废水生物脱氮技术的发展现状及展望

费成志　张理月

摘要：氮循环是生物地球化学循环的重要组成部分，在人类工业化活动之前，地球上的氮收支基本上是平衡的，随着人类的生产活动，全球每年新增的“活性”氮导致全球氮循环严重失衡，并引起一系列环境问题。其中水体中的氮元素失衡就是其中最典型的问题之一。目前对于废水的脱氮处理是废水处理的难点之一，而生物脱氮技术作为最经济、彻底的脱氮技术，受到业界的广泛关注，文中将对废水生物脱氮技术发展的现状和未来的展望进行分析和研究。

关键词：废水;生物脱氮技术;现状;展望

1 水体中氮元素的危害

在自然水体中，植物和藻类的生长经常会受到氮元素和磷元素的限制。当过量的氮元素随着污水的排入而不断进入水体，就会引起水体的富营养，导致水生植物以及藻类过度繁殖，因此产生一系列的不良后果。（1）一方面，某些藻类自身带的腥味就能使水质变恶劣并使水体腥臭难闻;另一方面，某些藻类本身含有的蛋白质毒素就会在水生物体内积累，并经过食物链危害人类的健康，更甚导致人中毒。（2）水生植物以及藻类大量的繁殖，覆盖水体，从而极大的影响江河湖泊的观赏价值。（3）如果以富营养化的水体作为水源，藻类就会堵塞住自来水厂的滤池影响生产;其含有的毒素和气味物质会使饮用水的质量受到影响。

2 废水生物脱氮技术

2.1硝化反硝化脱氮工艺

硝化反硝化技术是目前最常见的生物脱氮技术，在国内外得到了广泛的应用。在实际应用中，通常采用反硝化-硝化的工艺组合（A/O工艺），A/O 工艺通常是在常规的好氧活性污泥法处理系统前，增加一段缺氧生物处理过程。在好氧段，好氧微生物氧化分解污水中的有机物，同时进行硝化反应，有机氮和氨氮在好氧段转化为硝化氮并回流到缺氧段，在缺氧段的反硝化细菌利用氧化态氮和污水中的有机碳进行反硝化反应，使化合态氮变成N2，从而实现脱氮的目的。通常认为该脱氮过程包含氨化、亚硝化、硝化、反硝化几个过程，根据实际工艺设计和控制的不同，可能存在一定的差异。这项技术对于废水的适用性较好，参与处理的微生物菌群丰富，对于环境的适应性好，工艺控制较为成熟。但是该工艺需要将氨氮、有机氮氧化成硝态氮，需氧量较大，同时，在反硝化阶段需要足够的碳源才能保证脱氮效率，对于碳氮比较低的废水，通常需要补充碳源才能获得较高的脱氮效率。

2.2短程硝化-反硝化脫氮技术

与传统脱氮方法相比，从本质上讲，短程硝化-反硝化脱氮技术具有一定的区别，氨氮的硝化仅进行到亚硝化阶段，形成亚硝酸盐，在反硝化期间以亚硝酸盐作为电子受体，在反硝化菌的作用下，利用碳源，将亚硝酸盐还原成氮气。由于氨氮仅氧化为亚硝酸盐状态，对于曝气氧量的需求可节省约25%，同时反硝化阶段所需的有机碳源可节省约40%。此外，还具有占地面积小和污泥产生少等相关优势，与常规的生物脱氮工艺相比，具有明显的优势。

2.3同步硝化反硝化技术

同步硝化反硝化，就是利用单独的活性污泥法对系统内大量的TN进行处理和去除的过程。同步硝化反硝化技术工艺的原理：（1）缺氧微环境理论，对于生物絮体颗料尺寸较大的前提下，絮体表面至其内核不同的层面上，由于氧传输存在阻力，导致氧含量不均匀。微生物絮体外层的含氧量很高，硝化菌可以利用丰富的氧进行硝化反应，颗粒内部的含量过低致使缺氧区域形成，反生反硝化反应，如此这样，反硝化和硝化就能够在同反应器中同时进行。（2）DO在装置中分布的不均匀理论，无论是不同时间，还是不同空间上，该理论认为装置充氧及混合都不均匀，装置不同部分，好氧区及缺氧区都具有，致使反硝化和硝化作用能够同步进行。

同步硝化和反硝化优点：（1）pH值为7左右时，不用额外投加酸碱，无论是反硝化细菌，还是硝化细菌，都能够充分发挥作用。（2）反应器体积减小，降低投资。

2.4厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化技术是利用自养型厌氧氨氧化细菌（Anammox），可在缺氧条件下以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，将氮元素转化为N2 。这种技术比全程硝化（氨氧化为硝酸盐）节省60%以上的供氧量。以氨为电子供体还可节省传统生物脱氮工艺中所需的碳源。同时由于厌氧氨氧化菌细胞产率远低于反硝化菌，所以，厌氧氨氧化过程的污泥产量只有传统生物脱氮工艺中污泥产量的15%左右。这项技术对于特定的废水处理方面，具有显著的优势，在国内外也有不少应用案例。但是该技术对于亚硝酸盐浓度、温度、pH方面较为敏感，对工艺控制要求较高，一定程度上影响了工艺的大规模应用。

2.5基于优势芽孢杆菌的生物处理技术

基于芽孢杆菌为优势菌群的生物处理技术（BBR技术）采用了生物膜法（生物转盘装置）和活性污泥法（生化池）的组合工艺，通过生物转盘，实现Bacillus菌在生化系统中优势化，从而实现高效脱氮的作用。Bacillus 菌具有超强的繁殖能力，在低温、高盐度、高压等极具严酷的极限环境中也能耐受，在恶劣环境中能形成孢子，以保持活性菌种增殖数量，维持处理能力。同传统的硝化、反硝化脱氮原理不同，Bacillus 菌直接吸取胺（有机氮）、氨氮以及铵盐，为微生物所利用，从而进行脱氮，氮元素部分以有机氮的形式进入污泥中，并通过剩余污泥的排放从系统中去除，部分转化成氮气排入空气中。

3 废水生物脱氮技术存在的问题和展望

3.1在研发和实际的应用上，传统的硝化反硝化脱氮传统的工艺需要的曝气量很大，同时对于碳源的需求很大，造成脱氮运行成本很高。采用新型的BBR处理技术，可以一定程度上降低曝气量和降低碳氮比的需求，从而降低含氮废水的处理成本。

3.2厌氧氨氧化技术作为一项先进的生物脱氮技术，对于特定的含氮废水的处理具有显著的优势，但是由于菌种对环境较为敏感，需要更精细的工艺控制方能实现稳定处理。随着控制技术的发展，厌氧氨氧化技术也将具有广阔的应用前景。

3.3 短程硝化反硝化技术也是一种值得发展的优秀技术，相对于厌氧氨氧化技术来说，具有更好的水质适应性。随着工艺控制技术的发展，也将是一项值得推广的技术。

4 结语

综上所述，废水生物脱氮技术，由于会涉及微生物，微生物对底物及环境较为敏感，即使在实验室内处理效果很高的技术，在工程上实际的应用上效果也经常不理想，甚至处理成本也比物理法和化学法高。这些技术问题导致废水生物脱氮技术的应用和推广都受到了严重的制约。因此，对于废水生物脱氮技术必须要对废水的特性、工程条件等进行分析和研究，从而选用合理的处理工艺和技术，实现废水的高效生物脱氮。

参考文献：

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