污水脫氮原理及工藝

氮、磷元素的大量排放會(huì )造成水體的富營(yíng)養化，因此我國將氨氮和總磷作為評價(jià)污水處理廠(chǎng)處理效果的重要考核指標。目前污水處理以生物脫氮為主，其脫氮原理為經(jīng)過(guò)好氧硝化，缺氧反硝化，將污水中的氮元素轉化為無(wú)害的氮氣。

原理

總氮是指可溶性及懸浮物顆粒中的含氮量，包括NO3-，NO2-和NH4+等無(wú)機氮和氨基酸、蛋白質(zhì)和有機胺等有機氮。生物脫氮首先是在厭氧環(huán)境內，通過(guò)氨化作用將有機氮轉化為氨氮，這一過(guò)程稱(chēng)為氨化過(guò)程，氨化過(guò)程很容易進(jìn)行，在一般無(wú)數處理設施中均能完成；然后在好氧環(huán)境內，通過(guò)硝化作用，將氨氮轉化為硝態(tài)氮；隨后在缺氧環(huán)境內，通過(guò)反硝化作用，將硝態(tài)氮轉化為氨氣，從水中逸出。

主要工藝

脫氮的主要工藝包括活性污泥法（A2O、氧化溝、SBR等）和生物膜法（生物濾池、生物接觸氧化池、生物轉盤(pán)等），對污水中的氮都有良好的去除效果，但在工藝以及操作上存在一定的局限性和復雜性。

1.活性污泥法：

（1）A2O法

A2O法即厭氧一缺氧一好氧活性污泥法。污水在流經(jīng)厭氧、缺氧、好氧三個(gè)不同功能分區的過(guò)程中，在不同微生物菌群的作用下，使污水中的有機物、N、P得到去除。A2/O法是最簡(jiǎn)單的同步除磷脫氮工藝，總水力停留時(shí)間短，在厭氧、缺氧、好氧交替運行的條件下，可抑制絲狀菌的繁殖，克服污泥膨脹，SVI一般小于100，有利于處理后的污水與污泥分離，厭氧和缺氧段在運行中只需輕緩攪拌，運行費用低。該工藝在國內外使用比較廣泛。

優(yōu)點(diǎn)：該工藝為最簡(jiǎn)單的同步脫氮除磷，總的水力停留時(shí)間，總產(chǎn)占地面積少；在厭氧的好氧交替運行條件下，絲狀菌得不到大量增殖，無(wú)污泥膨脹；污泥中含磷濃度高，具有很高的肥效；運行中勿需投藥，只用輕緩攪拌，運行費低。

缺點(diǎn)：除磷效果難于再行提高，污泥增長(cháng)有一定的限度，不易提高；脫氮效果也難于進(jìn)一步提高，內循環(huán)量不宜太高，否則增加運行費用；對沉淀池要保持一定的濃度的溶解氧，減少停留時(shí)間，溶解濃度也不宜過(guò)高，以防止循環(huán)混合液對缺反應器的干擾。

（2）氧化溝

氧化溝又稱(chēng)連續循環(huán)反應器，是20世紀50年代由荷蘭的公共衛生所（TNO）開(kāi)發(fā)出來(lái)的。氧化溝是常規活性污泥法的一種改型和發(fā)展，是延時(shí)曝氣法的一種特殊形式。其主要功能是供氧；保證其活性污泥呈懸浮狀態(tài)，是污水、空氣、和污泥三者充分混合與接觸；推動(dòng)水流以一定的流速（不低于0.25m/s）沿池長(cháng)循環(huán)流動(dòng)，這對保持氧化溝的凈化功能具有重要的意義。氧化溝具有出水水質(zhì)好、抗沖擊負荷能力強、除磷脫氮效率高、污泥易穩定、能耗省、便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際的運行過(guò)程中，仍存在一系列的問(wèn)題，如污泥膨脹問(wèn)題、泡沫問(wèn)題、污泥上浮問(wèn)題、流速不均及污泥沉積問(wèn)題。

（3）SBR

間歇式活性污泥法簡(jiǎn)稱(chēng)SBR工藝，一個(gè)運行周期可分為五個(gè)階段即：進(jìn)水、反應、沉淀、排水、閑置。這種一體化工藝的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，由于只有一個(gè)反應池，不需二沉池、回流污泥及設備，一般情況下不設調節池，多數情況下可省去初沉池。

特點(diǎn)：大多數情況下，無(wú)設置調節池的需要；SVI值較低，易于沉淀，一般情況下不會(huì )產(chǎn)生污泥膨脹；通過(guò)對運行方式的調節，進(jìn)行除磷脫氮反應；自動(dòng)化程度較高；得當時(shí)，處理效果優(yōu)于連續式；單方投資較少；占地規模較大，處理水量較小。

存在問(wèn)題：A2O和氧化溝工藝均需要較大的池體面積，基建成本高；污泥回流、沉淀工序復雜、能耗大，普通小型污水廠(chǎng)難以承擔，不適用于污水廠(chǎng)改造。SBR工藝需要精細度高的潷水器來(lái)保證出水水質(zhì)，后續要設置調節池來(lái)調節出水水量，對自動(dòng)化要求高。

2.生物膜法：

生物濾池占地面積大，生物接觸氧化池固定載體施工維護難度大，且二者均容易發(fā)生堵塞，對污水廠(chǎng)的長(cháng)期穩定運作造成極大的困難。生物轉盤(pán)處理水量小，僅適用于處理水量小的污水處理廠(chǎng)。

3.新型工藝

（1）MBBR膜法

MBBR工藝是基于生物濾池和生物流化床工藝發(fā)展起來(lái)的，在同時(shí)發(fā)揮生物膜法和活性污泥法的優(yōu)勢下，克服了生物膜法常遇到的填料堵塞和反沖洗的高能耗，還克服了活性污泥法的污泥流失等問(wèn)題，使其生物處理效果更為有效。

MBBR載體使用聚合高分子材料制成，高分子材料中融合多種有利于微生物快速附著(zhù)生長(cháng)的微量元素，經(jīng)過(guò)特殊工藝改性、構造而成，具有比表面積大、 親水性好、生物活性高、掛膜快、處理效果好、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。

微生物可大量附著(zhù)在MBBR載體上，使生化處理系統在污泥濃度不變的情況下生物量得到成倍的提高。系統的處理能力和效率也因此得到相應的提高，強化了對不同水質(zhì)的抗沖擊性。當附著(zhù)在MBBR載體上的生物膜達到一定的厚度時(shí)，生物膜形成溶氧梯度，使得在好氧池內載體的內部仍存在缺氧區域，使反硝化菌能在載體內部進(jìn)行反硝化作用，即同步硝化反硝化。可以有效節省碳源，使其能在較低的碳氮比的情況下仍能有良好的脫氮能力。

MBBR載體密度均小于1，在掛膜之后密度與水相近，能在水體中呈懸浮狀態(tài)。在實(shí)際操作中，使用曝氣+攪拌使載體在水體中呈流化狀態(tài)，形成氣-液-固三相流化，強化了氣、液相和載體之間的接觸，大大提高了對氧氣的利用效率，有效降低曝氣量和能耗。

MBBR工藝只需在原有生化工藝上按比例投加載體，和設置載體格柵，無(wú)需大量的基建即可起到強化脫氮能力的作用，大大節省了投資成本。在污水廠(chǎng)的提標改造方面有良好的發(fā)展前景。

（2）短程硝化反硝化

傳統的脫氮工藝是將NH4+氧化成NO2-,再氧化成NO3-；起作用的分別是亞硝酸菌和硝酸菌，統稱(chēng)為硝化菌，可得如下結論：亞硝化過(guò)程產(chǎn)生的能量比硝化過(guò)程產(chǎn)生的能量多，因而前者反應速率較后者快；亞硝化過(guò)程中產(chǎn)生大量的H+,使系統pH值降低，而硝化過(guò)程對系統的pH值無(wú)影響；亞硝化過(guò)程和硝化過(guò)程好氧比為3:1；亞硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的時(shí)代周期短，生長(cháng)較快，因此較能適應沖擊負荷和不利的環(huán)境條件。

當硝酸菌受到抑制的時(shí)候，將會(huì )出現NO2-的積累。很顯然，在傳統的硝化-反硝化脫氮過(guò)程中，在反硝化菌的作用下，反硝化過(guò)程既可從硝酸鹽開(kāi)始，也可以從亞硝酸鹽開(kāi)始。但由NO2-轉化為NO3-，然后由NO3-再轉化為NO2-的重復轉化過(guò)程中，要消耗更多的溶解氧和有機碳源。如果在實(shí)際過(guò)程中，控制這一轉化過(guò)程，使NH4+全部或絕大部分轉化為NO2-而不是NO3-，由NO2-直接進(jìn)行反硝化，稱(chēng)此過(guò)程為短程硝化-反硝化，經(jīng)過(guò)環(huán)境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化過(guò)程在許多反應器都得以實(shí)現。

與傳統脫氮工藝過(guò)程相比，短程硝化-反硝化體現出以下優(yōu)勢。

節能：硝化階段，供氧量節省近25%，降低能耗；節約外加碳源：從NO2-到N2要比從NO3-到N2的反硝化過(guò)程中，減少40%的有機碳源；可以縮短水力停留時(shí)間：在高氨環(huán)境下，NH4+的硝化速率和NO2-的反硝化速率均比NO2-的氧化速率和NO3-的反硝化速率快，因此水力停留時(shí)間可以縮短，反應器的容積也相應減小；可減少剩余污泥產(chǎn)量：亞硝酸菌表觀(guān)產(chǎn)率系數為0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表觀(guān)產(chǎn)率系數為0.02~0.07 g VSS/g N，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表觀(guān)產(chǎn)率系數分別為0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短程硝化反硝化過(guò)程中可以減少產(chǎn)泥24~33%，在反硝化過(guò)程中可少產(chǎn)泥50%。

存在問(wèn)題：短程硝化反硝化工藝目前還處于研究階段，實(shí)際應用工程較少。由于短程硝化階段溫度、pH 值等因素的控制難度較大，需要研發(fā)更加完善的在線(xiàn)檢測和模糊控制技術(shù)，以實(shí)現穩定的短程硝化反硝化，從而不斷擴大短程硝化反硝化工藝的應用。

（3）厭氧氨氧化

厭氧氨氧化作用即在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮氣的生物反應過(guò)程。這種反應通常對外界條件（pH值、溫度、溶解氧等）的要求比較苛刻，但這種反應由于不需要氧氣和有機物的參與，因此對其研究和工藝的開(kāi)發(fā)具有可持續發(fā)展的意義。

厭氧氨氮化一般前置短程硝化工藝，將廢水中的一部分氨氮轉化成亞硝酸鹽。目前在處理焦化廢水、垃圾滲濾液等廢水方面已經(jīng)有成功的運用實(shí)例。

厭氧氨氧化是一個(gè)微生物反應，反應產(chǎn)物為氮氣。具有一些優(yōu)點(diǎn)：由于氨直接作反硝化反應的電子供體，可免去外源有機物(甲醇)，既可節約運行費用，也可防止二次污染；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于部分氨沒(méi)有經(jīng)過(guò)硝化作用而直接參與厭氧氨氧化反應，產(chǎn)酸量下降，產(chǎn)堿量為零，這樣可以減少中和所需的化學(xué)試劑，降低運行費用，也可以減輕二次污染。

（4）曝氣生物濾池（BAF）

曝氣生物濾池是 90 年代初興起的污水處理新工藝，已在歐美和日本等發(fā)達國家廣為流行。

該工藝具有去除 SS 、化學(xué)需氧量、 BOD 、硝化、脫氮、除磷、去除 AOX （有害物質(zhì)）的作用，其特點(diǎn)是集生物氧化和截留懸浮固體與一體，節省了后續沉淀池 ( 二沉池 ) ，其容積負荷、水力負荷大，水力停留時(shí)間短，所需基建投資少，出水水質(zhì)好：運行能耗低，運行費用省。

BAF 屬第三代生物膜反應器，不僅具有生物膜工藝技術(shù)的優(yōu)勢，同時(shí)也起著(zhù)有效的空間過(guò)濾作用，通過(guò)使用特殊的濾料和正確的配氣設計。

工藝特點(diǎn)

1 、 采用氣水平行上向流，使得氣水進(jìn)行極好均分，防止了氣泡在濾料層中凝結核氣堵現象，氧的利用率高，能耗低；

2 、與下向流過(guò)濾相反，上向流過(guò)濾維持在整個(gè)濾池高度上提供正壓條件，可以更好的避免形成溝流或短流，從而避免通過(guò)形成溝流來(lái)影響過(guò)濾工藝而形成的氣阱；

3、上向流形成了對工藝有好處的半柱推條件，即使采用高過(guò)濾速度和負荷，仍能保證 BAF 工藝的持久穩定性和有效性；

4 、采用氣水平行上向流，使空間過(guò)濾能被更好的運用，空氣能將固體物質(zhì)帶入濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的固體物質(zhì)，從而延長(cháng)了反沖洗周期，減少清洗時(shí)間和清洗時(shí)用的氣水量；

5 、濾料層對氣泡的切割作用是使氣泡在濾池中的停留時(shí)間延長(cháng)，提高了氧的利用率；

6 、由于濾池極好的截污能力，使得 BAF 后面不需再設二次沉淀池；

適用范圍：

城市污水、小區生活污水、生活雜排水和食品加工水、釀造等有機廢水處理。

（5）STCC

“STCC污水處理及深度凈化技術(shù)”是一種新型的多種介質(zhì)填料的“曝氣生物濾池技術(shù)”，該技術(shù)在“土壤凈化法”的長(cháng)期實(shí)踐經(jīng)驗基礎上，采用本地天然材料和廢棄材料，研發(fā)出具有自?xún)艄δ艿摹安伙柡吞俊薄ⅰ懊摰�材料”和“除磷材料”等多種介質(zhì)的填料，組成復合填料床。通過(guò)特殊的曝氣系統在填料床中形成好氧缺氧和厭氧交替的環(huán)境，達到脫氮和除磷的目的。

技術(shù)名稱(chēng)STCC寓意：ST代表standard(標準)，第一個(gè)C代表 combination(組合)，第二個(gè)C代表carbon(碳) ，STCC意即“標準化組合的、以碳系材料生物濾池為核心的污水處理及深度凈化技術(shù)”。

處理城鎮污水后的出水優(yōu)于國家《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準，可以達到國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002）Ⅳ類(lèi)標準。

適用范圍：

城鎮生活污水處理及深度處理、生態(tài)型城市污水處理廠(chǎng)、河流湖泊水體凈化與修復。