工业污水处理厂生物脱氮效率提升措施的研究

许兴原

（南京环保产业创新中心有限公司，江苏 南京 211500）

当前世界水资源紧张，社会用水需求激增，工业的发展使大量污水排入河流湖泊。一旦氮含量较高的污水排入河流，就会使河流湖泊水体中的氮含量迅速激增，致使水体富营养化，微生物繁殖速度加快，进而威胁人类用水安全。用水安全有两层含义：第一类是水体质量安全，第二类是水源数量安全。水源中的氮含量直接影响水体质量，因此污水处理过程中的氮含量是衡量水体质量的关键因素。因此在污水处理过程中，我们必须注重脱氮效率的提升。

1 生物脱氮技术研究

1.1 生物脱氮技术概述

生物脱氮技术主要指利用污水中某些细菌，在氧化还原作用的基础上产生的生物脱氮技术，这种技术从碳来源可分为外碳来源和内碳来源两种；从硝化反应中可分为硝化反应和反硝化反应两种；按照细菌状态不同，可分为活性法和生物膜。前者硝化菌、反硝化菌处于悬浮状态，而后者则依附于各类微生物膜上[1]。

1.2 生物脱氮技术基本原理

传统的生物脱氮技术，其脱氮过程主要分为氨化、硝化、反硝化三个阶段，其中氨化阶段是指利用各种异氧型微生物、好氧性微生物来分解污水中的氮物质，生成氨氮。硝化阶段是指利用细菌依靠酶系统使氨氮作为电子供体与氧反应，生成NO3-或NO2-。反硝化阶段指的是利用细菌依靠自身酶系统使NO3-及NO2-与无机碳发生反应，形成N2。生物脱氮可分为氧化工艺、两级活性污泥脱氮工艺和传统脱氮工艺，其主要涉及的化学反应如下。

（1）硝化反应主要包括硝化与亚硝化两个步骤。该反应活动需借助两种不同的硝化细菌来完成硝化反应。但由于所选用的两种细菌对环境较为敏感，因此为了顺利完成硝化反应，其反应环境必须保障有以下要素。首先具有好氧条件，且好氧度要≥1 mg/L。同时要保障有一定的碱度，并酸碱数值一般处5.9～9，硝化反应在5.5～9间均可反应。亚硝化要实现短程硝化与反硝化，pH需要控制在8以上，温度要高于24℃，这样可使亚硝化菌成为优势菌群。其次是反应环境温度要适宜，以20～30℃为标准。若反应环境温度不足15℃，其硝化反应速度将大幅度降低，若反应环境处在5℃左右，硝化反应活动将停止。再次，水中所放入的有机物应保持在合适的浓度。最后，硝化菌反应器停留时间不可低于最小值，通常为3～10 d。

（2）反硝化反应。NO3-N与NO2-N中的N反应存在两种形式。一种是同反硝化反应形成氮有机物，其最终反应形态为菌体。第二种是与异化反硝化反应形成有机氮，为完成上述反应需满足以下条件。首先是碳源，外加碳源是工业污水硝化反应中的主要碳源，若污水中的C/N超出3～5，则表明碳源充足，不需要再额外增加碳源；若污水中的C/N不足，则需要外加碳，借助甲醇补充工业污水中的碳源。其次，是酸碱值。为保障反硝化反应顺利进行，必须保障污水中的酸碱值，其数值以6.5～7.5为适当标准。若酸碱值小于6或者是大于8，均会对硝化反应速度产生影响。再次，是溶解氧环境。在硝化反应过程中，必须保障其溶解氧适宜，在缺氧环境下反硝化菌将会产生反硝化反应，因此需要控制工业污水中的氧含量，最大应控制在0.5 mg/L，愈小愈好。理论上该过程不应有分子氧的参与，但在实际工作期间很难真正达到理想状态，因此需把氧含量控制在最低。最后，是温度。反硝化反应对温度提出了较高要求，需要保障温度在20～40℃，若温度不足将极大降低硝化反应速度[2]。

2 工业污水处理厂生物脱氮现状

高效脱氮一直是城市工业污水处理中的难题，我国城市污水中通常含有大量工业废水，污水处理厂就成为了综合性的处理场所，因工业废水中的水质含量复杂，因此也为综合性污水处理厂带来了巨大挑战。传统的生物脱氮工艺，因其良好的脱氮效果，在各大污水处理厂中得到了广泛使用，但其在使用过程中极易因运行控制不当而降低脱氮效果[3]。其中高效生物脱氮一直是社会污水处理的关键难题。随着更加严格的排放标准的提出，许多污水处理厂都面临着提标改造这一问题。目前在提标升级改造中主要采用三级生物脱氮处理方法，例如反硝化滤池、深床滤池等，这样却大幅度增加了污水处理厂的运行成本。事实上，当前运行的生物脱氮工艺，并未充分发挥其生物脱氮潜力。

3 污水处理厂常见的生物脱氮技术

3.1 工艺原理

A2/O是利用好氧、厌氧以及缺氧段的不同微生物变化，来实现有机物氨氮的去除，通过二次沉池来实现泥水分离，将大分子转换为小分子，去除水中的有机物，为MBR工艺和曝气生物滤池工艺降低处理难度。MBR工艺借助缺氧、厌氧好氧微生物的硝化、氧化与反硝化反应去除氨氮，并借助膜的方式来实现泥水分离，为曝气生物滤池工艺预先去除水中泥污。曝气生物滤池工艺主要利用滤池表面生物膜中的不同微生物来实现硝化反应，进而去除工业污水中的氮元素，确保出水达标。

3.2 工艺特征

A2/O技术主要利用悬浮型活性污泥去除法，氧利用高，水头损失小，工业流程相对简单，具有较为成熟的管理流程，出水可靠，可通过对运行模式的调整来满足不同的工程需求。曝气生物滤池工艺使用附着型生物法，具有占地面积小、氧利用率高、投资成本小等特点，其缺点是水头损失较大、污泥量较大、CN去除效果较低，该法对水质有较高要求，运行经验少，存在较高的自控要求。MBR使用生物脱氮悬浮性污泥去除法和膜技术，其出水水质较高，占地面积较小，脱氮效果较佳，具有较强的抗冲击负荷性，但对水质具有较高要求，且其水头损失较大，设备投资成本高。

3.3 外界适应性

A2/O技术出水质较为稳定，对外界环境具有一定的适应性。曝气生物滤池出水水质稳定，外界条件适应性强，可对进水SS以及油脂进行预处理。MBR工艺水质相对稳定，对外界条件有着较好的适应性。

3.4 运行管理

A2/O工艺流程相对简单，运行管理较为成熟，设备需求量较少。曝气池工艺设备数量多，流程复杂，但自控度较高，管理相对困难。MBR工艺所需构筑物少，工艺流程相对简单，但自控要求较高。

4 提高污水处理厂生物脱单效率的方式

4.1 厌氧氨氧化

在厌氧环境下，NH4+-N+-N、NO2-N可分别作为电子供体、电子受体，形成氮气即为厌氧氮氧化。此外，在厌氧氮氧化下主要涉及亚硝化反应，亚硝化反应主要在好氧环境下发生，然后进入或回流至厌氧段进行厌氧氨氧化、厌氧氨氧反应两个过程。亚硝化反应中的细菌可在氧气充足的条件下实现NH4+-N+-N向NO2-N转变；在厌氧环境下可实现NO2-N为主要电子受体，进而将NH4+-N向氮气转化，此方式所具备的优势如下：首先，在反应过程中不需要额外添加碳源，以NH4+-N便可作为电子载体，可以在最大限度上节约运行费用。其次，其所需要的能源消耗较少，若不考虑细胞合成这一要素，最少可降低62.5%的能耗。厌氧氨氧反应中，每氧化NH4+-N仅需0.75 mol，在硝化反应中最低氧耗0.75 mol NH4+-N。最后，在此类氧化反应中所使用的添加剂量最少，在通常情况下，此类氧化反应中，生物产碱量通常为0，同时其产酸量也将随之降低。

4.2 短程硝化反硝化

传统的生物脱氮理论认为，污水处理中的亚硝化细菌、硝化细菌等可将工业污水中的NH4+-N生成NO3--N，并借助反硝化细菌生成氮气，进而去除工业污水中的氮元素。在污水处理过程中为提升脱氮效率，可在NO2--N阶段便完成硝化反应，使NO2--N形成最终的电子受体，同时有机物也可在该反应过程中成为电子供体，完成反硝化反应。PH值为7.5～9.2最佳，温度在30℃，即可为短硝化反应提供基础，通过该反应步骤还可积累大量的NO2-N，因其可在NO2--N阶段便可完成硝化反应，使NO2--N形成最终的电子受体。因此该方式具备以下优势：首先，该反应可最大限度上减少碳消耗、能源消耗、反应时间，提高硝化速率，降低污泥产率[4]。

5 结论

随着社会的快速发展，资源紧缺问题也日益严重，为此必须提升工业污水处理水平，保障出水水质，以提升水资源利用率。其中生物脱氮工艺在保障水资源质量方面占据着重要位置。未来围绕工业污水生物脱氮效率这一问题，我们还应持续开展相关研究，对厌氧氨氧化、短程硝化反应提高生物脱氮效率的优势进行分析与优化。这样可以切实提升工业污水处理厂生物脱氮速率，保障出水水质，提高水资源利用率。