污水生物脫氮工藝技術的研究與應用

張源

（青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033）

近年來，我國經濟發展速度和人民生活水平逐漸提高，氣候條件也在不斷改變，人們對于生態環境保護也有了更高的要求?！笆濉币巹澨岢?，2020年底要實現城鎮污水處理設施全覆蓋，城市污水處理率達95%。快速、高效、徹底處理城鎮污水的問題亟需解決，而處理的關鍵在于氮、磷等污染物的去除，這類污染物的超標排放也使得我國水體富營養化問題日益嚴重，這也是環境工作者面臨的重大問題。當前國內外城鎮污水處理廠大多采用傳統的生物脫氮工藝，但存在工藝復雜、成本能耗高等問題，相比之下，一些新興工藝的發現得到了人們的關注和應用，其處理效果既能遏制有機物的污染，也能有效解決脫氮除磷問題。本文主要對傳統和新興工藝的原理進行了分析，指出不同生物脫氮技術的優點和缺點。

1 傳統生物脫氮工藝技術

1.1 技術原理

迄今為止，傳統的生物脫氮技術已發展近百年，在國內外得到了廣泛的應用與推廣，主要反應過程如圖1所示。

圖1 傳統生物脫氮技術反應過程

1.1.1 氨化作用

氨化作用，即脫氨作用，微生物在有氧或無氧條件下將有機氮分解并產生氨的過程。氨化作用的第一步是先將含氮有機物降解為多肽等簡單含氮化合物，第二步使含氮化合物降解轉變為氨態氮[1]。在污水的處理過程中，能夠進行氨化作用的微生物相對較多，氨化反應效率也較高。

1.1.2 硝化作用

硝化作用是將水中的氨氮在硝化細菌的作用下轉化為硝酸鹽，降低氨氮濃度的過程。一般分為亞硝化反應和硝化反應兩步。（1）亞硝化反應是在氨氧化細菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）[2]的參與下，將氨氮轉化為亞硝態氮，反應如式1；（2）硝化反應是在亞硝酸氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的參與下，將亞硝態氮轉化為硝酸鹽，反應如式2。AOB和NOB統稱為硝化細菌，均為自養型微生物，在有氧環境下，硝化細菌以氧氣為電子受體，利用無機碳化合物為碳源進行硝化反應[3]。

1.1.3 反硝化作用

反硝化作用是將污水中原有的和通過氨化和硝化作用得到的硝酸鹽去除生成N2的過程。在缺氧環境下，反硝化細菌在有合適電子供體和碳源的情況下，利用式3所示的反硝化作用，將污水中的硝酸鹽轉化為氮氣排出。大部分反硝化細菌是異養型菌，主要以有機物為碳源和電子供體，進行無氧呼吸[4]。

1.2 常用工藝

1.2.1 A/A/O及其變形工藝（同步脫氮除磷）

（1）厭氧/缺氧/好氧工藝（Anaerobic/Anoxic/Oxic，A/A/O），工藝流程如圖2所示，該工藝是將厭氧-缺氧-好氧三種環境串聯，交替反應，使氨化作用、硝化作用和反硝化作用在同一污泥系統中，同時利用聚磷菌除磷，達到同步脫氮除磷的效果。

（2）厭氧/缺氧/缺氧/好氧活性污泥法（MUCT工藝）[5]，是由南非開普敦大學提出的一種能夠提高除磷脫氮效率的變形工藝，系統在A/A/O工藝基礎上，改變為厭氧-缺氧-缺氧-好氧的流程，并改變內回流，一方面將好氧區回流至后置缺氧區，另一方面將前置缺氧區回流至厭氧區[6]，使兩段回流相互獨立。這種變形工藝有效提高了系統脫氮除磷的效率[7]，但因為增加內回流，系統能耗增大。

1.3 工藝展望

目前，傳統生物脫氮工藝技術雖然已經非常成熟，但仍存在一系列問題，因此演變出很多在傳統工藝基礎上的變形工藝，如兩段式A/O工藝、多段進水多級A/O工藝、多級厭氧/缺氧/好氧活性污泥法（Multilevel Anaerobic/Anoxic/Oxic，MAAO）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）等[8]。傳統生物脫氮技術是目前國內外采用最多的污水處理方法，研究前景十分廣闊，但隨著社會的發展，仍有很大的進步空間。針對不同的水質情況，研究不同的生物脫氮工藝，優化控制條件，降低成本，達到經濟和效益雙目標，是目前發展研究的方向。

2 同步硝化反硝化（SND）技術

2.1 技術原理

圖2 A/A/O反應流程圖

根據傳統的生物脫氮工藝技術，硝化反應和反硝化反應是在不同的時間和空間條件下進行的，相互獨立實現。同步硝化反硝化技術實現了將兩個反應在同一操作條件下進行的目的。

2.1.1 宏觀環境

一般在好氧環境下的活性污泥系統中，由于曝氣不均勻或采用點源性曝氣裝置等原因，易造成局部明顯缺氧的大環境，在這種環境下能夠形成同步硝化反硝化的反應[9]。

2.1.2 微觀環境

從微觀環境物理學角度解釋SND，一般認為微生物體積為微米級單位，因此影響生物的生存環境也是微小的。當宏觀環境發生變化時，會影響微觀環境生物的活動形態。SND主要是利用硝化作用和反硝化作用的理論基礎，強調系統中溶解氧（DO）濃度、微生物絮體結構特征和生物膜厚度的作用。在微觀環境下，微生物絮體內的各種生態因子都會發生變化，具體如圖3所示。一般認為，在微生物絮體或生物膜內，由于氧擴散的限制，絮體或生物膜存在DO梯度，外部因為DO含量高，好氧硝化菌和氨化菌適宜生存，內部因為氧傳遞受阻以及外部好氧菌的消耗，DO含量低，反硝化菌取得優勢，適宜生存。

圖3 微生物絮體內反應區分布和底物濃度變化

從微觀環境微生物學角度解釋SND。硝化過程被認為發生在好氧條件下，反硝化過程發生在缺氧環境下。而在20世紀80年代，隨著好氧反硝化菌和異養硝化菌的發現，為SND現象提供了合理依據。另外Kuenen等[10]還發現許多異養硝化菌同時也可進行好氧反硝化反應，這種情況下，產生的NO-、NO-32等產物被還原，一次性將NH4+轉化為N2去除，達到脫氮的效果。

2.2 常用工藝

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

SBR工藝最初于1914年由美國學者發明，該工藝可分為5個階段：進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置。SBR工藝利用時間上的更替來實現傳統活性污泥法的脫氮效果，可操控性強、經濟效益高、應用范圍相對較廣，較為適合小型污水處理。

2.2.2 氧化溝工藝（OD）

OD工藝是一種通過對曝氣時間進行控制來改變活性污泥處理效率的方法。SND很早就應用于氧化溝工藝，該工藝利用微生物的環境復雜多變以及物質傳遞變化等因素的相互作用，形成活性污泥生物絮體。氧化溝同步硝化反硝化通過控制二沉池負荷、曝氣量等，達到理想的水力停留時間，進行脫氮處理。該工藝建造成本較低，且管理和運行較為簡便，應用廣泛。

2.3 工藝展望

目前，國內外學者已經對各種常用工藝的SND進行深刻研究，并大量投入實踐應用，但是仍有很多有待深入研究的內容。此外，將不同工藝結合也是研究的方向之一，如將SND與除磷工藝結合也是目前亟需探索的一種生物處理污水技術。在SND的機理解釋上，未來也仍有可探索的空間。

3 短程硝化反硝化工藝（SCND）技術

短程硝化反硝化工藝在1975年被提出后得到廣泛研究，至今已經衍變出多種變形工藝。

3.1 技術原理

傳統的生物脫氮工藝技術認為在硝化細菌和反硝化細菌協同作用下，將污水中的氨氮轉化為氮氣流放到大氣中。硝化作用以氧氣作為電子受體，反硝化作用以有機基質作為電子供體，SCND工藝就是將硝化作用控制在NO2-狀態下，直接以NO2-作為原料進行反硝化作用，因此省去了亞硝酸氧化細菌將NO-2氧化為NO3-的過程，二者流程如圖4所示。

圖4 全程與短程硝化反硝化途徑流程對比

通過圖4兩種途徑比較，SCND工藝在全程的基礎上縮短流程，這也使得短程硝化反硝化技術有了一定的優勢：（1）SCND工藝將步驟簡化，減少了中間氧化過程，化學需氧量與電子供體數量減少，降低能耗；（2）減少亞硝酸氧細菌的參與，使得反應所需的碳源量減少，運行成本得到降低；（3）直接通過氧化亞硝酸鹽得到氣態氮，其反應速率與全程硝化相比更快，所需的反應器體積工程量小，在實際應用中產生的經濟效益高；（4）剩余污泥量少。

3.2 常用工藝

SHARON工藝典型特征為：（1）通過調控反應器內部的主要環境條件，如溫度、溶解氧、pH等，使內部的氨氧化細菌生長速率大于亞硝酸鹽氧化細菌，進而將反應物質狀態控制在NO2-階段；（2）工藝將短程硝化反應和短程反硝化反應置于同一反應器內，且反應器內不留存活性污泥，簡化反應器和反應流程；（3）習慣上認為大部分硝化反應產物為酸性，反硝化反應為堿性，因處于同一反應器內存在酸堿中和作用，所以SHARON工藝只需稍加調控即可；（4）相比傳統生物脫氮技術，該工藝可減少供氧量25%和外加碳源40%。

4 厭氧氨氧化技術（Anammox）

4.1 技術原理

Anammox工藝是指在厭氧或缺氧條件下，厭氧氨氧化菌（AAOB）以NO2-為電子受體，以NH4+為電子供體，將NH4+直接氧化為N2的過程。因為Anammox工藝主要依靠AAOB進行反應，AAOB對環境條件控制的要求也非常嚴格，因此存在許多影響厭氧氨氧化污泥活性的因素。

4.2 常用工藝

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工 藝， 即SHARON和ANAMMOX的組合工藝。該工藝是目前應用最為廣泛的厭氧氨氧化工藝，原理是將亞硝化和厭氧氨氧化反應在兩個反應器內獨立運行，第一步是利用SHARON工藝，通過控制溫度、溶解氧、pH、水力停留時間等因素，使內部的氨氧化細菌生長速率大于亞硝酸鹽氧化細菌，使氨氧化菌為主體菌，將反應物質狀態控制在NO2-階段。第二步是利用ANAMMOX工藝，水體中的NH4+與NO2-在AAOB作用下生成氮氣，達到生物脫氮作用。

4.2.2 OLAND工藝

OLAND工藝（限制自養硝化反硝化工藝）是2005年由比利時Gent大學開發的[11]。該工藝是在生物轉盤反應器的基礎上進行的，反應器表面由氨氧化細菌與AAOB構成，氨氧化菌位于表層，AAOB位于底層。表層的氨氧化菌利用空氣或水中的DO，通過反應將NH4+轉化為NO2-，同時底層環境變為厭氧狀態，AAOB利用擴散的NH4+和NO2-為反應物，到達生物脫氮的目的。4.2.3 CANON工藝

CANON工藝是由荷蘭Delft大學以Sharon-Anammox工藝為基礎，發展的全新工藝[12]。利用亞硝化和厭氧氨氧化工藝的發展基礎，在單個反應器內，通過曝氣等手段控制DO實現亞硝酸和厭氧氨氧化的過程。在曝氣條件下，絮狀污泥表面DO充足，表層的AOB數量多且種類豐富，將NH4+轉化為NO2-，同時表面DO消耗殆盡，形成污泥內部厭氧環境，為AAOB提供良好的生長環境，并利用原水中的NO2-和NH4+為原料進行厭氧氨氧化，實現生物脫氮。

5 結語

隨著生物脫氮工藝的進步，目前不僅有較高的氮磷去除要求，還要求處理效果的穩定和相應的經濟效益，傳統的生物脫氮工藝早已不能滿足現有的污水脫氮需求。新興的工藝已基本成熟，但尚未大規模在全國應用生產。同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化工藝等仍在實際應用中存在弊端，需要不斷更新發展，與自動化、計算機技術等結合，使各項工藝在污水處理行業有更廣泛的應用。