1、城市(shi)污水生物脫氮(dan)的(de)現狀
隨著工業化(hua)步伐的(de)加快、人口的(de)增長(chang)和水(shui)污(wu)染問題的(de)嚴重，使(shi)原本(ben)十分有(you)限的(de)淡水(shui)資(zi)源更加稀缺，我(wo)國多(duo)個大中城(cheng)市中有(you)半數(shu)以上缺水(shui)尚有(you)的(de)城(cheng)市沒有(you)污(wu)水(shui)處理廠，大量(liang)生活污(wu)水(shui)直(zhi)接排放，造成越來(lai)越嚴重的(de)環境(jing)污(wu)染問題。解決水(shui)環境(jing)污(wu)染問題迫在(zai)眉睫。
目前(qian)，我(wo)國污(wu)水(shui)處理廠的(de)(de)二級處理率仍然(ran)(ran)很低，而且污(wu)水(shui)處理大部分仍然(ran)(ran)局限在(zai)有(you)機物和懸浮固體(ti)的(de)(de)去除(chu)。雖然(ran)(ran)近年(nian)來，我(wo)國已經開(kai)展(zhan)了脫氮除(chu)磷方面的(de)(de)研究，并且取得了一(yi)定的(de)(de)進展(zhan)。但(dan)是近十多(duo)年(nian)來，我(wo)國污(wu)水(shui)處理廠的(de)(de)工藝升富(fu)營(ying)(ying)養(yang)化問題不但(dan)沒有(you)解決(jue)，反而還在(zai)加重。水(shui)體(ti)富(fu)營(ying)(ying)養(yang)化是指湖泊(bo)、河流、水(shui)庫等(deng)水(shui)體(ti)中氮磷等(deng)植(zhi)物性(xing)營(ying)(ying)養(yang)物質含(han)量過多(duo)所引起的(de)(de)水(shui)質污(wu)染現象。由于(yu)水(shui)體(ti)中氮磷等(deng)營(ying)(ying)養(yang)物質的(de)(de)富(fu)集,引起藻(zao)類(lei)及其他浮游生物的(de)迅速繁殖(zhi)，使水(shui)(shui)體(ti)(ti)溶(rong)解氧含量下(xia)降，造成藻(zao)類(lei)、浮游生物、植物、水(shui)(shui)生物和魚(yu)類(lei)衰亡(wang)甚(shen)至絕跡的(de)污染現象。二級出水(shui)(shui)中氮磷等營養(yang)物的(de)過多排放引起的(de)水(shui)(shui)體(ti)(ti)富營養(yang)化問題仍然是我國面臨的(de)最主要的(de)水(shui)(shui)污染問題之一。
污水生(sheng)(sheng)物處(chu)理過程的脫(tuo)氮技術是(shi)(shi)上個(ge)世紀(ji)年代(dai)才開(kai)始逐漸發(fa)展并(bing)應(ying)用于工程實踐中(zhong)。磷可以通(tong)過生(sheng)(sheng)物法(fa)(fa)去除(chu)，同時也(ye)可以通(tong)過化學法(fa)(fa)去除(chu)，通(tong)過投加藥劑(ji)生(sheng)(sheng)成含磷污泥沉(chen)淀(dian)排出系統。由于含氮的化合(he)物一(yi)(yi)般都是(shi)(shi)分子態，分子量較小，目(mu)前(qian)生(sheng)(sheng)物法(fa)(fa)去除(chu)是(shi)(shi)唯一(yi)(yi)經濟可取的方法(fa)(fa)。
但(dan)是目前(qian)的(de)(de)實際情況是，我國(guo)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)(chang)仍然普遍存在技(ji)術人(ren)員缺乏，運行(xing)(xing)管理(li)(li)(li)水(shui)(shui)平較(jiao)低(di)等問題，所以積(ji)極探索適合我國(guo)國(guo)情，在投入較(jiao)少(shao)的(de)(de)情況下，獲得更好的(de)(de)處理(li)(li)(li)效果，降低(di)運行(xing)(xing)成(cheng)本(ben)，對于(yu)發展(zhan)我國(guo)的(de)(de)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)事業顯得尤為(wei)重要。隨著我國(guo)《城鎮污(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)(chang)污(wu)染物(wu)排放標(biao)準一》的(de)(de)頒布實行(xing)(xing)，對于(yu)我國(guo)城鎮污(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)(chang)的(de)(de)氮(dan)磷排放提出了(le)更高的(de)(de)要求。實現(xian)對于(yu)已建成(cheng)城鎮污(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)(chang)的(de)(de)脫氮(dan)除磷改(gai)造突出的(de)(de)擺(bai)在我們(men)面前(qian)。
氧化溝工藝由于其(qi)運行穩定，管理(li)方(fang)便等優點(dian)在國內污(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠，尤其(qi)是許多城市污(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠中得到了廣泛(fan)的應用(yong)。針對氧化溝工藝的降(jiang)耗運行和脫氮改造將對于提(ti)高(gao)(gao)我(wo)國的污(wu)水(shui)處(chu)理(li)技術水(shui)平，提(ti)高(gao)(gao)運行管理(li)具(ju)有重要的理(li)論意義和實踐價值(zhi)。
同時，隨著經濟社會的不(bu)斷發(fa)展和人民(min)生活水(shui)(shui)平的不(bu)斷提高，城(cheng)市(shi)污水(shui)(shui)廠(chang)的進水(shui)(shui)水(shui)(shui)質也發(fa)生了顯著的變化(hua)(hua)(hua)，目(mu)前(qian)許多(duo)城(cheng)市(shi)污水(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)都面臨著進水(shui)(shui)碳(tan)氮比較低，反(fan)硝化(hua)(hua)(hua)過程探源不(bu)足的問題。如何優化(hua)(hua)(hua)低碳(tan)氮比污水(shui)(shui)的脫氮處理(li)(li)工藝，降低處理(li)(li)費用也成(cheng)為(wei)目(mu)前(qian)研究的熱點問題之一。
2、國內外研究(jiu)現狀和(he)發(fa)展趨勢
自世紀年(nian)代(dai)起，世界各(ge)國(guo)開始(shi)普(pu)遍研究利用生物(wu)(wu)法去除(chu)污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)氮和(he)磷(lin)(lin)(lin)等植物(wu)(wu)性(xing)營(ying)養(yang)鹽(yan)的(de)工(gong)(gong)作。年(nian)國(guo)際水(shui)(shui)污(wu)染控制和(he)研究協會在丹麥哥(ge)本哈根舉行了第一次關于氮磷(lin)(lin)(lin)去除(chu)的(de)國(guo)際會議，這是污(wu)水(shui)(shui)除(chu)磷(lin)(lin)(lin)脫氮技術研究和(he)工(gong)(gong)程應用取(qu)得重大進展的(de)標(biao)志(zhi)。進入世紀年(nian)代(dai)，歐洲各(ge)國(guo)都制定了各(ge)自的(de)法律法規，對(dui)于排(pai)放(fang)的(de)二(er)級出(chu)水(shui)(shui)中(zhong)的(de)氮、磷(lin)(lin)(lin)等植物(wu)(wu)性(xing)營(ying)養(yang)物(wu)(wu)質都提出(chu)了明(ming)確的(de)要(yao)求(qiu)。我國(guo)也先后頒布了如《污(wu)水(shui)(shui)綜合(he)排(pai)放(fang)標(biao)準一》以(yi)及《城鎮(zhen)污(wu)水(shui)(shui)處理廠(chang)污(wu)染物(wu)(wu)排(pai)放(fang)標(biao)準一》，對(dui)于城鎮(zhen)污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)排(pai)放(fang)的(de)污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)氮、磷(lin)(lin)(lin)等提出(chu)了更高的(de)要(yao)求(qiu)。在傳統的(de)順序(xu)硝(xiao)化(hua)一反(fan)硝(xiao)化(hua)工(gong)(gong)藝的(de)基礎上，目(mu)前又(you)開發(fa)了許多新的(de)脫氮工(gong)(gong)藝，如同時硝(xiao)化(hua)反(fan)硝(xiao)化(hua)，短程硝(xiao)化(hua)反(fan)硝(xiao)化(hua)以(yi)及厭氧氨氧化(hua)等。
2.1 傳統生物脫氮工(gong)藝(yi)
對于(yu)污(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)進行(xing)硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)程主(zhu)要(yao)(yao)基于(yu)以下幾點考慮(lv)氨(an)氮對于(yu)水(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)動物的(de)(de)(de)毒性和對于(yu)水(shui)(shui)(shui)中溶(rong)解(jie)氧(yang)的(de)(de)(de)消耗控制水(shui)(shui)(shui)體(ti)富(fu)營養化(hua)，進行(xing)脫(tuo)(tuo)氮的(de)(de)(de)需要(yao)(yao)以及水(shui)(shui)(shui)資(zi)源的(de)(de)(de)回(hui)用，包(bao)括地下水(shui)(shui)(shui)回(hui)灌(guan)等的(de)(de)(de)需要(yao)(yao)。生(sheng)(sheng)物脫(tuo)(tuo)氮過(guo)程一(yi)般都(dou)包(bao)括兩部分(fen)好(hao)氧(yang)區，使硝(xiao)(xiao)化(hua)能夠發生(sheng)(sheng)缺氧(yang)區在空間或(huo)者時間存(cun)在，使通(tong)(tong)過(guo)氨(an)氮氧(yang)化(hua)形成(cheng)的(de)(de)(de)亞硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽(yan)及硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽(yan)還(huan)原(yuan)實(shi)現總氮去除成(cheng)為(wei)可能。亞硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽(yan)或(huo)者硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽(yan)的(de)(de)(de)還(huan)原(yuan)需要(yao)(yao)電子(zi)供體(ti)，而(er)反硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)程的(de)(de)(de)電子(zi)供體(ti)通(tong)(tong)常有以下三種來源進水(shui)(shui)(shui)中可以生(sheng)(sheng)物降解(jie)的(de)(de)(de)有機(ji)物、活(huo)性污(wu)泥的(de)(de)(de)內(nei)源碳源和外投加(jia)碳源。而(er)反硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)程碳源不足則會導致污(wu)水(shui)(shui)(shui)脫(tuo)(tuo)氮不徹底。
2.2 傳統脫氮工藝
為了防(fang)止水體富營養化(hua)問題，當向敏感水體中排放污(wu)水時(shi)，通(tong)常(chang)都(dou)(dou)需要(yao)考慮脫氮(dan)。脫氮(dan)既可(ke)以(yi)是(shi)一個生(sheng)物處(chu)理系(xi)統的(de)(de)一部分(fen)，也可(ke)以(yi)是(shi)已建(jian)(jian)污(wu)水處(chu)理廠(chang)的(de)(de)擴(kuo)建(jian)(jian)改(gai)造部分(fen)。對于(yu)懸浮生(sheng)長(chang)的(de)(de)生(sheng)物脫氮(dan)系(xi)統，可(ke)以(yi)分(fen)為單(dan)污(wu)泥系(xi)統和雙污(wu)泥系(xi)統。單(dan)污(wu)泥意(yi)味(wei)著系(xi)統中只有一個污(wu)泥分(fen)離裝置通(tong)常(chang)為二沉池(chi)。活性污(wu)泥反(fan)應器可(ke)能(neng)被分(fen)成(cheng)不同的(de)(de)實現缺氧或者(zhe)好(hao)氧環境，通(tong)常(chang)設置混(hun)合液內回(hui)流。雙污(wu)泥系(xi)統通(tong)常(chang)由硝(xiao)化(hua)和反(fan)硝(xiao)化(hua)兩個單(dan)元構成(cheng)，各(ge)自都(dou)(dou)有單(dan)獨的(de)(de)污(wu)泥分(fen)離系(xi)統。單(dan)污(wu)泥系(xi)統在實際中比較常(chang)用。
3、生物(wu)脫氮(dan)工藝研究新進展
近(jin)年來，隨著經濟社會的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)(fa)展，污水(shui)排放量逐年提高(gao)。傳統的(de)脫氮(dan)工(gong)藝(yi)(yi)采用時(shi)間或者空間上的(de)順序硝(xiao)化反硝(xiao)化過程，雖然能(neng)夠滿足(zu)較低的(de)出水(shui)氮(dan)磷要求(qiu)，但是存在的(de)問題(ti)是流(liu)程長(chang)、能(neng)耗高(gao)以及效率較低等缺點(dian)。因此(ci)，污水(shui)處理許(xu)多生(sheng)物(wu)(wu)脫氮(dan)的(de)新理論和新工(gong)藝(yi)(yi)被開發(fa)(fa)出來，尤(you)其是一些(xie)基于新的(de)微生(sheng)物(wu)(wu)菌群(qun)引入的(de)新工(gong)藝(yi)(yi)。這些(xie)新工(gong)藝(yi)(yi)或者能(neng)夠提高(gao)反應效率，或者能(neng)夠顯著的(de)降低反應能(neng)耗。這些(xie)新工(gong)藝(yi)(yi)和新技術包括同時(shi)硝(xiao)化反硝(xiao)化(SND)工(gong)藝，短程硝(xiao)化(hua)/反(fan)硝化工藝，限(xian)氧自(zi)養硝化反(fan)硝化工藝，厭(yan)氧氨(an)氧化(ANAMMOX)工(gong)藝以及CANON工藝等。
3.1 同時硝化反硝化
傳統理論認(ren)為：氮(dan)的(de)(de)去(qu)除(chu)是通(tong)過(guo)硝(xiao)化(hua)和反硝(xiao)化(hua)這兩(liang)個相互獨立的(de)(de)過(guo)程(cheng)實現的(de)(de)，由于對環境條件的(de)(de)要求不同，這兩(liang)個過(guo)程(cheng)不能同時發(fa)生(sheng)(sheng)，而只能序列式(shi)進行，即硝(xiao)化(hua)反應發(fa)生(sheng)(sheng)在好(hao)氧條件下，反硝(xiao)化(hua)反應則(ze)發(fa)生(sheng)(sheng)在嚴格(ge)的(de)(de)缺(que)氧或厭氧條件下。
在這種(zhong)理論指導下，傳統的生物脫氮工藝都是將缺氧區(qu)或(huo)厭氧區(qu)與好氧區(qu)分隔開，如A/O、A2/O等工(gong)藝(yi)；或(huo)者是在同一個(ge)反應(ying)器中，通過時間(jian)或(huo)空間(jian)上的(de)好氧和缺氧的(de)交替(ti)進行來(lai)實(shi)現氮的(de)去除，如SBR等(deng)工藝(yi)。但是(shi)近幾年的(de)研究表明(ming)，硝化和反(fan)硝化可在(zai)同一反(fan)應器中同時(shi)發(fa)生，許多(duo)實際運(yun)行中的(de)曝氣池(chi)中也(ye)常常發(fa)現遠遠超過同化作用可以產生的(de)總氮損失，這一現象被稱為同時(shi)硝化反(fan)硝化。
雖然SND現象最近才引起人們的廣泛關注(zhu)，但是(shi)這一現象卻早在(zai)上個(ge)世紀70年代就被(bei)發現(xian)了。Drews在1973年報道了(le)在迅速(su)切換(huan)好氧/缺氧環境的Orbal氧化溝中的同時(shi)硝化反硝化現象。CharlesS.等人報道了在(zai)氧化(hua)溝(gou)污水處理廠中(zhong)的91%的總氮去除現象(xiang)。進入上個世紀90年(nian)代以后至今，除了(le)氧化(hua)溝之外，更(geng)多(duo)的反(fan)應器類(lei)型中都(dou)相(xiang)繼(ji)報道了(le)同時硝化(hua)反(fan)硝化(hua)現(xian)象(xiang)，如(ru)氣提(ti)式反(fan)應器，SBR，滴濾池(chi)，流化床等。
目前，對于現象的(de)(de)形成原因有很多(duo)種(zhong)解(jie)釋(shi)，歸納起來主(zhu)要集中于兩(liang)個方面物(wu)理學(xue)解(jie)釋(shi)和生物(wu)學(xue)解(jie)釋(shi)。物(wu)理學(xue)解(jie)釋(shi)認為(wei)，是一種(zhong)物(wu)理現象，是由于曝氣(qi)方式(shi)，反(fan)(fan)應(ying)器(qi)構型等(deng)(deng)造成的(de)(de)宏觀(guan)缺(que)(que)氧(yang)(yang)環境或(huo)者(zhe)受微(wei)生物(wu)種(zhong)群(qun)結構、基質(zhi)分布和生物(wu)代謝反(fan)(fan)應(ying)的(de)(de)不均勻性(xing)，以及物(wu)質(zhi)傳遞變化等(deng)(deng)因素的(de)(de)相互作(zuo)用，缺(que)(que)氧(yang)(yang)或(huo)厭氧(yang)(yang)段可以在活性(xing)污泥菌膠團(tuan)內(nei)部形成微(wei)觀(guan)缺(que)(que)氧(yang)(yang)環境。
圖1說明了活性(xing)污泥(ni)絮(xu)體內部(bu)(bu)(bu)缺氧(yang)區(qu)是如何(he)形成的(de)(de)(de)(de)，即使在液(ye)相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解氧(yang)濃度(du)達到相當(dang)高的(de)(de)(de)(de)條件下。在接(jie)近(jin)(jin)絮(xu)體邊緣的(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)(bu)分(fen)，存(cun)在一(yi)定(ding)濃度(du)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解氧(yang)并且發生好氧(yang)反(fan)應；在接(jie)近(jin)(jin)絮(xu)體中(zhong)心(xin)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)(de)(de)(de)過(guo)程中(zhong)，溶(rong)解氧(yang)逐(zhu)漸(jian)被耗盡，這時發生了反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)反(fan)應。和氨(an)氮(dan)濃度(du)在接(jie)近(jin)(jin)絮(xu)體中(zhong)心(xin)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)(de)(de)(de)過(guo)程中(zhong)，隨(sui)著微生物的(de)(de)(de)(de)好氧(yang)作(zuo)(zuo)用(yong)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)被消耗，濃度(du)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)降(jiang)低(di)，氨(an)氮(dan)濃度(du)至絮(xu)體中(zhong)心(xin)部(bu)(bu)(bu)分(fen)濃度(du)的(de)(de)(de)(de)小幅度(du)上(shang)升是由于細胞裂解等作(zuo)(zuo)用(yong)產生的(de)(de)(de)(de)進入絮(xu)體擴散區(qu)后，由于硝(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)，硝(xiao)(xiao)態(tai)氮(dan)濃度(du)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)升高，隨(sui)著接(jie)近(jin)(jin)絮(xu)體中(zhong)心(xin)部(bu)(bu)(bu)分(fen)溶(rong)解氧(yang)濃度(du)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)降(jiang)低(di)，硝(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)削弱直至停止，反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)增強，硝(xiao)(xiao)態(tai)氮(dan)濃度(du)隨(sui)之降(jiang)低(di)。
而上(shang)述的(de)(de)硝(xiao)化反硝(xiao)化反應能夠同時(shi)發生需(xu)(xu)要滿(man)(man)足(zu)(zu)三個條(tiao)件。首(shou)先(xian)，液(ye)相中(zhong)的(de)(de)溶解(jie)(jie)氧必(bi)須足(zu)(zu)夠高，以達到(dao)實現硝(xiao)化的(de)(de)目的(de)(de)。第二，溶解(jie)(jie)氧的(de)(de)濃度又不能過高，以滿(man)(man)足(zu)(zu)絮體內部形成缺氧區的(de)(de)要求(qiu)。第三，普通異(yi)養菌，反硝(xiao)化菌以及硝(xiao)化菌都必(bi)須存(cun)在于(yu)系(xi)統(tong)中(zhong)。為了(le)滿(man)(man)足(zu)(zu)以上(shang)三點(dian)需(xu)(xu)要，污泥絮體尺寸必(bi)須足(zu)(zu)夠大，而且需(xu)(xu)要提供足(zu)(zu)夠的(de)(de)溶解(jie)(jie)氧以滿(man)(man)足(zu)(zu)有機物降解(jie)(jie)和硝(xiao)化。
活(huo)性污(wu)泥絮體(ti)是由(you)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)胞外多(duo)聚物(wu)(wu)結合起來的含有大量細菌的絮凝體(ti)。對(dui)絮體(ti)性質的研究對(dui)于分(fen)析微(wei)(wei)生物(wu)(wu)活(huo)動顯得尤為(wei)重(zhong)要(yao)。前人(ren)對(dui)污(wu)泥尺寸進行(xing)了研究總結，結果表(biao)明，污(wu)泥絮體(ti)的直徑(jing)由(you)20μm甚至最(zui)高達(da)到4500μm，這種大幅變化主要是由于(yu)檢測方(fang)法(fa)以及取得的(de)絮體種類不同而引起的(de)。
大量的(de)研究同時表明，不(bu)同物(wu)質在(zai)溶液中的(de)擴(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)也不(bu)相同。關于水中不(bu)同物(wu)質的(de)擴(kuo)散(san)系數，氧氣在(zai)具有(you)最(zui)大的(de)擴(kuo)散(san)系數。此(ci)外，物(wu)質擴(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)還受溫(wen)度和溶液濃度等因素影響。
在采用(yong)環形反(fan)(fan)應(ying)(ying)溝道、點源曝(pu)氣(qi)(qi)或(huo)者間歇曝(pu)氣(qi)(qi)的(de)(de)反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內(nei)，由于反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)構造、曝(pu)氣(qi)(qi)方式(shi)同(tong)樣可(ke)以引起反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內(nei)存在宏觀的(de)(de)缺(que)氧區，或(huo)者時(shi)間上的(de)(de)缺(que)氧段，使(shi)同(tong)時(shi)反(fan)(fan)硝化(hua)成為可(ke)能(neng)。當供(gong)養速(su)率低(di)于耗氧速(su)率時(shi)，即使(shi)在曝(pu)氣(qi)(qi)狀態(tai)下(xia)，反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內(nei)的(de)(de)溶解氧濃(nong)度(du)仍然很低(di)甚(shen)至(zhi)接近零，這種情況(kuang)下(xia)，同(tong)樣可(ke)以使(shi)得同(tong)時(shi)硝化(hua)反(fan)(fan)硝化(hua)能(neng)夠顯著發生。
關于(yu)的(de)(de)(de)生物學解釋認為，是由于(yu)具有(you)特定生化(hua)(hua)途徑的(de)(de)(de)微(wei)(wei)生物作(zuo)用(yong)引起的(de)(de)(de)。目(mu)前(qian)先進的(de)(de)(de)微(wei)(wei)生物學已在(zai)一定范(fan)圍內展示(shi)先前(qian)并(bing)沒有(you)被認識的(de)(de)(de)微(wei)(wei)生物菌種，其可以在(zai)曝(pu)氣生物反應池中用(yong)來去除氮、磷，如自(zi)養氨氧化(hua)(hua)菌的(de)(de)(de)反硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)作(zuo)用(yong)、異養硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)好(hao)氧反硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)以及聚磷菌的(de)(de)(de)反硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)作(zuo)用(yong)等。
同(tong)時硝(xiao)化(hua)(hua)反硝(xiao)化(hua)(hua)同(tong)傳統的硝(xiao)化(hua)(hua)反硝(xiao)化(hua)(hua)過程(cheng)相比(bi)，具有(you)很多(duo)顯著的優點：較低的需氧(yang)量，較小的反應(ying)器容積，以及簡(jian)化(hua)(hua)的流(liu)程(cheng)等。有(you)人在理(li)量分別(bie)為1000m3/d和70000m3/d的(de)污水處(chu)理廠實(shi)驗中發現(xian)(xian)，同傳統的(de)后置反硝(xiao)化系統相比(bi)，同時硝(xiao)化反硝(xiao)化可以節約(yue)的(de)反應器(qi)容(rong)積(ji)可以實(shi)現(xian)(xian)50%能耗節省。通(tong)過(guo)采用溶解氧和氧化還原電位控制的方(fang)法，通(tong)過(guo)SND作用實(shi)現了90%以(yi)上的(de)總(zong)氮去(qu)除(chu)，運行費用大大降低。同時，由于采用SND途徑(jing)實現總氮去除的系(xi)統(tong)中，通常(chang)需(xu)要采用相對較低的溶解(jie)氧濃度，低溶解(jie)氧誘發(fa)的污泥膨(peng)脹問題需(xu)要引(yin)起注意。
3.2 短程硝化(hua)反硝化(hua)
通常認為，硝(xiao)化是由兩個(ge)階段完(wan)成(cheng)的，即氨氮(dan)氧(yang)化首先生(sheng)成(cheng)亞硝(xiao)態氮(dan)，參與(yu)完(wan)成(cheng)該反應(ying)的是氨氧(yang)化菌(jun)(AOB)；亞(ya)硝態氮進一步氧(yang)化成硝態氮，參與完成該反(fan)應的微生物(wu)是亞(ya)硝酸鹽(yan)氧(yang)化菌(jun)(NOB)。雖然(ran)同屬于好氧自養(yang)菌，但(dan)是AOB與(yu)NOB在(zai)生理特性等方面卻(que)存在(zai)很(hen)大(da)的差異。短程硝(xiao)化(hua)(hua)反硝(xiao)化(hua)(hua)在(zai)硝(xiao)化(hua)(hua)反應過程中，控制硝(xiao)化(hua)(hua)進行(xing)到(dao)亞硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)階段，而不進一(yi)步生產(chan)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)，然后(hou)亞硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)直接(jie)進入反硝(xiao)化(hua)(hua)階段。
同傳統脫(tuo)氮工藝相比，短程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)反硝(xiao)(xiao)化(hua)具有(you)很多優勢。通過(guo)(guo)控(kong)制硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，使微生(sheng)物(wu)氧化(hua)氨氮生(sheng)成中間(jian)體亞(ya)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮，然后利用亞(ya)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮進行還原(yuan)反應(ying)生(sheng)成氣態(tai)(tai)氮。由于亞(ya)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮同時是硝(xiao)(xiao)化(hua)和反硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的中間(jian)產物(wu)，因(yin)而亞(ya)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮途徑的短程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)反硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，理論上可以實現(xian)硝(xiao)(xiao)化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中約25%的供氧能耗和反硝化過程(cheng)中40%的碳源需求量。同時污泥(ni)產(chan)率大(da)大(da)降低(di)，反(fan)應(ying)速率加快。這一(yi)點尤其是在處理(li)進水碳氮比較低(di)的污水的過程(cheng)中更具優勢。獲得穩定的硝(xiao)化(hua)階(jie)段的亞硝(xiao)酸(suan)鹽積累是實現(xian)短程(cheng)硝(xiao)化(hua)反(fan)硝(xiao)化(hua)系統(tong)成功(gong)的關鍵。
3.3 OLAND工(gong)藝
OLAND工(gong)藝是(shi)比利(li)時(shi)微生(sheng)物(wu)生(sheng)態試驗室開發，通(tong)過直接對于富集的自養(yang)硝(xiao)化污(wu)泥進行培養(yang)，利(li)用這(zhe)些污(wu)泥作為生(sheng)物(wu)觸媒來處(chu)理富含氨氮的污(wu)水(shui)，其機理是(shi)利(li)用Nitrosomonas菌系的亞硝(xiao)酸鹽岐化作用。OLAND工藝(yi)的關鍵是，提供溶解(jie)氧(yang)(yang)來實現(xian)硝化只能(neng)進行(xing)到亞(ya)硝酸鹽階段(duan)，然后由于缺(que)少(shao)電子供體，只能(neng)通過消耗生成的亞(ya)硝酸鹽來氧(yang)(yang)化當量(liang)的氨氮。同傳(chuan)統過程相(xiang)比(bi)，過程可以節省的曝(pu)氣能(neng)耗和的電子供體投加量(liang)。但(dan)是，目前對于該過程溶解(jie)氧(yang)(yang)的控制(zhi)，尤(you)其是連續流(liu)混合培養狀(zhuang)態下還(huan)存(cun)在(zai)一定的困難，目前文(wen)獻(xian)中尚未見有成功的工程實踐(jian)的報道。
3.4 厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化工藝(yi)
氨(an)(an)氮(dan)的(de)氧(yang)(yang)(yang)化通常被(bei)認(ren)為(wei)(wei)是(shi)由氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌在好氧(yang)(yang)(yang)或(huo)者(zhe)限(xian)氧(yang)(yang)(yang)條件(jian)下(xia)作(zuo)用引(yin)起的(de)。然(ran)而(er)，氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌同樣可以以氨(an)(an)氮(dan)作(zuo)為(wei)(wei)電子供(gong)體(ti)(ti)在缺氧(yang)(yang)(yang)條件(jian)下(xia)進行反(fan)硝化。在實驗(yan)室規模的(de)厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)流(liu)化反(fan)硝化床處理甲烷(wan)反(fan)應器(qi)(qi)出(chu)水中，首次發現了厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化現象。大(da)量(liang)的(de)氨(an)(an)氮(dan)在反(fan)應器(qi)(qi)內消失，同時硝酸(suan)鹽被(bei)消耗，氮(dan)氣產量(liang)提(ti)高。厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化的(de)能(neng)量(liang)儲(chu)存來(lai)自于氨(an)(an)氮(dan)以亞硝酸(suan)鹽為(wei)(wei)電子受體(ti)(ti)的(de)厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氧(yang)(yang)(yang)化，過程中不需要提(ti)供(gong)外加碳(tan)(tan)源，二(er)氧(yang)(yang)(yang)化碳(tan)(tan)是(shi)厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌生長的(de)碳(tan)(tan)源。
厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)能(neng)夠很(hen)好地(di)去除污泥硝化(hua)液中的(de)(de)氨(an)氮，而固定床或者流化(hua)床反(fan)應器都(dou)是很(hen)好的(de)(de)反(fan)應器構(gou)型，氣(qi)提式反(fan)應器也是很(hen)好的(de)(de)選擇。厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)細(xi)菌的(de)(de)比生長(chang)速率較低，同時對于氧(yang)(yang)氣(qi)十分敏感，2μm的(de)氧(yang)都會(hui)使(shi)厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)活動完全、可逆(ni)地停(ting)止(zhi)。由(you)于氨氮和亞硝酸鹽同時存在于一個反應器中，因此(ci)，厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)工藝(yi)與(yu)一個前置的(de)硝化(hua)過程(cheng)結合在一起是非常必要的(de)，而且(qie)，該(gai)硝化(hua)過程(cheng)只需(xu)將部分的(de)氨氮氧(yang)化(hua)為亞硝態氮。
3.5 CANON工藝
在存(cun)在氨(an)氮和較(jiao)低濃(nong)度有(you)機(ji)碳(tan)源的(de)(de)情(qing)況下，大量的(de)(de)以分子(zi)態損失的(de)(de)總氮引起了人們的(de)(de)注意。自養(yang)微生物(wu)在低溶解(jie)氧條件下的(de)(de)反硝化活(huo)動能很好的(de)(de)解(jie)釋(shi)了上述現象。CANON工藝被(bei)定義為(wei)途徑亞硝酸鹽途徑的(de)完全(quan)自養脫氮系(xi)統(tong)，能夠在較低碳源的(de)情(qing)況下去除污(wu)水中(zhong)的(de)氨氮。該工藝能夠在單一反應器內(nei)，或(huo)者是限制(zhi)曝(pu)氣的(de)生物膜系(xi)統(tong)中(zhong)實(shi)現。該過程是基于短程硝化和(he)厭氧氨氧化過程兩個過程。
在(zai)限氧(yang)條件下(xia)(＜0.5氣體(ti)飽(bao)和度(du))條件下，好氧氨氧化細菌和厭氧氨氧化細菌的聯合培養可以實現(xian)過程。系(xi)統的穩定性依賴于Nitrosomonas-like好氧菌和Planctomycete-like厭氧氨(an)氧化菌的穩(wen)定(ding)的相互關系。這(zhe)些自養(yang)微生物能夠把氨(an)氮(dan)經過亞硝酸(suan)鹽途徑直接轉化為氣態氮(dan)。這(zhe)個(ge)過程能夠在單一自養(yang)反(fan)(fan)應器(qi)內實(shi)現完全(quan)的氨(an)氮(dan)去除，反(fan)(fan)應如下：
總反應如下(xia)：
在懸浮生長的反應器內，0.5mg/L的(de)溶解氧濃度(du)對于氨氮氧化的(de)影響并不大，但是(shi)亞(ya)(ya)硝酸鹽(yan)(yan)氧化卻被很大程度(du)的(de)抑制。在(zai)限氧條件下(xia)，亞(ya)(ya)硝酸鹽(yan)(yan)氧化菌(jun)需(xu)要同(tong)好氧氨氧化菌(jun)爭奪氧氣，同(tong)時同(tong)厭氧氨氧化菌(jun)爭奪亞(ya)(ya)硝酸鹽(yan)(yan)。游離氨可能是(shi)抑制亞(ya)(ya)硝酸鹽(yan)(yan)氧化菌(jun)的(de)重要因(yin)素。實現穩定有效的(de)氨氮轉化的(de)氨氮負荷下(xia)限值為0.1kgN/m3d，在此負荷(he)下可以(yi)實現的(de)總(zong)氮去(qu)除(chu)。當低于此負荷(he)時(shi)，反(fan)應的(de)動力學常(chang)數(shu)就會受到影響(xiang)，處理效(xiao)果下降。
采(cai)用接種厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)污泥，首先在缺氧(yang)(yang)條(tiao)件下(xia)啟動反應(ying)器，然后通過限制供(gong)氧(yang)(yang)使硝化(hua)(hua)細菌(jun)(jun)得到富集(ji)，通過熒光原位雜交和離(li)線(xian)活(huo)性(xing)檢(jian)(jian)測的(de)(de)方法控制硝化(hua)(hua)菌(jun)(jun)群(qun)的(de)(de)富集(ji)。結果顯示在穩定(ding)運行條(tiao)件下(xia)，厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)細菌(jun)(jun)保持良好的(de)(de)活(huo)性(xing)，同時反應(ying)器內沒有檢(jian)(jian)測到亞(ya)硝酸鹽氧(yang)(yang)化(hua)(hua)菌(jun)(jun)的(de)(de)存在微生(sheng)物(wu)的(de)(de)反硝化(hua)(hua)能力在檢(jian)(jian)測限以下(xia)。氨(an)氮有85%被轉化為氮氣，其余15%被轉化(hua)為硝(xiao)態(tai)氮，一氧(yang)化(hua)二氮的(de)產生量小于(yu)0.1%。系統實現了自養反硝(xiao)化轉化氨(an)氮(dan)生成氮(dan)氣，所以(yi)不(bu)需要投加(jia)外碳源。
CANON工(gong)藝(yi)適合處理富(fu)含氨氮，進水碳(tan)源(yuan)不足的污水。過程無(wu)需投(tou)加碳(tan)源(yuan)，同時(shi)總氮的去除在同一個微曝氣的反應(ying)器內(nei)就能(neng)完成，大大節約了占(zhan)地(di)和能(neng)量(liang)消耗。目前關(guan)于該工(gong)藝(yi)的大規模應(ying)用也(ye)未(wei)有見相關(guan)報道。
4、總(zong)結(jie)
新(xin)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物脫(tuo)(tuo)氮工(gong)藝(yi)相對傳統的(de)(de)生(sheng)(sheng)物脫(tuo)(tuo)氮工(gong)藝(yi)來說，具有(you)明顯的(de)(de)優勢，降低供氧能耗、無需(xu)外加碳(tan)源、減少反應(ying)器體積、節省運(yun)行成本等(deng)。但(dan)新(xin)工(gong)藝(yi)還具有(you)一定(ding)的(de)(de)局限(xian)性，反應(ying)過程中往往需(xu)要(yao)特定(ding)的(de)(de)反應(ying)條件，如較高的(de)(de)溫度，一定(ding)的(de)(de)pH值，低碳源、高氨氮(dan)水(shui)的進(jin)水(shui)等。目(mu)前，這(zhe)些新工藝才(cai)剛(gang)剛(gang)起步，對(dui)于影響(xiang)因(yin)素，過程(cheng)控(kong)制，微(wei)生物(wu)特性還不清楚，有(you)待進(jin)一步研究。（安徽全民(min)環(huan)保科技有(you)限公司(si)）