探討生物法脫氮

朱建水 王文富 曹華鋒

(上蔡縣環(huán)境保護(hù)局，河南 上蔡 463800)

廢水中的氮常以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。在生活污水中，氮的存在形式主要為有機(jī)氮和氨態(tài)氮，它們均來(lái)源于人們食物中的蛋白質(zhì)。生活污水中有機(jī)氮約占總氮的60%，氨氮約占40%。當(dāng)污水中的有機(jī)物被生物降解氧化時(shí)，其中的有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為氨氮。經(jīng)活性污泥法處理的污水有相當(dāng)數(shù)量的氨氮排入水體，可導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。水體若為水源，將增加給水處理的難度和成本。因此廢水再進(jìn)行二級(jí)處理的出水有時(shí)需進(jìn)行脫氮處理。脫氮的方法有化學(xué)法和生物法兩大類。本文主要探討生物法去除氮。

1 生物脫氮機(jī)理

生物脫氮的機(jī)理是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程。其中包括硝化和反硝化兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。

硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為和的過(guò)程。此作用是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌共同完成的。這兩種菌屬于化能自養(yǎng)型微生物。其反應(yīng)如下：

硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。

硝化反應(yīng)的適宜溫度為20℃～30℃。低于15℃時(shí)，反應(yīng)速度迅速下降，5℃時(shí)反應(yīng)幾乎完全停止。

由于硝化菌是自養(yǎng)菌，若水中BOD5值過(guò)高，將有助于異氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生長(zhǎng)世代周期較長(zhǎng)，為了保證硝化作用的進(jìn)行，泥齡應(yīng)取大于硝化菌最小世代時(shí)間兩倍以上。

硝化反應(yīng)對(duì)溶解氧有較高的要求，處理系統(tǒng)中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反應(yīng)過(guò)程中，有H+釋放出來(lái)，使pH值下降。硝化菌受pH值的影響很敏感，為了保持適宜的pH值7～8，應(yīng)在廢水中保持足夠的堿度，以調(diào)節(jié)pH值的變化。1g氨態(tài)氮(以N計(jì))完全硝化，需堿度(以 CaCO3計(jì))7.1 g。

反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子受體進(jìn)行好氧呼吸；在無(wú)氧而有O3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。

在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程.

在反硝化反應(yīng)中，最大的問(wèn)題就是污水中可用于反硝化的有機(jī)碳的多少及其可生化程度。當(dāng)污水中BOD5／TKN＞3～5時(shí)，可認(rèn)為碳源充足。不同的有機(jī)碳將導(dǎo)致反硝化速率的不同。碳源按其來(lái)源可分為三類：①外加碳源，多采用甲醇，因?yàn)榧状急环纸夂蟮漠a(chǎn)物為CO2，H2O，不產(chǎn)生其它難降解的中間產(chǎn)物，但其費(fèi)用較高；②原水中含有的有機(jī)碳；③內(nèi)源呼吸碳源——細(xì)菌體內(nèi)的原生物質(zhì)及其貯存的有機(jī)物。

反硝化反應(yīng)的適宜pH值為6.5～7.5。pH值高于8或低于6時(shí)，反硝化速率將迅速下降。

反硝化反應(yīng)的溫度范圍較寬，在5℃～40℃范圍內(nèi)都可以進(jìn)行。但溫度低于15℃時(shí)，反硝化速率明顯下降。

2 常見生物脫氮工藝

生物脫氮技術(shù)的開發(fā)是在30年代發(fā)現(xiàn)生物濾床中的硝化、反硝化反應(yīng)開始的。但其應(yīng)用還是在1969年美國(guó)的Barth提出三段生物脫氮工藝后。

2.1 三段生物脫氮工藝

該工藝是將有機(jī)物氧化，硝化及反硝化段獨(dú)立開來(lái)，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。使除碳，硝化和反硝化在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行，并分別控制在適宜的條件下運(yùn)行，處理效率高。

由于反硝化段設(shè)置在有機(jī)物氧化和硝化段之后，主要靠?jī)?nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化，效率很低，所以必須在反硝化段投加外加碳源來(lái)保證高效穩(wěn)定的反硝化反應(yīng)。隨著對(duì)硝化反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)的加深，將有機(jī)物氧化和硝化合并成一個(gè)系統(tǒng)以簡(jiǎn)化工藝，從而形成二段生物脫氮工藝成為現(xiàn)實(shí)。各段同樣有其自己的沉淀及污泥回流系統(tǒng)。除碳和硝化作用在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，設(shè)計(jì)的污泥負(fù)荷率要低，水力停留時(shí)間和泥齡要長(zhǎng)，否則，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源來(lái)維持反硝化的順利進(jìn)行。

2.2 Bardenpho 生物脫氮工藝

該工藝取消了三段脫氮工藝的中間沉淀池。該工藝設(shè)立了兩個(gè)缺氧段，第一段利用原水中的有機(jī)物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態(tài)氮的混合液進(jìn)行反硝化反應(yīng)。經(jīng)第一段處理，脫氮已基本完成。為進(jìn)一步提高脫氮效率，廢水進(jìn)入第二段反硝化反應(yīng)器，利用內(nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化。最后的曝氣池用于吹脫廢水中的氮?dú)猓岣呶?泥的沉降性能，防止在二沉池發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象。這一工藝比三段脫氮工藝減少了投資和運(yùn)行費(fèi)用。

2.3 改進(jìn)的 Bardenpho工藝

改進(jìn)的Bardenpho工藝由四池串聯(lián)，即缺氧一好氧一缺氧池一好氧池。類似二級(jí)A/O工藝串聯(lián)。第二級(jí)A/O的缺氧池基本上利用內(nèi)源碳源進(jìn)行脫氮，最后的曝氣池可以吹脫氨氮，提高污泥的沉降性能。

為了提高除磷的穩(wěn)定性，在Bardenpho工藝流程之前增設(shè)一個(gè)厭氧池，以提高污泥的磷釋放效率。只要脫氮效果好，那么通過(guò)污泥進(jìn)入?yún)捬醭氐南跛猁}是很少的，不會(huì)影響污泥的放磷效果，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較好的脫氮除磷效果。

2.4 UCT 工藝

在改進(jìn)的Bardenpho工藝中，由于二沉池回流污泥中很難避免有一些硝酸鹽回流到流程前端的厭氧池，從而影響除磷效果；為此，UCT工藝將二沉池的回流污泥回流到缺氧池，污泥中攜帶的硝酸鹽在缺氧池中反硝化脫氮。同時(shí)為彌補(bǔ)厭氧池中污泥的流失，增設(shè)缺氧池至厭氧池的污泥回流。這樣厭氧池可免受硝酸鹽的干擾。

2.5 SBR 工藝

SBR工藝是將除磷脫氮的各種反應(yīng)，通過(guò)時(shí)間順序上的控制，在同一反應(yīng)器中完成。如進(jìn)水后進(jìn)行一定時(shí)間的缺氧攪拌，好氧菌將利用進(jìn)水中攜帶的有機(jī)物和溶解氧進(jìn)行好氧分解，此時(shí)水中的溶解氧將迅速降低甚至達(dá)到零，這時(shí)厭氧發(fā)酵菌進(jìn)行厭氧發(fā)酵，反硝化菌進(jìn)行脫氮；然后停止攪拌一段時(shí)間，使污泥處于厭氧狀態(tài)，聚磷菌放磷；接著進(jìn)行曝氣，硝化菌進(jìn)行硝化反應(yīng)，聚磷菌吸磷，經(jīng)一定反應(yīng)時(shí)間后，停止曝氣，進(jìn)行靜止沉淀，當(dāng)污泥沉淀下來(lái)后，撇出上部清水而后再放人原水，如此周而復(fù)始。研究表明，SBR工藝可取得很好的脫氮除磷效果。自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善，為SBR的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。SBR是間歇運(yùn)行的，為了連續(xù)進(jìn)水，至少需設(shè)置二套SBR設(shè)施，進(jìn)行切換。

3 新型生物脫氮工藝

隨著科學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌，硝化反應(yīng)不僅由自養(yǎng)菌完成，某些異養(yǎng)菌也可以進(jìn)行硝化作用，反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行，某些細(xì)菌也可在好氧條件下進(jìn)行反硝化；許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌（如Thiosphaerapantotropha菌），并能把氧化成NO：-后直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)；氨的氧化不僅可以在好氧條件下進(jìn)行，也可以在厭氧條件下進(jìn)行。這些新發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)生物脫氮理論的認(rèn)識(shí)，為研發(fā)生物脫氮新工藝奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著生物脫氮技術(shù)的發(fā)展，新的工藝不斷被開發(fā)出來(lái)，如氧化溝、序批式活性污泥法等，可在同一池中通過(guò)控制運(yùn)行條件，在不同時(shí)段，形成缺氧和好氧的條件，從而達(dá)到除碳和脫氮的目的。