污水处理中生物脱氮工艺的研究进展

边春捷

（中广核宏达环境科技有限责任公司山东济南250300）

污水处理中生物脱氮工艺的研究进展

边春捷

（中广核宏达环境科技有限责任公司山东济南250300）

氮元素在自然界中大量存在，是非常丰富的元素之一，它在自然界中主要以分子氮、有机氮化合物和无机氮化合物的形式存在。它们在微生物、动物、植物体内相互转移、转化，构成了氮循环。而微生物在其中起着非常重要的作用，主要通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用来实现的。而目前，水体污染越远越严重，处理难度越拉越大，生物处理工艺受到了更多的重视。

生物脱氮；污水处理；工艺

1　生物脱氮技术的机理

1.1氨化作用

氨化作用是脱氮作用的初始步骤，是将有机氮化合物转化为氨氮的一个过程。在这个步骤中起关键作用的微生物称为氨化菌，其分布较为广泛，包括好氧的灵杆菌、兼性变形杆菌、厌氧的腐败梭菌等。其脱氨作用根据不同的菌类分为好氧型和兼性、厌氧型的，在好氧菌中有氧化脱氨和水解脱氨；在兼性、厌氧型菌种有还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种。

1.2硝化作用

硝化作用是利用亚硝酸菌和硝酸菌将氨氮转化为硝酸氮的过程，该过程的微生物为好氧自养型微生物，利用氨氮、亚硝酸盐为氮源，CO32-、HCO-、CO2等作为无机碳源来获得能量。其硝化过程的特征为：该过程是一个好氧的反应，且需要大量的氧气来完成；该反应过程中微生物生长率低，生物量浓度较低，且受环境条件较敏感；硝化过程是一个产酸的反应，在反应过程中需要补充大量的碱来保证反应的顺利进行。

1.3反硝化作用

反硝化作用是由反硝化菌完成的脱氮步骤，需在厌氧或兼氧条件下以硝酸氮为电子受体，最终还原为氮气或者氮的其他气态形式。该类细菌在自然界的分布极为广泛，而且在有氧的条件下，可以利用作为电子受体进行氧化有机物；在厌氧条件下可以利用硝酸氮来进行能量获取的过程，而且利用氧气和硝酸氮之间的转换是非常容易进行的，这也使得该微生物的生命力增强，对污水的冲击负荷能力较强。

2　传统生物脱氮工艺

目前实际中应用最多的技术有A/O工艺、A2/O工艺、氧化沟等。

2.1传统活性污泥法脱氮工艺

活性污泥法是应用最早的生物脱氮技术，是利用氨化、硝化和反硝化最为典型的污水处理技术。主要构筑物为曝气池、硝化池、反硝化池和沉淀池，在曝气池中进行氨化作用和有机物的降解，然后在硝化池中氨氮在亚硝化菌和硝化菌的作用下转化为亚硝酸氮和硝酸氮；在反硝化池中最终转化为氮气；该工艺分别在各自的构筑物中进行脱氮反应，反应速度快且彻底，脱氮效果非常好，但是其存在的缺点是工艺流程长、所需构筑物多、投资高等。

2.2缺氧—好氧（A/O）工艺

生物脱氮过程是自养菌、异养菌和需氧菌、厌氧菌参与的过程，它们相互配合，同时又相互制约。硝化过程无需有机碳，而发硝化过程需要大量的有机物参与；硝化过程是好氧反应，而反硝化过程是严格厌氧的条件；硝化反应是耗碱的过程，而反硝化是产碱的过程。正是由于存在这个联系和矛盾，研究者开发了新的生物脱氮工艺，将缺氧和好氧反应器独立开来，回流沉淀池中的污泥到缺氧反应器，同时好氧反应器中的污水向缺氧反应器中进行回流，该工艺称其为缺氧—好氧生物脱氮工艺，简称（A/O）工艺。

A/O工艺对传统活性污泥法进行了改进，解决了活性污泥法中的一些缺点，在目前的实际工程中有着广泛的应用。该工艺能够充分利用反硝化中产生的碱度，无需另行投加碱；此外，该工艺流程短，运行费用低。但其还存在一些确定，就是该工艺中需进行双循环，且出水中可能会含有硝酸盐，而且易发生二沉池污泥上浮的现象。

2.3厌氧/缺氧/好氧（A2/O）工艺

A2/O工艺是在A/O工艺的基础上进行开发研究的结果，是一种能够同时脱氮除磷的污水处理工艺。A2/O工艺是在A/O工艺前增加了厌氧构筑物形成了厌氧-缺氧-好氧的处理过程，在保证了脱氮效果的基础上增加了除磷的功能。在前端增加了厌氧池使得聚磷过程和反硝化得到了分离，解决了硝化菌、反硝化菌和聚磷菌之间存在的相互制约作用。

对A/O工艺进行改进的A2/O工艺本具有以下特点：（1）相比其它脱氮除磷工艺流程较为简单，水力停留时间低于同类工艺；（2）厌氧、缺氧和好氧条件交替运行，丝状菌不易大量繁殖且污泥膨胀现象较低；（3）该工艺中剩余污泥中含磷量较高，是磷肥的良好原料；（4）该工艺运行过程中不需要投加药剂，运行费用较低。

虽然A2/O工艺在一定程度上改进了工艺，提高了污水处理能力及效率，但是还存在一些问题，对于脱氮除磷的整体效果难于得到进一步的提高；在运行时需在沉淀池入水中保证一定的溶解氧，以便保证在污泥中出现释磷现象。

2.4氧化沟工艺

氧化沟工艺是在上世纪50年代由荷兰的研究者开发研制出的污水处理工艺。它是一种封闭的沟渠型结构，污水和污泥在整个渠道中不断的循环流动，根据处理的水质条件设置好氧区和厌氧区来实现污水脱氮。随着对污水水质要求的提高，氧化沟的构型和处理效果也进行了不断的改进。

氧化沟工艺使得处理构筑物更为简化，其在封闭的渠道中添加曝气装置，能够更加有效的控制好氧段和厌氧段；且在处理运行时无需外加碳源，降低了工艺运行的费用。大量的研究结果表明，在氧化沟中存在同步硝化反硝化的现象，对处理含氮污水有着更好的运行结果。

2.5间歇式（SBR）脱氮工艺

SBR脱氮工艺也是在对污水处理技术不断改进的条件下发展起来的。它的处理流程主要有进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期五个阶段。通过自控技术改变进水、曝气、排水等阶段，使得污水在反应器中实现COD的降解、硝化作用以及反硝化作用。SBR工艺相比其它脱氮工艺更为灵活，占地面积小，设计灵活适应各种地理条件。随着自动化技术的不断发展，使得SBR工艺也得到了提高，对其运行控制更为准确、灵活，也使得SBR工艺在脱氮技术方面有了更大的提高和应用的广泛性。

3　新型生物脱氮工艺

传统的生物脱氮工艺的改进主要通过调整工艺流程来实现的，进而改变硝化菌和反硝化菌的生存环境，解决它们之间存在的这种环境、营养物质的矛盾。随着对生物脱氮工艺的进一步深入研究，一些新型的工艺不断的涌现，对污水脱氮效果有着更为简洁和高效[1]。

3.1同步硝化反硝化脱氮工艺

传统的研究结果表明硝化反应和反硝化反应所需的环境不同，它们不能在同一个结构单元中共同实现。但随着对两类细菌及脱氮工艺的深入研究，发现在好氧状态下污水中有30%的总氮会被去除，这和传统的理论截然不同。再进一步的研究发现，在好氧的环境中也存在反硝化的现象，其存在着一种好氧反硝化的细菌。

随着同步硝化反硝化理论的出现，在一些污水处理工艺中也发现了类似的现象。目前对该理论的解释有三种：（1）环境理论：研究这认为在好氧的构筑物中，曝气的不均匀，在环境中局部出现了缺氧、厌氧和好氧的环境，因此在工艺运行过程中，会在局部出现适合反硝化反应的条件。（2）微观环境理论：该理论主要是针对颗粒污泥形式的微观环境，研究着认为在大于100μm的颗粒污泥中，在颗粒中回形成内部缺氧或厌氧的环境，进而在颗粒外部进行硝化反应，在内部进行反硝化作用，因此，可实现同步硝化反硝化。（3）微生物理论：认为存在好氧环境进进行反硝化的细菌，即好氧反硝化菌。在好氧环境中硝化菌和好氧反硝化菌相互协作，实现了同步硝化反硝化[2]。

3.2短程硝化反硝化脱氮工艺

在对脱氮工艺不断的研究中发现，生物脱氮可以氨化、亚硝化和反硝化来实现。以亚硝酸盐为电子受体，进行反硝化，从而节约了氨氮硝化过程中氧气的消耗，节省了动力费用，同时还减少了反硝化过程中碳源的消耗[3]。目前短程硝化反硝化主要应用于高浓度氨氮废水中，游离氨对亚硝化菌存在抑制作用。此外，亚硝化菌对温度以及环境中溶解氧浓度的要求都比较严格，其应用的广泛性和稳定性还需进一步研究，以保证其能够更加稳定的运行。

3.3厌氧氨氧化（ANAMMOX）脱氮工艺

厌氧氨氧化脱氮是由Mulder在流化床工艺中发现的，研究过程中发现氨氮和亚硝酸盐在厌氧条件下按照一定的比例可以同时被去除，后来将这一现象命名为厌氧氨氧化。其脱氮原理为在厌氧条件下，氨氮作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体，通过厌氧氨氧化菌的作用下转化为氮气。该工艺相比传统的硝化反硝化工艺具有很多优势：（1）该反应过程中只需要无机碳源，不需要添加有机碳源，节约了成本，同时也防止二次污染；（2）该工艺中只需将氨氮氧化为亚硝酸氮，节省了曝气设备的动力消耗；（3）厌氧氨氧化菌的反应几乎不产生N2O，避免了传统脱氮工艺中温室气体的排放。但其生长的时代周期较长，而且单独细菌个体不能生长。该工艺在应用技术上还需深入研究，进而保证良好的运行和处理效果，以改善传统的脱氮技术，提高处理能力。

4　结语

随着社会经济的发展，人类对水环境及其可持续发展的认识越来越加深，对废水处理工艺的要求也越来越高。目前生物脱氮技术还有许多领域需要深入研究，对处理的效果还应不断加强，应对其主要的影响因素重点研究，逐步解决各要素之间的相互关系。新的脱氮处理工艺，新的填料和新的硝化细菌等的探索和研究是将来生物脱氮技术的发展趋势，能源的节约和有效利用也是必需要考虑的重要因素。

[1]杨庆,彭永臻.中试规模的城市污水常、低温短程硝化反硝化[J].中国给水排水,2007,23（15）:1-3.

[2]马雅琳,沈宁一,舒余德.生物降解技术研究现状及发展趋势[J].湖南有色金属.2000,16(2):34-37.

[3]汤争争.短程硝化反硝化实现条件及稳定性研究[D].天津:天津大学,2006.

边春捷（1981—），男，蒙古族，内蒙古自治区通辽市人。