污水新型生物脱氮技术研究综述

近年来城市污水的排放严重的影响了城市的绿色发展, 每年城市的污水排放量都不断的上升。各级城市的污水处理设施正在建设中, 污水处理的压力不断增加, 各方面都面临着巨大的挑战。氮素的污染是城市污水污染的主要构成部分。污水中的氮元素的污染主要来源是城市居民产生的生活污水, 工厂产生的工业废水和农业生产产生的污水。有报道称, 氮素循环中所产生的中间产物如果不及时去除, 积累后也会对人类健康和生态环境造成不良影响。污水生物脱氮已经得到了人们的关注, 但是如何高效脱氮, 依然是现在城市污水处理所面临的巨大的挑战。

1 传统生物脱氮原理及存在问题

传统的生物脱氮技术到目前为止已经发展了近百年, 已经成熟的在国内外得到应用。对于传统的生物脱氮, 现在人们已经开发出了多种工艺形式, 这些工艺主要有:A/O、SBR、氧化沟、Bardenpho与UCT等。这些工艺技术在实际的应用中很广泛。传统的生物脱氮工艺根据其主要的反应过程把它叫做全程硝化反硝化工艺。其中NH4+→NO2-→NO3-为硝化过程, 这一过程起作用的细菌为硝化细菌;而反硝化过程则是NO3-→NO2-→N2, 这一过程起作用的细菌为反硝化菌。反硝化细菌为异养型厌氧菌, 反硝化细菌的生长需要有机物提供电子供体及能源。由于两种细菌对环境要求的不同, 一般硝化和反硝化在时间和空间上相对独立, 这也使传统硝化反硝化在生物脱氮技术上存在一些问题和不足:

1.1 硝化过程中的曝气需要耗损很多的氧气, 能耗大;

1.2 运行过程中需要内、外回流, 使运行成本与费用提高;

1.3 处理设施的基建投资与能耗高;

1.4 实现污水的完全脱氮的效果, 反硝化过程需要投加碳源。有研究认为, 该阶段要想顺利进行, 只有当C/N>4时。

2 短程硝化-反硝化工艺

2.1 短程硝化-反硝化工艺的原理

Voet在1975年发现反应过程有HNO2积累, 随后创造性的提出了短程硝化反硝化, 这是一种生物脱氮的新型工艺技术。脱氮过程中氨被氧化成能NO2-和NO3-, 这种氧化过程是两个反应过程, 理论上就是可以分开进行的。研究发现, NH4-→NO2-起主要作用的是氨氧化菌 (AOB) , NO2-→NO3-过程起主要作用的是亚硝酸盐氧化菌 (NOB) 。同时研究还发现反硝化菌的受体可以是NO2-或NO3-。这样让两个反应分开就存在了可能性, 其脱氮反应过程简化为:NH4+→HNO2→N2。荷兰代尔夫特工业大学的Mulder和Kempen于1997年提出并成功的开发了Sharon工艺。Sharon工艺是通过调控反应器内部的环境条件, 如DO、温度和p H等有助于AOB生长速率大于NOB, 这样便能够富集AOB, 又能够达到淘汰NOB的目的, 将氨氧化反应产物控制为亚硝酸盐。

2.2 短程硝化-反硝化的特点及应用

该工艺的特点就是尽量的把硝化阶段尽量有效的控制在亚硝化阶段, 脱氮过程能够尽可能的遵循NH4+→NO2-→N2路径进行。

要想使反应控制在亚硝化阶段, 反应器中就要有足够的AOB, 也就是说要创造适合AOB生活的条件, 并且要抑制NOB的生长。废水处理系统是一个复杂的系统, AOB和NOB在生物反应系统中存在着工程关系, 而且这种现象非常的普遍。控制反应器的中的一些关键的因素, 能够让AOB的生长占优势。这些关键的因素有:温度, p H, DO, 进水的水质, HRT及游离的氨等。利用Sharon工艺的原理, 两座规模较大的污水处理厂已经在荷兰建成了。但是Sharon工艺在运行中存在一些问题, 反应器运行的最适宜温度是 (30-40℃) , 一般废水的水温为20℃或者是更低的温度。这就限制了Sharon工艺的应用范围。

3 短程硝化-厌氧氨氧化工艺

3.1 厌氧氨氧化工艺原理

近年来厌氧氨氧化工艺 (Anammox) 在生物脱氮方面的优势逐渐引起重视。它是由荷兰代尔夫特工业大学的Mulder和Van de Graaf等于1995年提出的。Anammox工艺的原理是废水中的厌氧氨氧化菌 (AAOB) 在厌氧的条件下, 以NO2-为反应的电子受体和以NH4+为电子供体。两者反应最终生成N2实现脱氮的反应过程。其反应过程可表示为:NH4++NO2-→N2+2H2O

AAOB为严格自养型厌氧的细菌, 研究发现对厌氧氨氧化起主要作用的因素有基质浓度 (厌氧氨氧化反应最重要的反应基质是NH4+和NO2-) 、温度 (AAOB的活性在37℃最高) 、p H (p H为8.3时反应的活性最高) 、DO浓度及有机物等因素。

3.2 短程硝化-厌氧氨氧化工艺的应用

Anammox工艺的反应中, 亚硝酸盐是反应中的电子受体, 在实际的应用中, 必需要解决亚硝酸盐的来源问题。之前我们介绍的Sharon工艺就是能够产生大量亚硝酸盐的工艺, 因此将短程硝化和厌氧氨氧化工艺结合起来能够更好的利用两个工艺的来进行废水脱氮的研究和应用。又称Sharon-Anammox工艺。

根据Anammox和Sharon在不在一个反应器里进行可以将该工艺分为两级脱氮反应和单级脱氮反应。两级自氧脱氮系统主要有Sharon-Anammox。但是两级的自养脱氮系统 (Sharon-Anammox) 有些问题显而易见。其中Sharon的反应器多是在好氧的条件下运行, Anammox则是要在厌氧的条件下才能发挥作用。Sharon反应器的出水作为进水进入Anammox反应池时, 进水中携带的氧分子可能会对AAOB生物活性产生抑制作用, 甚至会稀释AAOB使处理的效果不够理想。针对这个问题, 一些学者进行了研究。Van Dangen等人进行了可行性的研究, 用该工艺处理厌氧消化的污泥分离液。结果显示该工艺在处理厌氧消化的污泥分离液时能够稳定的运行, 并取得较高的处理效率。

除了Sharon工艺和Anammox工艺, 另有许多其他的新型脱氮工艺。其中好氧脱氮工艺, Canon工艺和Oland工艺等都是新型的生物脱氮工艺。

4 结语

Sharon工艺是序批式的反应形式, 就两个硝化过程放置在一个反应器内进行, 反应工艺流程被缩短了;反应产生的污泥量少;能源消耗比较少, 在较低的碳氮比情况下也能使总氮去除效率提高了, 也就是说在相同碳氮比情况下总氮的去除效率提高了。Sharon工艺可以用于处理高氨氮负荷的废水。由于Sharon工艺还原反应是以亚硝酸盐为起始的, 甲醇的需要量大大的降低了, 因此运行费用也随之降低。研究发现Sharon工艺处理厌氧消化污泥分离液是可行的, 但是付诸应用, 需要进行工艺的放大。Sharon工艺的稳定性和处理效率与反应器中的混合液的p H密切相关, 因此在工艺放大中必须要做好p H的调控问题。技术问题解决后还需要在实际应用中解决工艺实施的经济问题。

在短程硝化中, 只需要将二分之一左右的氨氧化成亚硝酸盐, 因为在厌氧氨氧化中以氨作为直接的电子供体。短程硝化与全程硝化相比, 前者对供氧量和耗碱量的需求很大程度上都小于后者。但是氨和亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌有毒性, 因此必须将氨和亚硝酸盐在基质中的浓度降低到压制的浓度以下, 反应才能够顺利的进行。厌氧氨氧化菌的生长速率非常低, 反应产生的污泥量也就很少, 可有效的减少后续污泥处置费用。厌氧氨氧化反应的应用多针对处理高氨氮浓度的污水, 在处理实际污水问题上, 还有很多问题需要解决。

随着环境问题的日益严重, 人们对环境治理的研究更加的重视。污水脱氮处理的研究也在不断地推进中, 希望能够找到更加高效节能的处理方法。专家们研究的许多新的理论和工艺要进一步从实验室过度到实际的应用, 这一过程是漫长而艰辛的。但这些新的理论和技术一旦得到了实际的运用, 污水处理问题将会得到革命性的改变。

摘要：随着我国经济社会的快速发展, 造成城市水污染情况日益加剧。人们的饮水、生态环境需水量等问题随之不断地加重。其中氮元素的污染问题的严重性, 使污水脱氮研究成为研究重点。本文主要简述了污水生物脱氮处理的一些新型技术方法及其特性。结合新型污水生物脱氮技术的现状讨论其发展前景。

关键词：城市污水,生物脱氮,短程硝化,厌氧氨氧化

参考文献

[1] 付昆明.全程自养脱氮 (CANON) 反应器的启动及其脱氮性能[D].北京工业大学:2010.

[2] 刘静宇, 夏宏彩.水体富营养化及污水脱氮除磷技术分析[J].技术研发, 2015, 22 (8) :216.

[3] Sánchez Guillén J A, Yimman Y, Lopez Vazquez C M, et al.Effects of organic carbon source, chemical oxygen demand/N ratio and temperature on autotrophic nitrogen removal.Water Science&Technology.2014, 69 (10) :2079-2084.

[4] 孙振世, 柯强, 陈英旭, 等.SBR生物脱氮机理及其影响因素[J].中国沼气, 2001, 19 (2) :16-19.

[5] Voets J P, Wanstaen H, Verstraete W.Removal of Nitrogen from Highly Nitrogenous Wastewater[J].JWPCF, 1975, 47 (3) :394-398.

[6] Mulder JW, van Kempen R.N-removal by Sharon.Water Quality international, 1997, 2:30-31.

[7] Voets J P, Wanstaen H, Verstraete W.Removal of Nitrogen from Highly Nitrogenous Wastewater[J].JWPCF, 1975, 47 (3) :394-398.

[8] 郝晓地, Mark van Loosdrecht.荷兰鹿特丹DOKHAVEN污水处理厂介绍[J].给水排水, 2003.29 (10) :19-25.

[9] Van Dongen U, Jetten MSM and van Loosdrecht MCM.The Sharon Anammox process for treatment of ammonium rich wastewater.Water Science and Technology, 2001, 44 (1) :153-160.

[10] 马斌.城市污水连续流短程硝化厌氧氨氧化脱氮工艺与技术[D].哈尔滨工业大学:2012.

[11] 郑平, 徐向阳, 胡宝兰.新型生物脱氮理论与技术[D].科学出版社, 2004:140-141.