張源

（青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033）

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和人民生活水平逐漸提高，氣候條件也在不斷改變，人們對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)也有了更高的要求?！笆濉币?guī)劃提出，2020年底要實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施全覆蓋，城市污水處理率達(dá)95%。快速、高效、徹底處理城鎮(zhèn)污水的問題亟需解決，而處理的關(guān)鍵在于氮、磷等污染物的去除，這類污染物的超標(biāo)排放也使得我國水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，這也是環(huán)境工作者面臨的重大問題。當(dāng)前國內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，但存在工藝復(fù)雜、成本能耗高等問題，相比之下，一些新興工藝的發(fā)現(xiàn)得到了人們的關(guān)注和應(yīng)用，其處理效果既能遏制有機(jī)物的污染，也能有效解決脫氮除磷問題。本文主要對傳統(tǒng)和新興工藝的原理進(jìn)行了分析，指出不同生物脫氮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

迄今為止，傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)已發(fā)展近百年，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用與推廣，主要反應(yīng)過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)反應(yīng)過程

1.1.1 氨化作用

氨化作用，即脫氨作用，微生物在有氧或無氧條件下將有機(jī)氮分解并產(chǎn)生氨的過程。氨化作用的第一步是先將含氮有機(jī)物降解為多肽等簡單含氮化合物，第二步使含氮化合物降解轉(zhuǎn)變?yōu)榘睉B(tài)氮[1]。在污水的處理過程中，能夠進(jìn)行氨化作用的微生物相對較多，氨化反應(yīng)效率也較高。

1.1.2 硝化作用

硝化作用是將水中的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，降低氨氮濃度的過程。一般分為亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩步。（1）亞硝化反應(yīng)是在氨氧化細(xì)菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）[2]的參與下，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，反應(yīng)如式1；（2）硝化反應(yīng)是在亞硝酸氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的參與下，將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，反應(yīng)如式2。AOB和NOB統(tǒng)稱為硝化細(xì)菌，均為自養(yǎng)型微生物，在有氧環(huán)境下，硝化細(xì)菌以氧氣為電子受體，利用無機(jī)碳化合物為碳源進(jìn)行硝化反應(yīng)[3]。

1.1.3 反硝化作用

反硝化作用是將污水中原有的和通過氨化和硝化作用得到的硝酸鹽去除生成N2的過程。在缺氧環(huán)境下，反硝化細(xì)菌在有合適電子供體和碳源的情況下，利用式3所示的反硝化作用，將污水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?。大部分反硝化?xì)菌是異養(yǎng)型菌，主要以有機(jī)物為碳源和電子供體，進(jìn)行無氧呼吸[4]。

1.2 常用工藝

1.2.1 A/A/O及其變形工藝（同步脫氮除磷）

（1）厭氧/缺氧/好氧工藝（Anaerobic/Anoxic/Oxic，A/A/O），工藝流程如圖2所示，該工藝是將厭氧-缺氧-好氧三種環(huán)境串聯(lián)，交替反應(yīng)，使氨化作用、硝化作用和反硝化作用在同一污泥系統(tǒng)中，同時利用聚磷菌除磷，達(dá)到同步脫氮除磷的效果。

（2）厭氧/缺氧/缺氧/好氧活性污泥法（MUCT工藝）[5]，是由南非開普敦大學(xué)提出的一種能夠提高除磷脫氮效率的變形工藝，系統(tǒng)在A/A/O工藝基礎(chǔ)上，改變?yōu)閰捬?缺氧-缺氧-好氧的流程，并改變內(nèi)回流，一方面將好氧區(qū)回流至后置缺氧區(qū)，另一方面將前置缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[6]，使兩段回流相互獨(dú)立。這種變形工藝有效提高了系統(tǒng)脫氮除磷的效率[7]，但因為增加內(nèi)回流，系統(tǒng)能耗增大。

1.3 工藝展望

目前，傳統(tǒng)生物脫氮工藝技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但仍存在一系列問題，因此演變出很多在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的變形工藝，如兩段式A/O工藝、多段進(jìn)水多級A/O工藝、多級厭氧/缺氧/好氧活性污泥法（Multilevel Anaerobic/Anoxic/Oxic，MAAO）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）等[8]。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)是目前國內(nèi)外采用最多的污水處理方法，研究前景十分廣闊，但隨著社會的發(fā)展，仍有很大的進(jìn)步空間。針對不同的水質(zhì)情況，研究不同的生物脫氮工藝，優(yōu)化控制條件，降低成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和效益雙目標(biāo)，是目前發(fā)展研究的方向。

2 同步硝化反硝化（SND）技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

圖2 A/A/O反應(yīng)流程圖

根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)是在不同的時間和空間條件下進(jìn)行的，相互獨(dú)立實現(xiàn)。同步硝化反硝化技術(shù)實現(xiàn)了將兩個反應(yīng)在同一操作條件下進(jìn)行的目的。

2.1.1 宏觀環(huán)境

一般在好氧環(huán)境下的活性污泥系統(tǒng)中，由于曝氣不均勻或采用點(diǎn)源性曝氣裝置等原因，易造成局部明顯缺氧的大環(huán)境，在這種環(huán)境下能夠形成同步硝化反硝化的反應(yīng)[9]。

2.1.2 微觀環(huán)境

從微觀環(huán)境物理學(xué)角度解釋SND，一般認(rèn)為微生物體積為微米級單位，因此影響生物的生存環(huán)境也是微小的。當(dāng)宏觀環(huán)境發(fā)生變化時，會影響微觀環(huán)境生物的活動形態(tài)。SND主要是利用硝化作用和反硝化作用的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中溶解氧（DO）濃度、微生物絮體結(jié)構(gòu)特征和生物膜厚度的作用。在微觀環(huán)境下，微生物絮體內(nèi)的各種生態(tài)因子都會發(fā)生變化，具體如圖3所示。一般認(rèn)為，在微生物絮體或生物膜內(nèi)，由于氧擴(kuò)散的限制，絮體或生物膜存在DO梯度，外部因為DO含量高，好氧硝化菌和氨化菌適宜生存，內(nèi)部因為氧傳遞受阻以及外部好氧菌的消耗，DO含量低，反硝化菌取得優(yōu)勢，適宜生存。

圖3 微生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)分布和底物濃度變化

從微觀環(huán)境微生物學(xué)角度解釋SND。硝化過程被認(rèn)為發(fā)生在好氧條件下，反硝化過程發(fā)生在缺氧環(huán)境下。而在20世紀(jì)80年代，隨著好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)，為SND現(xiàn)象提供了合理依據(jù)。另外Kuenen等[10]還發(fā)現(xiàn)許多異養(yǎng)硝化菌同時也可進(jìn)行好氧反硝化反應(yīng)，這種情況下，產(chǎn)生的NO-、NO-32等產(chǎn)物被還原，一次性將NH4+轉(zhuǎn)化為N2去除，達(dá)到脫氮的效果。

2.2 常用工藝

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

SBR工藝最初于1914年由美國學(xué)者發(fā)明，該工藝可分為5個階段：進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置。SBR工藝?yán)脮r間上的更替來實現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法的脫氮效果，可操控性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、應(yīng)用范圍相對較廣，較為適合小型污水處理。

2.2.2 氧化溝工藝（OD）

OD工藝是一種通過對曝氣時間進(jìn)行控制來改變活性污泥處理效率的方法。SND很早就應(yīng)用于氧化溝工藝，該工藝?yán)梦⑸锏沫h(huán)境復(fù)雜多變以及物質(zhì)傳遞變化等因素的相互作用，形成活性污泥生物絮體。氧化溝同步硝化反硝化通過控制二沉池負(fù)荷、曝氣量等，達(dá)到理想的水力停留時間，進(jìn)行脫氮處理。該工藝建造成本較低，且管理和運(yùn)行較為簡便，應(yīng)用廣泛。

2.3 工藝展望

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對各種常用工藝的SND進(jìn)行深刻研究，并大量投入實踐應(yīng)用，但是仍有很多有待深入研究的內(nèi)容。此外，將不同工藝結(jié)合也是研究的方向之一，如將SND與除磷工藝結(jié)合也是目前亟需探索的一種生物處理污水技術(shù)。在SND的機(jī)理解釋上，未來也仍有可探索的空間。

3 短程硝化反硝化工藝（SCND）技術(shù)

短程硝化反硝化工藝在1975年被提出后得到廣泛研究，至今已經(jīng)衍變出多種變形工藝。

3.1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝技術(shù)認(rèn)為在硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌協(xié)同作用下，將污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饬鞣诺酱髿庵小Ｏ趸饔靡匝鯕庾鳛殡娮邮荏w，反硝化作用以有機(jī)基質(zhì)作為電子供體，SCND工藝就是將硝化作用控制在NO2-狀態(tài)下，直接以NO2-作為原料進(jìn)行反硝化作用，因此省去了亞硝酸氧化細(xì)菌將NO-2氧化為NO3-的過程，二者流程如圖4所示。

圖4 全程與短程硝化反硝化途徑流程對比

通過圖4兩種途徑比較，SCND工藝在全程的基礎(chǔ)上縮短流程，這也使得短程硝化反硝化技術(shù)有了一定的優(yōu)勢：（1）SCND工藝將步驟簡化，減少了中間氧化過程，化學(xué)需氧量與電子供體數(shù)量減少，降低能耗；（2）減少亞硝酸氧細(xì)菌的參與，使得反應(yīng)所需的碳源量減少，運(yùn)行成本得到降低；（3）直接通過氧化亞硝酸鹽得到氣態(tài)氮，其反應(yīng)速率與全程硝化相比更快，所需的反應(yīng)器體積工程量小，在實際應(yīng)用中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益高；（4）剩余污泥量少。

3.2 常用工藝

SHARON工藝典型特征為：（1）通過調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)部的主要環(huán)境條件，如溫度、溶解氧、pH等，使內(nèi)部的氨氧化細(xì)菌生長速率大于亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，進(jìn)而將反應(yīng)物質(zhì)狀態(tài)控制在NO2-階段；（2）工藝將短程硝化反應(yīng)和短程反硝化反應(yīng)置于同一反應(yīng)器內(nèi)，且反應(yīng)器內(nèi)不留存活性污泥，簡化反應(yīng)器和反應(yīng)流程；（3）習(xí)慣上認(rèn)為大部分硝化反應(yīng)產(chǎn)物為酸性，反硝化反應(yīng)為堿性，因處于同一反應(yīng)器內(nèi)存在酸堿中和作用，所以SHARON工藝只需稍加調(diào)控即可；（4）相比傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，該工藝可減少供氧量25%和外加碳源40%。

4 厭氧氨氧化技術(shù)（Anammox）

4.1 技術(shù)原理

Anammox工藝是指在厭氧或缺氧條件下，厭氧氨氧化菌（AAOB）以NO2-為電子受體，以NH4+為電子供體，將NH4+直接氧化為N2的過程。因為Anammox工藝主要依靠AAOB進(jìn)行反應(yīng)，AAOB對環(huán)境條件控制的要求也非常嚴(yán)格，因此存在許多影響厭氧氨氧化污泥活性的因素。

4.2 常用工藝

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工 藝， 即SHARON和ANAMMOX的組合工藝。該工藝是目前應(yīng)用最為廣泛的厭氧氨氧化工藝，原理是將亞硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)在兩個反應(yīng)器內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行，第一步是利用SHARON工藝，通過控制溫度、溶解氧、pH、水力停留時間等因素，使內(nèi)部的氨氧化細(xì)菌生長速率大于亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，使氨氧化菌為主體菌，將反應(yīng)物質(zhì)狀態(tài)控制在NO2-階段。第二步是利用ANAMMOX工藝，水體中的NH4+與NO2-在AAOB作用下生成氮?dú)?，達(dá)到生物脫氮作用。

4.2.2 OLAND工藝

OLAND工藝（限制自養(yǎng)硝化反硝化工藝）是2005年由比利時Gent大學(xué)開發(fā)的[11]。該工藝是在生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，反應(yīng)器表面由氨氧化細(xì)菌與AAOB構(gòu)成，氨氧化菌位于表層，AAOB位于底層。表層的氨氧化菌利用空氣或水中的DO，通過反應(yīng)將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-，同時底層環(huán)境變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，AAOB利用擴(kuò)散的NH4+和NO2-為反應(yīng)物，到達(dá)生物脫氮的目的。4.2.3 CANON工藝

CANON工藝是由荷蘭Delft大學(xué)以Sharon-Anammox工藝為基礎(chǔ)，發(fā)展的全新工藝[12]。利用亞硝化和厭氧氨氧化工藝的發(fā)展基礎(chǔ)，在單個反應(yīng)器內(nèi)，通過曝氣等手段控制DO實現(xiàn)亞硝酸和厭氧氨氧化的過程。在曝氣條件下，絮狀污泥表面DO充足，表層的AOB數(shù)量多且種類豐富，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-，同時表面DO消耗殆盡，形成污泥內(nèi)部厭氧環(huán)境，為AAOB提供良好的生長環(huán)境，并利用原水中的NO2-和NH4+為原料進(jìn)行厭氧氨氧化，實現(xiàn)生物脫氮。

5 結(jié)語

隨著生物脫氮工藝的進(jìn)步，目前不僅有較高的氮磷去除要求，還要求處理效果的穩(wěn)定和相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝早已不能滿足現(xiàn)有的污水脫氮需求。新興的工藝已基本成熟，但尚未大規(guī)模在全國應(yīng)用生產(chǎn)。同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化工藝等仍在實際應(yīng)用中存在弊端，需要不斷更新發(fā)展，與自動化、計算機(jī)技術(shù)等結(jié)合，使各項工藝在污水處理行業(yè)有更廣泛的應(yīng)用。