邊春捷

（中廣核宏達環(huán)境科技有限責任公司山東濟南250300）

污水處理中生物脫氮工藝的研究進展

邊春捷

（中廣核宏達環(huán)境科技有限責任公司山東濟南250300）

氮元素在自然界中大量存在，是非常豐富的元素之一，它在自然界中主要以分子氮、有機氮化合物和無機氮化合物的形式存在。它們在微生物、動物、植物體內相互轉移、轉化，構成了氮循環(huán)。而微生物在其中起著非常重要的作用，主要通過氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用來實現(xiàn)的。而目前，水體污染越遠越嚴重，處理難度越拉越大，生物處理工藝受到了更多的重視。

生物脫氮；污水處理；工藝

1　生物脫氮技術的機理

1.1氨化作用

氨化作用是脫氮作用的初始步驟，是將有機氮化合物轉化為氨氮的一個過程。在這個步驟中起關鍵作用的微生物稱為氨化菌，其分布較為廣泛，包括好氧的靈桿菌、兼性變形桿菌、厭氧的腐敗梭菌等。其脫氨作用根據(jù)不同的菌類分為好氧型和兼性、厭氧型的，在好氧菌中有氧化脫氨和水解脫氨；在兼性、厭氧型菌種有還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種。

1.2硝化作用

硝化作用是利用亞硝酸菌和硝酸菌將氨氮轉化為硝酸氮的過程，該過程的微生物為好氧自養(yǎng)型微生物，利用氨氮、亞硝酸鹽為氮源，CO32-、HCO-、CO2等作為無機碳源來獲得能量。其硝化過程的特征為：該過程是一個好氧的反應，且需要大量的氧氣來完成；該反應過程中微生物生長率低，生物量濃度較低，且受環(huán)境條件較敏感；硝化過程是一個產(chǎn)酸的反應，在反應過程中需要補充大量的堿來保證反應的順利進行。

1.3反硝化作用

反硝化作用是由反硝化菌完成的脫氮步驟，需在厭氧或兼氧條件下以硝酸氮為電子受體，最終還原為氮氣或者氮的其他氣態(tài)形式。該類細菌在自然界的分布極為廣泛，而且在有氧的條件下，可以利用作為電子受體進行氧化有機物；在厭氧條件下可以利用硝酸氮來進行能量獲取的過程，而且利用氧氣和硝酸氮之間的轉換是非常容易進行的，這也使得該微生物的生命力增強，對污水的沖擊負荷能力較強。

2　傳統(tǒng)生物脫氮工藝

目前實際中應用最多的技術有A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝等。

2.1傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝

活性污泥法是應用最早的生物脫氮技術，是利用氨化、硝化和反硝化最為典型的污水處理技術。主要構筑物為曝氣池、硝化池、反硝化池和沉淀池，在曝氣池中進行氨化作用和有機物的降解，然后在硝化池中氨氮在亞硝化菌和硝化菌的作用下轉化為亞硝酸氮和硝酸氮；在反硝化池中最終轉化為氮氣；該工藝分別在各自的構筑物中進行脫氮反應，反應速度快且徹底，脫氮效果非常好，但是其存在的缺點是工藝流程長、所需構筑物多、投資高等。

2.2缺氧—好氧（A/O）工藝

生物脫氮過程是自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌和需氧菌、厭氧菌參與的過程，它們相互配合，同時又相互制約。硝化過程無需有機碳，而發(fā)硝化過程需要大量的有機物參與；硝化過程是好氧反應，而反硝化過程是嚴格厭氧的條件；硝化反應是耗堿的過程，而反硝化是產(chǎn)堿的過程。正是由于存在這個聯(lián)系和矛盾，研究者開發(fā)了新的生物脫氮工藝，將缺氧和好氧反應器獨立開來，回流沉淀池中的污泥到缺氧反應器，同時好氧反應器中的污水向缺氧反應器中進行回流，該工藝稱其為缺氧—好氧生物脫氮工藝，簡稱（A/O）工藝。

A/O工藝對傳統(tǒng)活性污泥法進行了改進，解決了活性污泥法中的一些缺點，在目前的實際工程中有著廣泛的應用。該工藝能夠充分利用反硝化中產(chǎn)生的堿度，無需另行投加堿；此外，該工藝流程短，運行費用低。但其還存在一些確定，就是該工藝中需進行雙循環(huán)，且出水中可能會含有硝酸鹽，而且易發(fā)生二沉池污泥上浮的現(xiàn)象。

2.3厭氧/缺氧/好氧（A2/O）工藝

A2/O工藝是在A/O工藝的基礎上進行開發(fā)研究的結果，是一種能夠同時脫氮除磷的污水處理工藝。A2/O工藝是在A/O工藝前增加了厭氧構筑物形成了厭氧-缺氧-好氧的處理過程，在保證了脫氮效果的基礎上增加了除磷的功能。在前端增加了厭氧池使得聚磷過程和反硝化得到了分離，解決了硝化菌、反硝化菌和聚磷菌之間存在的相互制約作用。

對A/O工藝進行改進的A2/O工藝本具有以下特點：（1）相比其它脫氮除磷工藝流程較為簡單，水力停留時間低于同類工藝；（2）厭氧、缺氧和好氧條件交替運行，絲狀菌不易大量繁殖且污泥膨脹現(xiàn)象較低；（3）該工藝中剩余污泥中含磷量較高，是磷肥的良好原料；（4）該工藝運行過程中不需要投加藥劑，運行費用較低。

雖然A2/O工藝在一定程度上改進了工藝，提高了污水處理能力及效率，但是還存在一些問題，對于脫氮除磷的整體效果難于得到進一步的提高；在運行時需在沉淀池入水中保證一定的溶解氧，以便保證在污泥中出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象。

2.4氧化溝工藝

氧化溝工藝是在上世紀50年代由荷蘭的研究者開發(fā)研制出的污水處理工藝。它是一種封閉的溝渠型結構，污水和污泥在整個渠道中不斷的循環(huán)流動，根據(jù)處理的水質條件設置好氧區(qū)和厭氧區(qū)來實現(xiàn)污水脫氮。隨著對污水水質要求的提高，氧化溝的構型和處理效果也進行了不斷的改進。

氧化溝工藝使得處理構筑物更為簡化，其在封閉的渠道中添加曝氣裝置，能夠更加有效的控制好氧段和厭氧段；且在處理運行時無需外加碳源，降低了工藝運行的費用。大量的研究結果表明，在氧化溝中存在同步硝化反硝化的現(xiàn)象，對處理含氮污水有著更好的運行結果。

2.5間歇式（SBR）脫氮工藝

SBR脫氮工藝也是在對污水處理技術不斷改進的條件下發(fā)展起來的。它的處理流程主要有進水期、反應期、沉淀期、排水排泥期和閑置期五個階段。通過自控技術改變進水、曝氣、排水等階段，使得污水在反應器中實現(xiàn)COD的降解、硝化作用以及反硝化作用。SBR工藝相比其它脫氮工藝更為靈活，占地面積小，設計靈活適應各種地理條件。隨著自動化技術的不斷發(fā)展，使得SBR工藝也得到了提高，對其運行控制更為準確、靈活，也使得SBR工藝在脫氮技術方面有了更大的提高和應用的廣泛性。

3　新型生物脫氮工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝的改進主要通過調整工藝流程來實現(xiàn)的，進而改變硝化菌和反硝化菌的生存環(huán)境，解決它們之間存在的這種環(huán)境、營養(yǎng)物質的矛盾。隨著對生物脫氮工藝的進一步深入研究，一些新型的工藝不斷的涌現(xiàn)，對污水脫氮效果有著更為簡潔和高效[1]。

3.1同步硝化反硝化脫氮工藝

傳統(tǒng)的研究結果表明硝化反應和反硝化反應所需的環(huán)境不同，它們不能在同一個結構單元中共同實現(xiàn)。但隨著對兩類細菌及脫氮工藝的深入研究，發(fā)現(xiàn)在好氧狀態(tài)下污水中有30%的總氮會被去除，這和傳統(tǒng)的理論截然不同。再進一步的研究發(fā)現(xiàn)，在好氧的環(huán)境中也存在反硝化的現(xiàn)象，其存在著一種好氧反硝化的細菌。

隨著同步硝化反硝化理論的出現(xiàn)，在一些污水處理工藝中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。目前對該理論的解釋有三種：（1）環(huán)境理論：研究這認為在好氧的構筑物中，曝氣的不均勻，在環(huán)境中局部出現(xiàn)了缺氧、厭氧和好氧的環(huán)境，因此在工藝運行過程中，會在局部出現(xiàn)適合反硝化反應的條件。（2）微觀環(huán)境理論：該理論主要是針對顆粒污泥形式的微觀環(huán)境，研究著認為在大于100μm的顆粒污泥中，在顆粒中回形成內部缺氧或厭氧的環(huán)境，進而在顆粒外部進行硝化反應，在內部進行反硝化作用，因此，可實現(xiàn)同步硝化反硝化。（3）微生物理論：認為存在好氧環(huán)境進進行反硝化的細菌，即好氧反硝化菌。在好氧環(huán)境中硝化菌和好氧反硝化菌相互協(xié)作，實現(xiàn)了同步硝化反硝化[2]。

3.2短程硝化反硝化脫氮工藝

在對脫氮工藝不斷的研究中發(fā)現(xiàn)，生物脫氮可以氨化、亞硝化和反硝化來實現(xiàn)。以亞硝酸鹽為電子受體，進行反硝化，從而節(jié)約了氨氮硝化過程中氧氣的消耗，節(jié)省了動力費用，同時還減少了反硝化過程中碳源的消耗[3]。目前短程硝化反硝化主要應用于高濃度氨氮廢水中，游離氨對亞硝化菌存在抑制作用。此外，亞硝化菌對溫度以及環(huán)境中溶解氧濃度的要求都比較嚴格，其應用的廣泛性和穩(wěn)定性還需進一步研究，以保證其能夠更加穩(wěn)定的運行。

3.3厭氧氨氧化（ANAMMOX）脫氮工藝

厭氧氨氧化脫氮是由Mulder在流化床工藝中發(fā)現(xiàn)的，研究過程中發(fā)現(xiàn)氨氮和亞硝酸鹽在厭氧條件下按照一定的比例可以同時被去除，后來將這一現(xiàn)象命名為厭氧氨氧化。其脫氮原理為在厭氧條件下，氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽作為電子受體，通過厭氧氨氧化菌的作用下轉化為氮氣。該工藝相比傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝具有很多優(yōu)勢：（1）該反應過程中只需要無機碳源，不需要添加有機碳源，節(jié)約了成本，同時也防止二次污染；（2）該工藝中只需將氨氮氧化為亞硝酸氮，節(jié)省了曝氣設備的動力消耗；（3）厭氧氨氧化菌的反應幾乎不產(chǎn)生N2O，避免了傳統(tǒng)脫氮工藝中溫室氣體的排放。但其生長的時代周期較長，而且單獨細菌個體不能生長。該工藝在應用技術上還需深入研究，進而保證良好的運行和處理效果，以改善傳統(tǒng)的脫氮技術，提高處理能力。

4　結語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對水環(huán)境及其可持續(xù)發(fā)展的認識越來越加深，對廢水處理工藝的要求也越來越高。目前生物脫氮技術還有許多領域需要深入研究，對處理的效果還應不斷加強，應對其主要的影響因素重點研究，逐步解決各要素之間的相互關系。新的脫氮處理工藝，新的填料和新的硝化細菌等的探索和研究是將來生物脫氮技術的發(fā)展趨勢，能源的節(jié)約和有效利用也是必需要考慮的重要因素。

[1]楊慶,彭永臻.中試規(guī)模的城市污水常、低溫短程硝化反硝化[J].中國給水排水,2007,23（15）:1-3.

[2]馬雅琳,沈寧一,舒余德.生物降解技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].湖南有色金屬.2000,16(2):34-37.

[3]湯爭爭.短程硝化反硝化實現(xiàn)條件及穩(wěn)定性研究[D].天津:天津大學,2006.

邊春捷（1981—），男，蒙古族，內蒙古自治區(qū)通遼市人。