污水生物脫氮工藝技術應用分析

夏麗君

（常州西源污水處理有限公司，江蘇 常州 213135）

在國家發展政策進行深刻轉型之際，綠色、環保和可持續的發展理念已經深入人心。面對城鎮的污水處理問題，需要找尋更高效和更徹底的解決方案。當前國內在城鎮污水處理中使用最廣泛的傳統生物脫氮工藝，始終存在著工藝流程復雜、成本投入高等詬病，亟需科技含量更高、處理更簡單、效果更明顯的新工藝進行替代。本文從傳統的生物脫氮技術著手，梳理污水生物脫氮工藝發展史，尤其重點介紹同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厭氧氨氧化工藝技術，以幫助后續的深入研究和技術更新提供參考。

1 傳統的生物脫氮工藝技術

1.1 技術原理

傳統的生物脫氮工藝技術分為三個階段進行：氨化反應階段、硝化反應階段和反硝化反應階段。本文以我國的生物脫氮標準流程為例進行介紹[1]。

1.1.1 氨化作用

氨化反應階段，也被稱為脫氨反應階段，其根本原理在于，利用微生物的有機氮分解作用，在有氧或者無氧的反應條件下都能夠對污水中的氮進行分解反應，而這一反應的結果是會產生氨類物質。

氨化反應的第一步是要實現對含氮元素的有機物進行生物降解，形成多肽物質在內的一系列結構建安的氮類化合物；第二步，是要將上一步得到的氮類化合物再次降解并轉化為氨態氮。一般來說，在這一反應階段中，能夠有效參與的微生物數量越多，最終的反應效果也會越好。

1.1.2 硝化作用

硝化反應階段是要將水體中的氨、氮元素在硝化細菌的分解作用下轉變為硝酸鹽類物質，實現降低水體氨、氮元素濃度的目的。通常在這一階段要進行亞硝化反應和硝化反應兩項工作。

亞硝化反應主要是利用氨氧化細菌（Ammonia oxidizing bacteria）的自身化學分解作用，將水體中的氮、氨轉變成亞硝態氮的過程。

硝化反應是要將上一步得到的亞硝態氮再進一步轉化成硝酸鹽類物質。這一步則需要亞硝酸氧化菌（Nitrite oxidlizing bacteria）的有效參與。

1.1.3 反硝化反應

反硝化反應階段是為了實現將污水中的全部硝酸鹽類物質進行去除處理，最終生成氮氣的過程。一般來說，這一步反應需要在缺氧的環境下進行，氧氣的供應程度需要根據具體的反應物情況進行有效界定。利用反硝化細菌，在有合適的電子供體和有效碳源的供應下，利用反硝化反應機理，將污水中所含有的全部硝酸鹽類物質通過離子作用形成氮氣，最終實現污水中氮元素的凈化和去除。

1.2 常用工藝

常用工藝一般是基于A/A/O工藝及其關聯的變形工藝（同步脫氮除磷）進行的。工藝的變形主要體現在對于環境的氧氣供應程度的把控實現的[2]。

1.2.1 厭氧/缺氧/好氧工藝

厭氧/缺氧/好氧工藝是將厭氧、缺氧和好氧三種氧氣環境進行串聯，并在同一污泥反應條件中交替反應，在除氮的同時，實現磷元素的去除。

1.2.2 厭氧/缺氧/好氧活性污泥法

厭氧/缺氧/好氧活性污泥法是由開普敦大學實驗室研究并提出的一種能顧實現高效脫氮去磷的變形工藝。其主要的轉變是進行了厭氧、缺氧、缺氧和好氧的工藝流程順序調整，并配合上新的內回流方式。一反面將好氧回流設置到缺氧反應之后，另一方面，是要將第一個缺氧區回流作用與厭氧區反應相連但與保持彼此間的獨立。

2 同步硝化反硝化（SND）技術

2.1 技術原理

在傳統的生物脫氮工藝中，硝化反應和反硝化反應的進行有流程上的先后順序，并且彼此之間的獨立性較強，造成了經濟上的浪費。考慮到這一問題，就產生了同步硝化反硝化反應技術。

2.1.1 宏觀環境

在好氧的反應條件下，具備活性的污泥系統由于氣體供應在環境內部的不均勻性，以及由于氧氣供應口的物理設置問題等原因，很容易形成氧氣在反應環境分布不均勻的問題。在這樣的現實考量下，提出了關于硝化反應和反硝化反應同時進行方案設計的可行性。

2.1.2 微觀環境

微生物在物理空間的存在是以微米級作為體積衡量單位的，其對于生存環境的影響也可以忽略不計。宏觀環境的微小變化，都會對微觀環境造成極大活動影響，這也是同步反應的理論基礎之一。借助生物膜技術的應用，能夠在供養空間內形成溶解氧梯度，進而實現同步硝化反應和反硝化反應。

2.2 常用工藝

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法最早可以追溯到1914年，可以分五個階段進行操作：進水、曝氣、沉淀、芼水和限制。這種工藝方法的實施主要利用的是時間更替理論實現的，基于活性污泥法的工藝研究基礎，加上對于時間控制的觀察。這種方法非常適合小型的污水處理工廠實踐，既能夠保障處理效果，還能獲得很高的經濟收益，唯一的缺點就是處理污水的承載量比較小。

2.2.2 氧化溝工藝（OD）

該工藝主要是通過控制曝氣的時間形成對處理效果的有效把控。OD充分利用微生物生存環境的多樣性、物質傳遞的相互關聯性作為研究基礎，形成活性污泥生物絮狀體。通過對于二沉負荷控制和曝氣量的調控手段，實現最理想的反應時間把控，最終達到生物脫氮的目的。

2.2 工藝展望

專業人員已對同步硝化和反硝化反應的研究持續相當長一段時間，但收獲效果有限，技術創新性較低。因此，相關研究人員可對其反應機理的優越性進行持續研究。

3 短程硝化反硝化工藝（SCND）技術

相比于上述的兩種工藝技術，短程硝化反硝化工藝技術的應用出現比較晚。1975年時，這種工藝技術的實驗室研究才被學術界認可，并且展開了一系列的實用性方案的研究。

3.1 技術原理

傳統的生物脫氮工藝主要是依靠硝化細菌和反硝化細菌的協同作用。短程硝化反硝化工藝則重點考慮將硝化作用的最終結果保持在亞硝酸離子狀態，以其作為原料直接開展反硝化反應，以此縮短工藝流程。

3.2 工藝特征

（1）通過溫度、酸堿度以及熔接氧等環境條件的控制，實現不同種類生長速率的差異化控制，最終將反應原料保持在亞硝酸離子狀態；

（2）兩步反應置于同一反應容器內，且反應容器內部不保留活性污泥，流程簡化；

（3）對于酸堿性的調節并不需要花費精力；（4）供氧量和碳源供給的有效減少。

4 厭氧氨氧化技術（Anammox）

4.1 技術原理

該工藝技術主要是在厭氧或者缺氧環境下，將厭氧氨氧化菌作為亞硝酸離子的電子受體，以胺離子作為電子供體，直接將胺根離子一步氧化成氮氣[3]。

4.2 常用工藝

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工藝

該工藝主要是將亞硝化與厭氧氨氧化反應分別置于兩步不同的反應容器內進行操作。第一步反應，通過控制溫度、酸堿性、溶解氧等諸多客觀反應條件，使反應容器內部的兩種細菌出現生長速率差，實現保持亞硝酸離子在反應中存留的目的；第二步反應，是利用厭氧氨氧化工藝，將污水中的胺根離子和亞硝酸離子直接反應轉化為氮氣。

4.2.2 OLAND工藝

限制自養硝化反硝化工藝（OLAND），是2005年由比利時的Gent大學實驗室提出并發表的一篇學術報道中提出的。這一新的工藝需要引入生物轉盤反應器作為基礎反應場所之一。反應器表面放置氨氧化細菌和AAOB，AAOB為底、細菌為表。表層細菌接觸空氣中的物質，反應形成亞硝酸根離子，底部的細菌層也會相應發生變化。通過分子擴散，使得AAOB與胺根離子和亞硝酸根離子發生反應，最終實現生物脫氮目的。

5 結論

總而言之，污水生物脫氮問題已經成為當前社會發展的一項重要關注問題。在進行化工工藝技術選擇時，不單需要考慮基本的氮、磷污染元素的去除的基本要求，還需要充分保障工藝的處理效果和經濟投入問題。正是處于這樣的現實考慮，傳統的生物脫氮工藝已經無法滿足現實的工藝需要，人們也開始更多傾向于使用新興工藝技術代替傳統工藝。然而，新興工藝的大規模應用必然需要有時間和經驗的積累的。無論是同步硝化反硝化、短程硝化反硝化還是厭氧氨氧化工藝，都擁有著自己的優勢和弊端，需要在實踐中不斷發現和利用現代化技術進行工藝弊端的有效控制。