生物脱氮技术概述

摘 要：废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。传统的生物脱氮采用的是硝化、反硝化工艺，但存在着许多问题。本文对传统生物脱氮技术和近年来新型应用的生物脱氮工艺进行了综述，从其技术原理、技术特点、影响因素等情况进行了概述，同时指出了新技术存在的问题和今后研究的发展趋势。

关键词：生物脱氮；传统技术；新型技术

1 传统生物脱氮技术

1.1废水的脱氮主要过程

废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝氮和硝酸盐4种形态存在。传统生物脱氮技术遵循已发现的自然界氮循环机理，如下图所示。

图1-1 废水中的生物脱氮作用

1.2影响因素

1）pH：通常把硝化段运行的pH控制在7.2～8.2；反硝化段pH控制在7.5～9.2。

2）温度：硝化反应适宜温度为30～35℃；反硝化反应适宜温度15～30℃。

3）溶解氧：硝化在有氧条件下进行，活性污泥中DO≥2mg/L；生物膜法≥3mg/L；反硝化在缺氧下进行，对于活性污泥系统DO

4）碳源：废水中所含有机碳源、外加碳源、内碳源。

5）污泥龄：污泥龄一般控制在3～5d以上，最高可达10～15d。

6）抑制物质：某些有机物和一些重金属、硫及其衍生物、游离氨等有毒有害物质在达到一定浓度时会抑制硝化反应的正常进行。

7）循环比：对低氨氮浓度的废水，回流比在200%～300%较为经济。

1.3传统硝化反硝化工艺

几种主要的传统硝化反硝化脱氮工艺：

1）活性污泥法脱氮传统工艺

2）缺氧好氧脱氮工艺（A/O）

3）Bardenpho工艺

4）UCT工艺

1.4传统生物脱氮工艺存在的问题

硝化菌群增值速度慢，系统总水力停留时间较长、有机复合较低，增加基建投资运行费用；

反硝化时需另加碳源，增加运行费用；

硝化过程需投加碱中和，增加了处理费用；

氨氮完全硝化需要大量的氧，使动力费用增加；

系统抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长；

同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用；

运行控制相对较为复杂等。

2 常见的几种新型生物脱氮技术

2.1亚硝酸型硝化反硝化脱氮技术（短程硝化反硝化）

2.1.1技术原理

短程硝化反硝化生物脱氮是将硝化过程控制在HNO2阶段而终止，随后直接进行反硝化。

2.1.2技术特点

硝化阶段可减少25%左右的需氧量，降低能耗；

反硝化阶段可减少40%左右的有机碳源，降低运行费用；

亚硝化菌世代周期比硝化菌世代周期短，可减少硝化反应器容积，节省基建投资；

对亚硝酸盐进行反硝化，其速率要比硝酸盐进行的反硝化速率高1.5～2倍；

污泥产量降低；

减少了投碱量等。

2.1.3亚硝酸型硝化反硝化影响因素

最为重要的影响因素有：溶解氧、游离氨、pH值、温度、有机质、污泥龄、有害物质、有机碳源种类与浓度、亚硝酸氮浓度、工艺条件等。

2.2好氧反氨化技术

2.2.1技术原理

好氧反氨化是以无机物质作为电子供体的生物脱氮作用。

2.2.2技术特点

该过程由自养菌完成的，无需外加碳源，可节省成本，防止二次污染；

反应要求在低溶解氧的条件下进行，因此在实际操作中相对较容易控制；反应对氧气的需求减少，可降低能耗；

该工艺将反应控制在亚硝化阶段，缩短了反应流程和反应时间；

结合了同步硝化反硝化工艺，使硝化反硝化反应在同一个反应器里进行，具有较强的抗冲击负荷能力；

该技术对亚硝态氮的供应没有要求，含有高氨氮的废水可直接进入反应器。

2.2.3存在的问题

对环境条件较为严格，此类自养菌的生长繁殖较为缓慢。如何持续稳定的获得亚硝酸盐氮的积累，该技术的机理、影响反应的参数、成熟的反应数学模型等仍需进一步研究。

2.3同时硝化反硝化脱氮技术

2.3.1技术原理

硝化和反硝化反应发生在同样的处理条件及同一处理空间。为在同一反应器内同时实现硝化、反硝化和除碳提供了可能。机理主要有：宏观环境理论、微观环境理论、微生物理论。

2.3.2技术特点

硝化过程中碱度被消耗，反硝化过程中亦会产生碱度，能有效地保持反应器中pH稳定，且无需添加外碳源。

反硝化和硝化反应同时进行，可省去缺氧池的费用或减少其容积。

实现亚硝酸型硝化反硝化途径可在好氧段可节省约25%的O2，缺氧段可减少40%的有机碳，反硝化速率提高63%。

2.3.3实现同时硝化反硝化的影响因素

同时硝化反硝化工艺受到絮体结构特征、溶解氧浓度、碳氮比、温度、酸碱度、氧化还原电位（ORP）等因素的影响。

2.4厌氧氨氧化技术

2.4.1技术原理

指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NH4+作为电子供体，以NO3-或NO2-作为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。

2.4.2技术特点

由于氨直接用作反硝化反应的电子供体，可免去外源有机物（如甲醇），节约运行成本。

厌氧氨氧化反应中的耗氧量较之硝化反应下降62.5%。

氨厌氧氧化的生物产酸量大为降低，产碱量降至为零，可节省中和所需的化学试剂，降低运行费用，也可减轻二次污染。

厌氧氨氧化技术无需外加碳源，大幅度减少曝气量，污泥产生量和CO2排放量可减少90%。

2.4.3影响因素

厌氧氨氧化工艺受到生物量、基质浓度、pH值、温度、有机质浓度、水力停留时间、固体停留时间等因素的影响。

3 结论

基于新的生物脱氮机理提出的生物脱氮概念和技术突破了传统理论，缩短氮素的转化过程，更符合可持续发展的概念。新工艺简化了处理流程、缩短了反应时间，具有降低系统投资的潜力。由于各种工艺脱氮的能力均有一定的限度，则提高废水预处理的水平会使整个脱氮工艺取得更好的效果。

我国对生物脱氮的研究至今还主要是针对传统工艺的改进，新工艺的研究和开发应用还较少，对微生物学机制的研究更少，因此，仍有待更深入的研究和探索。