现有脱氮工艺及优缺点解读

 行业动态     |      2019-06-19 14:12

废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等4种形态存在，城镇污水中氮的存在形式是以有机氮和氨氮为主，其中有机氮大约占到40％~50％，氨氮占50％~60％。

氮的去除方法主要有生物法和化学法两大类。生物法不但能去除有机物，还能将污水中的有机氮和氨氮通过生物硝化和反硝化作用转化为氮气，最终从污水中去除；而化学法通常只能去除氨氮，且存在处理费用高，可能对环境造成负面影响以及再生方法（指离子交换脱氮的饱和离子交换剂）尚未确定等问题，故目前仍以生物法较为实用。

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在污水的生物脱氮处理过程中，首先在好氧条件下，通过好氧硝化菌的作用，将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐 ;然后在缺氧条件下，利用反硝化菌（脱氮菌）将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从污水中逸出。因而，污水的生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段。硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐的过程，包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌参与的将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；由硝酸菌参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应。在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌（反硝化菌）的作用，将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成n2的过程，称为反硝化。反硝化过程中的电子供体是各种各样的有机底物（碳源）。

1 传统生物法脱氮

目前，国内外对氨氮污水实际处理中应用较成熟的生物处理方法是传统的前置反硝化生物脱氮，如a/o、a2/o工艺等，都能在一定程度上去除污水中的氨氮。传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立地进行。

1.1  a/o法

a/o工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，a段do不大于0.2 mg/l，o段do=2～4 mg/l。在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率。

在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的n或氨基酸中的氨基）游离出氨（nh3、nh4 ），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将nh3-n（nh4 ）氧化为ho3-，通过回流控制返回至a池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将no3-还原为分子态氮（n2）完成c、n、o在生态中的循环，实现污水无害化处理。

1.2  a2/o法

a2/o 法处理工艺是在好氧条件下，污水中nh3和铵盐在硝化菌的作用下被氧化成no2-n和no3-n，然后在缺氧条件下,通过反硝化反应将no2-n和no3-n还原成n2，达到脱氮的目的。其中，在首段厌氧池，流入原污水及同步进入的从二沉池回流的含磷污泥，本池主要功能为释放磷，使污水中p的浓度升高，溶解性有机物被微生物细胞吸收而使污水中的bod5浓度下降；另外，nh3-n因细胞的合成而被去除一部分，使污水中的nh3-n浓度下降，但no3-n含量没有变化。在缺氧池中，反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将回流混合液中带入大量no3-n和no2-n还原为n2释放至空气，因此bod5浓度下降，no3-n浓度大幅度下降，而磷的变化很小。在好氧池中，有机物被微生物生化降解，而继续下降；有机氮被氨化继而被硝化，使nh3-n浓度显著下降，但随着硝化过程使no3-n的浓度增加，p随着聚磷菌的过量摄取，也以较快的速度下降。

由此可知，a2/o工艺可以同时完成有机物的去除、硝化脱氮、磷的过量摄取而被去除等功能。

2 生物法脱氮新工艺

2.1  同时硝化反硝化工艺

当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一个反应器中同时进行时则称为同时硝化/反硝化（simultaneous nitrification and denitrification，简称snd）。同时硝化/反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生物滤池、生物转盘；也可以发生在活性污泥系统中如曝气池、氧化沟。同时硝化/反硝化的机理可以从生物学和反应器两方面来解释。从生物学角度看，由于异养硝化菌和好氧反硝化菌的存在，使硝化和反硝化有了同时发生的可能。对反硝化菌而言，氧气对反硝化过程的抑制作用主要表现在电子受体之间争夺电子的能力差异上，但氧的存在对大部分反硝化菌本身并不抑制，而且这些细菌呼吸链的某些成分甚至需要在有氧的情况下才能合成。从反应器角度看，可以在反应器内同时创造适合硝化和反硝化的环境，形成缺氧厌氧段和好氧并存，微观环境来看，在活性污泥菌胶团或生物膜内部也可能形成缺氧/厌氧段，使同时硝化/反硝化成为可能。反应器内进行同时硝化/反硝化的必要条件是控制溶解氧的水平，使好氧和缺氧环境同时存在，既要满足碳化和硝化反应的需要，又要为保证局部缺氧环境的形成控制do在较低的水平。

2.2  短程硝化反硝化工艺

短程硝化-反硝化就是将硝化控制在形成亚硝酸阶段，阻止亚硝酸的进一步硝化，然后直接进行反硝化，形成nh4 →hno2→n2的脱氮过程。短程生物脱氮的关键是如何控制硝化停止在hno2阶段。由于在开放的生态系统中亚硝酸菌和硝酸菌为紧密的互生关系，因此完全的亚硝酸化是不可能的。短程硝化的标志是稳定且较高的hno2积累即亚硝酸化率较高(其定量描述是no2-n与总硝态氮（no2-n no3-n）之比大于50％)。亚硝酸积累影响因素很多，可以通过调节温度、ph值、氨浓度、do、氮负荷、有害物质和泥龄来实现。水温大于30℃、ph值大于8、分子态游离氨浓度在0.6mg/l以上和低溶解氧浓度都有利于短程硝化的维持。

2.3  厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化(ana-mmox) 是以硝酸盐为电子受体或以氨作为直接电子供体，进行硝酸盐还原反应或将亚硝酸氮转化为氮气的反硝化反应。与传统的硝化反硝化工艺或同时硝化反硝化工艺相比，氨的厌氧氧化具有不少突出的优点。主要表现在：（1）无需外加有机物作电子供体，既可节省费用，又可防止二次污染；（2）硝化反应每氧化1 mol nh4 耗氧2 mol，而在厌氧氨氧化反应中, 每氧化1 mol nh4 只需要0.75 mol氧，耗氧下降62.5 %（不考虑细胞合成时），所以，可使耗氧能耗大为降；（3）传统的硝化反应氧化1 mol nh4 可产生2 mol h ，反硝化还原1 mol no3-或no2-将产生1 mol oh-，而氨厌氧氧化的生物产酸量大为下降，产碱量降至为零，可以节省可观的中和试剂。故厌氧氨氧化及其工艺技术很有研究价值和开发前景。

各种脱氮工艺优缺点比较如下表：

工艺 优点 缺点
生物脱氮法 传统生物脱氮工艺 a/o法 工艺流程简单、运行管理方便，效率高，耐冲击负荷能力强。该工艺是以废水中的有机物作为反硝化的碳源，故不需要再另加甲醇等昂贵的碳源。 没有独立的污泥回流系统，从而不能培养出具有独特功能的污泥；脱氮效果受内循环比影响，造成能耗和运行费用增加；回流液带有溶解氧，影响反硝化效果。
a2/o法 该工艺可同时脱氮除磷，在厌氧、缺氧、好氧环境下交替运行，有利于抑制丝状菌的膨胀，改善污泥沉降性能；污染物去除效率高，运行稳定，有较好的耐冲击负荷；一般不需要额外投加碳源，节省运行费用。 反应池容积较大；污泥内回流量大，能耗较高；用于中小型污水厂费用偏高。
生物脱氮新工艺 短程硝化反硝化 可节省氧供量25%，降低能耗；节省反硝化所需碳源，在c/n比一定的情况下，提高tn去除率；减少污泥生成量；减少投碱量，缩短反应时间。 不能长久稳定维持hno2的积累。
同时硝化反硝化 完全脱氮，同时可强化磷的去除；降低曝气量，节省能耗并增加设备处理负荷，减少碱度的能耗；简化系统的设计和操作。 影响因素较多，过程难以控制。
厌氧氨氧化 无需外加碳源，污泥产量少，脱氮效率高。耗氧能耗低；厌氧氨氧化的生物产酸碱量少，节省可观的中和试剂，成本低。可以缩短水利停留时间(hrt)，减少反应器的体积和占地面积。 厌氧氨氧化菌生长缓慢，反应器的启动时间长；厌氧氨氧化菌较敏感，操作条件要求高。
物理化学法 吹脱、汽提法 流程简单，处理效果稳定，基建费和运行费用较低。 能耗大，在大规模的吹脱、汽提法中，容易生成水垢。有二次污染，出水氨氮仍偏高。
折点氯化法 脱氮效率高、设备投资少、反应迅速完全，并有消毒作用。 液氯安全使用和贮存要求高，对ph要求也高，产生的水需加碱中和，因处理此成本高。且副产物和氯胺和氯代有机物会造成二次污染。
磷酸铵镁（map）化学沉淀法 工艺简单，操作简便，反应快，影响因素少，节能高效，能充分回收氨实现废水资源化。且该反应不受温度限制，不受有毒物质的干扰，其产物map可做肥料。 用药剂量大，成本较高；map的用途有待开发。
离子交换法 工艺简单，操作方便，投资较省。 树脂用量大、再生难、费用高、有二次污染。

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