生物脫氮是指在微生物的聯(lián)合作用下，污水中的有機(jī)氮及氨氮經(jīng)過代謝轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程。其具有經(jīng)濟(jì)、有效、易操作、無二次污染等特，被公認(rèn)為具有發(fā)展前途的方法。

一、傳統(tǒng)生物脫氮法

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)始于上世紀(jì)30年代，真正應(yīng)用于20世紀(jì)70年代。自Barth三段生物脫氮工藝的開創(chuàng)，A/O工藝、序批式工藝等脫氮工藝相繼被提出并應(yīng)用于工程實(shí)際。

1、三段生物脫氮工藝：

三段生物脫氮工藝流程如圖所示，該工藝是將有機(jī)物降解、硝化作用以及反硝化作用三個(gè)階段獨(dú)立開來，每一階段后面都有各自獨(dú)立的沉淀池和污泥回流系統(tǒng)。第一段曝氣池的主要作用是代謝分解有機(jī)物，并使有機(jī)氮氨化。第二段硝化池主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮氧化，同時(shí)需投加堿度以維持一定的pH值。第三段是反硝化反應(yīng)器，硝態(tài)氮在缺氧條件下被還原為N2，安裝攪拌裝置使污泥混合液呈懸碳源以滿足浮狀態(tài)，并外加反硝化反應(yīng)所需的碳源。

2、A/O生物脫氮工藝

A/O 生物脫氮工藝如圖所示，該工藝將缺氧段置于系統(tǒng)前端，其發(fā)生反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度能夠少量補(bǔ)充硝化反應(yīng)之需。另外，缺氧池中反硝化反應(yīng)利用原廢水中的有機(jī)物為碳源可以減少補(bǔ)充碳源的投加甚至不加。通過內(nèi)循環(huán)將硝化反應(yīng)產(chǎn)生的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)移到缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，硝態(tài)氮中氧作為電子受體，供給反硝化菌的呼吸作用和生命活動，并完成脫氮工序。

在 A/O 生物脫氮工藝中，硝化液回流比對系統(tǒng)的脫氮效果影響很大。若回流比控制過低，則無法提供充足的硝態(tài)氮進(jìn)行反應(yīng)，使硝化作用不完全，進(jìn)而影響脫氮效果；若控制過高，則導(dǎo)致硝化液與反硝化菌接觸時(shí)間減短，從而降低脫氮效率。因此，在實(shí)際的運(yùn)行過程中需要控制適當(dāng)?shù)南趸夯亓鞅龋瓜到y(tǒng)脫氮效果達(dá)到最佳水平。

3、序批式脫氮工藝（例如CASS）

序批式脫氮工藝與A/O工藝相比，其運(yùn)行方式有所不同，但在脫氮反應(yīng)機(jī)理上基本與A/O生物脫氮工藝一致。序批式工藝為間歇的運(yùn)行方式，采用一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)池替代了傳統(tǒng)的由多個(gè)具有不同功能的反應(yīng)區(qū)組合而成的A/O生物脫氮反應(yīng)器。序批式脫氮工藝以時(shí)間的交替方式實(shí)現(xiàn)了缺氧/好氧環(huán)境，取代了傳統(tǒng)空間上的缺氧/好氧，因其具有簡單的結(jié)構(gòu)和靈活的操作方式而倍受研究者的關(guān)注和研究。

二、新型生物脫氮法

近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了一些全新的脫氮工藝，為高濃度氨氮廢水的脫氮處理提供了新的途徑。主要有短程硝化反硝化、好氧反硝化和厭氧氨氧化。

1、短程硝化反硝化

1975年Voets等在處理高濃度氨氮廢水的研究中，發(fā)現(xiàn)了硝化過程中NO2--N積累的現(xiàn)象，首次提出了短程硝化反硝化脫氮的概念。如圖所示。

由于氨氮氧化過程中需要大量的氧氣，曝氣費(fèi)用成為這種脫氮方式的主要開支。短程硝化反硝化(將氨氮氧化至亞硝酸鹽氮即進(jìn)行反硝化)，不僅可以節(jié)省氨氧化需氧量而且可以節(jié)省反硝化所需碳源。Ruiza等用合成廢水(模擬含高濃度氨氮的工業(yè)廢水)試驗(yàn)確定實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累的最佳條件。要想實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累，pH不是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)，因?yàn)閜H在6.45～8.95時(shí)，全部硝化生成硝酸鹽，在pH<6.45或pH>8.95時(shí)發(fā)生硝化受抑，氨氮積累。當(dāng)DO=0.7mg/L時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)65%的氨氮以亞硝酸鹽的形式積累并且氨氮轉(zhuǎn)化率在98%以上。DO<0.5mg/L時(shí)發(fā)生氨氮積累，DO>1.7mg/L時(shí)全部硝化生成硝酸鹽。劉俊新等對低碳氮比的高濃度氨氮廢水采用亞硝酸型和硝酸型脫氮的效果進(jìn)行了對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，亞硝酸型脫氮可明顯提高總氮去除效率，氨氮和硝態(tài)氮負(fù)荷可提高近1倍。此外，pH和氨氮濃度等因素對脫氮類型具有重要影響。

短程硝化反硝化處理焦化廢水的中試結(jié)果表明，進(jìn)水COD、氨氮、TN 和酚的濃度分別為1201.6、510.4、540.1、110.4mg/L時(shí)，出水COD、氨氮、TN和酚的平均濃度分別為197.1、14.2、181.5、0.4mg/L，相應(yīng)的去除率分別為83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。與常規(guī)生物脫氮工藝相比，該工藝氨氮負(fù)荷高，在較低的C/N值條件下可使TN去除率提高。

2、厭氧氨氧化(ANAMMOX)

厭氧氨氧化（ANAMMOX）是指在厭氧條件下氨氮以亞硝酸鹽為電子受體直接被氧化成氮?dú)獾倪^程。

ANAMMOX的生化反應(yīng)式為：

NH4 NO2-→N2↑ 2H2O

ANAMMOX菌是專性厭氧自養(yǎng)菌，因而非常適合處理含NO2-、低C/N的氨氮廢水。與傳統(tǒng)工藝相比，基于厭氧氨氧化的脫氮方式工藝流程簡單，不需要外加有機(jī)炭源，防止二次污染，有很好的應(yīng)用前景。厭氧氨氧化的應(yīng)用主要有兩種：CANON工藝和與中溫亞硝化(SHARON)結(jié)合，構(gòu)成SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝。

3、全程自養(yǎng)脫氮(CANON)

CANON工藝是在限氧的條件下，利用完全自養(yǎng)性微生物將氨氮和亞硝酸鹽同時(shí)去除的一種方法，從反應(yīng)形式上看，它是SHARON和ANAMMOX工藝的結(jié)合，在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。孟了等發(fā)現(xiàn)深圳市下坪固體廢棄物填埋場滲濾液處理廠，溶解氧控制在1mg/L左右，進(jìn)水氨氮<800 mg/L，氨氮負(fù)荷<0.46kg，NH4/(m3?d)的條件下，可以利用SBR反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)CANON工藝，氨氮的去除率>95%，總氮的去除率>90%。

Sliekers等的研究表明ANAMMOX和CANON過程都可以在氣提式反應(yīng)器中運(yùn)轉(zhuǎn)良好，并且達(dá)到很高的氮轉(zhuǎn)化速率?？刂迫芙庋踉?.5mg/L左右，在氣提式反應(yīng)器中，ANAMMOX過程的脫氮速率達(dá)到8.9kgN/(m3?d)，而CANON過程可以達(dá)到1.5kgN/(m3?d)。

4、同步硝化反硝化（SND）

根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化兩個(gè)過程需要在兩個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中；實(shí)際上，較早的時(shí)期，在一些沒有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中，人們就曾多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象，在曝氣系統(tǒng)中也曾多次觀察到氮的消失。

在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化反應(yīng)往往發(fā)生在同樣的處理?xiàng)l件及同一處理空間內(nèi)，因此，這些現(xiàn)象被稱為同步硝化/反硝化（SND）。目前同步硝化反硝化的的代表工藝是MBBR。

5、好氧反硝化

傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為，反硝化菌為兼性厭氧菌，其呼吸鏈在有氧條件下以氧氣為終末電子受體在缺氧條件下以硝酸根為終末電子受體。所以若進(jìn)行反硝化反應(yīng)，必須在缺氧環(huán)境下。近年來，好氧反硝化現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，逐漸受到人們的關(guān)注。一些好氧反硝化菌已經(jīng)被分離出來，有些可以同時(shí)進(jìn)行好氧反硝化和異養(yǎng)硝化(如Robertson等分離、篩選出的Tpantotropha.LMD82.5)。這樣就可以在同一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步硝化反硝化，簡化了工藝流程，節(jié)省了能量。

序批式反應(yīng)器處理氨氮廢水，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了好氧反硝化的存在，好氧反硝化脫氮能力隨混合液溶解氧濃度的提高而降低，當(dāng)溶解氧濃度為0.5mg/L時(shí)，總氮去除率可達(dá)到66.0%。

連續(xù)動態(tài)試驗(yàn)研究表明，對于高濃度氨氮滲濾液，普通活性污泥法的好氧反硝化工藝的總氮去除率可達(dá)10%以上。硝化反應(yīng)速率隨著溶解氧濃度的降低而下降；反硝化反應(yīng)速率隨著溶解氧濃度的降低而上升。硝化及反硝化的動力學(xué)分析表明，在溶解氧為0.14mg/L左右時(shí)會出現(xiàn)硝化速率和反硝化速率相等的同步硝化反硝化現(xiàn)象。其速率為4.7mg/(L?h)，硝化反應(yīng)KN=0.37mg/L；反硝化反應(yīng)KD=0.48mg/L。

在反硝化過程中會產(chǎn)生N2O是一種溫室氣體，產(chǎn)生新的污染，其相關(guān)機(jī)制研究還不夠深入，許多工藝仍在實(shí)驗(yàn)室階段，需要進(jìn)一步研究才能有效地應(yīng)用于實(shí)際工程中。另外，還有諸如全程自養(yǎng)脫氮工藝、同步硝化反硝化等工藝仍處在試驗(yàn)研究階段，都有很好的應(yīng)用前景。

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