工業污水處理廠生物脫氮效率提升措施的研究

許興原

（南京環保產業創新中心有限公司，江蘇 南京 211500）

當前世界水資源緊張，社會用水需求激增，工業的發展使大量污水排入河流湖泊。一旦氮含量較高的污水排入河流，就會使河流湖泊水體中的氮含量迅速激增，致使水體富營養化，微生物繁殖速度加快，進而威脅人類用水安全。用水安全有兩層含義：第一類是水體質量安全，第二類是水源數量安全。水源中的氮含量直接影響水體質量，因此污水處理過程中的氮含量是衡量水體質量的關鍵因素。因此在污水處理過程中，我們必須注重脫氮效率的提升。

1 生物脫氮技術研究

1.1 生物脫氮技術概述

生物脫氮技術主要指利用污水中某些細菌，在氧化還原作用的基礎上產生的生物脫氮技術，這種技術從碳來源可分為外碳來源和內碳來源兩種；從硝化反應中可分為硝化反應和反硝化反應兩種；按照細菌狀態不同，可分為活性法和生物膜。前者硝化菌、反硝化菌處于懸浮狀態，而后者則依附于各類微生物膜上[1]。

1.2 生物脫氮技術基本原理

傳統的生物脫氮技術，其脫氮過程主要分為氨化、硝化、反硝化三個階段，其中氨化階段是指利用各種異氧型微生物、好氧性微生物來分解污水中的氮物質，生成氨氮。硝化階段是指利用細菌依靠酶系統使氨氮作為電子供體與氧反應，生成NO3-或NO2-。反硝化階段指的是利用細菌依靠自身酶系統使NO3-及NO2-與無機碳發生反應，形成N2。生物脫氮可分為氧化工藝、兩級活性污泥脫氮工藝和傳統脫氮工藝，其主要涉及的化學反應如下。

（1）硝化反應主要包括硝化與亞硝化兩個步驟。該反應活動需借助兩種不同的硝化細菌來完成硝化反應。但由于所選用的兩種細菌對環境較為敏感，因此為了順利完成硝化反應，其反應環境必須保障有以下要素。首先具有好氧條件，且好氧度要≥1 mg/L。同時要保障有一定的堿度，并酸堿數值一般處5.9～9，硝化反應在5.5～9間均可反應。亞硝化要實現短程硝化與反硝化，pH需要控制在8以上，溫度要高于24℃，這樣可使亞硝化菌成為優勢菌群。其次是反應環境溫度要適宜，以20～30℃為標準。若反應環境溫度不足15℃，其硝化反應速度將大幅度降低，若反應環境處在5℃左右，硝化反應活動將停止。再次，水中所放入的有機物應保持在合適的濃度。最后，硝化菌反應器停留時間不可低于最小值，通常為3～10 d。

（2）反硝化反應。NO3-N與NO2-N中的N反應存在兩種形式。一種是同反硝化反應形成氮有機物，其最終反應形態為菌體。第二種是與異化反硝化反應形成有機氮，為完成上述反應需滿足以下條件。首先是碳源，外加碳源是工業污水硝化反應中的主要碳源，若污水中的C/N超出3～5，則表明碳源充足，不需要再額外增加碳源；若污水中的C/N不足，則需要外加碳，借助甲醇補充工業污水中的碳源。其次，是酸堿值。為保障反硝化反應順利進行，必須保障污水中的酸堿值，其數值以6.5～7.5為適當標準。若酸堿值小于6或者是大于8，均會對硝化反應速度產生影響。再次，是溶解氧環境。在硝化反應過程中，必須保障其溶解氧適宜，在缺氧環境下反硝化菌將會產生反硝化反應，因此需要控制工業污水中的氧含量，最大應控制在0.5 mg/L，愈小愈好。理論上該過程不應有分子氧的參與，但在實際工作期間很難真正達到理想狀態，因此需把氧含量控制在最低。最后，是溫度。反硝化反應對溫度提出了較高要求，需要保障溫度在20～40℃，若溫度不足將極大降低硝化反應速度[2]。

2 工業污水處理廠生物脫氮現狀

高效脫氮一直是城市工業污水處理中的難題，我國城市污水中通常含有大量工業廢水，污水處理廠就成為了綜合性的處理場所，因工業廢水中的水質含量復雜，因此也為綜合性污水處理廠帶來了巨大挑戰。傳統的生物脫氮工藝，因其良好的脫氮效果，在各大污水處理廠中得到了廣泛使用，但其在使用過程中極易因運行控制不當而降低脫氮效果[3]。其中高效生物脫氮一直是社會污水處理的關鍵難題。隨著更加嚴格的排放標準的提出，許多污水處理廠都面臨著提標改造這一問題。目前在提標升級改造中主要采用三級生物脫氮處理方法，例如反硝化濾池、深床濾池等，這樣卻大幅度增加了污水處理廠的運行成本。事實上，當前運行的生物脫氮工藝，并未充分發揮其生物脫氮潛力。

3 污水處理廠常見的生物脫氮技術

3.1 工藝原理

A2/O是利用好氧、厭氧以及缺氧段的不同微生物變化，來實現有機物氨氮的去除，通過二次沉池來實現泥水分離，將大分子轉換為小分子，去除水中的有機物，為MBR工藝和曝氣生物濾池工藝降低處理難度。MBR工藝借助缺氧、厭氧好氧微生物的硝化、氧化與反硝化反應去除氨氮，并借助膜的方式來實現泥水分離，為曝氣生物濾池工藝預先去除水中泥污。曝氣生物濾池工藝主要利用濾池表面生物膜中的不同微生物來實現硝化反應，進而去除工業污水中的氮元素，確保出水達標。

3.2 工藝特征

A2/O技術主要利用懸浮型活性污泥去除法，氧利用高，水頭損失小，工業流程相對簡單，具有較為成熟的管理流程，出水可靠，可通過對運行模式的調整來滿足不同的工程需求。曝氣生物濾池工藝使用附著型生物法，具有占地面積小、氧利用率高、投資成本小等特點，其缺點是水頭損失較大、污泥量較大、CN去除效果較低，該法對水質有較高要求，運行經驗少，存在較高的自控要求。MBR使用生物脫氮懸浮性污泥去除法和膜技術，其出水水質較高，占地面積較小，脫氮效果較佳，具有較強的抗沖擊負荷性，但對水質具有較高要求，且其水頭損失較大，設備投資成本高。

3.3 外界適應性

A2/O技術出水質較為穩定，對外界環境具有一定的適應性。曝氣生物濾池出水水質穩定，外界條件適應性強，可對進水SS以及油脂進行預處理。MBR工藝水質相對穩定，對外界條件有著較好的適應性。

3.4 運行管理

A2/O工藝流程相對簡單，運行管理較為成熟，設備需求量較少。曝氣池工藝設備數量多，流程復雜，但自控度較高，管理相對困難。MBR工藝所需構筑物少，工藝流程相對簡單，但自控要求較高。

4 提高污水處理廠生物脫單效率的方式

4.1 厭氧氨氧化

在厭氧環境下，NH4+-N+-N、NO2-N可分別作為電子供體、電子受體，形成氮氣即為厭氧氮氧化。此外，在厭氧氮氧化下主要涉及亞硝化反應，亞硝化反應主要在好氧環境下發生，然后進入或回流至厭氧段進行厭氧氨氧化、厭氧氨氧反應兩個過程。亞硝化反應中的細菌可在氧氣充足的條件下實現NH4+-N+-N向NO2-N轉變；在厭氧環境下可實現NO2-N為主要電子受體，進而將NH4+-N向氮氣轉化，此方式所具備的優勢如下：首先，在反應過程中不需要額外添加碳源，以NH4+-N便可作為電子載體，可以在最大限度上節約運行費用。其次，其所需要的能源消耗較少，若不考慮細胞合成這一要素，最少可降低62.5%的能耗。厭氧氨氧反應中，每氧化NH4+-N僅需0.75 mol，在硝化反應中最低氧耗0.75 mol NH4+-N。最后，在此類氧化反應中所使用的添加劑量最少，在通常情況下，此類氧化反應中，生物產堿量通常為0，同時其產酸量也將隨之降低。

4.2 短程硝化反硝化

傳統的生物脫氮理論認為，污水處理中的亞硝化細菌、硝化細菌等可將工業污水中的NH4+-N生成NO3--N，并借助反硝化細菌生成氮氣，進而去除工業污水中的氮元素。在污水處理過程中為提升脫氮效率，可在NO2--N階段便完成硝化反應，使NO2--N形成最終的電子受體，同時有機物也可在該反應過程中成為電子供體，完成反硝化反應。PH值為7.5～9.2最佳，溫度在30℃，即可為短硝化反應提供基礎，通過該反應步驟還可積累大量的NO2-N，因其可在NO2--N階段便可完成硝化反應，使NO2--N形成最終的電子受體。因此該方式具備以下優勢：首先，該反應可最大限度上減少碳消耗、能源消耗、反應時間，提高硝化速率，降低污泥產率[4]。

5 結論

隨著社會的快速發展，資源緊缺問題也日益嚴重，為此必須提升工業污水處理水平，保障出水水質，以提升水資源利用率。其中生物脫氮工藝在保障水資源質量方面占據著重要位置。未來圍繞工業污水生物脫氮效率這一問題，我們還應持續開展相關研究，對厭氧氨氧化、短程硝化反應提高生物脫氮效率的優勢進行分析與優化。這樣可以切實提升工業污水處理廠生物脫氮速率，保障出水水質，提高水資源利用率。