低碳氮比生活污水脫氮處理技術(shù)

在生活污水處理的過(guò)程中，脫氮處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若生活污水的碳氮比相對(duì)均衡，就可以滿足基本的生化反應(yīng)條件，則脫氮效果較好，但若出現(xiàn)低碳氮比的情況，則需要補(bǔ)充相應(yīng)的碳源，或營(yíng)造更好的工藝反應(yīng)條件，進(jìn)而才能有效提升污水處理系統(tǒng)的脫氮效率。當(dāng)前，隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，村鎮(zhèn)生活污水小型集中處理的要求越來(lái)越高，但南方地區(qū)歷史遺留的雨污合流制、入河混流制、末端水體倒灌入管網(wǎng)等問(wèn)題，以及高速公路服務(wù)區(qū)特有的污水水質(zhì)條件等因素，導(dǎo)致大部分的生活污水具有明顯的低碳氮比特性，這給當(dāng)前的污水處理工作造成了很大的困難，同時(shí)也限制了污水處理系統(tǒng)的反硝化作用，所以無(wú)法確保處理后的水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)相關(guān)研究顯示，生活污水對(duì)水生態(tài)環(huán)境的危害性較大，而且呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢(shì)。因此，在我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，應(yīng)逐步提升脫氮處理工藝水平，并選擇與污水水質(zhì)相適應(yīng)的技術(shù)與設(shè)備，以此嚴(yán)格控制生活污水中的氨氮含量，從而使水環(huán)境維持在相對(duì)較好的水平，同時(shí)增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在污水處理過(guò)程中，不同處理技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)和影響因素也存在較大的差異性，因此，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇，而且要在實(shí)踐中還要注重技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)，以獲得更好的水質(zhì)處理方法和條件。

1、水體中氮的來(lái)源及危害

近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)加劇，導(dǎo)致生活污水增多，且污染來(lái)源呈現(xiàn)廣泛性的特點(diǎn)，因而對(duì)污水治理工藝技術(shù)成熟度和完整性要求更高。比如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，會(huì)使用大量化肥和農(nóng)藥，使水體中的氮含量增加，引起氨氮污染，對(duì)環(huán)境安全形成了較大威脅。同時(shí)，農(nóng)村地區(qū)的畜牧業(yè)發(fā)展速度也逐漸加快，若未能及時(shí)對(duì)家禽的糞便進(jìn)行處理，也會(huì)產(chǎn)生大量的廢水。當(dāng)這些廢水在降雨天氣進(jìn)入到地表水體中，會(huì)引發(fā)不同程度的污染。還有，如果在處理垃圾滲濾液時(shí)缺乏可靠的控制措施，也會(huì)導(dǎo)致地表水體受到污染，進(jìn)而氨氮含量會(huì)隨之上升，這是引發(fā)環(huán)境問(wèn)題的主要原因。而當(dāng)水體中的氮含量逐漸提升時(shí)，還會(huì)造成富營(yíng)養(yǎng)化狀況，使水體環(huán)境受到一定威脅，這也是造成黑臭水體的主要原因。而當(dāng)水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象時(shí)，水環(huán)境中的生物就會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積死亡的情況，從而加大了環(huán)境治理的投入成本。此外，氮元素也會(huì)使人們身體健康受到威脅，尤其是當(dāng)飲用水源受到污染時(shí)會(huì)引發(fā)各類疾病，包括甲亢、非霍奇金淋巴瘤和胃癌等。

2、低碳氮比生活污水脫氮處理工藝及應(yīng)用措施

2.1 外加碳源脫氮技術(shù)

外加碳源脫氮技術(shù)是處理低碳氮比生活污水的常用方法，是通過(guò)提供碳源的方式滿足反硝化反應(yīng)的要求，以確保出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的要求，有效降低生活污水對(duì)水環(huán)境造成的危害。乙酸鈉、甲醇和乙酸等是幾種常用的碳源類型，但應(yīng)嚴(yán)格控制用量，防止出現(xiàn)二次污染。同時(shí)，為了改善碳源的使用情況，可采用改性天然緩釋碳源，也可以充分發(fā)揮活性污泥反應(yīng)器的作用，增強(qiáng)好氧顆粒污泥的處理效果，這樣不僅能滿足脫氮的要求，而且除磷作用也十分顯著；在提供外加碳源時(shí)也可以選擇污泥發(fā)酵物，使低碳氮比生活污水的處理作用更好，且不會(huì)干擾系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，有效保持菌群結(jié)構(gòu)的合理性，使脫氮效率大幅提升。通常，微曝氧化溝技術(shù)在處理生活污水中的應(yīng)用較為普遍，但在處理低碳氮比生活污水時(shí)卻存在一定的局限性。因此，可運(yùn)用污泥發(fā)酵液進(jìn)行改善，并通過(guò)提供豐富的碳源來(lái)改善出水水質(zhì)，使其達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求，減少了商業(yè)碳源的用量，具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。而在采用A2/O系統(tǒng)處理生活污水的過(guò)程中，也可以加入適量的污泥發(fā)酵液，能有效提高脫氮除磷的效率。目前，污泥堿性發(fā)酵液在污水處理中應(yīng)用較多，可滿足大批量的處理要求，在實(shí)踐中還可以運(yùn)用水解酸化液和污泥混合液進(jìn)行聯(lián)合處理，有效促進(jìn)處理過(guò)程中的反硝化反應(yīng)進(jìn)程，提高系統(tǒng)的反應(yīng)能效。比如，在生物絮凝吸附-前置反硝化曝氣生物濾池工藝中，就可以引入污泥酸化液作為可靠碳源，以改善傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用效果，同時(shí)也提高了資源化的利用率。外加碳源脫氮技術(shù)流程如圖1所示。

2.2 無(wú)外加碳源脫氮技術(shù)

2.2.1 生物脫氮技術(shù)

2.2.1.1 ANAMMOX技術(shù)

ANAMMOX技術(shù)即厭氧氨氧化技術(shù)，其在生物脫氮工藝環(huán)節(jié)應(yīng)用較多，已有30年的發(fā)展歷史，積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，是以厭氧條件為核心，使NH4+在NO2-電子受體的作用下轉(zhuǎn)化為N2，且亞硝酸主體處理工藝和厭氧氨氧化技術(shù)的融合度越來(lái)越高，在兩個(gè)反應(yīng)主體中發(fā)生的反應(yīng)不同，但會(huì)產(chǎn)生相互協(xié)同的生化反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)脫氮處理的目標(biāo)。尤其是在低碳氮比生活污水的處理中，ANAMMOX技術(shù)的適用性更強(qiáng)，但該工藝的實(shí)際應(yīng)用效果也會(huì)受到諸多因素干擾，包括溫度、DO、SRT和pH值等。因此，需加強(qiáng)控制以創(chuàng)造更好的應(yīng)用環(huán)境和工藝參數(shù)。通常，在使用ANAMMOX技術(shù)進(jìn)行脫氮時(shí)，應(yīng)將溫度控制在30～35℃左右，pH值最高不要超過(guò)8.3，最低不要低于7.5；而ANAMMOX菌活性也會(huì)受到有機(jī)質(zhì)的影響，包括葡萄糖和甲醇、丙酮酸等。如果DO濃度較高，也會(huì)對(duì)處理效果產(chǎn)生負(fù)面影響，所以，在實(shí)際運(yùn)行中不能超過(guò)300mg/L。厭氧環(huán)境的限制是影響該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此，要合理營(yíng)造生態(tài)反應(yīng)環(huán)境，充分發(fā)揮出厭氧氨氧化菌團(tuán)的作用。此外，還也可以引入沸石微粒和高濃度無(wú)機(jī)鹽，以改善厭氧氨氧化菌的活性。經(jīng)相關(guān)研究顯示，采用該方法對(duì)污泥消化液實(shí)施減量化處理，在1周后能將氮的去除率提升到94%左右，且誤差不超過(guò)1.7%。其中，USAB反應(yīng)器是采用ANAMMOX技術(shù)時(shí)的主流工藝設(shè)備，可有效滿足污泥混合接種的處理要求，特別是當(dāng)NH4+-N濃度在3～5mmol/L時(shí)，運(yùn)用該方法能將氨氮的去除率提升到68%左右。因此，該方法的優(yōu)勢(shì)顯著，不僅不需要碳源的輔助作用，還不會(huì)產(chǎn)生較多污泥，相應(yīng)降低了系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。但該技術(shù)在實(shí)踐中也面臨著一些的限制，尤其是對(duì)于溫度控制的要求較高，而且系統(tǒng)的抗沖擊能力有一定的局限性。

2.2.1.2 SHARON技術(shù)

SHARON技術(shù)即亞硝化脫氮技術(shù)，也是生物脫氮領(lǐng)域中的主要工藝方法，與ANAMMOX技術(shù)不同，該技術(shù)在應(yīng)用中需要提供有氧環(huán)境，使NH4+在自養(yǎng)型亞硝酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為NO2-，而后續(xù)提供的無(wú)氧環(huán)境是發(fā)揮異養(yǎng)型反硝化菌的作用，最終產(chǎn)物包括H2O和CO2和NO2-等。通常情況下，亞硝化反應(yīng)是該技術(shù)應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵階段，主要是充分發(fā)揮硝酸菌和亞硝酸菌的作用，以滿足氨氧化要求。而完全混合反應(yīng)器是采用SHARON技術(shù)的核心裝置，解決了傳統(tǒng)工藝中污泥停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，其最佳反應(yīng)溫度在30～35℃左右，其中亞硝酸菌的活性優(yōu)于硝酸菌，再合理配置水力停留時(shí)間等參數(shù)，可有效控制或去除硝酸菌群。與傳統(tǒng)技術(shù)比較，該技術(shù)對(duì)碳源的需求量更少，而且反應(yīng)裝置的性能也得到了較大改善，不會(huì)產(chǎn)生大量的污泥。因此，環(huán)保綜合效益明顯。但該技術(shù)也存在一定的局限性，尤其是在城市污水處理中的應(yīng)用效果較差，容易受到溫度的影響，所以在使用該技術(shù)時(shí)，需要對(duì)NO2-的濃度實(shí)施嚴(yán)格控制，避免造成二次污染。

2.2.1.3 SHARON-ANAMMOX技術(shù)

SHARON-ANAMMOX技術(shù)可充分發(fā)揮兩種組合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，且在SHARON硝化反應(yīng)器的作用下，能有效去除50%的NH4+，還會(huì)使其快速轉(zhuǎn)化為NO2-；再通過(guò)ANAMMOX反硝化反應(yīng)器的作用完成污水處理。通常，ANAMMOX反應(yīng)器進(jìn)水為SHARON反應(yīng)器的出水，其出水生成的產(chǎn)物包括H2O、CO2和N2等，因此，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。但為了提高污水的整體處理效果，需要控制各項(xiàng)反應(yīng)條件，包括酸堿環(huán)境、溫度環(huán)境等，同時(shí)，溶解氧也不能進(jìn)入到ANAMMOX反應(yīng)器中。在實(shí)際應(yīng)用中，ANAMMOX菌和氨氧化菌的共同作用是處理生活污水的關(guān)鍵，因此，可以不再使用碳源，且氧氣使用量更少，這樣可有效降低污水處理的成本。在處理污泥上清液時(shí)，要充分發(fā)揮HCO3-的作用，主要是該物質(zhì)對(duì)酸堿環(huán)境的要求較低，所以提高了處理工作的便捷性。此外，在實(shí)際應(yīng)用SHARON-ANAMMOX技術(shù)進(jìn)行污水處理時(shí)，運(yùn)用EGSB反應(yīng)器會(huì)使氨氮的去除率更高，即亞硝化反應(yīng)器和厭氧氨化反應(yīng)器中的去除率分別為79%和45%。

2.2.1.4 CANON技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，以亞硝化技術(shù)和厭氧氨化技術(shù)為依托，還可以采用CANON技術(shù)對(duì)低碳氮比生活污水實(shí)施脫氮處理。該技術(shù)也被稱為全程自養(yǎng)脫氮技術(shù)，主要是借助反應(yīng)器或生物膜控制水體中的氮元素，并充分發(fā)揮出了厭氧氨氧化作用和亞硝化作用，但在處理過(guò)程中需合理控制溶解氨的含量。該技術(shù)的主要產(chǎn)物包括H2O、N2和H+、NO3-等。通常情況下，異氧菌、厭氧氨化菌、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌是支持CANON技術(shù)發(fā)揮凈化能效的關(guān)鍵，這不僅充分發(fā)揮出了ANAMMOX菌和硝化細(xì)菌的作用，還綜合提高了污水的處理效果。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)曝氣的需求量相對(duì)較小，所以可合理降低系統(tǒng)能耗，且占地面積合理，而消耗的氧氣量較常規(guī)處理工藝會(huì)降低65%左右。

2.2.1.5 同步硝化反硝化技術(shù)

該技術(shù)是指在同一個(gè)反應(yīng)器中完成同步硝化和反硝化的工作，且在微環(huán)境理論和好氧反硝化菌理論的支持下，該技術(shù)獲得了可靠發(fā)展。其中，BAF反應(yīng)器是該技術(shù)采用的主要裝置，是將兼性菌和硝化菌設(shè)置在內(nèi)層和外層，同時(shí)發(fā)揮活性污泥的作用，而且要在填料綜合體以及單個(gè)填料反應(yīng)體中均營(yíng)造缺氧環(huán)境、厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境，以滿足該污水處理技術(shù)的反應(yīng)需求。在實(shí)際應(yīng)用中，BAF反應(yīng)器可以選擇火山巖或軟性聚氨酯填料作為載體，同時(shí)，還要控制反應(yīng)器中溶解氧的濃度，一般在0.5～3.0mg/L。雖然BAF反應(yīng)器可以提高系統(tǒng)的整體脫氮效果，但需要嚴(yán)格控制DO的濃度，并通過(guò)對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程實(shí)施優(yōu)化，并結(jié)合液相-生物膜傳質(zhì)系數(shù)和系統(tǒng)負(fù)荷等運(yùn)行工況進(jìn)行綜合考慮，確定出最佳反應(yīng)條件。該技術(shù)相比于傳統(tǒng)處理技術(shù)，可有效提升生化反應(yīng)的速率，且曝氣量較低，具有良好的節(jié)能效果。

2.2.1.6 短程硝化反硝化技術(shù)

對(duì)于低碳氮比生活污水的處理，在NO2-生成階段實(shí)施硝化反應(yīng)后，再控制缺氧環(huán)境以滿足反硝化的要求，這時(shí)污水的處理效果較好。因此，在采用短程硝化反硝化技術(shù)時(shí)，應(yīng)做好NO2-濃度的控制，避免受到硝酸鹽細(xì)菌菌群的干擾。另外，其他環(huán)境因素也會(huì)對(duì)NO2-的累積產(chǎn)生干擾，包括DO、pH值、FH和溫度等。所以，為了改善富集效果，宜將反應(yīng)溫度控制在35℃左右，并強(qiáng)化NO2-的累積作用，以此加快對(duì)氮素的去除速率。同時(shí)，適當(dāng)控制溶解氧的濃度，既可以為氨氧化菌提供良好的環(huán)境，還可以提高整體的去除效果。在實(shí)際應(yīng)用中，由于該技術(shù)的需氧量低，所以可縮短整個(gè)工藝系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，減少污泥的產(chǎn)出量，從而有效降低了工藝實(shí)施強(qiáng)度。

2.2.2 電化學(xué)脫氮技術(shù)

電化學(xué)脫氮技術(shù)可以彌補(bǔ)生物脫氮技術(shù)的不足，該技術(shù)不需要使用添加劑，就可以有效降低運(yùn)營(yíng)成本，且處理效率更高。其中，電解反應(yīng)是采用電化學(xué)脫氮技術(shù)的關(guān)鍵，主要是指在強(qiáng)氧化劑的作用下，強(qiáng)制分解水體中的污染物，以發(fā)揮電極的氧化還原作用，強(qiáng)化整體脫氮效果。通常，在電化學(xué)脫氮技術(shù)中，三維電極技術(shù)的應(yīng)用較多，且成熟度較高。但該技術(shù)在使用時(shí)需設(shè)置填充床，主要是為了保障電氧化作用的良好效果，而且還需要嚴(yán)格控制填充物的類型，以增強(qiáng)傳質(zhì)作用，并最終降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。同時(shí)，在處理生活污水的過(guò)程中，運(yùn)用三維電極反應(yīng)裝置可更加高效地去除其中的NH3-N，但為了確保更好的脫氮效率，可用鐵鹽優(yōu)化系統(tǒng)，改善生化反應(yīng)器的反應(yīng)性能。此外，微電解自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)也可以滿足脫氮處理的要求，但為了保障自養(yǎng)反硝化過(guò)程的有效實(shí)施，可加入適量的廢鐵屑，這樣就可以在提升氮素去除率的同時(shí)，加快系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程，并且還可以降低綜合成本30%左右。但要注意在工業(yè)生產(chǎn)中，廢鐵屑屬于廢物，若不能得到有效妥善處理，會(huì)造成環(huán)境污染，因此，將其應(yīng)用于生活污水的處理過(guò)程中，不僅實(shí)現(xiàn)了廢物資源的高效利用，還達(dá)到了以廢治廢的目的。

2.3 多工藝組合脫氮技術(shù)

在實(shí)際污水處理過(guò)程中，采用單一的工藝往往難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此，可采用多種工藝組合實(shí)現(xiàn)污水的綜合處理，即強(qiáng)化生活污水的脫氮作用。通常是將電化學(xué)處理法和生物膜法協(xié)同應(yīng)用，以提高整個(gè)處理系統(tǒng)的硝化和反硝化的反應(yīng)能效，有效削減或去除水體中的氮素。目前，隨著技術(shù)水平的提升以及反應(yīng)設(shè)備性能的完善，A/O-MBR反應(yīng)器和UF/RO膜分離技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，不僅可以確保出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還加快了脫氮處理的速度和進(jìn)展。此外，電極生物膜反應(yīng)器也可以與人工濕地處理方法相融合，以滿足低碳氮比生活污水的處理要求，且脫氮效果也較好。此外，雙回流系統(tǒng)也可以有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中碳源不足等問(wèn)題，可有效提升原水碳源的利用效率，降低外加資源的消耗量，實(shí)現(xiàn)脫氮和除磷過(guò)程的一體化和集成化，促進(jìn)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3、結(jié)語(yǔ)

在污水處理過(guò)程中，低碳氮比生活污水的脫氮處理應(yīng)用了較為完善和穩(wěn)定的污水處理工藝，可有效降低含氮量，避免造成嚴(yán)重的水環(huán)境污染，從而進(jìn)一步改善了環(huán)境質(zhì)量。但由于水體中氮的來(lái)源十分廣泛，特別是在城鎮(zhèn)化和居民生活節(jié)奏逐步加快的趨勢(shì)下，生活污水的產(chǎn)出量也在持續(xù)增加，這給水環(huán)境治理工作帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，生活污水脫氮處理工作主要是采用外加碳源脫氮技術(shù)和無(wú)外加碳源脫氮技術(shù)、多工藝組合脫氮技術(shù)進(jìn)行控制。而無(wú)外加碳源脫氮技術(shù)又可以分為生物脫氮技術(shù)和電化學(xué)脫氮技術(shù)，其中，生物脫氮技術(shù)成熟度較高，涉及ANAMMOX技術(shù)、SHARON技術(shù)、SHARON-ANAMMOX技術(shù)、CANON技術(shù)、同步硝化反硝化技術(shù)和短程硝化反硝化技術(shù)等?；谝陨隙喾N技術(shù)，所以在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)結(jié)合具體的技術(shù)工藝特點(diǎn)和適用條件加以選擇，才能更好地改善生活污水的整體脫氮效果，降低對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害。（來(lái)源：深圳市華宇創(chuàng)鑫環(huán)境科技有限公司）