污水處理生物脫氮技術

對近10年世界生物脫氮技術的研究狀況進行了詳細的綜述,著重闡述了生物脫氮的微生物種群、脫氮微生物種群分布、脫氮微生物的生理生化特性,脫氮微生物細胞內所含的硝酸鹽還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化二氮還原酶的細胞,影響脫氮酶活性的因素,脫氮微生物調控硝酸鹽呼吸的基因位點、微生物脫氮基因的表達等發展現狀,同時還敘述了現代生物技術在地下水氮素污染的生物恢復和工業廢水處理等應用的進展情況,為進一步探索新的生物脫氮技術的奠定了一定基礎.

1、厭氧氨氧化反應機理

根據國內外相關學者的研究，厭氧氨氧化指的是在厭氧的條件下，以氨氮(NH4+N)為電子供體，亞硝酸氮(NO2-N)為電子受體，以CO2或HCO3-為碳源，通過厭氧氨氧化菌的作用，將氨氮氧化為氮氣(N2)的過程。其中，在厭氧氨氧化的過程中，也產生了中間產物聯氨(N2H4)以及羥氨(NH2OH)。根據反應方程式，以及厭氧氨氧化技術的原理，可以得出：在厭氧氨氧化的反應中只對CO2以及HCO3-產生了消耗，并沒有進行外加碳源，因此不但能夠有效實現成本的節約，也防止了反應中產生的二次污染;反應過程中幾乎不產生N2O，能夠有效避免傳統脫氮造成的溫室氣體排放；反應過程產堿量為零，無需添加中和試劑，并較為環保。除此以外，該項技術還具有產泥量少，節省供氧動力消耗等多方面的優點，具有可持續開發利用的意義。

2、厭氧氨氧化技術

厭氧氨氧化污水處理技術有著諸多方面的優勢，經過了國內外學者對工藝技術的不斷深入研究，目前已經存在多種形式的厭氧氨氧化技術，其中開發較為成熟的主要有亞硝化-厭氧氨氧化(SHARON-ANAMMOX)以及*自養脫氮工藝(CANON)、氧限制自養硝化-反硝化(OLAND)等工藝技術。

(1)亞硝化-厭氧氨氧化工藝

短程硝化-厭氧氨氧化技術要分兩部分完成，并需要在不同的反應器中進行。首先是亞硝化部分，能夠實現50%左右的氨氮氧化，其次是厭氧氨氧化部分，完成剩余部分的氨氮氧化，并實現與亞硝化部分新生成的亞硝態氮進行厭氧氨氧化反應，生成氮氣和硝態氮。因此，在兩項技術的并列連用下，就不需要再外加亞硝氮，且在反應過程中能有效補償亞硝化堿的消耗，使其達到堿的自平衡。將兩種菌種分別放置在不同的反應器內，分別產生生物作用，也有利于功能菌的生長，有效減少水中有害物質的抑制效應。該工藝技術的優點是操作簡單、需氧量低且厭氧環境好。較之傳統技術，也能有效降低曝氣量，為氨氧化菌的生長提供了舒適的條件。以外，還能有效減少N2O等溫室氣體的排放。該項串聯技術目前多用于低碳氮化廢水的處理，在垃圾滲濾液、城鎮污水處理廠等也有較好的處理效果。

(2)限氧自養硝化-反硝化工藝

限氧自養硝化-反硝化工藝是一種一步脫除氨氮，無需加入COD的新工藝技術，這是由比利時某大學微生物研究室研制開發的。在低氧的條件下，亞硝酸菌有著較強的溶解氧的親和力，形成了亞硝酸的積累。通常條件下，亞硝酸菌飽和常數為0.2～0.4mg/L，與硝酸菌(1.2～1.5mg/L)有較大差異。限氧自養硝化-反硝化工藝利用這種差異性，就容易在較低溫度下實現對亞硝酸菌的穩定積累，淘汰硝酸菌。再實現厭氧氨氧化反應，產生氮氣。與SHARON-ANAMMOX工藝相比，OLAND生物脫氮在硝化過程中更能節省溶解氧消耗，在相對較低的溫度下脫氮效果更好。

(3)*自養脫氮工藝

*自養脫氮工藝技術是指通過對同一構筑物內溶解氧的控制來實現厭氧氨氧化，氨氮到氮氣的轉化過程都由自養菌完成。其基本原理是氨氮部分被亞硝化細菌氧化，形成亞硝氮；而剩余部分的氨氮與隨后產生的亞硝氮發生氧化反應，就形成了氮氣。在此過程中，由于*自養脫氮反應所需的細菌都是自養型的細菌，反應過程也是在無機自養的環境下實現的，因此在反應期間無需再添加有機物。不過此項技術也容易受到硝酸菌的干擾，為保證其穩定運行，使厭氧氨氧化菌不受競爭，就需要嚴格控制反應條件和水質。因為*自養脫氮工藝技術全程自養，因此廣泛應用于實驗室廢水、城市污水等處理。

3、厭氧氨氧化污水處理的應用

隨著對厭氧氨氧化技術研究的不斷深入，已經成功實現了多種污水處理的實際應用，如市政污泥液、生活污水、廁所水、焦化廢水、味精廢水以及垃圾滲濾液等的處理，并逐漸在其他廢水處理領域得以普及和使用。但目前對于一些制藥、養殖等高氨氮的工業領域，應用厭氧氨氧化技術進行污水處理仍較少，這也是今后需要努力的方向。以下選取幾個較為典型的厭氧氨氧化污水處理的實際應用效果，供參考。

(1)污泥液廢水處理

較為典型的低碳氮比污泥液廢水有污泥消化液以及污泥壓濾液等，溫度多為30℃～37℃，pH值也多在7.0～8.5之間，非常適宜厭氧氨氧化菌的生長。

(2)垃圾滲濾液處理

垃圾滲濾液的特點是有機物濃度高、氨氮含量高、水質變化大，且容易含有重金屬等有毒物質，因而是一種成分較為復雜的污水。集中的氨氮濃度一般為2000mg/L，隨著垃圾堆放時間的增長還會越來越高。有學者對廢物填埋場滲濾液進行研究時，發現了滲濾液中厭氧氨缺失的現象，才使得對其進行厭氧氨氧化技術處理成為一種可能。從當前對垃圾滲濾液進行厭氧氨氧化技術處理的研究來看，多為采用的是亞硝化-厭氧氨氧化工藝，一些新的組合技術也得到了嘗試，但由于其中含有較多的有毒物質，很容易使厭氧氨氧化的活性受到抑制。為有效穩定其運行性能，還需要對滲濾液中的微生物、菌群等進行抑制和有效調控，相關的技術也需要不斷研究和優化。

(3)城市生活污水處理

隨著近年來我國城市化進程的不斷加快，城市污水處理行業的壓力也越來越大。要增強污水處理的效益，實現可持續發展，就需要實現城市污水的再利用，有效實現能源的循環回收，這已成為當前的污水處理研究的重要課題。城市生活污水中含有有機碳、磷酸鹽以及氨氮等眾多能量，正符合自養型的脫氮技術的處理條件，因而有望實現污水廠的能源自給。但是對于較低水溫(8℃～15℃)的城市來說，尤其是冬季，用厭氧氨氧化工藝進行城市污水處理仍是較大的挑戰。雖然國外的相關學者(如Lotti等)對于這方面已有了突破性研究，對于中試(4m3，19℃±1℃)的階段性研究也有所進展，有望實現污水處理廠的能源自給，但在實際技術工程應用的過程中，仍存在諸如低溫條件下如何提高菌性活體、如何實現全體擴增等問題，需要在未來的研究發展中有所突破，才能使其在處理城市污水中得以更好地運用。

(4)畜禽養殖污水處理

該類污水的特點是COD濃度高、成分復雜且水質波動大，還存在一定的有機氮。使用傳統的脫氮技術進行畜禽養殖污水處理時，不僅能耗高，還需要加補碳源，脫氮效果也不理想。而現代的厭氧氨氧化工藝有著傳統技術沒有的優勢，有望成為處理該類廢水的備選工藝技術。當前在對豬場廢水厭氧處理的研究中，還存在著運行尚不穩定的問題，需要進一步優化工藝，找到消除影響厭氧氨氧化菌生長障礙的對策，發揮其在畜禽養殖污水處理領域的效能。