城鎮污水廠常用污水深度脫氮技術比較分析

吳興海,楊 露

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

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城鎮污水廠常用污水深度脫氮技術比較分析

吳興海,楊 露

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

摘要：闡述了污水深度脫氮的必要性，在閱讀大量文獻的基礎上，結合城市污水處理廠提標改造的工程經驗，比較分析了常用污水深度脫氮技術的特點及運用現狀，并對研究重點及難點進行了總結。

關鍵詞：提標改造;深度脫氮;城市污水;物理化學法;生物法

1引言

研究污水脫氮，探索適合我國國情而且經濟有效的脫氮工藝，是目前亟待解決的重要課題。對氮污染的去除，目前大多數釆用的是傳統生物脫氮工藝，然而，污水中較低的COD含量會限制傳統生物工藝對氮的去除效果，導致污水廠出水存在較高的硝酸鹽，從而使得出水總氮含量偏高[1]。這一問題在南方地區以及排水系統為雨污合流制地區尤為嚴重，我國南方許多城市污水廠的進水BOD5常在100 mg/L以下，CODcr小于200 mg/L，十分不利于總氮的去除[2，3]。隨著國家對污水廠出水水質要求的提高，尤其是對出水總氮含量的要求更加嚴格，許多污水廠都面臨著提標改造的任務。

二級出水的硝酸鹽氮的去除是世界性難題，許多學者在大量研究的基礎上，發展了多種深度脫氮技術。結合我國污水廠提標改造任務的實踐經驗，對城鎮污水廠深度脫氮技術的特點及應用進行了總結分析。

2污水深度脫氮必要性

水體中氮元素過量是造成水污染的重要因素之一，其帶來的危害是多方面的，其中的一個突出問題就是水體的富營養化，不僅破壞了水體的生態平衡，同時威脅到水源地的取水安全，進一步加劇了水資源的短缺局面。根據《2014年中國環境狀況公報》[4]顯示，我國主要的淡水湖泊中，太湖、洪澤湖和巢湖湖體為輕度富營養，滇池湖體為中度富營養。污水經過處理后產生的再生水是城市的“第二水源”，可以替代部分清潔水源，或補充到城市內河、內湖和地下水中[5，6]，在一定程度上緩解了城市的缺水危機。目前我國城市內河多數執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)IV類(TN1.5 mg/L)或V類(TN2.0 mg/L)標準，但城市污水廠排水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，TN排放限值為15 mg/L，既不能滿足城市內河IV類或V類標準要求，也不能滿足地下水源補充水的要求。

隨著國家對水污染治理力度的不斷強化及對污水廠尾水污水排放標準的不斷提高，對污水廠出水TN進行深度處理，嚴格控制氮的達標排放已經成為新建或現有污水處理設施升級改造的核心目標。

3常用污水深度脫氮技術及其特點

到目前為止，開發的污水深度脫氮技術種類較為豐富，根據基本原理的不同，主要可分為物理化學法和生物法兩種。物理化學法只能去除氨氮，基本原理是利用氮的幾種存在形態的特點，尤其是利用氣態氮的特點，將廢水中的氮轉化生成氣態氮或交換固定氮，以達到從廢水中脫氮的目的，工藝主要有折點加氯法、離子交換法、膜分離法等；生物法脫氮的主要原理是經過硝化反硝化處理，將水中的氮還原成氣態氮化物(主要是N2)排出體系外，生物法主要有反硝化生物濾池(DNBF)、移動床生物膜反應器(MBBR)、人工濕地法等。

3.1物理化學法

3.1.1折點加氯法

折點加氯法是向廢水中添加適量的二氧化氯、氯氣、液氯以及次氯酸鹽(鈉鹽或者鈣鹽)等含氯氧化劑，將污水中的氨氮氧化為氣態氮，從而達到脫氮的目的。當氯氣通入廢水中的量達到某一點時，水中游離氯含量較低，而氨氮濃度趨于零，繼續通入氯氣，水中游離氯含量逐漸增加，因此該點被稱為折點。它所涉及的主要化學反應式如下：

Cl2+H2O →HClO+H++Cl-

(1)

(2)

2NH2Cl+HClO →N2+H2O+3H++3Cl-

(3)

(4)

氯化法除氮的關鍵是投加氯氧化劑的量要合適。按化學計算，折點加氯反應需氯量(以Cl2計算)對NH3-N的重量比(即折點)為7.6∶1，折點的分子當量比為1.5∶1。折點加氯法的主要反應產物是N2，具有脫氮效率高(可達90 %～100 %)、投資少、反應速率快的優點，并且有消毒的作用[7]。折點加氯法雖然初次投資少，但運行費用較高，處理后水中殘留的氯及副產物氯胺、氯代有機物會造成二次污染，因此出水在排放前往往需要用活性碳或二氧化硫去除水中殘留的氯[8，9]，且只適用于處理低濃度氨氮廢水。由于折點加氯法脫氮效果受溫度的影響較小，因此在生化處理效果較差的環境如北方低溫地區有明顯的優勢[10]，此外，其在中水回用及自來水消毒領域也有一定的運用[11，12]。

3.1.2離子交換法

離子交換法是利用離子交換劑上的可交換離子和廢水中的氨氮離子進行交換而去除水中的氨氮，該交換過程是可逆的，反應的推動力靠離子間的濃度差和交換劑上功能基對離子的親和能力[13]。當交換劑達到飽和后，交換劑需要再生。離子交換法具有工藝簡單、操作方便、投資少等優點，但由于高濃度的氨氮廢水會使吸附劑飽和過快而需要頻繁的再生，因此吸附法只適用于中低濃度氨氮廢水的深度處理[8，14]，去除率可達93～97 %，當氨氮濃度為10～50 mg/L時，可將出水氨氮濃度控制在3 mg/L以下[15]。天然沸石是常用的天然無機離子交換劑，其結構穩定，對銨離子有較高的吸附力和選擇性，且價格低廉，來源廣泛，是研究的熱點[11，12，16]，此外，離子交換樹脂及改性后沸石也是常用的交換劑[17，18]。

3.1.3膜分離法

膜分離法是利用膜以外的能量或化學位差作為推動力對水溶液中某些物質進行分離的方法，主要分為電滲析、微濾、超濾、反滲透和納濾等[19]。膜分離法作為一種分離新技術，不僅能凈化廢液和回收廢液中的有用物質，同時具有投資少、無污染、低能耗等優點[20]，但也存在膜污染、部分膜分離技術對廢水水質要求較高等問題[19，21]。膜分離技術只是個純粹的物理過程，只有結合其他技術才能充分發揮其作用，才能達到預期的分離效果，目前二級出水的集成膜系統工藝已經成熟并得以廣泛推廣[22]，處理后的水質達到回用水的標準[23]。

3.2生物法

3.2.1反硝化濾池

反硝化生物濾池(DNBF)主要作用機制是利用濾池內部的濾料及生物膜吸附截流作用和料上所附著生物膜的代謝分解作用來去除水體中的主要目標污染物，達到脫氮的目的[24，25]，其具有占地面積小，處理效率高，工程投資費用少等優點[26]，是城市污水深度處理領域研究和應用的熱點。反硝化濾池在我國特別是一些污水本身碳源較低的地區得到了一定的應用[27～29]，結果都表明：反硝化濾池啟動快，且根據進水水質確定是否投加碳源，實現過濾功能和反硝化功能的相互轉換；反沖洗廢水率低，可以有效降低反沖洗廢水的費用；池體本身無易損易耗件，無須補砂，池體終身免維護；在外加碳源的情況下，出水各項指標均低于一級A標準，運行效果穩定，尤其是TN去除效果明顯，可穩定低于5 mg/L。

3.2.2移動床生物膜反應器

移動床生物膜反應器(MBBR)是由挪威KaldnesMijecpteknogi公司與SNTEF研究所于20世紀80年代后期共同開發的[30]。該方法原理是向反應器中投加比重接近水的填料，通過曝氣或攬拌使填料處于懸浮狀態，微生物慢慢在填料上富集形成生物膜，同時不斷攝取污水中的營養物質，從而達到進化污水的目的[31]。MBBR結合了傳統污泥法和生物膜法的優點，具有處理能力高，能耗低，不需要反沖洗及不易堵塞等特點，可在好氧、厭氧等各種條件下運行[32]。何群彪等[33]采用CEPT-MBBR工藝對低濃度生活污水進行處理，結果表明組合工藝脫氮除磷效果穩定、可靠，出水水質好，不僅適用于脫氮除磷要求高的新建污水處理廠，也適用于對現有污水處理廠的升級改造。

3.2.3人工濕地法

人工濕地是一種新型的廢水處理技術，它依據天然濕地凈化污水的原理，通過人為建造和監督控制使其凈化能力得到增強[34]，它的凈化能力遠超過天然濕地。人工濕地有多種脫氮機制，包括生物(微生物作用、植物吸收等)、物理(沉積、揮發等)和化學反應(吸附作用)。人工濕地作為一種深度處理城鎮污水廠尾水的的有效手段[35，36]，可大幅削減進入受納水體的氮磷污染負荷，改善受納水體的水質，具有投資成本低、能耗低的優點。武海濤[37]研究了香蒲枯葉、蘆葦秸稈、蘆葦枯葉、香根草、再力花枯葉作為外加碳源，經過不同預處理方式(堿處理及簡單處理)后對人工濕地系統脫氮效果的影響，結果表明，人工濕地系統對硝態氮都有良好的去除效果，去除率在80.0 %～99.0 %之間。但人工濕地系統占地面積較大，且脫氮效果受氣溫、季節等因素影響較大。

4結論與展望

采用物理化學法對污水進行深度脫氮時，成本相對于生物法普遍較高，且只能去除氨氮離子。此外，物理化學法脫氮時對廢水預處理要求較高，部分技術存在二次污染的風險或后續處理過程復雜，因此在實際工程中沒有生物法運用的廣泛。生物法脫氮要取得良好的效果，需要控制的的影響因素較多，操作較為復雜，主要有水力停留時間(HRT)、碳源類型、碳氮比、溶解氧、溫度及pH值等；當進水水質及流量發生變化時，也會對脫氮效果產生一定影響。

伴隨著我國城市污水廠提標改造任務的進行，污水深度脫氮技術必然會得到越來越廣泛的運用，對于深度脫氮技術的研究也將受到越來越多的重視。在物理化學法中，離子交換劑容量的提高、性能的改善，研制抗污染、易清洗、耐高溫、抗溶劑的長壽命膜及膜組件等都將成為研究的熱點；生物法中，反硝化過程需要投加一定的碳源作為電子供體，碳源的種類以及投加量在很大程度上決定了生物法脫氮的成本，因此對碳源種類的選擇以及如何實現碳源的精準投加一直是研究的重點，此外，濾料是濾池系統的核心部分，選擇合適的濾料是濾池運行的一個關鍵因素，對其的研究和開發具有重要的科學意義和實用價值。

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Comparison and Analysis on the Technology of Deep Denitrification in Municipal Wastewater Treatment Plant

Wu Xinghai,Yang Lu

(CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The necessity of wastewater deep denitrification were expounded in this article. Based on extensive review of literature, this article concluded the characteristics and application actuality of common technologies for wastewater deep denitrification combined with upgrading and reconstruction engineering experience in wastewater treatment plant. At the same time, research hotspots and technology difficulties were summarized.

Key words:upgrading and reconstruction; deep denitrification; urban sewage; physical-chemical method; biological method

收稿日期：2016-04-27

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(編號：2014ZX07303003-07)

作者簡介：吳興海(1991—)，男，同濟大學環境科學與工程學院碩士研究生。

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0015-03