廢水生物脫氮技術的發展現狀及展望

費成志　張理月

摘要：氮循環是生物地球化學循環的重要組成部分，在人類工業化活動之前，地球上的氮收支基本上是平衡的，隨著人類的生產活動，全球每年新增的“活性”氮導致全球氮循環嚴重失衡，并引起一系列環境問題。其中水體中的氮元素失衡就是其中最典型的問題之一。目前對于廢水的脫氮處理是廢水處理的難點之一，而生物脫氮技術作為最經濟、徹底的脫氮技術，受到業界的廣泛關注，文中將對廢水生物脫氮技術發展的現狀和未來的展望進行分析和研究。

關鍵詞：廢水;生物脫氮技術;現狀;展望

1 水體中氮元素的危害

在自然水體中，植物和藻類的生長經常會受到氮元素和磷元素的限制。當過量的氮元素隨著污水的排入而不斷進入水體，就會引起水體的富營養，導致水生植物以及藻類過度繁殖，因此產生一系列的不良后果。（1）一方面，某些藻類自身帶的腥味就能使水質變惡劣并使水體腥臭難聞;另一方面，某些藻類本身含有的蛋白質毒素就會在水生物體內積累，并經過食物鏈危害人類的健康，更甚導致人中毒。（2）水生植物以及藻類大量的繁殖，覆蓋水體，從而極大的影響江河湖泊的觀賞價值。（3）如果以富營養化的水體作為水源，藻類就會堵塞住自來水廠的濾池影響生產;其含有的毒素和氣味物質會使飲用水的質量受到影響。

2 廢水生物脫氮技術

2.1硝化反硝化脫氮工藝

硝化反硝化技術是目前最常見的生物脫氮技術，在國內外得到了廣泛的應用。在實際應用中，通常采用反硝化-硝化的工藝組合（A/O工藝），A/O 工藝通常是在常規的好氧活性污泥法處理系統前，增加一段缺氧生物處理過程。在好氧段，好氧微生物氧化分解污水中的有機物，同時進行硝化反應，有機氮和氨氮在好氧段轉化為硝化氮并回流到缺氧段，在缺氧段的反硝化細菌利用氧化態氮和污水中的有機碳進行反硝化反應，使化合態氮變成N2，從而實現脫氮的目的。通常認為該脫氮過程包含氨化、亞硝化、硝化、反硝化幾個過程，根據實際工藝設計和控制的不同，可能存在一定的差異。這項技術對于廢水的適用性較好，參與處理的微生物菌群豐富，對于環境的適應性好，工藝控制較為成熟。但是該工藝需要將氨氮、有機氮氧化成硝態氮，需氧量較大，同時，在反硝化階段需要足夠的碳源才能保證脫氮效率，對于碳氮比較低的廢水，通常需要補充碳源才能獲得較高的脫氮效率。

2.2短程硝化-反硝化脫氮技術

與傳統脫氮方法相比，從本質上講，短程硝化-反硝化脫氮技術具有一定的區別，氨氮的硝化僅進行到亞硝化階段，形成亞硝酸鹽，在反硝化期間以亞硝酸鹽作為電子受體，在反硝化菌的作用下，利用碳源，將亞硝酸鹽還原成氮氣。由于氨氮僅氧化為亞硝酸鹽狀態，對于曝氣氧量的需求可節省約25%，同時反硝化階段所需的有機碳源可節省約40%。此外，還具有占地面積小和污泥產生少等相關優勢，與常規的生物脫氮工藝相比，具有明顯的優勢。

2.3同步硝化反硝化技術

同步硝化反硝化，就是利用單獨的活性污泥法對系統內大量的TN進行處理和去除的過程。同步硝化反硝化技術工藝的原理：（1）缺氧微環境理論，對于生物絮體顆料尺寸較大的前提下，絮體表面至其內核不同的層面上，由于氧傳輸存在阻力，導致氧含量不均勻。微生物絮體外層的含氧量很高，硝化菌可以利用豐富的氧進行硝化反應，顆粒內部的含量過低致使缺氧區域形成，反生反硝化反應，如此這樣，反硝化和硝化就能夠在同反應器中同時進行。（2）DO在裝置中分布的不均勻理論，無論是不同時間，還是不同空間上，該理論認為裝置充氧及混合都不均勻，裝置不同部分，好氧區及缺氧區都具有，致使反硝化和硝化作用能夠同步進行。

同步硝化和反硝化優點：（1）pH值為7左右時，不用額外投加酸堿，無論是反硝化細菌，還是硝化細菌，都能夠充分發揮作用。（2）反應器體積減小，降低投資。

2.4厭氧氨氧化技術

厭氧氨氧化技術是利用自養型厭氧氨氧化細菌（Anammox），可在缺氧條件下以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，將氮元素轉化為N2 。這種技術比全程硝化（氨氧化為硝酸鹽）節省60%以上的供氧量。以氨為電子供體還可節省傳統生物脫氮工藝中所需的碳源。同時由于厭氧氨氧化菌細胞產率遠低于反硝化菌，所以，厭氧氨氧化過程的污泥產量只有傳統生物脫氮工藝中污泥產量的15%左右。這項技術對于特定的廢水處理方面，具有顯著的優勢，在國內外也有不少應用案例。但是該技術對于亞硝酸鹽濃度、溫度、pH方面較為敏感，對工藝控制要求較高，一定程度上影響了工藝的大規模應用。

2.5基于優勢芽孢桿菌的生物處理技術

基于芽孢桿菌為優勢菌群的生物處理技術（BBR技術）采用了生物膜法（生物轉盤裝置）和活性污泥法（生化池）的組合工藝，通過生物轉盤，實現Bacillus菌在生化系統中優勢化，從而實現高效脫氮的作用。Bacillus 菌具有超強的繁殖能力，在低溫、高鹽度、高壓等極具嚴酷的極限環境中也能耐受，在惡劣環境中能形成孢子，以保持活性菌種增殖數量，維持處理能力。同傳統的硝化、反硝化脫氮原理不同，Bacillus 菌直接吸取胺（有機氮）、氨氮以及銨鹽，為微生物所利用，從而進行脫氮，氮元素部分以有機氮的形式進入污泥中，并通過剩余污泥的排放從系統中去除，部分轉化成氮氣排入空氣中。

3 廢水生物脫氮技術存在的問題和展望

3.1在研發和實際的應用上，傳統的硝化反硝化脫氮傳統的工藝需要的曝氣量很大，同時對于碳源的需求很大，造成脫氮運行成本很高。采用新型的BBR處理技術，可以一定程度上降低曝氣量和降低碳氮比的需求，從而降低含氮廢水的處理成本。

3.2厭氧氨氧化技術作為一項先進的生物脫氮技術，對于特定的含氮廢水的處理具有顯著的優勢，但是由于菌種對環境較為敏感，需要更精細的工藝控制方能實現穩定處理。隨著控制技術的發展，厭氧氨氧化技術也將具有廣闊的應用前景。

3.3 短程硝化反硝化技術也是一種值得發展的優秀技術，相對于厭氧氨氧化技術來說，具有更好的水質適應性。隨著工藝控制技術的發展，也將是一項值得推廣的技術。

4 結語

綜上所述，廢水生物脫氮技術，由于會涉及微生物，微生物對底物及環境較為敏感，即使在實驗室內處理效果很高的技術，在工程上實際的應用上效果也經常不理想，甚至處理成本也比物理法和化學法高。這些技術問題導致廢水生物脫氮技術的應用和推廣都受到了嚴重的制約。因此，對于廢水生物脫氮技術必須要對廢水的特性、工程條件等進行分析和研究，從而選用合理的處理工藝和技術，實現廢水的高效生物脫氮。

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