張戰(zhàn)利，周少奇，姚彩麗，龔大春

(1.湖北宜化集團有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000；2.華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

化肥工業(yè)廢水生物脫氮技術(shù)的研究進展

張戰(zhàn)利1，周少奇2，姚彩麗1，龔大春3*

(1.湖北宜化集團有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000；2.華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

氨氮廢水治理是我國化肥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個工作重點。生物脫氮法處理氨氮廢水具有成本低、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)勢，已廣泛用于實際生產(chǎn)中。對生物脫氮技術(shù)的理論基礎(chǔ)進行了分析，對A/O、SBR等傳統(tǒng)生物脫氮工藝和短程硝化反硝化、同時硝化反硝化、厭氧氨氧化、O/A/O等新型生物脫氮工藝進行了綜述。其中，O/A/O工藝對處理氨氮含量高、水量波動大等化肥工業(yè)廢水具有很好的效果，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

化肥工業(yè)；氨氮廢水；生物脫氮

化肥工業(yè)是高氮磷污水排放大戶之一，據(jù)統(tǒng)計化肥工業(yè)中僅氮肥每年廢水排放量占工業(yè)總排放量的10%左右。

目前，氨氮廢水的處理方法主要分為兩大類，即物理化學(xué)法和生物脫氮法[1]。物理化學(xué)法是通過化學(xué)沉淀、吸附、折點氯化、離子交換、電滲析和催化濕式氧化等物理化學(xué)過程實現(xiàn)氨氮處理的一種方法。采用物理化學(xué)法處理氨氮廢水存在成本高、易造成二次污染等缺點。生物脫氮法主要是利用微生物通過氨化、硝化與反硝化等系列生化反應(yīng)使廢水中的氨氮最終轉(zhuǎn)化成無害的氮氣排放實現(xiàn)氨氮處理的一種方法。常用的生物脫氮法主要包括A/O法[2]、SBR法[3]、曝氣生物濾池法(BAF)[4]、生物膜法等。生物脫氮法處理氨氮廢水具有成本低、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。鑒于此，作者對含氮廢水生物脫氮技術(shù)進行了綜述。

1 生物脫氮技術(shù)的理論基礎(chǔ)

圖1 生物脫氮原理流程圖Fig.1 Flow diagram of biological denitrogenation principle

根據(jù)電子計量學(xué)理論，從生化反應(yīng)的物質(zhì)平衡與電子流守衡原理出發(fā)，以電子供體用于細胞(C5H7O2N)合成的分量fs和1 mol電子當(dāng)量為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出精確的生物脫氮過程，硝化與反硝化反應(yīng)的最新計量學(xué)方程式為[6]：

硝化反應(yīng)計量方程式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

通過上述各種反應(yīng)，廢水中的氮通過硝化反硝化途徑而最終得以去除。同時硝化反硝化生物脫氮的本質(zhì)是利用微生物動力學(xué)特性固有的差異來實現(xiàn)兩類細菌動態(tài)競爭與選擇。因此，利用同時硝化反硝化生物脫氮達到脫除氨氮效果的關(guān)鍵在于控制硝化與反硝化反應(yīng)過程的動力學(xué)平衡，使得硝化與反硝化反應(yīng)能夠協(xié)調(diào)順利地同時進行。

2 生物脫氮技術(shù)的研究進展

2.1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)

傳統(tǒng)的生物脫氮是一個全程硝化-反硝化的過程。其優(yōu)點是參與這些反應(yīng)的微生物在不同的反應(yīng)器內(nèi)生長增殖，細菌生長環(huán)境條件適宜，各自回流經(jīng)沉淀池泥水分離污泥，反應(yīng)速度快且反應(yīng)比較徹底。但同時也存在處理設(shè)備多、流程較長、構(gòu)筑物較多、占地面積大、基建投資高、系統(tǒng)抗沖擊能力弱、硝化菌增殖慢、需要較大的曝氣池、硝化液回流動力消耗大等缺點[7]。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)都是將硝化和反硝化過程設(shè)置在不同的反應(yīng)器中進行(如A/O)，或者是讓二者在不同時刻于同一反應(yīng)器中進行(如SBR)。

2.1.1 A/O工藝

A/O工藝流程簡單、無需外加碳源就能充分反硝化、易于控制污泥膨脹、運行管理方便、同時很容易利用原廠改建，近年來已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。圖2為A/O前置反硝化脫氮工藝流程圖。

圖2 A/O前置反硝化脫氮工藝Fig.2 Technology of A/O predenitrification

與其它工藝相比，A/O前置反硝化脫氮工藝的主要優(yōu)點是：(1) 缺氧池位于工藝的前端，其中的反硝化細菌能夠充分利用污水中的有機物進行反硝化作用[8]。一方面，減少了反硝化所需外加碳源的投加量；另一方面，還可以有效地降低好氧池的有機負荷，從而保證好氧池中的硝化細菌處于優(yōu)勢地位，確保硝化作用充分進行；(2) 系統(tǒng)中的微生物通過污泥回流交替處于好氧、缺氧狀態(tài)，有利于堿度產(chǎn)生與消耗的平衡，有利于生物除氮；(3) 好氧池處于缺氧池的后端，可進一步去除反硝化過程中剩余的有機物，保證出水COD穩(wěn)定達標。同時，A/O工藝也存在著硝化液回流導(dǎo)致的能耗高、占地面積大等缺點。

雖然有很多新的脫氮工藝不斷被開發(fā)與應(yīng)用，但是A/O工藝仍然是目前污水廠生物脫氮的主流工藝，它具有運行管理方便、技術(shù)成熟、運行經(jīng)驗豐富等特點。

2.1.2 SBR工藝

序批式活性污泥法(sequencing batch reactor，SBR)是由美國Irvine公司在20世紀70年代開發(fā)的一套間歇式活性污泥系統(tǒng)。其處理過程包括5個階段，即進水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置階段，所有的過程均在一個反應(yīng)器內(nèi)完成[9]。SBR因工藝簡單、運行靈活、基建和運行費用低，近年來已成為國內(nèi)外競相研究和開發(fā)的熱門污水生物處理技術(shù)。

呂娟等[10]通過對曝氣時間和交替次數(shù)的調(diào)整，研究了間歇曝氣SBR系統(tǒng)的脫氮除磷效果，確定最佳工藝為：厭氧1.5 h、好氧1.0 h、缺氧1.0 h、好氧20 min、缺氧1.0 h、好氧20 min。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對COD、總氮、氨氮和磷的去除率分別高達88%、89%、100%和100%。

2.2 新型生物脫氮技術(shù)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于低能耗、高效率的生物脫氮技術(shù)的研究。隨著微生物學(xué)研究的迅速發(fā)展，新的脫氮微生物種群被發(fā)現(xiàn)；傳統(tǒng)微生物新的脫氮機理不斷被提出，由此產(chǎn)生了生物脫氮理念的革新，為研發(fā)生物脫氮新工藝奠定了基礎(chǔ)。這些工藝主要有：亞硝化-厭氧氨氧化工藝、同時硝化反硝化工藝(SND)、短程硝化反硝化工藝、基于厭氧氨氧化(ANAMMOX)的SHARON-ANAMMOX工藝和OLAND工藝基于全程自養(yǎng)脫氮的CANON工藝等[10]。

2.2.1 短程硝化反硝化

與傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮技術(shù)相比，短程硝化反硝化工藝具有如下優(yōu)點[14-16]：(1)相對于SBR，該法可節(jié)省約25%的氧氣供應(yīng)量，節(jié)省了能耗；(2)污泥產(chǎn)生量減少50%；(3)可節(jié)省40%反硝化所需的碳源，在C/N比一定的情況下更有利于總氮去除率的提高；(4)用以維持pH值所需堿的投加量減少；(5)縮短了反應(yīng)時間，相應(yīng)的反應(yīng)器容積減小。

2.2.2 同時硝化反硝化

同時硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND)生物脫氮是指在同一反應(yīng)器中同時實現(xiàn)硝化和反硝化反應(yīng)，從而達到生物脫氮的目的。近年來的一些新發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的脫氮理念，好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌等新菌種的發(fā)現(xiàn)以及好氧反硝化、異養(yǎng)硝化、自養(yǎng)反硝化等概念的提出，奠定了SND生物脫氮新技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

雖然SND生物脫氮的機理還有待進一步的認識和確定，但縱觀如今的各大觀點，SND生物脫氮可以從微環(huán)境、宏觀環(huán)境和生物學(xué)3個方面對其機理加以解釋[20-22]。

研究證明[23-25]：在好氧條件下，SND現(xiàn)象廣泛存在于各種不同的生物脫氮處理系統(tǒng)中。既可發(fā)生在生物膜反應(yīng)器，如流化床、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤中；也可以發(fā)生在活性污泥系統(tǒng)，如氧化溝、SBR、CAST等工藝中。

SND是一種較為有效的新型生物脫氮技術(shù)，其硝化和反硝化的脫氮效果卻因具體的工藝方法、運行參數(shù)和環(huán)境條件的不同而有較大的差異。SND是由氨氧化菌、亞硝酸氧化菌和好氧反硝化菌等微生物共同參與的系列反應(yīng)，其影響因子主要有[26]：絮體結(jié)構(gòu)、DO濃度、進水水質(zhì)、C/N比、溫度、pH值、氧化還原電位(ORP)、混合液懸浮固體濃度(MLSS)、毒性物質(zhì)、水力停留時間(HRT)等。這些因子對SND的影響程度有較大差異，機理也有差別。因此，各個因素對SND脫氮過程的運行特性、脫氮效率的影響是一個重要的研究內(nèi)容。

雖然SND的研究起步較晚，但是國內(nèi)外很多學(xué)者對其進行了深入的研究，并且通過控制各個參數(shù)取得了較好的脫氮效果。李曉璐等[27]考察了pH值、MLSS的變化對SBR系統(tǒng)中SND的影響。結(jié)果表明，進水水質(zhì)和反應(yīng)條件相同、pH值控制在8.5時，

出水水質(zhì)最好，COD去除率為90%，總氮去除率高達99.4%；進水水質(zhì)和其它反應(yīng)條件相同、MLSS為520 mg·L-1時，出水水質(zhì)最好，COD、總氮去除率分別達到了85.8%、99.1%。

2.2.3 厭氧氨氧化

1977年，Broda就從熱力學(xué)角度推測自然界可能存在以亞硝酸鹽為電子受體的ANAMMOX反應(yīng)。但是，直到20世紀90年代，Mulder等[29]才從生物脫氮流化床中第一次發(fā)現(xiàn)了ANAMMOX現(xiàn)象，并利用ANAMMOX脫氮原理開發(fā)出了實用可行的生物脫氮新工藝-ANAMMOX工藝。

以ANAMMOX理論為基礎(chǔ)開發(fā)的工藝有OLAND工藝和SHARON-ANAMMOX工藝[30-34]。

2.2.4 O/A/O 工藝

作者所在課題組針對化肥工業(yè)廢水C/N比低、氨氮含量高、水排放波動大等特點，開發(fā)出能高效處理高氨氮廢水的O/A/O工藝[35]。

(1) 首先從理論上對國際上有關(guān)文獻報道的反硝化的實驗結(jié)果進行了fs的估算，結(jié)果如表1所示。

由表1可看出，不同的碳源和氮源對電子計量系數(shù)fs影響較大，C/N比作為反硝化脫氮的一個重要影響因素，對系統(tǒng)反硝化脫氮性能影響很大。在工藝運行中，只有保證反硝化反應(yīng)的C/N比足夠高，才能獲得較好的脫氮效果。

(2) 設(shè)計了中試規(guī)模的高氨氮廢水處理O/A/O工藝，如圖3所示；并設(shè)計了相應(yīng)裝置，如圖4所示。

主要裝置的尺寸為：調(diào)節(jié)池30 m×20 m×5 m，初曝池15 m×12.5 m×6 m，初沉池Φ14 m×4.5 m，缺氧池20 m×14 m×6 m，好氧池20 m×16 m×6 m，二沉池Φ14 m×4.5 m。

表1 生物反硝化過程fs的計算值

Tab.1 Calculated values of fs in the process of biological denitrification

圖3 高氨氮廢水處理O/A/O工藝流程Fig.3 O/A/O technology process in high ammonia-nitrogen wastewater

圖4 裝置設(shè)計示意圖Fig.4 Schematic digram of designed device

3 結(jié)語

化肥工業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，其廢水排放對我國主要流域的水質(zhì)構(gòu)成威脅，因此其廢水治理技術(shù)的創(chuàng)新迫在眉睫。目前高效節(jié)能的除氮除磷技術(shù)的研究、開發(fā)及推廣應(yīng)用是化肥工業(yè)實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的重點，高效生物脫氮技術(shù)的開發(fā)是必然趨勢。一方面要進一步加強生物脫氮機理的研究，特別是復(fù)雜環(huán)境下脫氮微生物的反應(yīng)機制的研究；另一方面要從工藝和裝置上進行創(chuàng)新。開發(fā)出更加高效的O/A/O工藝、亞硝化-厭氧氨氧化工藝、SND工藝、基于全程自養(yǎng)脫氮的新工藝等，為清潔的化肥生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

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Research Progress on Biological Denitrogenation Technology of Fertilizer Industrial Wastewater

ZHANG Zhan-li1，ZHOU Shao-qi2，YAO Cai-li2，GONG Da-chun3*

(1.HubeiYihuaGroupCo.，Ltd.，Yichang443000,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510006,China；3.CollegeofBiologyandPharmacy，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443000,China)

fertilizerindustry；wastewatercontainingammonianitrogen;biologicaldenitrogenation

國家科技支撐計劃資助項目(2008BAE64B05)

X 786

A

1672-5425(2017)01-0001-06

張戰(zhàn)利，周少奇，姚彩麗，等.化肥工業(yè)廢水生物脫氮技術(shù)的研究進展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(1)：1-6.