污水生物脱氮工艺技术的研究与应用

张源

（青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033）

近年来，我国经济发展速度和人民生活水平逐渐提高，气候条件也在不断改变，人们对于生态环境保护也有了更高的要求。“十三五”规划提出，2020年底要实现城镇污水处理设施全覆盖，城市污水处理率达95%。快速、高效、彻底处理城镇污水的问题亟需解决，而处理的关键在于氮、磷等污染物的去除，这类污染物的超标排放也使得我国水体富营养化问题日益严重，这也是环境工作者面临的重大问题。当前国内外城镇污水处理厂大多采用传统的生物脱氮工艺，但存在工艺复杂、成本能耗高等问题，相比之下，一些新兴工艺的发现得到了人们的关注和应用，其处理效果既能遏制有机物的污染，也能有效解决脱氮除磷问题。本文主要对传统和新兴工艺的原理进行了分析，指出不同生物脱氮技术的优点和缺点。

1 传统生物脱氮工艺技术

1.1 技术原理

迄今为止，传统的生物脱氮技术已发展近百年，在国内外得到了广泛的应用与推广，主要反应过程如图1所示。

图1 传统生物脱氮技术反应过程

1.1.1 氨化作用

氨化作用，即脱氨作用，微生物在有氧或无氧条件下将有机氮分解并产生氨的过程。氨化作用的第一步是先将含氮有机物降解为多肽等简单含氮化合物，第二步使含氮化合物降解转变为氨态氮[1]。在污水的处理过程中，能够进行氨化作用的微生物相对较多，氨化反应效率也较高。

1.1.2 硝化作用

硝化作用是将水中的氨氮在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐，降低氨氮浓度的过程。一般分为亚硝化反应和硝化反应两步。（1）亚硝化反应是在氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）[2]的参与下，将氨氮转化为亚硝态氮，反应如式1；（2）硝化反应是在亚硝酸氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的参与下，将亚硝态氮转化为硝酸盐，反应如式2。AOB和NOB统称为硝化细菌，均为自养型微生物，在有氧环境下，硝化细菌以氧气为电子受体，利用无机碳化合物为碳源进行硝化反应[3]。

1.1.3 反硝化作用

反硝化作用是将污水中原有的和通过氨化和硝化作用得到的硝酸盐去除生成N2的过程。在缺氧环境下，反硝化细菌在有合适电子供体和碳源的情况下，利用式3所示的反硝化作用，将污水中的硝酸盐转化为氮气排出。大部分反硝化细菌是异养型菌，主要以有机物为碳源和电子供体，进行无氧呼吸[4]。

1.2 常用工艺

1.2.1 A/A/O及其变形工艺（同步脱氮除磷）

（1）厌氧/缺氧/好氧工艺（Anaerobic/Anoxic/Oxic，A/A/O），工艺流程如图2所示，该工艺是将厌氧-缺氧-好氧三种环境串联，交替反应，使氨化作用、硝化作用和反硝化作用在同一污泥系统中，同时利用聚磷菌除磷，达到同步脱氮除磷的效果。

（2）厌氧/缺氧/缺氧/好氧活性污泥法（MUCT工艺）[5]，是由南非开普敦大学提出的一种能够提高除磷脱氮效率的变形工艺，系统在A/A/O工艺基础上，改变为厌氧-缺氧-缺氧-好氧的流程，并改变内回流，一方面将好氧区回流至后置缺氧区，另一方面将前置缺氧区回流至厌氧区[6]，使两段回流相互独立。这种变形工艺有效提高了系统脱氮除磷的效率[7]，但因为增加内回流，系统能耗增大。

1.3 工艺展望

目前，传统生物脱氮工艺技术虽然已经非常成熟，但仍存在一系列问题，因此演变出很多在传统工艺基础上的变形工艺，如两段式A/O工艺、多段进水多级A/O工艺、多级厌氧/缺氧/好氧活性污泥法（Multilevel Anaerobic/Anoxic/Oxic，MAAO）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）等[8]。传统生物脱氮技术是目前国内外采用最多的污水处理方法，研究前景十分广阔，但随着社会的发展，仍有很大的进步空间。针对不同的水质情况，研究不同的生物脱氮工艺，优化控制条件，降低成本，达到经济和效益双目标，是目前发展研究的方向。

2 同步硝化反硝化（SND）技术

2.1 技术原理

图2 A/A/O反应流程图

根据传统的生物脱氮工艺技术，硝化反应和反硝化反应是在不同的时间和空间条件下进行的，相互独立实现。同步硝化反硝化技术实现了将两个反应在同一操作条件下进行的目的。

2.1.1 宏观环境

一般在好氧环境下的活性污泥系统中，由于曝气不均匀或采用点源性曝气装置等原因，易造成局部明显缺氧的大环境，在这种环境下能够形成同步硝化反硝化的反应[9]。

2.1.2 微观环境

从微观环境物理学角度解释SND，一般认为微生物体积为微米级单位，因此影响生物的生存环境也是微小的。当宏观环境发生变化时，会影响微观环境生物的活动形态。SND主要是利用硝化作用和反硝化作用的理论基础，强调系统中溶解氧（DO）浓度、微生物絮体结构特征和生物膜厚度的作用。在微观环境下，微生物絮体内的各种生态因子都会发生变化，具体如图3所示。一般认为，在微生物絮体或生物膜内，由于氧扩散的限制，絮体或生物膜存在DO梯度，外部因为DO含量高，好氧硝化菌和氨化菌适宜生存，内部因为氧传递受阻以及外部好氧菌的消耗，DO含量低，反硝化菌取得优势，适宜生存。

图3 微生物絮体内反应区分布和底物浓度变化

从微观环境微生物学角度解释SND。硝化过程被认为发生在好氧条件下，反硝化过程发生在缺氧环境下。而在20世纪80年代，随着好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现，为SND现象提供了合理依据。另外Kuenen等[10]还发现许多异养硝化菌同时也可进行好氧反硝化反应，这种情况下，产生的NO-、NO-32等产物被还原，一次性将NH4+转化为N2去除，达到脱氮的效果。

2.2 常用工艺

2.2.1 序批式活性污泥法（SBR）

SBR工艺最初于1914年由美国学者发明，该工艺可分为5个阶段：进水、曝气、沉淀、滗水、闲置。SBR工艺利用时间上的更替来实现传统活性污泥法的脱氮效果，可操控性强、经济效益高、应用范围相对较广，较为适合小型污水处理。

2.2.2 氧化沟工艺（OD）

OD工艺是一种通过对曝气时间进行控制来改变活性污泥处理效率的方法。SND很早就应用于氧化沟工艺，该工艺利用微生物的环境复杂多变以及物质传递变化等因素的相互作用，形成活性污泥生物絮体。氧化沟同步硝化反硝化通过控制二沉池负荷、曝气量等，达到理想的水力停留时间，进行脱氮处理。该工艺建造成本较低，且管理和运行较为简便，应用广泛。

2.3 工艺展望

目前，国内外学者已经对各种常用工艺的SND进行深刻研究，并大量投入实践应用，但是仍有很多有待深入研究的内容。此外，将不同工艺结合也是研究的方向之一，如将SND与除磷工艺结合也是目前亟需探索的一种生物处理污水技术。在SND的机理解释上，未来也仍有可探索的空间。

3 短程硝化反硝化工艺（SCND）技术

短程硝化反硝化工艺在1975年被提出后得到广泛研究，至今已经衍变出多种变形工艺。

3.1 技术原理

传统的生物脱氮工艺技术认为在硝化细菌和反硝化细菌协同作用下，将污水中的氨氮转化为氮气流放到大气中。硝化作用以氧气作为电子受体，反硝化作用以有机基质作为电子供体，SCND工艺就是将硝化作用控制在NO2-状态下，直接以NO2-作为原料进行反硝化作用，因此省去了亚硝酸氧化细菌将NO-2氧化为NO3-的过程，二者流程如图4所示。

图4 全程与短程硝化反硝化途径流程对比

通过图4两种途径比较，SCND工艺在全程的基础上缩短流程，这也使得短程硝化反硝化技术有了一定的优势：（1）SCND工艺将步骤简化，减少了中间氧化过程，化学需氧量与电子供体数量减少，降低能耗；（2）减少亚硝酸氧细菌的参与，使得反应所需的碳源量减少，运行成本得到降低；（3）直接通过氧化亚硝酸盐得到气态氮，其反应速率与全程硝化相比更快，所需的反应器体积工程量小，在实际应用中产生的经济效益高；（4）剩余污泥量少。

3.2 常用工艺

SHARON工艺典型特征为：（1）通过调控反应器内部的主要环境条件，如温度、溶解氧、pH等，使内部的氨氧化细菌生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌，进而将反应物质状态控制在NO2-阶段；（2）工艺将短程硝化反应和短程反硝化反应置于同一反应器内，且反应器内不留存活性污泥，简化反应器和反应流程；（3）习惯上认为大部分硝化反应产物为酸性，反硝化反应为碱性，因处于同一反应器内存在酸碱中和作用，所以SHARON工艺只需稍加调控即可；（4）相比传统生物脱氮技术，该工艺可减少供氧量25%和外加碳源40%。

4 厌氧氨氧化技术（Anammox）

4.1 技术原理

Anammox工艺是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌（AAOB）以NO2-为电子受体，以NH4+为电子供体，将NH4+直接氧化为N2的过程。因为Anammox工艺主要依靠AAOB进行反应，AAOB对环境条件控制的要求也非常严格，因此存在许多影响厌氧氨氧化污泥活性的因素。

4.2 常用工艺

4.2.1 SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON-ANAMMOX工 艺， 即SHARON和ANAMMOX的组合工艺。该工艺是目前应用最为广泛的厌氧氨氧化工艺，原理是将亚硝化和厌氧氨氧化反应在两个反应器内独立运行，第一步是利用SHARON工艺，通过控制温度、溶解氧、pH、水力停留时间等因素，使内部的氨氧化细菌生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌，使氨氧化菌为主体菌，将反应物质状态控制在NO2-阶段。第二步是利用ANAMMOX工艺，水体中的NH4+与NO2-在AAOB作用下生成氮气，达到生物脱氮作用。

4.2.2 OLAND工艺

OLAND工艺（限制自养硝化反硝化工艺）是2005年由比利时Gent大学开发的[11]。该工艺是在生物转盘反应器的基础上进行的，反应器表面由氨氧化细菌与AAOB构成，氨氧化菌位于表层，AAOB位于底层。表层的氨氧化菌利用空气或水中的DO，通过反应将NH4+转化为NO2-，同时底层环境变为厌氧状态，AAOB利用扩散的NH4+和NO2-为反应物，到达生物脱氮的目的。4.2.3 CANON工艺

CANON工艺是由荷兰Delft大学以Sharon-Anammox工艺为基础，发展的全新工艺[12]。利用亚硝化和厌氧氨氧化工艺的发展基础，在单个反应器内，通过曝气等手段控制DO实现亚硝酸和厌氧氨氧化的过程。在曝气条件下，絮状污泥表面DO充足，表层的AOB数量多且种类丰富，将NH4+转化为NO2-，同时表面DO消耗殆尽，形成污泥内部厌氧环境，为AAOB提供良好的生长环境，并利用原水中的NO2-和NH4+为原料进行厌氧氨氧化，实现生物脱氮。

5 结语

随着生物脱氮工艺的进步，目前不仅有较高的氮磷去除要求，还要求处理效果的稳定和相应的经济效益，传统的生物脱氮工艺早已不能满足现有的污水脱氮需求。新兴的工艺已基本成熟，但尚未大规模在全国应用生产。同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化工艺等仍在实际应用中存在弊端，需要不断更新发展，与自动化、计算机技术等结合，使各项工艺在污水处理行业有更广泛的应用。