污水生物脱氮工艺技术应用分析

夏丽君

（常州西源污水处理有限公司，江苏 常州 213135）

在国家发展政策进行深刻转型之际，绿色、环保和可持续的发展理念已经深入人心。面对城镇的污水处理问题，需要找寻更高效和更彻底的解决方案。当前国内在城镇污水处理中使用最广泛的传统生物脱氮工艺，始终存在着工艺流程复杂、成本投入高等诟病，亟需科技含量更高、处理更简单、效果更明显的新工艺进行替代。本文从传统的生物脱氮技术着手，梳理污水生物脱氮工艺发展史，尤其重点介绍同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厌氧氨氧化工艺技术，以帮助后续的深入研究和技术更新提供参考。

1 传统的生物脱氮工艺技术

1.1 技术原理

传统的生物脱氮工艺技术分为三个阶段进行：氨化反应阶段、硝化反应阶段和反硝化反应阶段。本文以我国的生物脱氮标准流程为例进行介绍[1]。

1.1.1 氨化作用

氨化反应阶段，也被称为脱氨反应阶段，其根本原理在于，利用微生物的有机氮分解作用，在有氧或者无氧的反应条件下都能够对污水中的氮进行分解反应，而这一反应的结果是会产生氨类物质。

氨化反应的第一步是要实现对含氮元素的有机物进行生物降解，形成多肽物质在内的一系列结构建安的氮类化合物；第二步，是要将上一步得到的氮类化合物再次降解并转化为氨态氮。一般来说，在这一反应阶段中，能够有效参与的微生物数量越多，最终的反应效果也会越好。

1.1.2 硝化作用

硝化反应阶段是要将水体中的氨、氮元素在硝化细菌的分解作用下转变为硝酸盐类物质，实现降低水体氨、氮元素浓度的目的。通常在这一阶段要进行亚硝化反应和硝化反应两项工作。

亚硝化反应主要是利用氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria）的自身化学分解作用，将水体中的氮、氨转变成亚硝态氮的过程。

硝化反应是要将上一步得到的亚硝态氮再进一步转化成硝酸盐类物质。这一步则需要亚硝酸氧化菌（Nitrite oxidlizing bacteria）的有效参与。

1.1.3 反硝化反应

反硝化反应阶段是为了实现将污水中的全部硝酸盐类物质进行去除处理，最终生成氮气的过程。一般来说，这一步反应需要在缺氧的环境下进行，氧气的供应程度需要根据具体的反应物情况进行有效界定。利用反硝化细菌，在有合适的电子供体和有效碳源的供应下，利用反硝化反应机理，将污水中所含有的全部硝酸盐类物质通过离子作用形成氮气，最终实现污水中氮元素的净化和去除。

1.2 常用工艺

常用工艺一般是基于A/A/O工艺及其关联的变形工艺（同步脱氮除磷）进行的。工艺的变形主要体现在对于环境的氧气供应程度的把控实现的[2]。

1.2.1 厌氧/缺氧/好氧工艺

厌氧/缺氧/好氧工艺是将厌氧、缺氧和好氧三种氧气环境进行串联，并在同一污泥反应条件中交替反应，在除氮的同时，实现磷元素的去除。

1.2.2 厌氧/缺氧/好氧活性污泥法

厌氧/缺氧/好氧活性污泥法是由开普敦大学实验室研究并提出的一种能顾实现高效脱氮去磷的变形工艺。其主要的转变是进行了厌氧、缺氧、缺氧和好氧的工艺流程顺序调整，并配合上新的内回流方式。一反面将好氧回流设置到缺氧反应之后，另一方面，是要将第一个缺氧区回流作用与厌氧区反应相连但与保持彼此间的独立。

2 同步硝化反硝化（SND）技术

2.1 技术原理

在传统的生物脱氮工艺中，硝化反应和反硝化反应的进行有流程上的先后顺序，并且彼此之间的独立性较强，造成了经济上的浪费。考虑到这一问题，就产生了同步硝化反硝化反应技术。

2.1.1 宏观环境

在好氧的反应条件下，具备活性的污泥系统由于气体供应在环境内部的不均匀性，以及由于氧气供应口的物理设置问题等原因，很容易形成氧气在反应环境分布不均匀的问题。在这样的现实考量下，提出了关于硝化反应和反硝化反应同时进行方案设计的可行性。

2.1.2 微观环境

微生物在物理空间的存在是以微米级作为体积衡量单位的，其对于生存环境的影响也可以忽略不计。宏观环境的微小变化，都会对微观环境造成极大活动影响，这也是同步反应的理论基础之一。借助生物膜技术的应用，能够在供养空间内形成溶解氧梯度，进而实现同步硝化反应和反硝化反应。

2.2 常用工艺

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法最早可以追溯到1914年，可以分五个阶段进行操作：进水、曝气、沉淀、芼水和限制。这种工艺方法的实施主要利用的是时间更替理论实现的，基于活性污泥法的工艺研究基础，加上对于时间控制的观察。这种方法非常适合小型的污水处理工厂实践，既能够保障处理效果，还能获得很高的经济收益，唯一的缺点就是处理污水的承载量比较小。

2.2.2 氧化沟工艺（OD）

该工艺主要是通过控制曝气的时间形成对处理效果的有效把控。OD充分利用微生物生存环境的多样性、物质传递的相互关联性作为研究基础，形成活性污泥生物絮状体。通过对于二沉负荷控制和曝气量的调控手段，实现最理想的反应时间把控，最终达到生物脱氮的目的。

2.2 工艺展望

专业人员已对同步硝化和反硝化反应的研究持续相当长一段时间，但收获效果有限，技术创新性较低。因此，相关研究人员可对其反应机理的优越性进行持续研究。

3 短程硝化反硝化工艺（SCND）技术

相比于上述的两种工艺技术，短程硝化反硝化工艺技术的应用出现比较晚。1975年时，这种工艺技术的实验室研究才被学术界认可，并且展开了一系列的实用性方案的研究。

3.1 技术原理

传统的生物脱氮工艺主要是依靠硝化细菌和反硝化细菌的协同作用。短程硝化反硝化工艺则重点考虑将硝化作用的最终结果保持在亚硝酸离子状态，以其作为原料直接开展反硝化反应，以此缩短工艺流程。

3.2 工艺特征

（1）通过温度、酸碱度以及熔接氧等环境条件的控制，实现不同种类生长速率的差异化控制，最终将反应原料保持在亚硝酸离子状态；

（2）两步反应置于同一反应容器内，且反应容器内部不保留活性污泥，流程简化；

（3）对于酸碱性的调节并不需要花费精力；（4）供氧量和碳源供给的有效减少。

4 厌氧氨氧化技术（Anammox）

4.1 技术原理

该工艺技术主要是在厌氧或者缺氧环境下，将厌氧氨氧化菌作为亚硝酸离子的电子受体，以胺离子作为电子供体，直接将胺根离子一步氧化成氮气[3]。

4.2 常用工艺

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工艺

该工艺主要是将亚硝化与厌氧氨氧化反应分别置于两步不同的反应容器内进行操作。第一步反应，通过控制温度、酸碱性、溶解氧等诸多客观反应条件，使反应容器内部的两种细菌出现生长速率差，实现保持亚硝酸离子在反应中存留的目的；第二步反应，是利用厌氧氨氧化工艺，将污水中的胺根离子和亚硝酸离子直接反应转化为氮气。

4.2.2 OLAND工艺

限制自养硝化反硝化工艺（OLAND），是2005年由比利时的Gent大学实验室提出并发表的一篇学术报道中提出的。这一新的工艺需要引入生物转盘反应器作为基础反应场所之一。反应器表面放置氨氧化细菌和AAOB，AAOB为底、细菌为表。表层细菌接触空气中的物质，反应形成亚硝酸根离子，底部的细菌层也会相应发生变化。通过分子扩散，使得AAOB与胺根离子和亚硝酸根离子发生反应，最终实现生物脱氮目的。

5 结论

总而言之，污水生物脱氮问题已经成为当前社会发展的一项重要关注问题。在进行化工工艺技术选择时，不单需要考虑基本的氮、磷污染元素的去除的基本要求，还需要充分保障工艺的处理效果和经济投入问题。正是处于这样的现实考虑，传统的生物脱氮工艺已经无法满足现实的工艺需要，人们也开始更多倾向于使用新兴工艺技术代替传统工艺。然而，新兴工艺的大规模应用必然需要有时间和经验的积累的。无论是同步硝化反硝化、短程硝化反硝化还是厌氧氨氧化工艺，都拥有着自己的优势和弊端，需要在实践中不断发现和利用现代化技术进行工艺弊端的有效控制。