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污水脱氮技术浅析
刘钰畴
(南昌有色冶金设计研究院 南昌 330002)

[内容摘要] 介绍了各种污水脱氮方法及其基本原理, 着重介绍生物法脱氮技术。对污水脱氮的发展趋势做了简要说明。
[关 键 词] 富营养化 硝化 反硝化 生物法脱氮

随着人类活动的不断增加, 环境资源的不断改变, 水体氮污染日趋严重, 据统计, 中国主要湖泊处于因氮、 磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56%之多, 过多的氮化合物进入天然水体将恶化水体质量, 影响渔业发展和危害人体健康, 氮污染的主要危害为:
(1)使水体正常的溶解氧平衡遭受干扰, 并进一步促使水质恶化;
(2)影响水源水质, 增加水处理负担;
(3)加速水体的富营养化过程;
(4)含氮化合物对人和生物有毒害作用;
(5)使水体感官性状恶化, 从而降低水体美学价值。
氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中, 有机氮有蛋白质、 多肽、 氨基酸和尿素等, 它们经微生物分解后转为无机氮, 水中无机氮指氨氮、 亚硝态氮和硝态氮。各种形态氮的相对含量, 根据污水的性质而有所不同。
近半个世纪以来, 人们对转化和去除污水中的氮进行了大量的工作, 尝试并运用了各种可行的方法, 主要方法有: 物理法、 化学法、 离子交换法、 人工湿地法、 生物法及它们之间的组合。下面就这些方法作一些简单介绍。
1 物理法
( 1) 吹脱法: 污水中的氨氮是以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)两种形式保持平衡状态而存在:
NH3+H2O==NH4++OH—
将pH值保持在11.5左右(投加一定量的碱), 让污水流过吹脱塔, 使NH3逸出, 以达脱氮目的。
首先投加石灰调pH值至11.5以促使NH4+—N向NH3—N转化, 然后在除氮塔内, 空气自下向上吹入塔内, 水自上而下喷淋, 析出的NH3进入空气中, 其去除率可达85%, 水得以净化后再回流至格栅前, 而除氮塔出来的空气再进入硫酸淋洗塔生成(NH4)2SO4, 可作肥料或工业原料, 该法虽然操作简便易控, 除氨效果稳定, 但存在下列问题: pH值过高易生成水垢; 游离氨逸散造成二次污染等。
( 2) 电渗析法和反渗透法: 这两种方法脱氮效果都好, 但对水质要求高, 处理成本高, 一般极少使用。
( 3) 过滤法: 脱氮效果不理想, 一般可作脱氮预处理。
2 化学法
( 1) 折点加氯法: 利用游离氯与污水中的氨作用, 生成氮气而去除污水中的氮。
2NH4+3HOCL==N2+3CL—+3H2O+5H+
在pH值为中性, 进行不连续点氯化处理时, 进水中的NH4+—N能够在5分钟内去除90%以上, 不过出水残留有氯, 须附设除余氯的工艺设施, 一般可设活性炭过滤设备, 其滤层高2~6m, 停留时间为半小时较宜。
( 2) 化学混凝法: 脱氮效果不够理想, 产生的污泥量较大, 一般不单独采用该法脱氮。
3 离子交换法
常见斜发沸石作为除氨的离子交换体, 它对氨离子的选择优于钙、 镁、 钠等离子, 当日处理水量1000m3(原水中NH4+—N浓度为20mg/L), 去除率标准为80%, 再生液中的氨能够以游离氨或分子氮形式排放大气, 也能够成氨溶液回收后作肥料, 但该法脱氮成本高, 不经济, 另外还存在再生液处理等问题。
4 人工湿地法
利用农田、 卵石床水栽植物进行处理, 在澳大利亚新南威尔士的Wyong镇, 污水流量为1700m3/d, 二级处理出水含氮、 磷分别为35mg/L、 17mg/L, 采用深0.3~1.0m, 面积90ha, 生长芦苇和阔叶树等植物的沼泽地进行湿地处理, 在距湿地系统进口650m处取样, 测得氮、 磷含量已降至0.03mg/L、 0.06mg/L。
该法投资少, 运行方便, 对农村及小城镇很适用, 不过过量使用可能造成附近水井、 河流、 水库中的NO3—增加。
5 生物法
生物法是当前运用最广、 最有研究前景的方法, 详细介绍如下。
生物脱氮是生物法控制氮的一个重要分类。其主要原理是经硝化—反硝化处理, 把污水中的氮变成无害的N2排除体系。硝化是污水中的有机氮在生物处理过程中被异氧型微生物氧化解, 转化为氨氮, 然后由自氧型硝化细菌将其转化为NO3—和NO2—的过程; 反硝化是反硝化细菌经厌氧呼吸将NO3—和NO2—还原转化为N2的过程, 从而达到脱氮的目的。
硝化过程: 有机氮 氨化菌 有机氮NH3+CO2+小分子有机物
NH4++O2 亚硝酸菌 NO2-+H20+H+
NO2-+O2 硝酸菌 NO3-
NH4++O2 硝化菌 NO3-+H20+H+
反硝化过程: NO3- 同化反硝化NO2- →NO→N2O→N2 ( 占90%以上)
NO3- 异化反硝化NO2- →X→NH2OH→有机氮
5.1 影响生物脱氮的环境因素
在生物法脱氮中, 硝化菌、 反硝化菌发挥了重要作用, 这些细菌对于生物降解过程有一定的环境条件要求。
( 1) DO: 在缺氧构筑物中, 反硝化脱氮的最佳DO为0.5mg/L以下, 在好氧构筑物中, 有机物好氧代谢, 硝化菌将NH4+—N氧化成NHx——N,都需要氧, DO应控制在2mg/L以上。DO的变化, 能够明显地影响系统中硝化细菌总量及指示性微生物数量的变化。当混合液中的DO浓度低时, 氮硝化过程的指示性微生物数量少, 氮的硝化效果差; 反之, 则指示性微生物数量多, 氮的硝化率也随之提高。但由于高浓度溶解氧对硝化菌有一定的抑制作用, 故DO一般控制在大于2mg/L的条件下偏低为宜。
( 2) 营养物质的量是影响生物脱氮的重要因素, 在氮的硝化过程中, 由于硝化细菌在生活中不需要有机养料, 较高的有机负荷会影响硝化细菌的生长, 从而使硝化率降低, 因此一般认为BOD5值应小于20mg/L时硝化反应才能完成。而对于反硝化反应, 由于其以有机碳为电子供体, 因此废水中必须有足够的碳源, 一般认为当废水中的BOD5/TKN大于3~5, 即认为碳源充分, 勿需外加碳源。
( 3) 碱度: 生物反硝化产生大量的碱, 而硝化过程正需要碱, 故常将反硝化过程放在硝化反应之前, 若不足, 则考虑添加碱, 最常见的为NaHCO3。对于典型的城市污水, 碱度约为300mg/L(以CaCO3计), 而硝化过程中消耗的碱小于200mg/L, 故对于城市污水, 当采用生物脱氮工艺时, 不需要补充碱源。
( 4) 温度: 硝化细菌的生长速率及代谢能力受温度的影响较大。硝化过程指示性生物数量随温度变化的基本规律是: 随温度的上升而增多, 随温度的降低而减少。适宜温度为20~30℃, 15℃以下时, 硝化反应速度下降, 5℃时完全停止。
( 5) pH值: 由于细菌的代谢作用离不开酶的活动, 而酶作用的pH值范围较窄, 因此氮的生物硝化反应过程有直接影响。pH值中性及偏碱性条件下能够获得较好的氮硝化效果。
5.2 生物脱氮的工艺方法
生物法除脱氮工艺形式多样, 不过, 每种工艺都包括厌氧、 好氧过程, 各种工艺不同, 不外乎是变化顺序、 级数、 回流方式、 进水方式等, 将传统的AB活性污泥法的B段运行方式作些变换, 可得: A/O、 A2/O、 UCT、 VIP、 THB等各种工艺方式, 同时还有DE型氧化沟、 生物膜、 生物滤池等方法脱氮, 下面简要介绍几种典型的工艺方法:
( 1) A/O法( 图1)
进水 →缺氧段 →好氧段 →二沉池 →出水

← 回流污泥 →废弃污泥
图1 A/O工艺
这是最基本的硝化、 反硝化脱氮工艺。在缺氧段, 反硝化菌利用污水中的有机碳作为电子供体, 以硝酸盐作为电子受体进行”无氧呼吸”, 将回流液中硝态氮还原成氮气释放出来, 完成反硝化过程, 在好氧段, 硝化菌把污水中的氨氮氧化成硝酸盐, 再向缺氧池回流, 为脱氮作好必要的准备, 这样, 缺氧段、 好氧段微生物互不相混, 各自始终处于最佳生态环境中, 不受厌氧、 好氧环境交替的抑制作用, 该系统停留时间短、 脱氮效果好, 用于城市污水处理时出水TN可达到8~9mg/L, 若对出水TN有更严格的要求, 可采用巴氏生物脱氮工艺(图2)。
混合液回流(I=400%Q)←

进水→第一缺氧池→第一好氧池→第二缺氧池→第二好氧池→沉淀池→出水

污泥回流( R=100%Q) ← →剩余污泥
图2 四阶段巴氏生物脱氮工艺
为解决低温时A/O法脱氮效果差这一问题, 人们正在不断开发, 部份水厂已将软性填料运用于生产中, 天津纪庄子污水处理厂采用在O段悬挂软性填料, 以此增加硝化菌数量, 满足硝化需要, 经测试, 效果良好, 哈尔滨建筑工程学院和鞍山焦化耐火设计院共同研制出A段挂软性填料, O段内回流的A/O新工艺, 并在山东薜城焦化厂应用, 在进水厂TN为590mg/L时, 去除率达80%以上。
( 2) A2/O法( 图3)
针对A/O工艺中废弃污泥含磷量较高的特点, A2/O工艺相对而言, 增添了一个厌氧过程( 除磷) , 将脱氮除磷与降解有机物结合起来, 该工艺对COD、 BOD、 N、 P等去除率高, 污泥沉降性好, 投资少, 开发前景看好, 但A/O工艺、 A2/O工艺在运行管理、 配套设备等方面还有待进一步加强。

←内循环

进水 → 厌氧段 →缺氧段 →好氧段 →二沉池 → 出水

回流污泥 ← → 废弃污泥 　　
图3 A2/O工艺

( 3) 生物滤池( 图4)
←污泥回流

进水 →初沉池 →反硝化滤池 →中间沉淀池 →硝化滤池 →滤网 →滤池 →出水

图4 生物滤池工艺
生物膜外层好氧, 内层缺氧, 只有提供充分的碳源, 才能去除NO3—--N, 要达到完全反硝化, COD/N必须大于12~14, 在欧洲, 二级处理厂使用生物滤池的较多, 效果也不错, 英国的Borougn大学对硝化生物滤池的填料作了研究, 认为天然的无机填料优于人工塑料, 而且保湿性能好, 有利于微生物的生长。
采用生物滤池脱氮, 投资省, 设计、 施工、 运行简单、 占地少、 运行效果良好, 但要注意碳源是否充分, 必要时须投加甲醇等, 以调节硝化过程中所需的碳、 氮比。
在高含氮废水的生物硝化过程中, 硝化和反硝化是生物脱氮工艺中相辅相成、 互相促进的两个组成部分, 一般情况下是组合进行的。而硝化工艺作为废水处理的一种新技术, 尚有许多问题需要我们去认识, 大量未知规律需要我们去探索。
6 脱氮发展趋势
近年来, 水体中营养物质的控制, 主要是氮、 磷的控制已引起了广泛的重视。且经过许多研究者的不懈努力, 取得了很大的进展。特别是人们对生物法脱氮技术的研究已经开展得很多, 运用也最广。最主要的一点是大大提高了生物处理过程中氮、 磷的去除率和缩短了处理过程中的停留时间。
由于填料技术发展很快, 开发新型高效填料用于除氮系统是近年来很有前途的一项研究课题, 不论是对于普通活性污泥系统, 还是对于生物滤池, 投加适宜填料皆可提高脱氮能力。
新建污水处理设施一般在要求去除BOD、 SS的同时, 同时考虑去除氮、 磷。对现有的污水处理设施进行改造, 使之并入好氧、 厌氧结合的工艺, 也可使之达到脱氮效果。另外, 发展脱氮装置的小型化、 商品化、 规模化, 以适应不同场合如宾馆、 小区的污水处理的需要, 也是近年来污水脱氮的一个发展趋势。

[参考文献]
1 张自杰等. 排水工程. 第3版. 北京: 中国建筑工业出版社, 1996
2 郑兴灿, 李亚新. 污水除磷脱氮技术. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998