精品資料（2021-2022年收藏的）水處理中脫氮原理及工藝分析解析

1、水處理中脫氮原理及工藝張 路摘 要：水資源短缺和水污染嚴(yán)重已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、危害環(huán)境生態(tài)、影響人民生活和身體健康的突出問題，迫切需要加以解決。本文論述了我國(guó)水處理的概況以及脫氮的原理及傳統(tǒng)脫氮工藝和新的脫氮工藝。關(guān)鍵字：水處理；脫氮工藝1 氮污染概況我國(guó)水資源總量較為豐富，總量28124億m3，位居世界第六，然而人均占有水資源量?jī)H2340 m3，約為世界人均占有量的1/4。并且我國(guó)水資源主要來源于降水，受大氣環(huán)流、海陸位置、地形及地勢(shì)等因素影響嚴(yán)重，在地域及時(shí)間上分布都極不均勻。尤其近年來水資源短缺危機(jī)日益嚴(yán)重，如何合理配置現(xiàn)有水資源、在最大程度上避免水資源的浪費(fèi)成為亟待解

2、決的重大問題。與此同時(shí)，全國(guó)年排污水量為350億m3，城市污水集中處理率僅為百分之七，百分之八十的污水未經(jīng)有效處理就排入江河湖海，使我國(guó)的水污染狀況和水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化十分嚴(yán)重，并進(jìn)一步加劇了水資源的短缺?？梢哉f水資源短缺和水污染嚴(yán)重已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、危害環(huán)境生態(tài)、影響人民生活和身體健康的突出問題，迫切需要加以解決。 我國(guó)缺水的東北、華北和沿海地區(qū)，每年可回收污水量約五十多億立方米，通過污水回用可以在相當(dāng)程度上緩解全國(guó)的水資源緊缺狀況，成為江，河，湖，地下水之外的新水源，從而促進(jìn)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的大幅度提高。 污水的再生利用往往離不開脫氮除磷技術(shù)，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的污水二級(jí)生物處理技術(shù)氮磷

3、去除能力低，氮磷含量較高的再生污水回用于城市水體、工業(yè)冷卻水、工業(yè)生產(chǎn)用水或者市政雜用水時(shí)將造成危害。因此，當(dāng)利用城市污水處理廠作為第二水源開發(fā)時(shí)，在污水再生利用過程中，對(duì)于某些回用對(duì)象，必須對(duì)氮和磷的含量加以控制。 近年來，由于過量的植物性營(yíng)養(yǎng)元素氮、磷大量排入水體，水體的富營(yíng)養(yǎng)化速度大大加快。富營(yíng)養(yǎng)化水指的是富含磷酸鹽和某些形式氮素的水。在光照和其它環(huán)境條件適宜的情況下，水中所含的這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)足以使水體中的藻類過量生長(zhǎng)，在隨后的藻類死亡和隨之而來的異養(yǎng)微生物代謝活動(dòng)中，水體中的溶解氧很可能被耗盡，造成水體質(zhì)量惡化和水生生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)破壞，這就是所謂的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。藻類生長(zhǎng)的限制性因素是氮

4、和磷，其含量通常決定著藻類的收獲量，所以水體中的氮和磷營(yíng)養(yǎng)鹽類的增長(zhǎng)就成為藻類生長(zhǎng)的主要原因。近20年來，我國(guó)水環(huán)境污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況越來越嚴(yán)重。在許多地區(qū)，防止飲用水源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化己成為防止水污染的重要問題，在缺水地區(qū)實(shí)現(xiàn)污水資源化也已提到議事日程。 進(jìn)入水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)來源是多方面的，其中人類活動(dòng)造成的氮磷來源主要有以下幾方面：1.1 工業(yè)和生活污水未經(jīng)處理直接進(jìn)入河道和水體； 1.2 污水處理廠出水； 1.3 面源性的農(nóng)業(yè)污染物：包括肥料農(nóng)藥和動(dòng)物糞便； 1.4 城市來源：除了上面已提到的人糞便、工業(yè)污水外，目前仍然在大量使用的高磷洗滌劑是城市社會(huì)進(jìn)入天然水體磷素的重要來源。2

5、脫氮工藝原理 廢水中的氮一般以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等4種形態(tài)存在，生活污水中氮的存在形式是以有機(jī)氮和氨氮為主的，其中有機(jī)氮大約占到4050，氨氮占5060，一般情況下，生活污水中的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮含量很低，不超過氨氮總量的1。 氮的去除方法主要有生物法和化學(xué)法兩大類。生物法不但能去除有機(jī)物，還能將污水中的有機(jī)氮和氨氮通過生物硝化和反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，最終從污水中去除；而化學(xué)法通常只能去除氨氮，且存在處理費(fèi)用高，可能對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響以及再生方法（指離子交換脫氮的飽和離子交換劑）尚未確定等問題，故目前仍以生物法較為實(shí)用。下面是生物脫氮的工藝原理。 廢水的生物脫氮是在傳統(tǒng)的二級(jí)

6、生物處理將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的基礎(chǔ)上，通過硝化及反硝化細(xì)菌的作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮并最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而達(dá)到脫氮的目的的過程。生物脫氮通常包括以下幾個(gè)階段： 3 脫氮工藝概述3.1傳統(tǒng)脫氮工藝 傳統(tǒng)脫氮工藝可區(qū)分為生物脫氮和物理化學(xué)方法脫氮。在生物脫氮系統(tǒng)中，不但要去除有機(jī)物，還要將污水中的有機(jī)氮和氨氮通過硝化反硝化過程轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓罱K從污水中去除。物理化學(xué)脫氮方法不包括有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮和氨氮氧化為硝酸鹽的過程，通常只能去除氨氮。對(duì)于城市污水而言，一般來說生物脫氮的可行性和經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于其他脫氮工藝。但在某些特殊情況下，采用物理化學(xué)方法脫氮更適用。3.1.1 物理化學(xué)脫氮方法 物理化學(xué)

7、脫氮方法包括折點(diǎn)加氯法、空氣吹脫法、選擇性離子交換法。 折點(diǎn)加氯法 折點(diǎn)加氯法脫氮是將氯氣或次氯酸鈉投入污水，將污水中NH4-N氧化成N2的化學(xué)脫氮工藝。氯投加于水中后與水中的氨氮發(fā)生如下反應(yīng)： 空氣吹脫法 空氣吹脫法的原理是：污水中的氨氮存在著離解平衡：，當(dāng)水體pH值升高，水體中的氨氮向游離態(tài)氨轉(zhuǎn)化?？諝獯得摲ú捎锰岣呶鬯畃H值、反復(fù)形成水滴和通入大量循環(huán)空氣以增加氣水接觸的辦法來促使氨從水中向大氣轉(zhuǎn)移。當(dāng)水的pH值升高到11左右時(shí)，水中的氨氮幾乎全部以NH3的形式存在，若加以攪拌、曝氣等物理作用可促使氨氣從水中向大氣轉(zhuǎn)移。 選擇性離子交換法 選擇性離子交換法是利用離子交換樹脂對(duì)各種離子所表

8、現(xiàn)的不同的親和力或選擇性，以沸石為原料，去除水中的離子態(tài)氨，對(duì)污水進(jìn)行除氨氮處理。陽離子交換樹脂的離子交換反應(yīng)可用下式表示： 由沸石對(duì)離子交換的選擇交換順序表可知沸石對(duì)氨離子有較高的選擇性。3.1.2生物脫氮生物脫氮過程包括三個(gè)反應(yīng)：氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)。還包括生物同化作用。簡(jiǎn)述如下： 同化作用：污水中的一部分氮被微生物吸收作為生物體的組成成分。 氨化反應(yīng)：氨化反應(yīng)是指污水中的蛋白質(zhì)和氨基酸在脫氨基酶作用下轉(zhuǎn)化為氨氮的過程。污水中的有機(jī)氮主要以蛋白質(zhì)和氨基酸的形式存在。在蛋白質(zhì)水解酶的催化作用下，蛋白質(zhì)水解為氨基酸。氨基酸在脫氨基酶的作用下發(fā)生脫氨基作用，形成無機(jī)小分子氨氮。 人和高

9、等動(dòng)物所排泄的尿中含有尿素，尿素在尿素酶的作用下迅速水解生成碳酸銨。因此生活污水中的氨氮主要來源于尿素的分解。 硝化反應(yīng)：硝化反應(yīng)是由一類自養(yǎng)耗氧微生物完成的，包括兩個(gè)步驟：第一步為亞硝化過程，是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和硝化球菌屬；第二步稱為硝化過程，由硝酸菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌，都利用無機(jī)碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作為碳源，從NH3、NH4+或NO2-的氧化反應(yīng)中獲取能量。 亞硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期較短，生長(zhǎng)率較快，因此較能適應(yīng)沖擊負(fù)荷和不利的環(huán)境條件，當(dāng)硝酸菌受到抑

10、制時(shí)，有可能出現(xiàn)NO2-積累的情況。 反硝化反應(yīng)：反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)型微生物完成的，它的主要作用是利用硝酸鹽或亞硝酸鹽氧化有機(jī)物提供給細(xì)菌能量，同時(shí)將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態(tài)氮或N2O，反應(yīng)在無分子氧的條件下進(jìn)行。反硝化細(xì)菌在自然界很普遍，多數(shù)是兼性的，在溶解氧濃度極低的環(huán)境中可利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機(jī)物則作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩(wěn)定。 由于從反硝化獲得的能量低于利用氧氣所獲得的能量，所以反硝化被認(rèn)為近似在缺氧條件下發(fā)生。從NH4+至NO2-的轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷了三個(gè)步驟，六個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，可見亞硝酸鹽的酶系統(tǒng)十分復(fù)雜，而硝化過程則相對(duì)簡(jiǎn)單些，只經(jīng)歷了一步反應(yīng)，2個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。

11、反硝化反應(yīng)一般以有機(jī)物為碳源和電子供體。當(dāng)環(huán)境中缺乏有機(jī)物時(shí)，無機(jī)鹽如Na2S等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體，微生物還可以消耗自身的原生質(zhì)，進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化。 可見內(nèi)源反硝化的結(jié)果是細(xì)胞原生質(zhì)的減少，并會(huì)有NH3的生成，因此廢水處理中均不希望此種反應(yīng)占主導(dǎo)地位，而應(yīng)提供必要的碳源。 硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行是受到一定制約的。一方面，自養(yǎng)硝化菌在大量有機(jī)物存在的條件下，對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)不如好氧異養(yǎng)菌，從而導(dǎo)致異養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì)；另一方面，反硝化需要提供適當(dāng)?shù)碾娮庸w，通常為有機(jī)物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求導(dǎo)致了生物脫氮反應(yīng)器的不同工藝形式其工藝根據(jù)污水處理系統(tǒng)分類的不同可將生物脫氮系統(tǒng)分

12、為活性污泥脫氮系統(tǒng)和生物膜脫氮系統(tǒng)，其分別采用活性污泥反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器作為好氧/缺氧反應(yīng)器，以達(dá)到脫氮的目的?；钚晕勰嗝摰到y(tǒng)按含碳有機(jī)物的氧化、硝化、反硝化完成的時(shí)段和空間不同，將工藝劃分為多極（段）活性污泥脫氮系統(tǒng)、單級(jí)（段）活性污泥脫氮系統(tǒng)。前者微生物能在不同的環(huán)境中各白發(fā)揮，脫氮效率高。但系統(tǒng)復(fù)雜，且需外加碳源。增加了運(yùn)行費(fèi)用。因此，很少應(yīng)用到實(shí)際中去。后者流程簡(jiǎn)單，占地少，不需外加碳源，但脫氮效率不高?？褂卸疚镔|(zhì)沖擊負(fù)荷能力不強(qiáng)。目前，應(yīng)用較多的污水處理工藝屬于單級(jí)活性污泥脫氮系統(tǒng)的有A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝工藝、SBR工藝等。生物膜法脫氮系統(tǒng)目前大多處于實(shí)驗(yàn)階段，生物濾

13、池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床等常用的生物膜法處理構(gòu)筑物均可設(shè)計(jì)使其具有去除有機(jī)物和硝化/反硝化功能。3.2新的脫氮工藝隨著新的脫氮機(jī)理和新的微生物種類的不斷發(fā)現(xiàn)，無論是物化處理法還是生物處理法，新的脫氮工藝和新的機(jī)理都不斷出現(xiàn)。新的物理脫氮方法有UV/H2O2法利用紫外光照射促進(jìn)H2O2對(duì)氨氮進(jìn)行氧化脫氮。下面重點(diǎn)介紹一下四種新的生物脫氮方法：3.2.1 短程硝化反硝化 傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)廢水生物脫氮必須使NH4-N經(jīng)過完全硝化和反硝化才能使氨氮被完全去除。而實(shí)際上從微生物轉(zhuǎn)化過程來看，氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽是由兩種獨(dú)立的細(xì)菌催化完成的兩個(gè)不同反應(yīng)，可以分開。早在1975年Voet就發(fā)現(xiàn)在硝

14、化過程中HNO2的積累現(xiàn)象并首次提出了短程硝化-反硝化生物脫氮理論。短程硝化-反硝化就是將硝化控制在形成亞硝酸階段，阻止亞硝酸的進(jìn)一步硝化，然后直接進(jìn)行反硝化，形成的脫氮過程。 短程生物脫氮的關(guān)鍵是如何控制硝化停止在HNO2階段。由于在開放的生態(tài)系統(tǒng)中亞硝酸菌和硝酸菌為緊密的互生關(guān)系，因此完全的亞硝酸化是不可能的。短程硝化的標(biāo)志是穩(wěn)定且較高的HNO2積累即亞硝酸化率較高(其定量描述是NO2-N與總硝態(tài)氮（NO2-N + NO3-N）之比大于50)。亞硝酸積累影響因素很多，可以通過調(diào)節(jié)溫度、pH值、氨濃度、DO、氮負(fù)荷、有害物質(zhì)和泥齡來實(shí)現(xiàn)。水溫大于30、pH值大于8、分子態(tài)游離氨濃度在0.6m

15、g/l以上和低溶解氧濃度都有利于短程硝化的維持。 目前短程硝化用于實(shí)際應(yīng)用的例子主要為SHARON工藝（Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over Nitrite）和OLAND工藝（Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification）。SHARON 工藝于1997年由荷蘭Mulder提出，用來處理城市污水二級(jí)處理系統(tǒng)中污泥消化上清液和垃圾滲濾液等高氨氮廢水，核心技術(shù)是利用高溫（3035）下亞硝酸菌的最小停留時(shí)間小于硝酸菌這一固有特性，控制系統(tǒng)的水力停留時(shí)間

16、介于硝酸菌和亞硝酸菌最小停留時(shí)間之間，則硝酸菌被自然淘汰，從而維持了穩(wěn)定的HNO2積累，在荷蘭已有兩座利用該工藝興建的廢水處理廠，但由于需要升高水溫，因此只對(duì)溫度較高的廢水脫氮有實(shí)際意義。OLAND工藝（氧限制為自養(yǎng)消化/反硝化）關(guān)鍵是控制溶解氧來實(shí)現(xiàn)HNO2的積累。國(guó)內(nèi)也有報(bào)道利用兩段法SBR處理高氨氮味精廢水，利用廢水中游離氨對(duì)硝化菌的抑制作用以實(shí)現(xiàn)短程硝化快速脫氮，去除率可達(dá)84。3.2.2 同步硝化反硝化 當(dāng)好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)存在，硝化和反硝化在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行時(shí)則稱為同時(shí)硝化/反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitri

17、fication，簡(jiǎn)稱SND）。同時(shí)硝化/反硝化不僅可以發(fā)生在生物膜反應(yīng)器中，如流化床、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤；也可以發(fā)生在活性污泥系統(tǒng)中如曝氣池、氧化溝。 同時(shí)硝化/反硝化的機(jī)理可以從生物學(xué)和反應(yīng)器兩方面來解釋。從生物學(xué)角度看，由于異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌的存在，使硝化和反硝化有了同時(shí)發(fā)生的可能。對(duì)反硝化菌而言，氧氣對(duì)反硝化過程的抑制作用主要表現(xiàn)在電子受體之間爭(zhēng)奪電子的能力差異上，但氧的存在對(duì)大部分反硝化菌本身并不抑制，而且這些細(xì)菌呼吸鏈的某些成分甚至需要在有氧的情況下才能合成。從反應(yīng)器角度看，可以在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)創(chuàng)造適合硝化和反硝化的環(huán)境，形成缺氧厭氧段和好氧并存，微觀環(huán)境來看，在活性污泥菌

18、膠團(tuán)或生物膜內(nèi)部也可能形成缺氧/厭氧段，使同時(shí)硝化/反硝化成為可能。反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行同時(shí)硝化/反硝化的必要條件是控制溶解氧的水平，使好氧和缺氧環(huán)境同時(shí)存在，既要滿足碳化和硝化反應(yīng)的需要，又要為保證局部缺氧環(huán)境的形成控制DO在較低的水平。 同時(shí)硝化/反硝化工藝與傳統(tǒng)順序式硝化/反硝化工藝（Sequenfi Nitrification and Denitrification，簡(jiǎn)稱SQND）相比，N2O逸出量明顯低于SQND工藝，可減緩由于N2O排放到大氣中而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。同時(shí)硝化/反硝化在Timbarlake設(shè)計(jì)的PSB（Permeable-Support bioffim）反應(yīng)器中有實(shí)際應(yīng)用，有很廣

19、闊的應(yīng)用前景。該反應(yīng)器中生物膜附著生長(zhǎng)在具滲透性的纖維膜載體上，空氣通過此載體滲透進(jìn)入生物膜層。生物膜中的微生物自然分層，即貼在滲透性膜載體上的是硝化菌群，而反硝化菌和其他異樣菌則附著在硝化菌群上，碳氧化、硝化和反硝化分別在化物膜的不同部位進(jìn)行。3.2.3好氧反硝化最初反硝化被認(rèn)為是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過程，反硝化菌作為兼件菌會(huì)優(yōu)先使用氧氣，但20世紀(jì)80年代后期發(fā)現(xiàn)了好氧硝化菌的存在：Pseudomonas spp，Alcaligenes faecalis，Thiosphaera Pantotropha，它們可以在好氧條件下將氨直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物。研究表明，好氧反硝化菌的反硝化活動(dòng)在低溶解氧條件下是明顯的，能夠?qū)⑾跛猁}、亞硝酸鹽