城市污水处理厂总氮处理效能的提升

聂海伦

（山东省城建设计院，济南 250100）

随着水体富营养化的加重，我国迫切需要找寻一种经济有效的脱氮方法。城市污水厂常用的脱氮方法是生物脱氮技术，但是，污水的COD含量会影响传统生物脱氮技术的去除效率，影响水中硝酸盐含量，导致出水总氮含量较高[1]。我国南方地区城市污水厂特别容易出现COD含量不稳定的因素，影响传统工艺的脱氮效能。在氨氮处理上，多种深度处理工艺被广泛研究。本文深入研究了城市污水厂总氮处理效能的提升方法。

1 污水脱氮现状

总氮是造成水环境污染的重要因素，总氮含量超标能带来许多问题，常见的就是水体富营养化。城市污水厂处理后的污水被称为城市的第二水源，可以补充到湖泊和河流中，可以补充地下水，也可以替代部分自来水。目前，我国城市污水厂出水仍存在总氮偏高的情况，并不能完全满足第二水源的要求，也不能有效补充地下水，所以脱氮任务依然艰巨。随着国家监管力度的加大，城市污水处理厂要严格管控总氮指标，总氮处理效能提升已经成为污水行业的主要目标。

2 污水脱氮原理

目前，污水脱氮方法可以分为两种，一种为物理脱氮，另一种为生物脱氮。物理方法是将水中氮元素转换为气态或者交换氮，最终脱除废水中的氮元素。常见的物理脱氮技术有膜处理技术、加氯法、离子交换技术等。生物脱氮技术是污水处理厂应用最广泛的脱氮技术，其主要利用硝化、反硝化反应，将水中的氮元素转化为对环境无害的氮气，然后排到空气中。生物脱氮常见的有生物膜法、生物滤池、人工湿地等。

2.1 生物脱氮技术

生物脱氮技术是指利用微生物的分解能力，将氨态氮和硝酸盐氮等氮污染物分解，将污水中氮元素分离出来[2]。微生物存在于活性污泥中，活性污泥分离氮元素可分为两个过程，一是硝化反应，在硝化过程中，活性污泥将-N氧化为NOx-N，氮元素化合价降低。二为反硝化过程，NOx-N被还原为氮气。氮气自发从污水中脱除，对环境基本没有影响。生物脱氮反应如下：

污泥反硝化过程中，反硝化微生物主要是异养厌氧型的微生物，这些微生物以污水中的有机物作为电子供体，以硝态氮作为电子受体。因为其电子供体为有机物，所以反硝化过程对于有机物的种类和数量具有较高要求。

2.2 物理脱氮技术

物理脱氮技术主要依靠物理技术来分离污水中的氮元素，该方法相比较生物脱氮技术应用较少，加氯法是向污水中加入二氧化氯等含氯氧化剂。另外还有离子交换法，该方法是利用离子交换剂与污水中的氨氮离子进行交换，离子交换反应是可逆反应，当交换剂吸附快饱和时，需要更换交换剂。高氨氮浓度的溶液会使吸附剂很快达到饱和，所以离子交换技术适用于那些氨氮浓度不高的污水。

3 总氮处理提升效能工艺

3.1 A2/O工艺

A2/O工艺是目前广泛应用的一种脱氮除磷技术，该工艺是在A/O工艺的基础上研发出来的[3]。A2/O工艺适用于城市大型污水处理厂，具有很多优点，如处理流程简单、处理污水量大等。A2/O工艺需要应用回流技术，回流造成费用高、抗冲击能力低。在A2/O工艺的基础上，近年来，人们研究出许多衍生工艺，如UCT工艺、改良型A2/O工艺和Bardenpho工艺。

3.1.1 UCT工艺

该工艺是指好氧池出水和污水中的污泥和污水一同进入缺氧池中，通过分配好氧池中的回流比，使缺氧池中进水的硝酸盐浓度降至为零，为厌氧段中微生物提供良好的生存环境，提高效率。

3.1.2 Bardenpho工艺

Bardenpho工艺是将两级A/O工艺进行串联，第一好氧池中的硝化液回流到第一缺氧池中，能够达到脱氮效能提升的目的。目前研究的五段式工艺能够在同步脱氮除磷的基础上提升运行效率[4]。

3.2 生物接触氧化法

生物接触氧化法是利用生物膜来处理污水，污水中的污染物和微生物充分接触，在水流作用下，曝气过程创造了良好的好氧环境，生物膜上的微生物能够把氨氮物质分解。良好的固定材料和负载性能是生物接触氧化法所必需的，生物接触法常用的材料有悬浮填料、柔性填料等，该方法具有脱氮处理效率高、造价便宜等优点。

3.3 MBBR

MBBR工艺是指投加一定比例的填料作为载体，微生物在反应器中生存，在外力搅拌作用下，填料处于流动状态，使微生物和有机物充分接触，有机物被降解。MBBR作为一种新兴的反应器，继承了传统活性污泥的优点。在城市污水厂中，MBBR近年来凭借占地面积小、处理量大、施工成本低等优点，被广泛应用。

MBBR自被研发出来，就备受关注，目前已经在超过15个国家的100多个污水厂中使用。大多用于去除市政污水中的有机物和总氮，效果良好。Chandier等人研究发现，添加塑料等填料来处理工业废水，能够使BOD处理效率达到92%[5]。MBBR工艺与其他类型工艺组合使用，能够有效处理高浓度的氨氮废水。

3.4 新型生物脱氮技术

目前，新兴的生物脱氮技术主要有同步硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、短程硝化工艺[6]。

3.4.1 同步硝化反硝化技术

传统生物脱氮工艺中，氨氧和反硝化是独立运行的。近年来，人们研究并发现了许多异养型氨氧化微生物，氨氧过程和反硝化过程能够在同一个设备中同时进行。这就是同步硝化反硝化工艺。

同步硝化反硝化工艺能够减少反应容器的体积，提高反应速度。稳定的pH是同步进行硝化、反硝化的前提，这样能够节省加碱成本。该工艺大大减少了经济投入，拥有广阔的发展空间。

3.4.2 短程硝化反硝化技术

20世纪90年代，荷兰研发出短程硝化反硝化技术，该工艺是在氨氧化阶段将氨态氮转换为亚硝酸盐氮，不用经过硝酸盐氮步骤。接下来，亚硝酸盐氮被反硝化为氮气。短程硝化反硝化技术节约了步骤，反应时间较短，反应所需的容器体积小，所需的碳源投加量少，达到了节约、经济的目标。

短程硝化反硝化对温度、溶解氧、pH和底物浓度等参数要求严格。温度对该工艺中的AOB和NOB的生长速率影响很大，在温度小于20℃时，AOB的生长速率比NOB慢，在20～34℃时，AOB的生长速率逐渐增高。研究发现，反应温度控制在30～35℃时，处理效果最好。AOB和NOB都需要供给氧气，所以适宜的溶解氧浓度也是反应的必备条件。

3.4.3 厌氧氨氧化技术

该技术是在缺氧环境下，以氨气为电子供体，将亚硝酸盐还原成氮气[7]。反应方程式如下：

该技术使用NH3作为电子供体，不需要外界氧气供给。相比于传统工艺，该工艺可以减少大量供气，减少了运行费用。此外，该技术无需为微生物提供营养介质。但是，该工艺对微生物的生活环境要求十分严格，设备启动相对麻烦。

4 结论

污水处理厂脱氮大都采用生物除氮方法，成本比物理脱氮低。但是，生物脱氮技术需要控制的环境条件较多，如温度、pH、溶解氧浓度等。近年来出现的新型脱氮工艺，比传统的活性污泥方法缩短了反应过程或反应时间，压缩了反应空间，从而能够大大节约成本，更有利于长远发展。今后应该加大研究新型脱氮工艺，将新型工艺早日应用到实际工程中。