自養脫氮。

1、同步硝化反硝化（SND）

自20世紀80年代以來, 研究人員在一些沒有明顯缺氧及厭氧段的活性污泥法工藝中, 曾多次觀察到氮的非同化損失現象, 即存在有氧情況下的反硝化反應、低氧情況下的硝化反應。在這些處理系統中,硝化和反硝化往往發生在相同的條件下或同一處理空間內, 這種現象被稱作同步硝化反硝化(SND）,亦有研究人員將這種現象中的反硝化過程稱之為好氧反硝化。

工藝微生物學家在純種培養的研究中發現，硝化細菌和反硝化細菌有非常復雜的生理多樣性，如：Roberton和Lloyd等證明許多反硝化細菌在好氧條件下能進行反硝化；Castingnetti證明許多異養菌能進行硝化。這些新發現使得同時硝化反硝化成為可能，并奠定了SND生物脫氮的理論基礎。硝化與反硝化的反應動力學平衡控制是同步硝化反硝化技術的關鍵。

在該工藝中，硝化與反硝化反應在同一個構筑物中同時進行，與傳統的工藝相比具有明顯的優越性：

（1）節省反應器體積和構筑物占地面積，減少投資；

（2）可在一定程度上避免NO2-氧化成NO3-再還原成NO2-這兩步多余的反應，從而可縮短反應時間，還可節省DO和有機碳；

（3）反硝化反應產生的堿度可以彌補硝化反應堿度的消耗，簡化pH調節，減少運行費用。MBBR工藝是同步硝化反硝化的典型工藝。

MBBR工藝原理是通過向反應器中投加一定數量的懸浮載體，提高反應器中的生物量及生物種類，從而提高反應器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時候，與水呈完全混合狀態，微生物生長的環境為氣、液、固三相。載體在水中的碰撞和剪切作用，使空氣氣泡更加細小，增加了氧氣的利用率。另外，每個載體內外均具有不同的生物種類，內部生長一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好養菌，這樣每個載體都為一個微型反應器，使硝化反應和反硝化反應同時存在，從而提高了處理效果。

2、短程硝化-反硝化（SHARON）

1975年，Voets等發現了硝化過程中亞硝酸鹽積累的現象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念。1986年Sutherson等證實了其可行性，國內外研究表明，與傳統的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可減少25%左右的需氧量，降低能耗；節省反硝化階段所需要的有機碳源，降低了運行費用；縮短HRT，減少反應器體積和占地面積；降低了污泥產量；硝化產生的酸度可部分地由反硝化產生的堿度中和。

因此，對許多低C/N比廢水，目前比較有代表性的工藝有亞硝酸菌與固定化微生物單級生物脫氮工藝，單一反應器通過亞硝酸鹽去除氨氮(SHARON)工藝。

SHARON工藝是由荷蘭Delft技術大學開發的一種新型脫氮工藝，其基本原理是在同一個反應器內，在有氧條件下，利用氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝態氮，然后在缺氧條件下，以有機物為電子供體，將亞硝態氮反硝化成N2。將氨氧化控制在亞硝化階段是該工藝的關鍵。

SHARON工藝的成功在于：

（1）利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細菌的競爭能力；

（2）利用完全混合反應器在無污泥回流條件下污泥停留時間(SRT)與水力停留時間(HRT)的同一性，控制HRT大于亞硝酸細菌的世代時間，小于硝酸細菌的世代時間，實現硝酸細菌的“淘洗”，使反應器內主要為亞硝酸細菌；

（3）控制較高的pH值，不僅抑制了硝酸細菌，也消除了游離亞硝酸(FNA)對亞硝酸細菌的抑制。

1998年在荷蘭已有此類污水處理廠投入運行。

盡管SHARON工藝按有氧/缺氧的間歇運行方式取得了較好的效果，但不能保證出水氨氮的濃度很低。該工藝更適于對較高濃度的含氨氮廢水的預處理或旁路處理。

3、厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝

1994年，Kuenen等邸發現某些細菌在硝化反硝化反應中能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作電子受體將氨氮氧化成N2和氣態氮化物；1995年，Mulder等人在研究脫氮流化床反應器時發現，氨氮可在厭氧條件下消失，氨氮的消失與硝氮的消耗同時發生并成正相關。不久，VandeGraaf等人進一步證實該過程是一個微生物反應，并且實驗結果還表明，亞硝態氮是一個更為關鍵的電子受體。因此，可以把ANAMMOX完整的定義為，在厭氧條件下，微生物直接以氨氮作為電子供體，以亞硝態氮為電子受體，轉化為Nz的微生物反應過程。

ANAMMOX工藝主要采用流化床反應器，由于是在厭氧條件下直接利用氨氮作電子供體，無需供氧、無需外加有機碳源維持反硝化、無需額外投加酸堿中和試劑，故降低了能耗，節約了運行費用。同時還避免了因投加中和試劑有可能造成的二次污染問題。

由于NH3-N和NO2-N同時存在于反應器中，因此，ANAMMOX工藝與一個前置的硝化過程結合在一起是非常必要的，并且，硝化過程只需將部分的NH3-N氧化為NO2-N。據此，荷蘭Delft技術大學開發了SHARON-ANAMMOX聯合工藝，該聯合工藝利用SHARON反應器的出水作為ANAMMOX反應器的進水，具有耗氧量少、污泥產量低、不需外加有機碳源等優點，有很好的應用前景，成為生物脫氮領域內的一個研究重點。

4、全程自養脫氨氮(CANON)

與其它工藝相比，全程自養脫氨氮系統的優點主要表現在：

(1)不必外加有機碳源。因此，在處理低C/N比廢水時能節省大量能源

(2)對亞硝氮的供應沒有要求，含有高氨氮的廢水可直接進入反應器;

(3)盡管該系統要求限氧，但不嚴格要求厭氧，因此，在實際操作中的控制比較容易。目前，全程自養脫氨氮系統的處理能力仍然很對其機理也不十分明確，但污泥接種體比較容易大量生長，接種的硝化污泥很在活性污泥中產生，這表明該系統可應用于工程實踐。氧限制自養硝化反(OLAND)工藝是全程自養脫氮的典型工藝。

Kuai等人提出了OLAND工藝，該工藝的關鍵是在活性污泥反應器中控制氧，使硝化過程僅進行到氨氮氧化為亞硝酸鹽階段，由于缺乏電子受體，由N N氧化產生的NO2-N氧化未反應的NH3-N形成N2。該反應機理為由亞硝

(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反應。

研究表明，亞硝酸菌與硝酸細菌對氧的親和力不同，亞硝酸菌氧飽和常數一般為0.2~0.4mg/L，硝酸菌的為1.2-1.5mg/L，在低DO條件下，亞硝酸細菌與硝酸細菌的增長速率均下降，然而硝酸細菌的下降比亞硝酸細菌要快，導致亞硝酸細菌的增長速率超過硝酸細菌，使生物膜上的細菌以亞硝酸細菌為主體，出現亞硝酸鹽氮積累。OLAND工藝就是利用這2類菌動力學特性的差異，以淘汰硝酸菌，使亞硝酸大量積累。但迄今為止，還不清楚這些微生物群體是否與正常的硝化菌有關聯。

OLAND工藝是在低DO濃度下實現維持亞硝酸積累，但是活性污泥易解體和發生絲狀膨脹。因此，低DO對活性污泥的沉降性、污泥膨脹等的影響仍有待進一步的研究。