許興原

（南京環(huán)保產業(yè)創(chuàng)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(yè)的發(fā)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(yǎng)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(shù)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(tài)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(tài)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)使NO3-及NO2-與無機碳發(fā)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(tǒng)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(huán)境較為敏感，因此為了順利完成硝化反應，其反應環(huán)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(shù)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(xiàn)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(yōu)勢菌群。其次是反應環(huán)境溫度要適宜，以20～30℃為標準。若反應環(huán)境溫度不足15℃，其硝化反應速度將大幅度降低，若反應環(huán)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(tài)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(yè)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(yè)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(shù)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(huán)境。在硝化反應過程中，必須保障其溶解氧適宜，在缺氧環(huán)境下反硝化菌將會產生反硝化反應，因此需要控制工業(yè)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(tài)，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(yè)污水處理廠生物脫氮現(xiàn)狀

高效脫氮一直是城市工業(yè)污水處理中的難題，我國城市污水中通常含有大量工業(yè)廢水，污水處理廠就成為了綜合性的處理場所，因工業(yè)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(zhàn)。傳統(tǒng)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(fā)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(xiàn)有機物氨氮的去除，通過二次沉池來實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)硝化反應，進而去除工業(yè)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(yè)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(jīng)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(wěn)定，對外界環(huán)境具有一定的適應性。曝氣生物濾池出水水質穩(wěn)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(wěn)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(shù)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(huán)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(huán)境下發(fā)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(xiàn)NH4+-N+-N向NO2-N轉變；在厭氧環(huán)境下可實現(xiàn)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(yōu)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(jié)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(tǒng)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(yè)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(yè)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(yōu)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(fā)展，資源緊缺問題也日益嚴重，為此必須提升工業(yè)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(jù)著重要位置。未來圍繞工業(yè)污水生物脫氮效率這一問題，我們還應持續(xù)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(yōu)勢進行分析與優(yōu)化。這樣可以切實提升工業(yè)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。