廢水脫氨氮技術(shù)研究進(jìn)展
摘要：對(duì)廢水生物脫氨氮技術(shù)在傳統(tǒng)硝化反硝化工藝和開發(fā)新型生物脫氨氮技術(shù)這2個(gè)發(fā)展方向上的進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述。傳統(tǒng)硝化反硝化工藝的研究主要集中在同步硝化反硝化、新型載體和微量活性物質(zhì)開發(fā)幾個(gè)方面，具有工藝成熟、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。新型生物脫氨氮技術(shù)的研究主要包括全程自養(yǎng)脫氨氮、短程硝化反硝化脫氨氮、厭氧氨硫化脫氨氮和人工濕地脫氨氮4種方法，這些方法還處于試驗(yàn)研究階段。
關(guān)鍵詞：脫氮方法 生物脫氨氮 綜述
1 概況
由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、人口的劇增及城市化，大量含NH3-N的生活污水和工業(yè)廢水被排入天然水體。存在于水中的NH3-N對(duì)人體有一定的毒害作用，對(duì)水中的生物也有一定的毒性，文獻(xiàn)[1]報(bào)道對(duì)魚類的致毒劑量為2.6×10-2mg/L。NH3-N還是高耗氧性物質(zhì)，每毫克NH3-N氧化成NO3--N要消耗4.57mg的DO，較高的氨氮濃度會(huì)直接導(dǎo)致水質(zhì)的黑臭[2]。作為一種無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，NH3-N還是引起海洋、湖泊、河流及其它水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。
廢水脫氨氮方面，普遍認(rèn)為生物脫氨氮是最經(jīng)濟(jì)的[3],這方面的研究和應(yīng)用相對(duì)較多。傳統(tǒng)的硝化反硝化生物脫氨氮工藝是國(guó)內(nèi)外采用最多、技術(shù)最成熟的生物脫氨氮工藝，但這些工藝成本高、能耗大、占用空間多。目前，廢水生物脫氨氮技術(shù)有2個(gè)主要的發(fā)展方向，即對(duì)傳統(tǒng)硝化反硝化工藝進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)開發(fā)一些新型生物脫氨氮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢水生物脫氨氮技術(shù)的多樣化。本文對(duì)廢水生物脫氨氮技術(shù)在這2個(gè)發(fā)展方向上的進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述。
2 傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氨氮
傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氨氮的基本原理是：好氧條件下，NH3在自養(yǎng)硝化菌作用下轉(zhuǎn)化為NO3-；厭氧條件下，NO3-在異養(yǎng)反硝化菌作用下轉(zhuǎn)化為N2，排入大氣。目前這方面的研究主要集中在同步硝化反硝化、新型載體和微量活性物質(zhì)開發(fā)幾個(gè)方面。
2.1同步硝化反硝化脫氨氮
同步硝化反硝化（SND）生物脫氨氮是利用硝化菌和反硝化菌在同一反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化得以脫除NH3-N。國(guó)外有不少試驗(yàn)和報(bào)道證實(shí)存在同步硝化反硝化現(xiàn)象[4～7]。同步硝化反硝化有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 設(shè)備體積減小，節(jié)省費(fèi)用[8，9]；(2) 曝氣需求降低，節(jié)省能耗；(3) 設(shè)備的處理負(fù)荷增加；(4) 反應(yīng)器中pH保持穩(wěn)定。
SND為降低投資成本、簡(jiǎn)化生物脫氨氮技術(shù)提供了可能，在這方面的研究和報(bào)道也較多。李叢娜等[8]對(duì)活性污泥SBR反應(yīng)器同步脫氨氮系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水COD/NH3比值越高，TN去除率越高，同步硝化反硝化現(xiàn)象越明顯，由此推測(cè)活性污泥菌膠團(tuán)中存在異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌。曹國(guó)民等[10]利用固定化細(xì)胞膜將脫氮反應(yīng)器一隔為二，膜的一側(cè)與好氧的NH3-N廢水接觸，另一側(cè)與缺氧的乙醇水溶液（碳源）接觸。固定于膜中的硝化細(xì)菌將氨NH3-N化成NO2-N和NO3--N，隨即被同一膜中的反硝化細(xì)菌還原成N2，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氨氮。該反應(yīng)器不用直接向廢水投加碳源，剩余的碳源可重復(fù)利用，節(jié)省了同步生物脫氮過程中的碳源。Fuerhacker M等[11]對(duì)一種新型活性污泥同步硝化反硝化反應(yīng)器的控制戰(zhàn)略進(jìn)行研究，結(jié)果表明同步硝化反硝化活性污泥處理可取得較好的TOC（總有機(jī)碳）和TN去除率，指出要控制活性污泥同步硝化反硝化，必須對(duì)ORP（氧化還原電位）、TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)碳）和NO濃度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合。
2.2新型載體開發(fā)脫氨氮
開發(fā)新型載體是改進(jìn)傳統(tǒng)硝化反硝化脫氨氮工藝的另一種途徑。
采用新型載體的目的在于通過載體上的高生物質(zhì)量得到一種高負(fù)荷的硝化反應(yīng)器。Welander U等[12]利用懸浮載體生物膜反應(yīng)器去除市政垃圾填埋滲濾液中的NH3-N，獲得最大的NH3-N硝化速率0.6kg/(m3·d)。王晉等[13]采用經(jīng)過波浪形定型處理的無紡布作為填料，設(shè)計(jì)出一種新型固定床式生物膜反應(yīng)器，并利用人工合成的高NH3-N廢水對(duì)該反應(yīng)器的性能進(jìn)行研究，得到在NH3-N容積負(fù)荷為1.7 kg/(m3· d)情況下，可實(shí)現(xiàn)98％以上的NH3-N去除率。Son D H等[14]向氧化/虧氧系統(tǒng)中添加沸石作為生物載體循環(huán)，可使合成廢水中的NH3-N去除率提高到97％。Michal Green等[15]向流化床反應(yīng)器中投加白堊石（Chalk）作為生物膜介質(zhì)和緩沖劑，得到最大的NH3-N硝化速率1.4 kg/(m3·d)。
2.3微量活性物質(zhì)開發(fā)脫氨氮
向反應(yīng)器中添加微量活性物質(zhì)可以增強(qiáng)硝化菌、反硝化菌的活性，或降低有害物質(zhì)對(duì)硝化菌、反硝化菌的影響，最終提高硝化及反硝化的速率。Albert等[16]研究得到加入三價(jià)或四價(jià)金屬鹽，特別是鐵、鋁等離子可以加快硝化反硝化速率。Nakayama等[17]證實(shí)投加三價(jià)鐵鹽可以催化系統(tǒng)中亞硝酸鹽的分解。Wuertz S等[18]研究得到加入磷酸鹽/煙酸或鉬酸鹽/核黃素可以降低廢水中有害物質(zhì)對(duì)硝化菌的影響，提高廢水脫氨氮的效果。
3 新型生物脫氨氮
新型生物脫氨氮技術(shù)與傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氨氮技術(shù)的原理不同，它包括全程自養(yǎng)脫氨氮、短程硝化反硝化脫氨氮、厭氧氨硫化脫氨氮和人工濕地脫氨氮等方法。這些方法多數(shù)處于試驗(yàn)研究階段，技術(shù)尚不成熟，但它們開辟了廢水生物脫氨氮技術(shù)的新領(lǐng)域。
3.1全程自養(yǎng)脫氨氮
全程自養(yǎng)生物脫氨氮是在限制DO下（1.0mg/L左右），由自養(yǎng)菌完成整個(gè)NH3-N去除過程，不存在明顯的異養(yǎng)反硝化。其原理如下：在生物膜外層，NH4+離子在硝化菌作用下轉(zhuǎn)化成NO2-或NO3-( NH4+＋1.5O2→NO2-+H2O+2H+，0.5O2+NO2-→NO3-)；在內(nèi)層發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，即NO2-或NO3-作為電子受體，NH4+作為電子供體轉(zhuǎn)化為N2(NH4+＋NO2-→N2＋2 H2O，10 NH4+＋2 NO3-＋5 O2→6 N2＋16 H2O＋8H＋)[19，20]。
這種方法無需曝氣，能耗僅為常規(guī)硝化反硝化脫氨氮能耗的1/3～1/2，無需添加有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化，處理費(fèi)用大為降低。楊虹等[21]對(duì)全程自養(yǎng)脫氨氮技術(shù)處理污泥脫水液進(jìn)行研究，得到當(dāng)懸浮填料床反應(yīng)器中的主控條件為T＝28℃、pH＝8.0、DO為0.8～1.0mg/L時(shí)，兩級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器的平均NH3-N表面負(fù)荷為3～4g/(m2·d)，總的全程自養(yǎng)脫氮率達(dá)70％左右。
3.2短程硝化反硝化脫NH3-N
短程硝化反硝化又叫亞硝化反亞硝化，其原理是將NH4+氧化控制在亞硝化階段，之后再進(jìn)行反硝化，即NH3－N→NO2-－N（亞硝化）→NO2-－N（反亞硝化）→N2。短程硝化反硝化生物脫氨氮與傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氨氮相比，在處理高濃度含NH3水時(shí)具有潛在的優(yōu)勢(shì)[22～25]：(1) 節(jié)省25％的能耗（耗氧量）；(2) 節(jié)省40％的碳源；(3) 縮短反應(yīng)歷程；(4) 加速反硝化速率；(5) 提高NH3-N脫除效率。
唐光臨等[26]對(duì)影響亞硝化反亞硝化生物脫氨氮的研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，指出實(shí)現(xiàn)亞硝化反亞硝化的關(guān)鍵是尋求抑制硝化菌而不抑制亞硝化菌活性的合適條件，防止生成的NO2-轉(zhuǎn)化成NO3-。國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，通過控制環(huán)境的溫度、pH、DO、游離NH3濃度等因素，實(shí)現(xiàn)亞硝化反亞硝化是可能的，但還不成熟，尚無定論。由于微生物具有適應(yīng)性，隨時(shí)間推移，前述控制條件下硝化細(xì)菌有可能不再受到抑制。因此對(duì)可以穩(wěn)定抑制硝化菌的控制條件的探索將成為重要的研究?jī)?nèi)容 [27～33]。
3.3厭氧氨硫化脫氨氮
厭氧氨硫化脫氨氮的原理與厭氧氨氧化的相似。傳統(tǒng)厭氧生物處理含高濃度TKN（總凱氏氮）和SO42-廢水時(shí)，一般表現(xiàn)為高氨化、幾乎無N2生成和SO42-完全還原成S2-[34]。Fermando Fdz-Polanco等[35]在用GAC（顆粒活性炭）厭氧流化床處理甜菜糖漿乙醇蒸餾液廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)生物產(chǎn)氣中N2濃度比通常情況高。液相和氣相中氮磷化合物的物料衡算分析表明，N和S之間存在一個(gè)新的反應(yīng)歷程，即SO42－＋2NH4＋→S＋N2＋4H2O。采用厭氧硫化脫NH3-N，可實(shí)現(xiàn)S、NH3同步脫除，避免硫化還原菌與反硝化菌爭(zhēng)奪反硝化過程中的碳源而抑制反硝化的進(jìn)行，同時(shí)還可防止硫化還原菌把NO3-還原成NH4＋。厭氧氨硫化脫氨氮的反應(yīng)歷程以前從未有報(bào)道，許多諸如溫度、基質(zhì)濃度、pH等影響反應(yīng)的因素和控制反應(yīng)的條件還有待進(jìn)一步研究。
3.4人工濕地脫NH3-N
人工濕地通過2種途徑脫除廢水中的NH3-N：(1) NH3-N作為植物生長(zhǎng)過程中的營(yíng)養(yǎng)元素，被濕地中的植物吸收，用于植物蛋白質(zhì)等有機(jī)氮合成，通過對(duì)植物的收割將它們從廢水和濕地中去除；(2) 濕地中的NH3-N還可通過微生物的硝化反硝化作用去除。濕地系統(tǒng)中的植物根系有輸氧和傳遞氧作用，使得床體中呈現(xiàn)出連續(xù)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2/O處理單元，使硝化和反硝化作用在濕地系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生[36]。
人工濕地處理系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)活性污泥法更強(qiáng)的脫氨氮能力，并且工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)。Huang J等[37]人用地表流人工濕地系統(tǒng)處理生活污水，得到最高的NH3-N去除率73.4％，并且出水中隨停留時(shí)間的增加NH3-N濃度呈指數(shù)減少。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
