城市污水處理中生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用及工藝優(yōu)化路徑探析

陳轉(zhuǎn)琴

（伊犁州環(huán)境應(yīng)急保障中心，新疆 伊犁 835000）

城市污水處理是城市環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，而污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的排放是城市水體富營養(yǎng)化的主要原因之一，對(duì)水體生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。其中，氮的排放是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要因素之一。因此，如何有效地去除污水中的氮成為城市污水處理的重要研究方向。生物脫氮技術(shù)是一種通過微生物將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾姆椒?，主要包括硝化和反硝化兩個(gè)過程。在生物脫氮技術(shù)中，反硝化過程是關(guān)鍵步驟，需要通過控制反硝化菌的生長(zhǎng)和代謝來實(shí)現(xiàn)氮的去除。因此，對(duì)于生物脫氮技術(shù)的研究和優(yōu)化具有重要意義。

1 生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用背景

生物脫氮技術(shù)作為一種環(huán)保、高效的污水處理方法，其應(yīng)用背景主要源于城市污水處理中氮污染問題的日益嚴(yán)重。氮污染物主要包括氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，這些氮化合物在水體中的過量存在會(huì)對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而生物脫氮技術(shù)便是通過微生物的作用，將污水中的氮化合物轉(zhuǎn)化為氮?dú)獠⑴欧胖链髿猓瑥亩_(dá)到減輕氮污染的目的。隨著城市化進(jìn)程的加速，人口密集地區(qū)產(chǎn)生的污水量不斷增加，導(dǎo)致氮污染問題越來越嚴(yán)重。特別是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的處理過程中，氮污染物的排放量居高不下，對(duì)水體環(huán)境造成了極大壓力。為應(yīng)對(duì)這一問題，各國政府和相關(guān)部門紛紛出臺(tái)了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，限制氮污染物的排放，這為生物脫氮技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了政策支持。生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用背景還與傳統(tǒng)物理和化學(xué)脫氮方法存在的問題密切相關(guān)，傳統(tǒng)物理和化學(xué)脫氮方法雖然可以達(dá)到一定的脫氮效果，但操作復(fù)雜、成本高、副產(chǎn)物污染嚴(yán)重，相比之下，生物脫氮技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、無有害副產(chǎn)物等優(yōu)勢(shì)，更符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，在污水處理領(lǐng)域，生物脫氮技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

2 生物脫氮技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 常用的生物脫氮工藝

城市污水處理中常用的生物脫氮工藝主要有以下幾種，這些工藝均以微生物為主體，通過不同的反應(yīng)過程將污水中的氮化合物去除或降解，從而達(dá)到脫氮目的。

2.1.1 A/O工藝（厭氧-好氧工藝）

A/O工藝是一種常見的生物脫氮技術(shù)，它將厭氧區(qū)和好氧區(qū)分開設(shè)置，通過兩個(gè)連續(xù)的生物反應(yīng)區(qū)實(shí)現(xiàn)脫氮。在厭氧區(qū)，微生物將污水中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽；在好氧區(qū)，微生物將亞硝酸鹽進(jìn)一步還原為氮?dú)獠⑨尫诺酱髿庵?。A/O工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此在城市污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1.2 SBR工藝（順序批式反應(yīng)器工藝）

SBR工藝是一種以順序批式反應(yīng)器為核心的生物脫氮技術(shù)。該工藝通過在同一反應(yīng)器中分時(shí)控制好氧和厭氧條件，實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化過程。SBR工藝具有靈活性好、處理效果好、能適應(yīng)不同污水負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為城市污水處理中的主流脫氮技術(shù)。

2.1.3 MBBR工藝（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝）

MBBR工藝是一種生物膜脫氮技術(shù)，它利用懸浮在反應(yīng)器中的生物填料作為微生物生長(zhǎng)載體，通過增加生物膜的活性和容量來提升脫氮效果。MBBR工藝在城市污水處理中具有占地面積小、處理效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于處理高濃度氮污水。

2.1.4 ANAMMOX工藝（厭氧氨氧化工藝）

ANAMMOX工藝是一種新型生物脫氮技術(shù)，通過特殊的厭氧氨氧化菌直接將污水中的氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比，ANAMMOX工藝具有能耗低、運(yùn)行成本低、無需添加有機(jī)物等優(yōu)點(diǎn)，因此在城市污水處理中得到了越來越多的關(guān)注。

2.2 生物脫氮技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

2.2.1.1 環(huán)保

生物脫氮技術(shù)利用微生物，將污水中的氮化合物轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)馀欧胖链髿庵?，?duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響較小。相比傳統(tǒng)的物理和化學(xué)脫氮方法，生物脫氮技術(shù)更加環(huán)保。

2.2.1.2 成本效益高

生物脫氮技術(shù)通常運(yùn)行成本較低，與物理和化學(xué)脫氮方法相比，生物脫氮技術(shù)無需使用昂貴的化學(xué)試劑，且能源消耗較低。

2.2.1.3 操作簡(jiǎn)單

生物脫氮技術(shù)的操作過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需控制微生物的生長(zhǎng)和活性條件，如溫度、pH值和溶解氧濃度等，具有較好的可操作性。

2.2.1.4 適應(yīng)性強(qiáng)

生物脫氮技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以應(yīng)用于各種類型和規(guī)模的污水處理系統(tǒng)。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，生物脫氮技術(shù)可高效去除氮污染物。

2.2.1.5 無有害副產(chǎn)物

生物脫氮技術(shù)在處理過程中無需添加化學(xué)試劑，因此無有害副產(chǎn)物生成，這一點(diǎn)使得生物脫氮技術(shù)在環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 缺點(diǎn)

2.2.2.1 脫氮效率受限

生物脫氮技術(shù)的脫氮效率受到微生物種類和活性的限制，因此可能無法達(dá)到預(yù)期的脫氮效果。此外，生物脫氮技術(shù)對(duì)水質(zhì)和污水中營養(yǎng)物質(zhì)的要求較高，對(duì)于一些特殊類型的污水，如高濃度氮污水，脫氮效果可能不理想。

2.2.2.2 啟動(dòng)期較長(zhǎng)

生物脫氮系統(tǒng)在初始階段，需要一定時(shí)間建立微生物菌群。在這個(gè)啟動(dòng)期內(nèi)，脫氮效果可能較差。此外，對(duì)于新建的污水處理廠，需要引入適宜的微生物種群，可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2.3 微生物的穩(wěn)定性問題

生物脫氮技術(shù)的穩(wěn)定性取決于微生物的穩(wěn)定性。環(huán)境因素的變化，如溫度、pH值、溶解氧濃度等都可能影響微生物的活性和生長(zhǎng)，從而影響脫氮效果。因此，相關(guān)人員在實(shí)際應(yīng)用中需要密切關(guān)注這些因素的變化，以保持生物脫氮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2.4 對(duì)碳源的需求

生物脫氮技術(shù)在反硝化過程中需要充足的碳源，對(duì)于一些低碳源的污水，可能需要額外添加碳源以實(shí)現(xiàn)有效的脫氮，這會(huì)增加處理成本和操作復(fù)雜度。

2.2.2.5 產(chǎn)生N2O等溫室氣體

部分生物脫氮過程中可能產(chǎn)生N2O等溫室氣體，盡管其排放量相對(duì)較低，但仍可能對(duì)環(huán)境造成一定影響。

3 生物脫氮工藝優(yōu)化路徑探討

3.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 氣流控制

氣流控制是生物脫氮工藝中一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)化參數(shù)，對(duì)于脫氮效果和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要影響。通過合理調(diào)節(jié)氣流量，可以確保充足的溶解氧供應(yīng)、提高脫氮效率并降低能耗。在生物脫氮過程中，硝化作用需要充足的溶解氧來進(jìn)行。通過合理控制氣流量，可以確保硝化過程中的微生物獲得足夠的溶解氧，從而提高硝化效率。此外，減少氣流量還可以降低溶解氧過量導(dǎo)致的氧化劑消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。氣流控制對(duì)污水處理系統(tǒng)的混合效果具有重要影響，適當(dāng)?shù)臍饬髁靠梢源_保污水中的污染物與微生物充分接觸，提升處理效果。

為實(shí)現(xiàn)氣流控制的優(yōu)化，相關(guān)人員可以采取以下控制策略：（1）監(jiān)測(cè)溶解氧濃度：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度，根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)氣流量，可確保硝化和反硝化過程的正常進(jìn)行。（2）脈沖曝氣：采用間歇性或脈沖式曝氣方式，可在滿足脫氮需求的同時(shí)降低能耗。（3）負(fù)荷響應(yīng)調(diào)節(jié)：根據(jù)污水處理系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷變化調(diào)整氣流量，以滿足不同負(fù)荷下的脫氮需求，這可以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低能耗。（4）DO控制策略：合理的溶解氧設(shè)定值可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整氣流量，以保持最佳的脫氮效果；此外，可以考慮引入模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法，以提高氣流控制的精度和響應(yīng)速度。（5）通過調(diào)整污泥年齡（SRT），可以影響微生物群落的構(gòu)成和活性。在合適的SRT下，可以減少氣流量對(duì)脫氮效果的影響。

3.1.2 pH值的控制

在生物脫氮工藝中，pH控制是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懳⑸锏幕钚院兔摰Ч?。合理的pH控制有助于提高脫氮效率，優(yōu)化系統(tǒng)性能并降低運(yùn)行成本。硝化和反硝化過程在不同的pH條件下進(jìn)行，因此相關(guān)人員需要根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整污水處理系統(tǒng)的pH值。在硝化過程中，微生物將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，這一過程通常在中性至微堿性條件下進(jìn)行。硝化細(xì)菌對(duì)pH值的敏感性較高，因此需要保持相對(duì)穩(wěn)定的pH環(huán)境[1]。pH值過低會(huì)導(dǎo)致硝化效率降低，甚至中斷硝化過程；而過高的pH值可能導(dǎo)致氨氮的揮發(fā)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在反硝化過程中，微生物將硝酸鹽還原為無害的氮?dú)猓@一過程通常在酸性至中性條件下進(jìn)行。適當(dāng)?shù)膒H控制可以提高反硝化效率，降低碳源的消耗。因此，相關(guān)人員在實(shí)際應(yīng)用中需要密切關(guān)注pH值的變化，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。合理的pH控制策略可以保證生物脫氮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低能耗和成本。相關(guān)人員可以監(jiān)測(cè)污水處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)pH值，并可以根據(jù)硝化和反硝化過程的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，如可以采用添加酸堿調(diào)節(jié)劑、控制碳源投加量或調(diào)整曝氣量等方法進(jìn)行pH調(diào)節(jié)；為實(shí)現(xiàn)pH控制的優(yōu)化，可以考慮引入智能控制技術(shù)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他先進(jìn)的控制算法，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確且自適應(yīng)的pH控制，提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

3.1.3 回流比調(diào)整

回流比是指污水處理系統(tǒng)中反硝化區(qū)進(jìn)水與沉淀后的混合液回流至硝化區(qū)的比例。合理的回流比可以提高脫氮效率、降低能耗、減少污泥產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的污水處理目標(biāo)。在生物脫氮過程中，硝化和反硝化反應(yīng)是相互依賴的，硝化過程將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，而反硝化過程將硝酸鹽還原為氮?dú)?。因此，相關(guān)人員需要通過回流比調(diào)整來保證兩個(gè)過程的平衡，以實(shí)現(xiàn)最佳的脫氮效果。在回流比調(diào)整中可采用先進(jìn)的控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他智能控制算法，實(shí)現(xiàn)精確且自適應(yīng)的回流比調(diào)整，提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

3.2 微生物菌群優(yōu)化

3.2.1 調(diào)整菌群結(jié)構(gòu)

微生物菌群直接參與氮的轉(zhuǎn)化過程，通過優(yōu)化微生物菌群結(jié)構(gòu)，可以提高脫氮效率、降低能耗并減少污泥產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的污水處理目標(biāo)。優(yōu)化微生物菌群結(jié)構(gòu)，相關(guān)人員首先需要了解不同微生物在脫氮過程中的作用。在生物脫氮系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，而反硝化細(xì)菌將硝酸鹽還原為氮?dú)猓虼诵枰谙到y(tǒng)中培養(yǎng)出具有高效硝化和反硝化能力的微生物菌群。為實(shí)現(xiàn)菌群結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，相關(guān)人員可以通過調(diào)整污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行條件來創(chuàng)造有利于特定微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，例如可以通過控制溶解氧（DO）濃度、pH值和污泥年齡（SRT）等參數(shù)，促進(jìn)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而提升脫氮效果。在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)人員還可以通過添加功能性微生物菌群來優(yōu)化生物脫氮系統(tǒng)的菌群結(jié)構(gòu)，這些功能性微生物具有高效的脫氮能力，可以顯著提高系統(tǒng)的脫氮效率。例如，通過添加具有高效硝化能力的硝化細(xì)菌和高效反硝化能力的反硝化細(xì)菌，可以實(shí)現(xiàn)更好的脫氮效果，必要時(shí)可以采用分子生物學(xué)技術(shù)（如PCR、FISH等）對(duì)微生物菌群進(jìn)行定性和定量分析，以評(píng)估菌群結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果[2]。

3.2.2 增強(qiáng)菌群功能

首先，為提高脫氮效率，相關(guān)人員需要在系統(tǒng)中培養(yǎng)出具有高效硝化和反硝化能力的微生物菌群，實(shí)現(xiàn)菌群功能的增強(qiáng)。例如，可以通過控制溶解氧（DO）濃度、pH值和溫度等參數(shù)，促進(jìn)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)。適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件可以刺激微生物的代謝活性，從而提升脫氮效果。其次可以通過合成生物學(xué)技術(shù)對(duì)微生物菌群進(jìn)行基因工程改造，以強(qiáng)化其脫氮功能。通過引入具有高效脫氮功能的基因或調(diào)控元件，可以增強(qiáng)微生物對(duì)硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮的轉(zhuǎn)化能力。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物功能的精確調(diào)控，為提高脫氮效率提供新的途徑[3]。最后，為保證菌群功能增強(qiáng)的持續(xù)性和穩(wěn)定性，需要建立合適的生物脫氮系統(tǒng)運(yùn)行策略，包括定期監(jiān)測(cè)和調(diào)整環(huán)境參數(shù)、合理設(shè)置污泥年齡（SRT）和適時(shí)補(bǔ)充功能性微生物等。通過實(shí)施有效的運(yùn)行策略，可以確保微生物菌群在不同環(huán)境條件下保持高效的脫氮功能。

3.2.3 優(yōu)化脫氮技術(shù)組合

在生物脫氮工藝中，選擇合適的脫氮技術(shù)組合對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的污水處理目標(biāo)至關(guān)重要。不同的脫氮技術(shù)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過合理的組合和配置，可以發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)最佳的脫氮效果。首先，相關(guān)人員要充分了解各種生物脫氮技術(shù)的原理、特點(diǎn)和適用范圍。常見的生物脫氮技術(shù)包括常規(guī)活性污泥法、A/O、A2/O、SBR、MBR等，不同的技術(shù)在處理效果、能耗、占地面積、投資成本和運(yùn)行成本等方面各有不同，因此需要相關(guān)人員根據(jù)實(shí)際需求和條件進(jìn)行綜合評(píng)估。其次，在選擇脫氮技術(shù)組合時(shí)，相關(guān)人員要充分考慮污水處理廠的實(shí)際情況和需求，例如需要考慮污水處理廠的規(guī)模、處理能力、污水水質(zhì)、脫氮目標(biāo)和投資預(yù)算等因素，此外還要考慮污水處理廠的現(xiàn)有設(shè)施和技術(shù)水平，以充分利用現(xiàn)有資源，降低技術(shù)改造的難度和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)人員可以通過組合不同的生物脫氮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的脫氮效果，例如可以將A2/O技術(shù)與MBR技術(shù)相結(jié)合，既可以利用A2/O技術(shù)高效去除氮磷，又可以利用MBR技術(shù)提高出水水質(zhì)[4]。此外，還可以考慮將生物脫氮技術(shù)與其他污水處理技術(shù)（如化學(xué)脫氮、膜分離等）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的污水處理。在優(yōu)化脫氮技術(shù)組合的過程中，相關(guān)人員要密切關(guān)注各種技術(shù)的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，可以采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)，如傳感器、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能控制算法，實(shí)現(xiàn)精確且自適應(yīng)的脫氮技術(shù)組合調(diào)整。

4 結(jié)語

生物脫氮工藝優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的污水處理的關(guān)鍵。本文從調(diào)整回流比、菌群結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)菌群功能和優(yōu)化脫氮技術(shù)組合等方面探討了生物脫氮工藝的優(yōu)化路徑。相關(guān)人員通過綜合應(yīng)用這些策略，可以提高脫氮效率、降低能耗并減少污泥產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和環(huán)保的污水處理。在實(shí)際操作中，相關(guān)人員需要根據(jù)污水處理廠的具體情況和需求來選擇合適的優(yōu)化策略，此外還要密切關(guān)注脫氮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和新興技術(shù)，不斷創(chuàng)新和完善生物脫氮工藝，為實(shí)現(xiàn)城市污水處理的高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保目標(biāo)提供有力支持。