城市污水處理廠總氮處理效能的提升

聶海倫

（山東省城建設計院，濟南 250100）

隨著水體富營養化的加重，我國迫切需要找尋一種經濟有效的脫氮方法。城市污水廠常用的脫氮方法是生物脫氮技術，但是，污水的COD含量會影響傳統生物脫氮技術的去除效率，影響水中硝酸鹽含量，導致出水總氮含量較高[1]。我國南方地區城市污水廠特別容易出現COD含量不穩定的因素，影響傳統工藝的脫氮效能。在氨氮處理上，多種深度處理工藝被廣泛研究。本文深入研究了城市污水廠總氮處理效能的提升方法。

1 污水脫氮現狀

總氮是造成水環境污染的重要因素，總氮含量超標能帶來許多問題，常見的就是水體富營養化。城市污水廠處理后的污水被稱為城市的第二水源，可以補充到湖泊和河流中，可以補充地下水，也可以替代部分自來水。目前，我國城市污水廠出水仍存在總氮偏高的情況，并不能完全滿足第二水源的要求，也不能有效補充地下水，所以脫氮任務依然艱巨。隨著國家監管力度的加大，城市污水處理廠要嚴格管控總氮指標，總氮處理效能提升已經成為污水行業的主要目標。

2 污水脫氮原理

目前，污水脫氮方法可以分為兩種，一種為物理脫氮，另一種為生物脫氮。物理方法是將水中氮元素轉換為氣態或者交換氮，最終脫除廢水中的氮元素。常見的物理脫氮技術有膜處理技術、加氯法、離子交換技術等。生物脫氮技術是污水處理廠應用最廣泛的脫氮技術，其主要利用硝化、反硝化反應，將水中的氮元素轉化為對環境無害的氮氣，然后排到空氣中。生物脫氮常見的有生物膜法、生物濾池、人工濕地等。

2.1 生物脫氮技術

生物脫氮技術是指利用微生物的分解能力，將氨態氮和硝酸鹽氮等氮污染物分解，將污水中氮元素分離出來[2]。微生物存在于活性污泥中，活性污泥分離氮元素可分為兩個過程，一是硝化反應，在硝化過程中，活性污泥將-N氧化為NOx-N，氮元素化合價降低。二為反硝化過程，NOx-N被還原為氮氣。氮氣自發從污水中脫除，對環境基本沒有影響。生物脫氮反應如下：

污泥反硝化過程中，反硝化微生物主要是異養厭氧型的微生物，這些微生物以污水中的有機物作為電子供體，以硝態氮作為電子受體。因為其電子供體為有機物，所以反硝化過程對于有機物的種類和數量具有較高要求。

2.2 物理脫氮技術

物理脫氮技術主要依靠物理技術來分離污水中的氮元素，該方法相比較生物脫氮技術應用較少，加氯法是向污水中加入二氧化氯等含氯氧化劑。另外還有離子交換法，該方法是利用離子交換劑與污水中的氨氮離子進行交換，離子交換反應是可逆反應，當交換劑吸附快飽和時，需要更換交換劑。高氨氮濃度的溶液會使吸附劑很快達到飽和，所以離子交換技術適用于那些氨氮濃度不高的污水。

3 總氮處理提升效能工藝

3.1 A2/O工藝

A2/O工藝是目前廣泛應用的一種脫氮除磷技術，該工藝是在A/O工藝的基礎上研發出來的[3]。A2/O工藝適用于城市大型污水處理廠，具有很多優點，如處理流程簡單、處理污水量大等。A2/O工藝需要應用回流技術，回流造成費用高、抗沖擊能力低。在A2/O工藝的基礎上，近年來，人們研究出許多衍生工藝，如UCT工藝、改良型A2/O工藝和Bardenpho工藝。

3.1.1 UCT工藝

該工藝是指好氧池出水和污水中的污泥和污水一同進入缺氧池中，通過分配好氧池中的回流比，使缺氧池中進水的硝酸鹽濃度降至為零，為厭氧段中微生物提供良好的生存環境，提高效率。

3.1.2 Bardenpho工藝

Bardenpho工藝是將兩級A/O工藝進行串聯，第一好氧池中的硝化液回流到第一缺氧池中，能夠達到脫氮效能提升的目的。目前研究的五段式工藝能夠在同步脫氮除磷的基礎上提升運行效率[4]。

3.2 生物接觸氧化法

生物接觸氧化法是利用生物膜來處理污水，污水中的污染物和微生物充分接觸，在水流作用下，曝氣過程創造了良好的好氧環境，生物膜上的微生物能夠把氨氮物質分解。良好的固定材料和負載性能是生物接觸氧化法所必需的，生物接觸法常用的材料有懸浮填料、柔性填料等，該方法具有脫氮處理效率高、造價便宜等優點。

3.3 MBBR

MBBR工藝是指投加一定比例的填料作為載體，微生物在反應器中生存，在外力攪拌作用下，填料處于流動狀態，使微生物和有機物充分接觸，有機物被降解。MBBR作為一種新興的反應器，繼承了傳統活性污泥的優點。在城市污水廠中，MBBR近年來憑借占地面積小、處理量大、施工成本低等優點，被廣泛應用。

MBBR自被研發出來，就備受關注，目前已經在超過15個國家的100多個污水廠中使用。大多用于去除市政污水中的有機物和總氮，效果良好。Chandier等人研究發現，添加塑料等填料來處理工業廢水，能夠使BOD處理效率達到92%[5]。MBBR工藝與其他類型工藝組合使用，能夠有效處理高濃度的氨氮廢水。

3.4 新型生物脫氮技術

目前，新興的生物脫氮技術主要有同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、短程硝化工藝[6]。

3.4.1 同步硝化反硝化技術

傳統生物脫氮工藝中，氨氧和反硝化是獨立運行的。近年來，人們研究并發現了許多異養型氨氧化微生物，氨氧過程和反硝化過程能夠在同一個設備中同時進行。這就是同步硝化反硝化工藝。

同步硝化反硝化工藝能夠減少反應容器的體積，提高反應速度。穩定的pH是同步進行硝化、反硝化的前提，這樣能夠節省加堿成本。該工藝大大減少了經濟投入，擁有廣闊的發展空間。

3.4.2 短程硝化反硝化技術

20世紀90年代，荷蘭研發出短程硝化反硝化技術，該工藝是在氨氧化階段將氨態氮轉換為亞硝酸鹽氮，不用經過硝酸鹽氮步驟。接下來，亞硝酸鹽氮被反硝化為氮氣。短程硝化反硝化技術節約了步驟，反應時間較短，反應所需的容器體積小，所需的碳源投加量少，達到了節約、經濟的目標。

短程硝化反硝化對溫度、溶解氧、pH和底物濃度等參數要求嚴格。溫度對該工藝中的AOB和NOB的生長速率影響很大，在溫度小于20℃時，AOB的生長速率比NOB慢，在20～34℃時，AOB的生長速率逐漸增高。研究發現，反應溫度控制在30～35℃時，處理效果最好。AOB和NOB都需要供給氧氣，所以適宜的溶解氧濃度也是反應的必備條件。

3.4.3 厭氧氨氧化技術

該技術是在缺氧環境下，以氨氣為電子供體，將亞硝酸鹽還原成氮氣[7]。反應方程式如下：

該技術使用NH3作為電子供體，不需要外界氧氣供給。相比于傳統工藝，該工藝可以減少大量供氣，減少了運行費用。此外，該技術無需為微生物提供營養介質。但是，該工藝對微生物的生活環境要求十分嚴格，設備啟動相對麻煩。

4 結論

污水處理廠脫氮大都采用生物除氮方法，成本比物理脫氮低。但是，生物脫氮技術需要控制的環境條件較多，如溫度、pH、溶解氧濃度等。近年來出現的新型脫氮工藝，比傳統的活性污泥方法縮短了反應過程或反應時間，壓縮了反應空間，從而能夠大大節約成本，更有利于長遠發展。今后應該加大研究新型脫氮工藝，將新型工藝早日應用到實際工程中。