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1、 废水生物脱氮新技术及研究进展摘 要：随着氨氮被纳入“十二五”期间总量控制指标体系，废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。传统的生物脱氮采用的是硝化、反硝化工艺，但存在着许多问题。介绍了短程硝化一反硝化，厌氧氨氧化、同步硝化反硝化、全自养脱氮工艺等生物脱氮新工艺的机理、特点和研究现状，同时指出了新技术存在的问题和今后研究的发展趋势。关键词：生物脱氮 短程硝化一反硝化 生物电极脱氮工艺 好氧脱氨工艺1 引言近些年来，随着科学技术的发展，生物脱氮在技术和工艺上取得了长足进步，发展出了：(1)同步硝化反硝化；(2)短程硝化反硝化；(3)厌氧氨氧化工艺；(4)全程自养脱氮工艺；(5)其它生
2、物脱氮新工艺（好氧脱氨工艺和sharon-anammox联合工艺）等新技术和工艺。本文主要系统介绍上述新技术和工艺的机理及发展进度，并对其可能存在的问题进行了分析。2 生物脱氮传统工艺及存在的问题废水生物脱氮传统工艺原理是硝化和反硝化反应，硝化反应是指在好氧硝化菌的作用下把氨氮转化为硝态氮，反硝化反应是指反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮转化为氮气，通过硝化和反硝化反应将氨氮转化为氮气从而从废水中去除。具体工艺例如：ao、a2o、uct、jbh、aaa等，都是典型的传统硝化反硝化工艺。这些工艺在废水脱氮的实际应用中发挥了一定的作用，但仍存在以下问题：(1)硝化过程需要曝气；(2)由于曝气使废水中的c
3、od大部分被去除，而反硝化程需要一定的碳源，因此往往需要另外加入碳源；(3)在低温条件下硝化菌群的增殖速度慢，而且难以维持较高生物浓度。因而必须延长总水力停留时间(hrt)，造成了基础建设投资的增加；(4)高浓度的氨氮和亚硝酸盐废水会抑制硝化菌的生长；(5)为了中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和；(6)为了获得良好的脱氮效果及维持较高生物浓度，必须同时进行污泥和硝化液的回流，增加了动力消耗。3 新型生物脱氮工艺3.1 同步硝化反硝化同步硝化-反硝化工艺是利用了：(1)硝化过程的产物是反硝化的反应物；(2)反硝化过程产生硝化所需的碱。从而使脱氮过程在同一反应器内实现。和传统硝化-反硝化脱氮工艺
4、相比，同步硝化-反硝化工艺有明显的优点，主要表现为：(1)缩小反应器体积，缩短反应时间；(2)无需酸碱中和；(3)降低了曝气要求，增加了设备的处理负荷并节省能耗，简化了系统的设计和操作；(4)完全脱氮。目前，同步硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究主要集中在氧化沟、生物转盘、生物流化床等系统。但是在同步硝化-反硝化工艺中有机碳源的可生化利用性对反硝化速率的影响以及同时硝化反硝化过程中除氮特性的研究都是有待深化的问题。3.2 短程硝化反硝化短程硝化-反硝化是通过抑制硝化菌的活性，使硝化的产物停留在n02-阶段，然后在进入反硝化阶段将n02-n还原为n2。与传统的硝化-反硝化相比，短程硝化-反硝化具有：
5、(1)硝化阶段需氧量减少25；(2)反硝化阶段所需碳源减少40，反硝化率提高63；(3)厌氧反硝化阶段剩余污泥量减少30；(4)水力停留时间较短，反应器的容积可减少30一40；(5)减少了投碱量；(6)缩短了反应历程，增加了脱氮效率等优点。实现短程硝化-反硝化的关键在于将nh4+的氧化有效控制在n02-阶段，然后直接进行反硝化。但是到目前为止，将硝化反应有效控制在n02-阶段的报道并不多见，具代表性的有荷兰delft工业大学于1997年开发的sharon工艺，但是sharon工艺也有明显缺点：(1)较高的温度条件限制其在低温地区和季节的应用；(2)反应器生态系统中no2-的累积具有致癌风险等。
6、3.3 厌氧氨氧化工艺厌氧氨氧化工艺由荷兰delft工业大学于20世纪末开始研究，并于21世纪初成功开发出的一种新型的生物脱氮工艺。厌氧氨氧化是以亚硝酸盐作为氧化剂取代氧气将氨氧化成氮气，或以氨作为电子供体取代有机物将亚硝酸盐还原成氮气。厌氧氨氧化反应是一个全新的生物反应，发生厌氧氨氧化的前提是氨和亚硝酸或硝酸盐同时存在，且不存在氧。厌氧氨氧化有如下优点：(1)反应过程在厌氧条件下进行，供氧能耗大幅度下降；(2)不再需要外加有机物，可节省费用；(3)反应过程一步完成，产酸量下降，减少加碱量。和上述工艺相比厌氧氨氧化工艺完全脱离了硝化-反硝化的范畴，为处理高氨氮、低 bod的废水开辟了一条最优途
7、径，同时也为生物脱氮技术开拓了新思路。3.4 全程自养脱氮工艺3.4.1 两阶段限氧自养硝化反硝化工艺(oland)两阶段限氧自养硝化反硝化工艺，是硝化反应和厌氧氨氧化相结合的一种新型生物脱氮工艺。该工艺分为两个部分进行：第一步是将废水中的一半氨氮氧化为亚硝酸盐；第二步是亚硝酸盐与剩余另一半氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而达到脱氮的目的。实现两阶段限氧自养硝化反硝化工艺的关键在于亚硝化阶段严格控制废水溶解氧水平，将近50的氨氮转化为亚硝酸盐，从而实现硝化阶段稳定的出水比例nh4+n02-：(12?2)，为厌氧氨氧化阶段提供理想进水，提高整个工艺的脱氮效率。和传统生物脱氮工艺相比，oland工艺有如
8、下特点：(1)理论上只需将一半的氨氮氧化；(2)不需外加有机碳源；(3)污泥量产生少。这些特点都将有效降低其运行成本。目前oland工艺还停留于实验室探索阶段。3.4.2 一体化完全自养脱氮系统(canon)canon工艺是2002年首先由荷兰delft工业大学提出的新型工艺生物脱氮工艺。在canon工艺中，亚硝酸细菌把氨氧化成亚硝酸盐；厌氧氨氧化菌则把氨和亚硝酸盐转化成氮气。整个脱氮过程在亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协作下完成。亚硝酸菌的基质是氨和氧气，厌氧氨氧化细菌的基质是氨和亚硝酸盐，在没有外源亚硝酸盐的情况下，厌氧氨氧化菌有赖于亚硝酸菌提供基质。由于厌氧氨氧化菌和亚硝酸菌都是自养型细菌，因
9、此canon工艺无需外源有机物，能够在完全无机的条件下进行。sliekers ao等分别选用批式反应器和气提式反应器，对canon工艺进行了运试，效果令人满意。目前，canon工艺还处于实验室探索阶段。3.5 其它生物脱氮新工艺3.5.1 好氧脱氨工艺1997年首先由德国hannover大学提出的新型生物脱氮工艺。在传统的生物脱氮中，氨在氧化过程中和消耗的氧之间存在一定的当量关系；在去除的硝酸盐与消耗的有机物之间也存在一定的当量关系。然而，在许多实际的生物脱氮系统内，经常会出现氨的超量去除。hippen等把这个氨和硝酸盐的超量去除现象称为好氧脱氮。目前，好氧脱氨工艺还处于实验室探索阶段。sie
10、grist等认为，可采用两种方式来开发好氧脱氨工艺。其一是通过设计和操作控制，使反应器交替产生好氧和缺氧条件，从而使亚硝酸盐和厌氧氨氧化菌轮流作用，以实现氨至氮气的转化；其二通过通过设计和操作控制，使反应器内的微生物形成生物膜，让亚硝酸菌分布于好氧表层，厌氧氨氧化分布于缺氧内层，并利用基质扩散实现氨至氮气的转化。3.5.2 sharon-anammox联合工艺虽然sharon工艺处理富氨废水的效果比较好，但在反硝化过程中需要消耗碳源，因此有人利用其作为亚硝化反应器，将近50氨氮转化为亚硝酸盐，再利用anammox工艺将剩余的氨氮和产生的亚硝酸盐经自养菌作用生成n2。形成一个新型的生物脱氮联合工
11、艺。和传统生物脱氮工艺相比，sharon-anammox联合工艺具备以下优点：(1)耗氧量少；(2)污泥产生量少；(3)不需外加碳源。虽然各国学者对sharon-anammox联合工艺进行了宏观和微观的研究，但对其反应的途径及微生物生理特性的研究还不够深入，需进一步加强研究。4 生物脱氮新技术发展和展望与传统脱氮技术相比，生物脱氮新技术处理氨氮废水时具有明显的优势，但脱氮机理的研究大多数仍处在实验阶段，工艺有待进一步深入研究，在实际应用中应重点考虑各个反应关联问题如：溶解氧、泥龄、碳源和硝酸盐等，这是生物脱氮系统运行好坏的关键。由于脱氮理论研究的深入，新工艺层出不穷，各种工艺有机组合使用以达到
12、更好的处理效果；新的填料和新的硝化细菌等的探索和研究。随着生物学机理的深入揭示和相关学科的发展与渗透，生物脱氮技术已不仅仅是单一追求较高的nh4+-n去除率，而是向着这一简洁、高效、经济的方向发展，这是现在脱氮技术发展的趋势。参考文献：1 白莉,杨云龙.生物脱氮新技术j.科技情报开发与经济,2003,13(7):101-102.2 操卫平,冯玉军,李正山,等.高氮低碳废水生物脱氮研究进展j.化工环保,2004,24(4):26-28.3 高剑平.废水生物脱氮新技术研究进展j.广西轻工业,2010,(7):89-90.4 李发站,吕锡武,窦月芹.生物法脱氮新技术及研究进展j.安全与环境工程,20
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