6.3.1 污水生物脱氮新技术

传统的生物处理脱氮方法对氮的去除主要是靠微生物细胞的同化作用将氮转化为细胞原生质成分，所以传统的生物处理方法只能去除生活污水中约40%的氮。生物法脱氮新技术主要是针对传统生物脱氮理论而言，就是在好氧、低基质浓度条件下通过硝化菌的作用将氨氮氧化为硝酸盐，在缺氧、可利用碳源及碱度充足的条件下，反硝化菌将硝酸盐还原成气态氮从水中去除。如A/O工艺、A²/O工艺、Bardenpho工艺、UCT工艺、MUCT工艺、VIP工艺、氧化沟以及SBR工艺等。然而最近的一些研究表明：生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的新现象，如硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用；特别值得一提的是有些研究者在实验室中观察到在厌氧反应器中NH3-N减少的现象。这些现象的发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路，其中一部分较为前沿的工艺有短程硝化反硝化、反硝化除磷、同步硝化反硝化等。这些工艺都共同面临亚硝酸盐稳定积累的问题。

6.3.1.1 短程硝化-反硝化工艺

短程硝化-反硝化生物脱氮也可称为亚硝酸型生物脱氮技术。其原理就是将硝化过程控制在NO₂^-阶段而终止，随后进行反硝化。亚硝酸型生物脱氮具有以下优点：亚硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，泥龄也短，控制在亚硝酸型阶段易提高微生物浓度和硝化反应速率，缩短硝化反应时间，从而可以减少反应器容积，节省基建投资。另一方面，从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到，控制在亚硝酸型阶段可以节省氧化NO₂^--N到NO₃^--N的氧量，还可在反硝化时降低或省去有机碳源的总需求量。该工艺与传统工艺相比，O₂和CH₃OH分别节约了25%和40%。因此，亚硝酸型硝化既可节能降耗，又能提高整体工艺的处理效率，具有广阔的研究和应用前景。

(1)Sharon工艺根据短程硝化反硝化的原理，1997年荷兰戴尔夫特理工大学Helling 等开发了一种新型工艺—Sharon工艺。Sharon工艺是一种用于处理高浓度、低碳氮质量比的含氨废水的新工艺，它利用亚硝酸细菌和硝酸细菌在不同条件下的生长速率的差异，通过调控温度、pH值、溶解氧、水力停留时间等参数，实现短程硝化反硝化。

在Sharon工艺中，第一，根据较高温度下(30～35℃)亚硝化菌的增长速率明显高于硝化菌的生长速率，利用亚硝化菌增殖快的这一特点，使硝化菌在竞争中失败。温度高有利于提高细菌的比增长速率，于是反应器中能够保持足够的亚硝化菌浓度，而无需污泥停留，即在Sharon工艺中污泥龄完全等于水力停留时间(SRT=HRT)。因此，反应器的污泥排出率(1/SRT即1/HRT)能被设定在某一数值从而控制亚硝化菌停留在反应器中，而让增殖较慢的硝化菌排出系统。这样在完全混合反应器里控制较短的水力停留时间，提供较高的温度就可以将硝化菌去掉。35℃为Sharon工艺安全运行温度，此时亚硝化菌的最大比增长速率为2.1/d，在实际情况下污泥停留时间为1d左右。第二，Sharon工艺维持在低溶解氧(0.5mg/L)下，亚硝酸菌的增殖速率加快(近1倍)，而硝酸菌的增殖速率没有任何提高，从NO₂^--N到NO₃^--N的氧化过程受到严重的抑制，从而导致了NO₂^--N的大量积累。第三，对亚硝酸菌而言，游离态氨才是其真正的底物，而不是NH₄⁺；NO₂^-对亚硝酸菌虽有抑制作用，但在高pH值(pH=8)时，这种抑制作用非常有限；游离态氨对硝酸菌具有明显的抑制作用。因此，Sharon工艺将反应器内的pH值选择为较高(pH=7～8))，有利于NO₂^--N的积累。

Sharon工艺具有如下一些特点。

①开发了经亚硝酸盐路线进行生物脱氮处理高浓度废水的新工艺，脱氮速率快，投资和运行费用低。

②因温度高(30～35℃)，反应期内微生物增殖速度快，好氧停留时间短，限制在1d。

③微生物活性高，而K。值也相当高，结果出水浓度为每升几十毫克，进出水浓度无相关性，进水浓度越高，去除率越高。

④因高温下亚硝化菌较硝化菌增长快，亚硝酸盐氧化受阻，系统无生物体(污泥)停留(因SRT=HRT)，所以只需简单地限制SRT就能实现氨氧化而亚硝酸盐不氧化。

⑤进水浓度高，有大量热量产生，这一点在设计中应考虑到。

⑥因工艺无污泥停留，排出水中悬浮固体不影响工艺运行。

⑦只需单个反应器，使处理系统简化。

(2)厌氧氨氧化(Anammox)工艺1990年，荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发出厌氧氨氧化工艺，即在厌氧条件下，微生物直接以NH4+做电子供体，以NO₂^-为电子受体，将NH₄⁺或NO₂^-转变成N₂的生物氧化过程，其反应式为：

NH₄⁺+NO₂^-→N₂↑+2H₂O

由于NO₂^-是一个关键的电子受体，所以Anammox工艺也划归为亚硝酸型生物脱氮技术。由于参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要另加COD来支持反硝化作用，与常规脱氮工艺相比可节约100%的碳源。而且，如果把厌氧氨氧化过程与一个前置的硝化过程结合在一起，那么硝化过程只需要将部分NH₄⁺氧化为NO₂^--N，这样的短程硝化可比全程硝化节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量。Sharon-Anammox(亚硝化-厌氧氨氧化)工艺被用于处理厌氧硝化污泥分离液并首次应用于荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理厂，其工艺流程如图6-2所示。由于剩余污泥浓缩后再进行厌氧消化，污泥分离液中的氨浓度很高(约1200～2000mg/L)，因此，该污水处理厂采用了Sharon-Anammox工艺，并取得了良好的氨氮去除效果。厌氧氨氧化反应通常对外界条件(pH值、温度、溶解氧等)的要求比较苛刻，但这种反应节省了传统生物反硝化的碳源和氨氮氧化对氧气的消耗，因此对其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义。

目前发现的厌氧氨氧化菌有Brocadia anam moxidans、Kuenenia stuttgartiensis、Scalindua sorokinii、Scalindua brodae 和Scalindua wagneri。这些厌氧氨氧化菌除了分布广外，还具有代谢途径多的特点。主要应用于Anammox、Sharon-Anammox、CANON和甲烷化等与厌氧氨氧化的耦合工艺。目前对于厌氧氨氧化菌(Anammox菌)在氮循环中的贡献以及该菌种的一些生态特性仍不是十分清楚。各种生态系统中的Anammox菌必须生活在氧气受限的条件下(如：好氧和缺氧的交界处)，是不是Anammox菌和AOB(氨氧化菌)能共存于自然界中同一微生境中，这需要进一步的研究。迄今为止，Anammox菌对于全球范围内氮损失的贡献大小，及其自然界中一些环境中氮的损失是否确实由Anammox菌造成的，这些问题还没得到明确证实和研究。此外，未见采用N标记法来验证海洋中最低含氧带中的硝酸盐是被异养反硝化菌转化为氮气的研究报道，而大多研究将这些地区的氮损失归因于Anammox菌，依此可推知在海洋中可能大约有30%～50%的氮损失就是由Ana-mmox菌所致。

厌氧氨氧化菌实现了氨氮的短程转化，缩短了氮素的转化过程，对能耗和碳源的依赖更少，具有极大的优越性。厌氧氨氧化菌与甲烷菌、好氧氨氧化菌的协同耦合作用又为新型的脱氮工艺提供了可能性。然而由于其生长速度慢，比增长率低，因此高效富集培养厌氧氨氧化菌，解决其菌体增殖和持留问题，以便有效应用于污水处理厂中是今后一段时间内的重要研究课题。

影响Anammox工艺的因素主要有：基质抑制，厌氧氨氧化过程的基质是氨和亚硝酸盐，如果两者的浓度过高，也会对厌氧氨氧化过程产生抑制作用；pH值，由于氨和NO₂^-在水溶液中会发生离解，因此pH值对厌氧氨氧化具有影响作用，其适应pH值范围为6.7～8.3，最适应pH值为8。

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

版权与免责声明：转载目的在于传递更多信息。

如其他媒体、网站或个人从本网下载使用，必须保留本网注明的"稿件来源"，并自负版权等法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起两周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。