傳統(tǒng)生物脫氮方法在廢水脫氮方面起到了一定的作用，但仍存在許多問題。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，増加了動(dòng)力消耗；對(duì)C/N比低的廢水，需外加有機(jī)碳源；工藝流程長，占地面積大，基建投資高等。
近年來，生物脫氮領(lǐng)域開發(fā)了許多新工藝，主要有：同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；厭氧氨氧化和全程自養(yǎng)脫氮。
1、同步硝化反硝化（SND）
自20世紀(jì)80年代以來, 研究人員在一些沒有明顯缺氧及厭氧段的活性污泥法工藝中, 曾多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象, 即存在有氧情況下的反硝化反應(yīng)、低氧情況下的硝化反應(yīng)。在這些處理系統(tǒng)中,硝化和反硝化往往發(fā)生在相同的條件下或同一處理空間內(nèi), 這種現(xiàn)象被稱作同步硝化反硝化(SND）,亦有研究人員將這種現(xiàn)象中的反硝化過程稱之為好氧反硝化。
工藝微生物學(xué)家在純種培養(yǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌有非常復(fù)雜的生理多樣性，如：Roberton和Lloyd等證明許多反硝化細(xì)菌在好氧條件下能進(jìn)行反硝化；Castingnetti證明許多異養(yǎng)菌能進(jìn)行硝化。這些新發(fā)現(xiàn)使得同時(shí)硝化反硝化成為可能，并奠定了SND生物脫氮的理論基礎(chǔ)。硝化與反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡控制是同步硝化反硝化技術(shù)的關(guān)鍵。
在該工藝中，硝化與反硝化反應(yīng)在同一個(gè)構(gòu)筑物中同時(shí)進(jìn)行，與傳統(tǒng)的工藝相比具有明顯的優(yōu)越性：（1）節(jié)省反應(yīng)器體積和構(gòu)筑物占地面積，減少投資；（2）可在一定程度上避免NO2-氧化成NO3-再還原成NO2-這兩步多余的反應(yīng)，從而可縮短反應(yīng)時(shí)間，還可節(jié)省DO和有機(jī)碳；（3）反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以彌補(bǔ)硝化反應(yīng)堿度的消耗，簡(jiǎn)化pH調(diào)節(jié)，減少運(yùn)行費(fèi)用。MBBR工藝是同步硝化反硝化的典型工藝。
MBBR工藝原理是通過向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類，從而提高反應(yīng)器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時(shí)候，與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長的環(huán)境為氣、液、固三相。載體在水中的碰撞和剪切作用，使空氣氣泡更加細(xì)小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內(nèi)外均具有不同的生物種類，內(nèi)部生長一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好養(yǎng)菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應(yīng)器，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)存在，從而提高了處理效果。
2、短程硝化-反硝化（SHARON）
1975年，Voets等發(fā)現(xiàn)了硝化過程中亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念。1986年Sutherson等證實(shí)了其可行性，國內(nèi)外研究表明，與傳統(tǒng)的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可減少25%左右的需氧量，降低能耗；節(jié)省反硝化階段所需要的有機(jī)碳源，降低了運(yùn)行費(fèi)用；縮短HRT，減少反應(yīng)器體積和占地面積；降低了污泥產(chǎn)量；硝化產(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和。
因此，對(duì)許多低C/N比廢水，目前比較有代表性的工藝有亞硝酸菌與固定化微生物單級(jí)生物脫氮工藝，單一反應(yīng)器通過亞硝酸鹽去除氨氮(SHARON)工藝。
SHARON工藝是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的一種新型脫氮工藝，其基本原理是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，在有氧條件下，利用氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮，然后在缺氧條件下，以有機(jī)物為電子供體，將亞硝態(tài)氮反硝化成N2。將氨氧化控制在亞硝化階段是該工藝的關(guān)鍵。
SHARON工藝的成功在于：
(1)利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)能力；
(2)利用完全混合反應(yīng)器在無污泥回流條件下污泥停留時(shí)間(SRT)與水力停留時(shí)間(HRT)的同一性，控制HRT大于亞硝酸細(xì)菌的世代時(shí)間，小于硝酸細(xì)菌的世代時(shí)間，實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”，使反應(yīng)器內(nèi)主要為亞硝酸細(xì)菌；
(3)控制較高的pH值，不僅抑制了硝酸細(xì)菌，也消除了游離亞硝酸(FNA)對(duì)亞硝酸細(xì)菌的抑制。
1998年在荷蘭已有此類污水處理廠投入運(yùn)行。
盡管SHARON工藝按有氧/缺氧的間歇運(yùn)行方式取得了較好的效果，但不能保證出水氨氮的濃度很低。該工藝更適于對(duì)較高濃度的含氨氮廢水的預(yù)處理或旁路處理。
3、厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝
1994年，Kuenen等邸發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化反硝化反應(yīng)中能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作電子受體將氨氮氧化成N2和氣態(tài)氮化物；1995年，Mulder等人在研究脫氮流化床反應(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn)，氨氮可在厭氧條件下消失，氨氮的消失與硝氮的消耗同時(shí)發(fā)生并成正相關(guān)。不久，VandeGraaf等人進(jìn)一步證實(shí)該過程是一個(gè)微生物反應(yīng)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，亞硝態(tài)氮是一個(gè)更為關(guān)鍵的電子受體。因此，可以把ANAMMOX完整的定義為，在厭氧條件下，微生物直接以氨氮作為電子供體，以亞硝態(tài)氮為電子受體，轉(zhuǎn)化為Nz的微生物反應(yīng)過程。
ANAMMOX工藝主要采用流化床反應(yīng)器，由于是在厭氧條件下直接利用氨氮作電子供體，無需供氧、無需外加有機(jī)碳源維持反硝化、無需額外投加酸堿中和試劑，故降低了能耗，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)還避免了因投加中和試劑有可能造成的二次污染問題。
由于NH3-N和NO2-N同時(shí)存在于反應(yīng)器中，因此，ANAMMOX工藝與一個(gè)前置的硝化過程結(jié)合在一起是非常必要的，并且，硝化過程只需將部分的NH3-N氧化為NO2-N。據(jù)此，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)了SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝，該聯(lián)合工藝?yán)肧HARON反應(yīng)器的出水作為ANAMMOX反應(yīng)器的進(jìn)水，具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量低、不需外加有機(jī)碳源等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景，成為生物脫氮領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究重點(diǎn)。
4、全程自養(yǎng)脫氨氮(CANON)
與其它工藝相比，全程自養(yǎng)脫氨氮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
(1)不必外加有機(jī)碳源。因此，在處理低C/N比廢水時(shí)能節(jié)省大量能源；
(2)對(duì)亞硝氮的供應(yīng)沒有要求，含有高氨氮的廢水可直接進(jìn)入反應(yīng)器；
(3)盡管該系統(tǒng)要求限氧，但不嚴(yán)格要求厭氧，因此，在實(shí)際操作中，氧氣的控制比較容易。目前，全程自養(yǎng)脫氨氮系統(tǒng)的處理能力仍然很低，對(duì)其機(jī)理也不十分明確，但污泥接種體比較容易大量生長，接種的硝化污泥很容易在活性污泥中產(chǎn)生，這表明該系統(tǒng)可應(yīng)用于工程實(shí)踐。氧限制自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝是全程自養(yǎng)脫氮的典型工藝。
Kuai等人提出了OLAND工藝，該工藝的關(guān)鍵是在活性污泥反應(yīng)器中控制溶解氧，使硝化過程僅進(jìn)行到氨氮氧化為亞硝酸鹽階段，由于缺乏電子受體，由NH3-N氧化產(chǎn)生的NO2-N氧化未反應(yīng)的NH3-N形成N2。該反應(yīng)機(jī)理為由亞硝酸菌(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反應(yīng)。
研究表明，亞硝酸菌與硝酸細(xì)菌對(duì)氧的親和力不同，亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4mg/L，硝酸菌的為1.2-1.5mg/L，在低DO條件下，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的增長速率均下降，然而硝酸細(xì)菌的下降比亞硝酸細(xì)菌要快，導(dǎo)致亞硝酸細(xì)菌的增長速率超過硝酸細(xì)菌，使生物膜上的細(xì)菌以亞硝酸細(xì)菌為主體，出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累。OLAND工藝就是利用這2類菌動(dòng)力學(xué)特性的差異，以淘汰硝酸菌，使亞硝酸大量積累。但迄今為止，還不清楚這些微生物群體是否與正常的硝化菌有關(guān)聯(lián)。
OLAND工藝是在低DO濃度下實(shí)現(xiàn)維持亞硝酸積累，但是活性污泥易解體和發(fā)生絲狀膨脹。因此，低DO對(duì)活性污泥的沉降性、污泥膨脹等的影響仍有待進(jìn)一步的研究。
來源：環(huán)保工程師
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