高級生物脫氮概述工藝

傳統(tǒng)生物脫氮工藝的基本原理是先將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，再通過硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，再通過反硝化作用將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，完成反硝化作用。因?yàn)橄趸头聪趸窍嗷ブ萍s的；在有機(jī)物量較大的情況下，自養(yǎng)硝化細(xì)菌在氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)上不如異養(yǎng)細(xì)菌有競爭力，無法占據(jù)優(yōu)勢地位。反硝化需要有機(jī)物作為電子供體，但在硝化過程中大量有機(jī)物被去除，導(dǎo)致反硝化過程中碳源不足。因此，為了平衡兩個單元的不同要求，開發(fā)了生物脫氮方法的各種組合。

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝主要依靠調(diào)節(jié)工藝流程來緩解硝化菌反應(yīng)環(huán)境和反硝化菌反應(yīng)環(huán)境的矛盾。如果硝化階段提前，則需要加入電子給體如甲醇，增加了操作成本。如果硝化反應(yīng)階段較晚，硝化廢水需要回流，容易導(dǎo)致污泥上浮，需要提高回流比以獲得較高的去除率。這種矛盾在氨氮濃度較低的污水處理城市并不明顯，但在處理氨氮濃度較高的廢水中，如垃圾滲濾液、禽畜廢水等，卻極大地限制了系統(tǒng)的脫氮效率。

近年來，通過理論研究和實(shí)踐創(chuàng)新，人們發(fā)現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)生物脫氮理論相反的生物脫氮方法，如SND工藝、SHARON工藝、厭氧氨氧化工藝、SHARON-厭氧氨氧化組合工藝和Oran/[/]

1.同步硝化反硝化(SND)反硝化工藝。

根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個階段，需要在兩個隔離的反應(yīng)器或同一個反應(yīng)器中進(jìn)行，造成缺氧和好氧環(huán)境在時間或空間上的交替；其實(shí)在早期，在一些沒有明顯缺氧和厭氧階段的活性污泥工藝中，人們多次觀察到氮的不均勻流失現(xiàn)象，也多次觀察到曝氣系統(tǒng)中氮的消失。在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化往往發(fā)生在相同的處理?xiàng)l件和相同的處理空間內(nèi)，因此這些現(xiàn)象稱為同步硝化/反硝化(SND)。

在各種處理工藝，包括生物轉(zhuǎn)盤、連續(xù)流反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器中，已經(jīng)有很多關(guān)于SND現(xiàn)象的報(bào)道。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比，SND能有效保持反應(yīng)器內(nèi)pH值的穩(wěn)定，減少或取消堿度的加入。減小傳統(tǒng)反應(yīng)器的體積，節(jié)省基建費(fèi)用；對于只有一個反應(yīng)池的序批式反應(yīng)器，SND可以減少實(shí)現(xiàn)硝化-反硝化所需的時間，節(jié)省曝氣進(jìn)一步降低能耗。

因此，SND系統(tǒng)為今后減少投資、簡化生物脫氮技術(shù)提供了可能。

2.短程硝化反硝化(SHARON)工藝。

SHARON工藝，短程硝化反硝化工藝，是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)于1997年提出并開發(fā)的一種新型生物脫氮工藝?；驹硎窃谕粋€反應(yīng)器中，自養(yǎng)硝化菌在好氧條件下將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-，然后異養(yǎng)反硝化菌以有機(jī)物為電子供體，NO2-為電子受體，在缺氧條件下將NO2-轉(zhuǎn)化為N2。其理論基礎(chǔ)是亞硝酸鹽硝化反硝化技術(shù)，生化反應(yīng)可用下式表示。

這個過程的關(guān)鍵是如何控制亞硝酸鹽階段的氨和氧，使亞硝酸鹽濃度長時間保持在較高水平。

本工藝采用無污泥滯留的CSTR反應(yīng)器。在水力停留時間短、30~40℃的條件下，種群被“洗泥”篩選，產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽細(xì)菌。SHARON工藝適用于高濃度氨氮(500mg/L)的處理廢水，尤其適用于有脫氨要求的前置處理或旁路處理。與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝可節(jié)省25%的供氧量和40%的反硝化碳源。

3.厭氧氨氧化工藝。

厭氧氨氧化工藝是荷蘭代爾夫特大學(xué)于1990年提出的一種新型脫氮工藝工藝。在厭氧條件下，微生物利用NH3-N作為電子供體，NO2-作為電子受體，將NH3-N和NO2-轉(zhuǎn)化為N2。它的生化反應(yīng)可以用下式表示。

厭氧氨氧化細(xì)菌在厭氧氨氧化中發(fā)揮作用。這種菌株是一種無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌，具有特殊的厭氧氧化作用，生長非常緩慢。在實(shí)驗(yàn)室條件下，世代周期為2~3周。厭氧氨氧化工藝的生物產(chǎn)量很低，相應(yīng)的污泥產(chǎn)量也很低。

厭氧氨氧化工藝的主要影響因素是系統(tǒng)環(huán)境對厭氧氨氧化細(xì)菌的抑制。主要影響因素包括生物量、底物濃度、ph值、溫度、水力停留時間和固體停留時間。

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，工藝的耗氧量降低了62.5%，不需要額外的碳源，不需要調(diào)節(jié)ph值，節(jié)約了成本，降低了運(yùn)行費(fèi)用。但也存在一些不足:該工藝投入實(shí)際使用時間較長，運(yùn)行不穩(wěn)定，厭氧氨氧化菌生長緩慢，啟動時間較長。為了在反應(yīng)器中保持足夠的生物量，需要有效地?cái)r截污泥。

4.亞硝酸鹽硝化-厭氧氨氧化反硝化(SHARON-ANAMOX)技術(shù)。

Salon 工藝可以通過控制溫度、水力停留時間、pH等條件來控制亞硝化階段的氨氧化。目前，雖然SHARON工藝在好氧/厭氧間歇運(yùn)行模式處理富氨廢水中取得了較好的效果，但由于反硝化階段相對較高的有機(jī)碳源消耗和出水濃度，許多研究將SHARON工藝改為硝化反應(yīng)器，將厭氧氨氧化工藝改為逆向反應(yīng)器。一般SHARON工藝可以控制部分硝化，出水NH3-N與NO2-之比為1∶1，可以作為厭氧氨氧化工藝的進(jìn)水，形成新的生物反硝化工藝，其反應(yīng)如下式所示。

Sharon-厭氧氨氧化組合工藝具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量少、無需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。是目前較為簡單的生物脫氮工藝，具有良好的應(yīng)用前景。

5.限制性自養(yǎng)硝化和反硝化(OLAND)工藝。

比利時根特大學(xué)微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)亞硝酸鹽硝化-厭氧氨氧化反硝化技術(shù)原理，開發(fā)出OLAND工藝(有限自養(yǎng)硝化反硝化)，具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量少、無需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。

Aurand 工藝是一種新型的生物脫氮反應(yīng)工藝，結(jié)合了限氧亞硝化和厭氧氨氧化。這個工藝分為兩個過程:第一步，在氧氣有限的情況下，廢水中的部分氨氮被氧化成亞硝酸鹽氮；第二步是在厭氧條件下，亞硝酸鹽氮與殘余氨氮發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，從而去除含氮污染物。其機(jī)理是硝化菌催化亞硝酸鹽氮的歧化。一般反應(yīng)式為:

應(yīng)該

工藝的核心技術(shù)是嚴(yán)格控制有限硝化階段的溶解氧水平，近50%的NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-，使硝化階段達(dá)到穩(wěn)定的出水比例[NH3-N:NO2-=1:1]，從而為厭氧氨氧化階段提供理想的進(jìn)水，提高整體的反硝化效率工藝。

與傳統(tǒng)工藝相比，OLAND工藝可節(jié)省62.5%的耗氧量，無需額外添加有機(jī)碳源，產(chǎn)生的污泥量少，可有效降低運(yùn)行成本。與SHARON-厭氧氨氧化組合工藝相比，可節(jié)省37.5%的能耗，在較低溫度(22~30℃)下仍能獲得較好的脫氮效果。在兩級懸浮生物膜脫氮系統(tǒng)中，淹沒式生物膜的加入克服了SHARON-ANAMOX組合工藝中生物量損失的缺點(diǎn)，避免了硝化階段微生物對厭氧氨氧化階段微生物的影響，使反應(yīng)過程更容易控制。

OLAND工藝在混合菌群連續(xù)運(yùn)行的情況下，控制氧氣和污泥的pH值仍然是一個難點(diǎn)。在工藝運(yùn)行過程中，如果能通過化學(xué)計(jì)量合理地控制氧氣的供給，就能在亞硝化階段得到有效的控制。同時，本工藝僅在生物膜系統(tǒng)中取得了較好的效果，低氧條件下懸浮系統(tǒng)中的活性污泥沉降、污泥膨脹和同步硝化反硝化等問題仍需進(jìn)一步研究和完善。在實(shí)際應(yīng)用中，厭氧氨氧化階段的生物量增長非常緩慢，因此仍然以SHARON-ANAMMOX組合工藝的形式存在。

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