论文部分内容阅读
[摘 要]高浓度氨氮污水中，氨氮浓度一般都大于500 mg·L-1，如果采用传统生物法脱氮，反硝化就得需要7500mg/L以上的碳源，这无疑会增加处理成本。因此，研究高效脱氮工艺具有重要的现实意义。本文主要探讨了近年来新发展起来的高效生物脱氮技术，及其在高浓度氨氮污水处理中的应用问题。
[关键词]生物脱氮法；高浓度氨氮污水；污水处理
中图分类号：X703.1 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）35-0037-01
随着环境污染的加剧，高浓度氨氮污水处理问题，日益引起国内外学者及相关部门的关注和重视。污水中的氮主要来源于生活粪便污水和医药、化工等工业污水等，是引起水体富营养化和环境污染的重要因素之一。高浓度氨氮极易造成以氮源为营养物质的藻类植物大量繁殖，最后导致水中溶解氧急剧下降，造成水中大量水栖类动植物死亡，使生态环境进一步被破坏。传统生物法只能有效处理浓度一般不超过300 mg·L-1的污水，但是，高浓度氨氮污水的NH4+-N浓度一般在500 mg·L-1以上，如果采用传统生物法脱氮，将会增加污水处理的成本。近年来，国内外针对高浓度氨氮污水处理方法进行了大量的研究，一些全新的脱氮工艺不断出现，为高浓度氨氮污水的脱氮处理提供了新的途径。
一、高浓度氨氮污水处理中存在的问题
污水生物处理是利用微生物的生命活动过程，对污水中的污染物进行转移和转化，从而使污水得到净化的处理方法。传统生物法一般用于低浓度氨氮污水脱氮，若用于中浓度氨氮污水脱氮，常需前置物理化学工艺或采用稀释法等，将氨氮浓度降至可生物处理范围内后再进行处理，在技术上和经济上，适用性不强。目前，高浓度氨氮污水的脱氮方法主要有物化法、生化联合法和新型生物脱氮法。物化法可再细分为吹脱法、沸石脱氨法、膜分离技术、MAP沉淀法、化学氧化法等。物化法在处理高浓度氨氮废水时，氨氮浓度对其没有影响，但是，其缺点是不能将氨氮浓度降到合适的程度，比如降到100 mg/L以下。同时，生物脱氮会因为高浓度游离氨或者亚硝酸盐氮而导致效果不理想，因此，在实际氨氮污水处理中，常采用生化联合的方法，先用物化法对高浓度氨氮污水进行预处理，然后再进行生物处理，这样可以降低工程投资和建成后的运行费用。
物化法和生化联合法氨氮污水处理技术，各有优势与不足。物化法脱氮速率快，不受氨氮浓度影响，但往往需要多种方法组合使用，而且基建投资、运行费用高，能耗量大，有些还会产生二次污染，一般适用于高浓度氨氮污水的预处理。生化法相对比较经济，出水水质比较稳定，但不适用于终稿浓度的氨氮污水，且运行周期长，脱氮效率低，易受进水水质和环境因素影响，适用于大规模的低氨氮污水处理工程。
二、新型生物法氨氮污水处理技术发展及应用
传统物化法和生化法在处理高浓度氨氮污水方面，还存在很多问题与不足。因此，寻求高效经济的新型生物脱氮法一直是科学工作者努力的目标，现已取得了重大进展。新型生物脱氮法主要有厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、同时硝化反硝化等。这类方法在处理水污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，无论技术前景，还是市场前景，都非常广阔，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。
（一）厌氧氨氧化
厌氧氨氧化（ANAMMOX）是指在缺氧条件下，以NO2--N为电子受体，NH3为电子供体，厌氧氨氧化菌将氨氮转化为N2的过程。相较于传统硝化 / 反硝化工艺能耗大、需外加碳源、产生大量温室气体，厌氧氨氧化更加经济环保。Strous等通过控制生物流化床和固定化床中的运行条件实现 ANAMMOX，氨氮转化率达82%。朱明石等利用厌氧氨氧化法来处理高浓度氨氮污水，当进水TN，NH3-N，NO2-N分别为788.8，340.0，448.8 mg·L-1时，其去除率分别达到85.0%，84.0%，93.0%。目前，有研究表明，厌氧氨氧化细菌能与亚硝酸盐氧化—甲烷还原菌联合处理污泥消化液，达到同时脱氮和去除甲烷的目的。近年来，厌氧氨氧化技术已逐步应用工程实际中，并形成了多种工艺。与其他脱氮技术相同，厌氧氨氧化脱氮效果和稳定性受到PH、温度、COD、重金属等多种因素的影响。因此，提高反应速率，菌种生长、停留时间以及在低温条件下出水浓度保持在较低范围内将是厌氧氨氧化技术未来研究与发展的方向。
（二）短程硝化反硝化
传统生物脱氮法包括硝化和反硝化两个阶段：在硝化阶段，NH4+-N首先在亚硝化菌的作用下转化为NO2--N，并在此基础上经硝化菌转化为NO3--N；在反硝化阶段，NO3--N为电子受体，在反硝化菌的作用下NO3--N转化为气态氮。若在反硝化阶段，反硝化菌经过NO2--N途径后，直接将NO2--N电子受体转化为气态氮的过程则称之为短程硝化反硝化。相对传统生物脱氮来说，短程硝化反硝化具有众多优势：①需氧量减少，耗能降低。②外加碳源减少，运行成本降低。③反应时间缩短，污泥生成量降低，反应器容積减小等。
SHARON是第一个成功经NO2--N途径实现反硝化的工艺技术，它能实现90%的脱氮率，比传统硝化反硝化减少25%的需氧量和40%的外加碳源。刘超翔利用短程硝化反硝化法处理含有高浓度氨氮的焦化污水（氨氮浓度为510.4 mg·L-1）试验结果发现，出水氨氮的浓度降至14.2 mg·L-1，氨氮脱除率达到97.2%。Stijn WH Van Hulle等发现pH在6.5-8，温度在35-45oC范围内SHARON生物活性达到最大。S.Fudala-Ksiazek等[40]用SBR法处理垃圾渗滤液与城市污水混合液时通过控制进水氨氮浓度、溶解氧、pH、游离氨浓度等成功实现了短程硝化反硝化。短程硝化反硝化适合于处理焦化、石化、化肥及垃圾渗滤液等低碳源的高浓度氨氮污水，并为具有良好应用前景的高浓度氨氮污水的高效生物脱氮提供了另一重要途径。但需解决的问题在于亚硝酸氮的积累和菌种的保持。
（三）同时硝化反硝化
传统生物脱氮法认为硝化和反硝化是两个独立存在的反应过程，在时间或空间上具有一定的先后顺序。但近年来随着异养硝化、好氧反硝化、自养反硝化等理论的出现及相应工艺技术的应用，人们对同时硝化反硝化有了全新的认识，并形成了新的生物脱氮理论。这种硝化和反硝化反应在同一反应器内同时进行时，称为同时硝化反硝化。Fangang Meng等基于硝化反硝化研发出了一种新型生物脱氮工艺NWH？BR，NWHBR兼有生物膜与活性絮状污泥两种特性，能实现近乎100%的氨氮和80%的总氮去除率。此外，NWHBR凭借较高的传质效率、较低的出水回流率以及丰富的生物多样性，成为近年来的研究热点。
三、结语
综上，现代分子生物学技术的出现，为环境科学的发展带来了新的希望。在高氨氮污水处理中，新型生物脱氮法具有脱氮效率高、节能减耗的优势，可以在节省能源和碳源的情况下，实现高氨氮污水的高效脱氮。其缺点是过程相对比较复杂、技术尚不够成熟等。随着科学技术的不断发展，未来高浓度氨氮污水处理技术将会朝着更加节能、环保、资源化、高效经济等方向发展。当然，为了减少污水处理负荷，最大限度地降低处理成本，还应开发典型氨化工企业水资源高效利用新工艺，从源头上减少氨氮污水的排放，以保护水环境生态平衡，实现人与自然和谐共生。
参考文献
[1] 李华龙.循环水养殖系统主要氨氮降解微生物的初步研究[D].中国海洋大学，2013.
[2] 刘亚敏，郝卓莉.高氨氮污水处理技术及研究现状[J].水处理技术，2012，S1：7-11.
[关键词]生物脱氮法；高浓度氨氮污水；污水处理
中图分类号：X703.1 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）35-0037-01
随着环境污染的加剧，高浓度氨氮污水处理问题，日益引起国内外学者及相关部门的关注和重视。污水中的氮主要来源于生活粪便污水和医药、化工等工业污水等，是引起水体富营养化和环境污染的重要因素之一。高浓度氨氮极易造成以氮源为营养物质的藻类植物大量繁殖，最后导致水中溶解氧急剧下降，造成水中大量水栖类动植物死亡，使生态环境进一步被破坏。传统生物法只能有效处理浓度一般不超过300 mg·L-1的污水，但是，高浓度氨氮污水的NH4+-N浓度一般在500 mg·L-1以上，如果采用传统生物法脱氮，将会增加污水处理的成本。近年来，国内外针对高浓度氨氮污水处理方法进行了大量的研究，一些全新的脱氮工艺不断出现，为高浓度氨氮污水的脱氮处理提供了新的途径。
一、高浓度氨氮污水处理中存在的问题
污水生物处理是利用微生物的生命活动过程，对污水中的污染物进行转移和转化，从而使污水得到净化的处理方法。传统生物法一般用于低浓度氨氮污水脱氮，若用于中浓度氨氮污水脱氮，常需前置物理化学工艺或采用稀释法等，将氨氮浓度降至可生物处理范围内后再进行处理，在技术上和经济上，适用性不强。目前，高浓度氨氮污水的脱氮方法主要有物化法、生化联合法和新型生物脱氮法。物化法可再细分为吹脱法、沸石脱氨法、膜分离技术、MAP沉淀法、化学氧化法等。物化法在处理高浓度氨氮废水时，氨氮浓度对其没有影响，但是，其缺点是不能将氨氮浓度降到合适的程度，比如降到100 mg/L以下。同时，生物脱氮会因为高浓度游离氨或者亚硝酸盐氮而导致效果不理想，因此，在实际氨氮污水处理中，常采用生化联合的方法，先用物化法对高浓度氨氮污水进行预处理，然后再进行生物处理，这样可以降低工程投资和建成后的运行费用。
物化法和生化联合法氨氮污水处理技术，各有优势与不足。物化法脱氮速率快，不受氨氮浓度影响，但往往需要多种方法组合使用，而且基建投资、运行费用高，能耗量大，有些还会产生二次污染，一般适用于高浓度氨氮污水的预处理。生化法相对比较经济，出水水质比较稳定，但不适用于终稿浓度的氨氮污水，且运行周期长，脱氮效率低，易受进水水质和环境因素影响，适用于大规模的低氨氮污水处理工程。
二、新型生物法氨氮污水处理技术发展及应用
传统物化法和生化法在处理高浓度氨氮污水方面，还存在很多问题与不足。因此，寻求高效经济的新型生物脱氮法一直是科学工作者努力的目标，现已取得了重大进展。新型生物脱氮法主要有厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、同时硝化反硝化等。这类方法在处理水污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，无论技术前景，还是市场前景，都非常广阔，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。
（一）厌氧氨氧化
厌氧氨氧化（ANAMMOX）是指在缺氧条件下，以NO2--N为电子受体，NH3为电子供体，厌氧氨氧化菌将氨氮转化为N2的过程。相较于传统硝化 / 反硝化工艺能耗大、需外加碳源、产生大量温室气体，厌氧氨氧化更加经济环保。Strous等通过控制生物流化床和固定化床中的运行条件实现 ANAMMOX，氨氮转化率达82%。朱明石等利用厌氧氨氧化法来处理高浓度氨氮污水，当进水TN，NH3-N，NO2-N分别为788.8，340.0，448.8 mg·L-1时，其去除率分别达到85.0%，84.0%，93.0%。目前，有研究表明，厌氧氨氧化细菌能与亚硝酸盐氧化—甲烷还原菌联合处理污泥消化液，达到同时脱氮和去除甲烷的目的。近年来，厌氧氨氧化技术已逐步应用工程实际中，并形成了多种工艺。与其他脱氮技术相同，厌氧氨氧化脱氮效果和稳定性受到PH、温度、COD、重金属等多种因素的影响。因此，提高反应速率，菌种生长、停留时间以及在低温条件下出水浓度保持在较低范围内将是厌氧氨氧化技术未来研究与发展的方向。
（二）短程硝化反硝化
传统生物脱氮法包括硝化和反硝化两个阶段：在硝化阶段，NH4+-N首先在亚硝化菌的作用下转化为NO2--N，并在此基础上经硝化菌转化为NO3--N；在反硝化阶段，NO3--N为电子受体，在反硝化菌的作用下NO3--N转化为气态氮。若在反硝化阶段，反硝化菌经过NO2--N途径后，直接将NO2--N电子受体转化为气态氮的过程则称之为短程硝化反硝化。相对传统生物脱氮来说，短程硝化反硝化具有众多优势：①需氧量减少，耗能降低。②外加碳源减少，运行成本降低。③反应时间缩短，污泥生成量降低，反应器容積减小等。
SHARON是第一个成功经NO2--N途径实现反硝化的工艺技术，它能实现90%的脱氮率，比传统硝化反硝化减少25%的需氧量和40%的外加碳源。刘超翔利用短程硝化反硝化法处理含有高浓度氨氮的焦化污水（氨氮浓度为510.4 mg·L-1）试验结果发现，出水氨氮的浓度降至14.2 mg·L-1，氨氮脱除率达到97.2%。Stijn WH Van Hulle等发现pH在6.5-8，温度在35-45oC范围内SHARON生物活性达到最大。S.Fudala-Ksiazek等[40]用SBR法处理垃圾渗滤液与城市污水混合液时通过控制进水氨氮浓度、溶解氧、pH、游离氨浓度等成功实现了短程硝化反硝化。短程硝化反硝化适合于处理焦化、石化、化肥及垃圾渗滤液等低碳源的高浓度氨氮污水，并为具有良好应用前景的高浓度氨氮污水的高效生物脱氮提供了另一重要途径。但需解决的问题在于亚硝酸氮的积累和菌种的保持。
（三）同时硝化反硝化
传统生物脱氮法认为硝化和反硝化是两个独立存在的反应过程，在时间或空间上具有一定的先后顺序。但近年来随着异养硝化、好氧反硝化、自养反硝化等理论的出现及相应工艺技术的应用，人们对同时硝化反硝化有了全新的认识，并形成了新的生物脱氮理论。这种硝化和反硝化反应在同一反应器内同时进行时，称为同时硝化反硝化。Fangang Meng等基于硝化反硝化研发出了一种新型生物脱氮工艺NWH？BR，NWHBR兼有生物膜与活性絮状污泥两种特性，能实现近乎100%的氨氮和80%的总氮去除率。此外，NWHBR凭借较高的传质效率、较低的出水回流率以及丰富的生物多样性，成为近年来的研究热点。
三、结语
综上，现代分子生物学技术的出现，为环境科学的发展带来了新的希望。在高氨氮污水处理中，新型生物脱氮法具有脱氮效率高、节能减耗的优势，可以在节省能源和碳源的情况下，实现高氨氮污水的高效脱氮。其缺点是过程相对比较复杂、技术尚不够成熟等。随着科学技术的不断发展，未来高浓度氨氮污水处理技术将会朝着更加节能、环保、资源化、高效经济等方向发展。当然，为了减少污水处理负荷，最大限度地降低处理成本，还应开发典型氨化工企业水资源高效利用新工艺，从源头上减少氨氮污水的排放，以保护水环境生态平衡，实现人与自然和谐共生。
参考文献
[1] 李华龙.循环水养殖系统主要氨氮降解微生物的初步研究[D].中国海洋大学，2013.
[2] 刘亚敏，郝卓莉.高氨氮污水处理技术及研究现状[J].水处理技术，2012，S1：7-11.