城镇污水厂常用污水深度脱氮技术比较分析

吴兴海,杨 露

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)



城镇污水厂常用污水深度脱氮技术比较分析

吴兴海,杨 露

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

摘要：阐述了污水深度脱氮的必要性，在阅读大量文献的基础上，结合城市污水处理厂提标改造的工程经验，比较分析了常用污水深度脱氮技术的特点及运用现状，并对研究重点及难点进行了总结。

关键词：提标改造;深度脱氮;城市污水;物理化学法;生物法

1引言

研究污水脱氮，探索适合我国国情而且经济有效的脱氮工艺，是目前亟待解决的重要课题。对氮污染的去除，目前大多数釆用的是传统生物脱氮工艺，然而，污水中较低的COD含量会限制传统生物工艺对氮的去除效果，导致污水厂出水存在较高的硝酸盐，从而使得出水总氮含量偏高[1]。这一问题在南方地区以及排水系统为雨污合流制地区尤为严重，我国南方许多城市污水厂的进水BOD5常在100 mg/L以下，CODcr小于200 mg/L，十分不利于总氮的去除[2，3]。随着国家对污水厂出水水质要求的提高，尤其是对出水总氮含量的要求更加严格，许多污水厂都面临着提标改造的任务。

二级出水的硝酸盐氮的去除是世界性难题，许多学者在大量研究的基础上，发展了多种深度脱氮技术。结合我国污水厂提标改造任务的实践经验，对城镇污水厂深度脱氮技术的特点及应用进行了总结分析。

2污水深度脱氮必要性

水体中氮元素过量是造成水污染的重要因素之一，其带来的危害是多方面的，其中的一个突出问题就是水体的富营养化，不仅破坏了水体的生态平衡，同时威胁到水源地的取水安全，进一步加剧了水资源的短缺局面。根据《2014年中国环境状况公报》[4]显示，我国主要的淡水湖泊中，太湖、洪泽湖和巢湖湖体为轻度富营养，滇池湖体为中度富营养。污水经过处理后产生的再生水是城市的“第二水源”，可以替代部分清洁水源，或补充到城市内河、内湖和地下水中[5，6]，在一定程度上缓解了城市的缺水危机。目前我国城市内河多数执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类(TN1.5 mg/L)或V类(TN2.0 mg/L)标准，但城市污水厂排水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，TN排放限值为15 mg/L，既不能满足城市内河IV类或V类标准要求，也不能满足地下水源补充水的要求。

随着国家对水污染治理力度的不断强化及对污水厂尾水污水排放标准的不断提高，对污水厂出水TN进行深度处理，严格控制氮的达标排放已经成为新建或现有污水处理设施升级改造的核心目标。

3常用污水深度脱氮技术及其特点

到目前为止，开发的污水深度脱氮技术种类较为丰富，根据基本原理的不同，主要可分为物理化学法和生物法两种。物理化学法只能去除氨氮，基本原理是利用氮的几种存在形态的特点，尤其是利用气态氮的特点，将废水中的氮转化生成气态氮或交换固定氮，以达到从废水中脱氮的目的，工艺主要有折点加氯法、离子交换法、膜分离法等；生物法脱氮的主要原理是经过硝化反硝化处理，将水中的氮还原成气态氮化物(主要是N2)排出体系外，生物法主要有反硝化生物滤池(DNBF)、移动床生物膜反应器(MBBR)、人工湿地法等。

3.1物理化学法

3.1.1折点加氯法

折点加氯法是向废水中添加适量的二氧化氯、氯气、液氯以及次氯酸盐(钠盐或者钙盐)等含氯氧化剂，将污水中的氨氮氧化为气态氮，从而达到脱氮的目的。当氯气通入废水中的量达到某一点时，水中游离氯含量较低，而氨氮浓度趋于零，继续通入氯气，水中游离氯含量逐渐增加，因此该点被称为折点。它所涉及的主要化学反应式如下：

Cl2+H2O →HClO+H++Cl-

(1)

(2)

2NH2Cl+HClO →N2+H2O+3H++3Cl-

(3)

(4)

氯化法除氮的关键是投加氯氧化剂的量要合适。按化学计算，折点加氯反应需氯量(以Cl2计算)对NH3-N的重量比(即折点)为7.6∶1，折点的分子当量比为1.5∶1。折点加氯法的主要反应产物是N2，具有脱氮效率高(可达90 %～100 %)、投资少、反应速率快的优点，并且有消毒的作用[7]。折点加氯法虽然初次投资少，但运行费用较高，处理后水中残留的氯及副产物氯胺、氯代有机物会造成二次污染，因此出水在排放前往往需要用活性碳或二氧化硫去除水中残留的氯[8，9]，且只适用于处理低浓度氨氮废水。由于折点加氯法脱氮效果受温度的影响较小，因此在生化处理效果较差的环境如北方低温地区有明显的优势[10]，此外，其在中水回用及自来水消毒领域也有一定的运用[11，12]。

3.1.2离子交换法

离子交换法是利用离子交换剂上的可交换离子和废水中的氨氮离子进行交换而去除水中的氨氮，该交换过程是可逆的，反应的推动力靠离子间的浓度差和交换剂上功能基对离子的亲和能力[13]。当交换剂达到饱和后，交换剂需要再生。离子交换法具有工艺简单、操作方便、投资少等优点，但由于高浓度的氨氮废水会使吸附剂饱和过快而需要频繁的再生，因此吸附法只适用于中低浓度氨氮废水的深度处理[8，14]，去除率可达93～97 %，当氨氮浓度为10～50 mg/L时，可将出水氨氮浓度控制在3 mg/L以下[15]。天然沸石是常用的天然无机离子交换剂，其结构稳定，对铵离子有较高的吸附力和选择性，且价格低廉，来源广泛，是研究的热点[11，12，16]，此外，离子交换树脂及改性后沸石也是常用的交换剂[17，18]。

3.1.3膜分离法

膜分离法是利用膜以外的能量或化学位差作为推动力对水溶液中某些物质进行分离的方法，主要分为电渗析、微滤、超滤、反渗透和纳滤等[19]。膜分离法作为一种分离新技术，不仅能净化废液和回收废液中的有用物质，同时具有投资少、无污染、低能耗等优点[20]，但也存在膜污染、部分膜分离技术对废水水质要求较高等问题[19，21]。膜分离技术只是个纯粹的物理过程，只有结合其他技术才能充分发挥其作用，才能达到预期的分离效果，目前二级出水的集成膜系统工艺已经成熟并得以广泛推广[22]，处理后的水质达到回用水的标准[23]。

3.2生物法

3.2.1反硝化滤池

反硝化生物滤池(DNBF)主要作用机制是利用滤池内部的滤料及生物膜吸附截流作用和料上所附着生物膜的代谢分解作用来去除水体中的主要目标污染物，达到脱氮的目的[24，25]，其具有占地面积小，处理效率高，工程投资费用少等优点[26]，是城市污水深度处理领域研究和应用的热点。反硝化滤池在我国特别是一些污水本身碳源较低的地区得到了一定的应用[27～29]，结果都表明：反硝化滤池启动快，且根据进水水质确定是否投加碳源，实现过滤功能和反硝化功能的相互转换；反冲洗废水率低，可以有效降低反冲洗废水的费用；池体本身无易损易耗件，无须补砂，池体终身免维护；在外加碳源的情况下，出水各项指标均低于一级A标准，运行效果稳定，尤其是TN去除效果明显，可稳定低于5 mg/L。

3.2.2移动床生物膜反应器

移动床生物膜反应器(MBBR)是由挪威KaldnesMijecpteknogi公司与SNTEF研究所于20世纪80年代后期共同开发的[30]。该方法原理是向反应器中投加比重接近水的填料，通过曝气或揽拌使填料处于悬浮状态，微生物慢慢在填料上富集形成生物膜，同时不断摄取污水中的营养物质，从而达到进化污水的目的[31]。MBBR结合了传统污泥法和生物膜法的优点，具有处理能力高，能耗低，不需要反冲洗及不易堵塞等特点，可在好氧、厌氧等各种条件下运行[32]。何群彪等[33]采用CEPT-MBBR工艺对低浓度生活污水进行处理，结果表明组合工艺脱氮除磷效果稳定、可靠，出水水质好，不仅适用于脱氮除磷要求高的新建污水处理厂，也适用于对现有污水处理厂的升级改造。

3.2.3人工湿地法

人工湿地是一种新型的废水处理技术，它依据天然湿地净化污水的原理，通过人为建造和监督控制使其净化能力得到增强[34]，它的净化能力远超过天然湿地。人工湿地有多种脱氮机制，包括生物(微生物作用、植物吸收等)、物理(沉积、挥发等)和化学反应(吸附作用)。人工湿地作为一种深度处理城镇污水厂尾水的的有效手段[35，36]，可大幅削减进入受纳水体的氮磷污染负荷，改善受纳水体的水质，具有投资成本低、能耗低的优点。武海涛[37]研究了香蒲枯叶、芦苇秸秆、芦苇枯叶、香根草、再力花枯叶作为外加碳源，经过不同预处理方式(碱处理及简单处理)后对人工湿地系统脱氮效果的影响，结果表明，人工湿地系统对硝态氮都有良好的去除效果，去除率在80.0 %～99.0 %之间。但人工湿地系统占地面积较大，且脱氮效果受气温、季节等因素影响较大。

4结论与展望

采用物理化学法对污水进行深度脱氮时，成本相对于生物法普遍较高，且只能去除氨氮离子。此外，物理化学法脱氮时对废水预处理要求较高，部分技术存在二次污染的风险或后续处理过程复杂，因此在实际工程中没有生物法运用的广泛。生物法脱氮要取得良好的效果，需要控制的的影响因素较多，操作较为复杂，主要有水力停留时间(HRT)、碳源类型、碳氮比、溶解氧、温度及pH值等；当进水水质及流量发生变化时，也会对脱氮效果产生一定影响。

伴随着我国城市污水厂提标改造任务的进行，污水深度脱氮技术必然会得到越来越广泛的运用，对于深度脱氮技术的研究也将受到越来越多的重视。在物理化学法中，离子交换剂容量的提高、性能的改善，研制抗污染、易清洗、耐高温、抗溶剂的长寿命膜及膜组件等都将成为研究的热点；生物法中，反硝化过程需要投加一定的碳源作为电子供体，碳源的种类以及投加量在很大程度上决定了生物法脱氮的成本，因此对碳源种类的选择以及如何实现碳源的精准投加一直是研究的重点，此外，滤料是滤池系统的核心部分，选择合适的滤料是滤池运行的一个关键因素，对其的研究和开发具有重要的科学意义和实用价值。

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Comparison and Analysis on the Technology of Deep Denitrification in Municipal Wastewater Treatment Plant

Wu Xinghai,Yang Lu

(CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The necessity of wastewater deep denitrification were expounded in this article. Based on extensive review of literature, this article concluded the characteristics and application actuality of common technologies for wastewater deep denitrification combined with upgrading and reconstruction engineering experience in wastewater treatment plant. At the same time, research hotspots and technology difficulties were summarized.

Key words:upgrading and reconstruction; deep denitrification; urban sewage; physical-chemical method; biological method

收稿日期：2016-04-27

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(编号：2014ZX07303003-07)

作者简介：吴兴海(1991—)，男，同济大学环境科学与工程学院硕士研究生。

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0015-03