氨氮废水生物处理技术研究进展*

林鸿剑，刘　伟，陈宜滨

(华侨大学化工学院，福建　厦门　361021)



氨氮废水生物处理技术研究进展*

林鸿剑，刘伟，陈宜滨

(华侨大学化工学院，福建厦门361021)

氨氮废水是造成河流及湖泊富营养化的主要因素，因此广泛开展研究了高效的处理氨氮废水，以降低河流及湖泊中的氨氮物质的技术。本文综述了氨氮废水主要生物处理新工艺，其中包括同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、短程硝化-厌氧氨氧化联合工艺，简单概括了各方法的物理化学处理技术及其工艺,以及比较它们在工业中的应用和特点,并探讨了氨氮废水降解机制,综述了目前国内外研究进展状况。

氨氮废水；生物处理；新工艺

近几十年来由于工农业的快速发展，居民的生活污水、城市垃圾、污水灌溉、农业氨氮化肥等对农村和城市水源都存在一定的氨氮污染[1]，许多工业废水中都存在氨氮，而且像化工、化肥、炼油、稀土、钢铁等工业都排放出高浓度的氨氮废水[2]。

氨氮作为植物的营养物质，能够引起水体得富营养化，影响饮用水水源。而且氨氮含量较高时，对鱼类有毒害作用，甚至对人体也有一定的危害[3]。同时氨氮还是高耗氧性物质，要消耗4.57 mg的溶解氧才能使1 mg NH3-N氧化成NO3-N[4]。对众多金属，尤其是金属铜有很强的腐蚀性；污水回收的过程中由于再生水中氨氮组分的存在，导致用水设备、输水管道中微生物的繁殖速度加快，由此生成的生物垢会进一步堵塞管道和用水设备，并降低换热效率[5]。

氨氮废水生物脱氮工艺的研究始于1930年，近几十年来又提出和开发了很多的废水生物脱氮工艺，并不断地在实际工程中推广和应用。随着新生物脱氮途径的探索发现，一些高效低耗环保的生物脱氮工艺在被广泛地开发应用[6]。本文综述讨论同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和短程硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮的影响因素和特点，并结合其特点及影响因素，提出存在问题及未来的发展趋势。

1　传统生物处理法

传统的生物脱氮技术，将硝化反应和反硝化反应视为两个独立过程分开进行，是目前应用最为广泛的脱氮方法[7]。在对污水生物脱氮处理的过程中，首先在好氧的条件下利用好氧硝化菌的作用，将污水中的氨氮组分氧化为硝酸盐或者亚硝酸盐。之后在缺氧条件下通过反硝化菌的作用将亚硝酸盐或者硝酸盐，还原为氮气而从污水中释放排出[8]。基本的原理是在不同的反应器中，或在同一个反应器中控制时间和空间，交替造成缺氧和好氧环境进行的生物处理法。

传统生物处理方法的主要优势在于效果稳定经济，操作简单，适用范围广，且不产生二次污染；但缺点也很明显，例如低温时效率低，占地面积大，运行成本高等。在这一处理过程中，实际工业运用中有些问题应给予考虑，例如有些像重金属离子会对微生物的活动和繁殖有抑制作用等。

2　同步硝化反硝化

所谓同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification,简写成SND)，是指在同一反应器中、相同操作条件下硝化反应和反硝化反应同时发生的现象[9]。可以从从宏观环境理论、微环境理论、微生物理论三个方面解释其作用机理[10]。在研究流化床反应器、生物转盘、SBR等不同的生物处理系统时发现在有氧条件下的反硝化现象确实存在[11]。影响生物同时进行硝化反硝化效果的主要影响因素有碳源、溶解氧浓度(DO)、微生物絮体结构及尺寸、氧化还原电位(ORP)、pH值和游离氨的浓度(FA)等。

魏海娟等[12]采用移动床生物膜系统，DO控制在2.5 mg/L左右时，反应器内发生了同步硝化反硝化现象，而且在调整投加淀粉C/N比时，系统能够取得良好的脱氮效果，氨氮的去除率均在93%以上。WANG Jianlong等[13]采取复合式生物反应器(SHBR)，通过限制进入反应器中空气流量，产生一个最终只对亚硝酸盐起作用的缺氧条件，阻止硝酸盐的生成。而且随着亚硝酸盐的平均积累率(NAR)增加，脱氮效率也随着增加，亚硝酸盐的平均积累率可以从60%升高到90%，总氮的去除率可以从68%提高到85%。Reginatto V等[14]在反硝化反应器耦合到硝化反应器中的操作系统中，处理屠宰场氨氮废水。在反硝化反应器操作中观察氮平均去除率为50 mg/(L·d)。而且氮负荷率在33～67 mgN/(L·d)时，氨氮的平均去除率为40%～95%。

同步硝化反硝化(SND)脱氮技术实现了在同一个反应器内除碳、硝化和反硝化。SND生物脱氮技术凭借其明显的工艺优势，为降低投资和简化生物除氮技术提供了可能，而且在亚硝酸盐阶段的同步硝化反硝化脱氮技术因更具有节省有机碳源和曝气量等诸多优点，将会对SND生物脱氮技术的研究进展和实践应用起更进一步推进作用。

3　短程硝化反硝化

尚会来等[16]利用间歇式活性污泥法(SBR)处置生活污水，实验结果发现在较高温度条件下(28±1)℃，通过实时控制污泥龄在10 d左右，可以成功实现短程硝化反硝化，而且降低温度对短程系统硝化反应的影响要大于反硝化的影响。孙星凡等[17]在DO为110～115 mg/L，系统温度为28℃，pH控制在7.5～8.6，进水 NH3-N在 598.2～701.3 mg/L的条件下，用 AOMBR处理模拟高氨氮废水，去除效果明显，并在此基础上探讨了pH、温度和DO等对系统短程硝化稳定运行的影响和影响机理。王欢等[18]采用短程硝化反硝化在常温(13～20℃)、不调节pH的条件下，预处理低C/N(2左右)猪场废水。达到去除部分CODCr、控制出水pH在7.5～8.0左右、氨氮和亚硝态氮浓度之比在1:1左右的目的，全程CODCr和总氮平均去除率分别为 64.3%和 49.1%。

4　厌氧氨氧化

所谓的厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，简写成ANAMMOX)是在缺氧的条件，由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物反应过程[20]。厌氧氨氧化是个放热过程，从理论上讲能够为微生物生长提供一定能量，目前已经推测厌氧氨氧化过程有多种途径[21]。影响厌氧氨氧化的因素有：溶解氧浓度DO、pH、温度T、泥龄控制SRT。

张鸿郭等[22]采用上流式厌氧污泥床，对某垃圾填埋场渗滤液进行了处理。在厌氧氨氧化活性稳定后，发现反应器对氨氮和亚硝氮具有较好的处理效果，对氨氮、亚硝氮的平均去除率高，分别可以达到98.42%和99.01%。郭勇等[23]采用厌氧流化床反应器(AFB)作为厌氧氨氧化反应器，进行了垃圾渗滤液的脱氮研究。在停留时间为5.5 h，进水CODCr为2675.4～4289.1 mg/L，出水的CODCr在 1001.6～2617.7 mg/L，厌氧生物流化床反应器对垃圾渗滤液具有一定的处理效果，平均去除率为48%。朱杰等[24]采用反硝化污泥启动厌氧氨氧化反应器，处理典型高浓度养殖废水经UASB-短程亚硝化工艺处理后的废水。在pH为7.50左右，温度为30℃且系统不需投加有机碳源的条件下达到最佳运行条件。在最佳进水氨氮负荷0.2 kg/(m3·d)左右，系统的 HRT定为 2 d时，系统最终氨氮去除率能达到85%以上，亚硝态氮去除率达到95%以上。

目前，厌氧氨氧化工艺被认为是拥有最简洁和最经济两大独特优势的生物脱氮工艺，其优势是不需要氧气和外加有机碳源，从而在实现高氨氮废水的高效脱氮的同时节省能源和碳源[25]。传统生物脱氮由于大量消耗有机物、高耗能、产生过多污泥等缺点，在倡导可持续发展的大环境下，氨氮污水处理工艺应满足污泥减量，提高效率，节能的要求，所以势必会被节约能耗的厌氧氨氧工艺所替代[26]。

5　短程硝化-厌氧氨氧化

如上所提的同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化(ANAMMOX)等，是近十年来，人们研究开发出的新型、高效的生物脱氮工艺。但是，随着生物脱氮理论的进一步研究，发展出了众多的联合处理工艺[27]。其中，短程硝化-厌氧氨氧化联合工艺(SHARON-ANAMMOX)，以其高效脱氮能力被关注。已经开发出了两类脱氮新工艺。一类为两级反应，另一类为单级反应。短程硝化-厌氧氨氧化适用于处理多种含氮废水，凭借该工艺的经济性和可持续性，决定此工艺在处理含氮废水处理中的广泛应用。

6　结语与展望

和传统脱氮技术相比，新型生物脱氮工艺具有各自的优势：(1)同步硝化反硝化同时实现了除碳、硝化和反硝化，而且无需外加碳源，很大程度上节省了运行费用；(2)短程硝化反硝化可以减少氧的供应量和有机碳源用量，缩短反应时间，提高了效率，降低了运行费用；(3)厌氧氨氧化无需外加碳源，减少碱投加量及供氧，污泥产量少，能耗低，从而实现了低碳的目的；(4)短程硝化-厌氧氨氧化联合工艺运行稳定，成功实现了自养脱氮，对氧的需求量少，而且可以有效降低能耗。

生物法处理氨氮废水的方法有多种多样，在国外，应用和研究最多的是短程硝化-厌氧氨氧化相结合的新型生物脱氮工艺，不同的方法各有优劣，有时为了达到较好的效果需要采取多种技术的联合处理。在实际的应用方面，还必须考虑不同废水性质异同，为确定最佳处理技术及工艺进行系统性地分析研究，探索出一种能高效、低耗、稳定的氨氮废水处理方法。

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Research Progress on Biotechnology of Removing Ammonia-nitrogen from Wastewater*

LIN Hong-jian,LIU Wei，CHEN Yi-bin

(College of Chemical Engineering，Huaqiao University,Fujian Xiamen 361000,China)

The ammonia-nitrogen wastewater is the main factor of rich nourishment in the polluted rivers and lakes．Thus,highly efficient process to deal with amnonia-nitrogen from wastewater in order to decrease amnonia-nitrogen content of rivers and lakes is widely applied.Some new biological processes to remove ammonia-nitrogen in wastewater were discussed,including SHARON，SND，ANAMMOX and SHARON-ANAMMOX．The physical and chemical treatment technology and characteristics of these biotechnology processes were mainly introduced.Different methods were compared in industry apply and their advantages and disadvantages were found.Besides,the degradation mechanism of ammonia nitrogen from wastewater was discussed,the development trend of biotechnology process for removing ammonia-nitrogen for wastewater was predicted.

ammonia-nitrogen；biological treatment；new technology

华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目。

林鸿剑(1991-)，男，硕士研究生,主要从事固、液废物处理及资源化研究。

X703

B

1001-9677(2016)011-0016-03