含氨废水生物脱氮工艺的研究进展李志瑞

第39卷第6期当代化工Vol.39，No.62010年12月ContemporaryChemicalIndustryDecember，2010收稿日期：2010-10-20作者简介：李志瑞（1982—），女，陕西延安人，助理工程师，硕士，2008年毕业于西北大学生物化工专业，现从事环境微生物研究。E-mail：[e-mail]，电话：[phone]。含氨废水生物脱氮工艺的研究进展李志瑞，高会杰，孙丹凤（抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001）摘要：在简要介绍传统生物脱氮理论与工艺的基础上，详述了同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、氧限制自养硝化反硝化等新型生物脱氮工艺的原理及研究进展，并对其发展前景进行了展望，指出了各种技术在今后研究中需要解决的问题。关键词：含氨废水；生物法；脱氮中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1671-0460（2010）06-0664-03ResearchProgressesinBio-denitrificationTreatmentofAmmonium-containingWastewaterLIZhi-rui，GAOHui-jie，SUNDan-feng(FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，LiaoningFushun113001，China）Abstract:Onthebasisofintroducingtheoryandtechnologyoftraditionalbiologicalnitrogenremovalprocess，principleandresearchprogressofsomenewbiologicaldenitrificationprocesseswerediscussed.Atlast，applicationprospectsofthesenewtechniquesinthefutureandproblemsneededtobesolvedwereputforward.Keywords:Ammonium-containingwastewater;Biotreatment;Denitrification化工企业每天产生大量含氨废水。如果直接排放，会造成水体富营养化，藻类过度生长，不仅降低了水体观赏价值，而且使水生生物缺氧死亡。一些藻类蛋白毒素还会经过食物链使人中毒，严重危害人类及生物生存。污水回用时，再生水中的氨氮还会促进输水和用水设备中微生物繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水设备，影响换热效率[1-3]。为此，如何经济有效地去除废水中的氨氮已成为亟待解决的问题。物化法脱氮时间短，见效快，去除率高；但是处理成本较高，还会带来二次污染。而生物脱氮凭借其特有的经济性和无二次污染等优点被公认为是一种最有发展前途的方法。1传统生物脱氮理论与工艺1.1生物硝化与反硝化生物脱氨氮是由硝化菌将氨氮转化为硝态氮，再由反硝化菌将硝态氮还原转化为N2，从而达到脱氮的目的。硝化过程是由自养硝化细菌——亚硝酸菌和硝酸菌完成，首先亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝态氮，然后由硝酸菌进一步氧化为硝态氮。硝酸菌的生长速率较慢，为使其能在连续流反应器中存活，微生物的停留时间必须大于自养硝酸菌的最小世代时间。硝化反应的好坏直接影响脱氮效率，因此硝化作用的程度往往是生物脱氮的关键。反硝化是在无氧或低氧条件下，硝态氮和亚硝态氮被微生物转化为N2的过程。反应中硝态氮和亚硝态氮作为电子受体，并以有机碳作为碳源和能源。在有氧条件下，反硝化菌利用氧进行呼吸，氧化分解有机物。在无氧条件下，同时存在硝态氮和亚硝态氮时，他们利用这些离子中的氧进行呼吸，硝态氮和亚硝态氮的存在是反硝化的先决条件。1.2传统生物脱氮工艺传统生物脱氮工艺主要有A/O、A2/O、氧化沟以及SBR的各种改进工艺等。传统工艺适用于处理低浓度氨氮废水，处理高浓度氨氮废水存在如下问题[4]：①需要增加供氧量，增加了处理的基建投资DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2010.06.025第39卷第6期李志瑞，等：含氨废水生物脱氮工艺的研究进展665和供氧动力费用。②对缓冲能力差的体系，还需补充大量碱度来维持pH值。③高氨氮废水中存在的游离氨对微生物活性有抑制作用，影响处理系统的正常运行。④对可生化性差的高氨氮浓度废水，反硝化需要投加大量外部碳源，成本偏高。2新型生物脱氮工艺国内外在氨氮废水处理方面开展了较多研究，出现了同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、氧限制自养硝化反硝化等多种新型工艺。2.1同时硝化反硝化传统脱氮理论认为硝化与反硝化不能在同一反应器内同时发生，而近年来研究表明，反硝化可以在有氧条件下进行，这一新发现突破了传统认识，使同时硝化反硝化(SimultaneousNitrificationandDenitrification，SND)生物脱氮成为可能。SND实现了在同一反应器同一条件下完成脱氮，目前研究的主要是将硝化菌与反硝化菌投加到同一反应器中进行混合培养。但是，近年来发现许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，可将氨氮在好氧条件下直接转化成气态产物[5]，进一步简化了脱氮工艺。荷兰、丹麦、意大利、德国等已有污水厂在利用该工艺，国内目前尚处于实验室研究阶段。耿金菊等[6]从土壤和水中筛选分离到混合脱氮微生物菌群，能在好氧条件下将氨氮转化为N2排放，30h内氨氮去除率达98%以上。廖小红等[7]对筛选到的蜡状芽孢杆菌WXZ-8进行异养硝化-好氧反硝化性能测定，在最优条件下，氨氮去除率高达96.06%。SND具有以下优点：简化传统工艺，省去了厌氧反硝化池，减少了占地面积，缩短了水力停留时间，降低了投资；硝化反应的酸度可部分被反硝化产生的碱度中和；减少甚至不需要投加碳源等。因此，SND成为目前生物脱氮研究的热点，新型好氧反硝化菌的筛选和好氧同时硝化-反硝化生物脱氮技术已成为生物脱氮领域新的研究和发展趋势。2.2短程硝化反硝化短程硝化反硝化(ShortcutNitrificationandDenitrification，SHARON)工艺是荷兰Delft大学开发的[8-9]一种新型工艺，也称为亚硝酸型生物脱氮技术，是利用在较高温度下硝酸菌生长速率明显低于亚硝酸菌生长速率的特点，抑制硝酸菌生长，将硝化过程控制在亚硝化阶段，然后再进行反硝化。1975年，Voct[10]发现了硝化过程中亚硝态氮的积累，提出了短程硝化反硝化的概念。短程硝化反硝化成功的关键是形成稳定持久的亚硝态氮积累。Jetten等[11]利用硝酸菌和亚硝酸菌在较高温度下生长速度的显著差异，通过控制温度和污泥停留时间，将在高温下生长速度较慢的硝酸菌从反应器中冲洗出去，使亚硝酸菌在反应器中占优势，从而将氨氧化控制在亚硝化阶段。SHARON工艺具有以下优点：①在同一反应器完成硝化与反硝化过程，使工艺流程大大简化。②反硝化产生的碱度可部分中和硝化产生的酸度，减少投碱量，降低运行费用。③缩短反应历程，节省了25%供氧量，降低能耗。④在低C/N条件下，实现了反硝化脱氮，节省40%外加碳源。⑤节省50%的反硝化反应器容积和占地面积。缺点是对温度要求较高，比较适用于水温较高的含氨废水。2.3厌氧氨氧化厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation，ANAMMOX)是荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发的一种全新生物脱氮工艺，该工艺是在厌氧条件下，以亚硝态氮或硝态氮为电子受体，将氨氮氧化生成N2。Broda[12]指出可能存在以硝态氮、CO2和O2为氧化剂将氨氮氧化为N2的微生物。Straous等[13]用生物固定床和流化床反应器研究ANAMMOX污泥特性，结果表明氨氮和硝态氮去除率分别高达82%和99%。解庆林等[14]采用ASBR反应器，接种消化污泥和厌氧颗粒污泥的混合污泥，在温度(35±1)℃、HRT为24h、pH为7.3～8.5的条件下，获得厌氧氨氧化菌菌胶团，氨氮和亚硝态氮去除率平均为93.2%和95.7%，总氮平均去除率为86.9%。ANAMMOX工艺优点如下：无需外加碳源；减少碱投加量及供氧能耗；污泥产量少并降低CO2排放量。该工艺不仅能节省费用、降低能耗，而且可以防止二次污染，很有研究价值和开发前景。厌氧氨氧化的发现为低C/N废水的处理提供了新的思路，对于含氨废水处理具有良好的开发应用前景。2.4氧限制自养硝化反硝化氧限制自养硝化反硝化（OxygenLimitedAutotrophicNitrificationandDenitrification，OLAND）是由比利时Gent微生物实验室开发的一种新型脱氮工艺[15]。该工艺是根据亚硝酸菌与硝酸菌对氧亲和力的不同，淘汰硝酸菌的同时实现亚硝态氮的积累。该工艺关键是控制溶氧，即在限氧条件下，先由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝态氮，再利用生成的亚硝态氮去氧化氨氮，达到脱氮目的。666当代化工2010年12月OLAND在低溶氧浓度下维持亚硝态氮的积累，优点在于反应器中的溶氧易于控制，操作方便，但需进一步提高其稳定性。比传统工艺节省供氧62.5%，不需外加碳源；比SHARON-ANAMMOX系统节能37.5%，并在较低温度下（22～30℃）仍可获得较好效果。但是OLAND还未实现稳定可行的工艺设计，仍在进一步研究和开发中，相信不久会成为一种高效生物脱氮工艺。2.5短程硝化-厌氧氨氧化实现厌氧氨氧化（ANAMMOX）的先决条件是在同一反应器中同时存在氨氮和亚硝态氮，所以必须通过合理的工艺设计或者生物转化实现系统中亚硝态氮的自给。因此，短程硝化（SHARON）与ANAMMOX工艺的有机结合更具有现实意义。与传统工艺相比，SHARON-ANAMMOX在需氧量和外加碳源上都具有明显优势：传统工艺每kg氨氮需氧4.65kg，而该组合工艺仅需1.7kg，不需外加碳源。Fux等[16]采用该工艺对污泥消化液进行脱氮，在30℃条件下获得2.4kg/(m3•d)的总氮去除率。Klemedtsson等[17]将该工艺与传统工艺比较，认为前者耗氧只有后者的38%～56%，污泥产量只有后者的8%。王欢等[18]在常温、不调节pH条件下，采用短程硝化反硝化预处理低C/N猪场废水，并以经预处理后废水作为进水进行厌氧氨氧化脱氮。结果表明，预处理为厌氧氨氧化创造了进水条件，脱氮效果稳定，氨氮、亚硝态氮、总氮的平均去除率分别为91.8%、99.3%、84.1%。目前，该联合工艺的研究仍处于实验室阶段，还需要进一步调整和优化工艺条件，提高联合工艺处理实际高氨氮废水的总氮去除效能。3结束语生物脱氮工艺正向着简洁、高效、经济的方向发展，是废水处理中一个颇受关注的领域。脱氮不仅要求较高的氨氮去除率，而且要求处理效果稳定、工艺控制灵活、运行维护方便、投资成本低廉。尽管各种工艺都有其优势与不足，但由于不同废水水质的差异，各种条件的控制仍需进一步的探索。目前，只有SHARON工艺得到实际应用，其它都处于实验室阶段。今后氨氮废水的研究应着重考虑以下几个方面：①加快新型工艺的实际应用，开发新的治理方法。②改善和优化现有工艺条件，降低成本，提高废水的脱氮效率。③应用生物强化技术，深入研究微生物法去除氨氮，驯化或者构建高效菌种。④采用生物脱氮与其它方法联合处理，即可保证废水处理的有效性和经济性，又能降低能耗。参考文献：[1]周彤.污水的零费用脱氨[J].给水排水，2000，26(2):37-40.[2]刘健，李哲.氨氮废水的处理技术及发展[J].矿冶工程，2007，27(4):54-60.[3]孙锦宜.含氮废水处理技术与应用[M].北京：化学工业出版社,2003.[4]何岩，赵由才，周恭明.高浓度氨氮废水脱氮技术研究进展[J].工业水处理,2008,29(1):1-4.[5]李宜娟，李彦春.氨氮废水生物处理新工艺的研究进展[J].山东轻工业学院学报，2008，22(2):30-34.[6]耿金菊，刘登如，华兆哲