摘要：近年來(lái)，工業(yè)廢水處理工藝研究頗為甚多，國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)許多行之有效的處理技術(shù)。其中為人熟知的好氧生物處理技術(shù)有：活性污泥法、AB法污水生物處理技術(shù)、SBR法污水處理技術(shù)、生物膜法處理技術(shù)等。傳統(tǒng)工藝雖然能有效處理工業(yè)廢水降解有機(jī)物，但卻不能很好實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，為此許多研究者研發(fā)了許多改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。所以列舉了幾十年來(lái)在改進(jìn)脫氮方面的進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：廢水傳統(tǒng)好氧生物處理技術(shù) 脫氮技術(shù) 改進(jìn)
概述：
在自然界，氮化合物是以有機(jī)體、氨態(tài)氮、亞硝酸氮、硝酸氮以及氣態(tài)氮存在的。傳統(tǒng)的二級(jí)處理技術(shù)對(duì)氮的去除率是比較低的，它僅為微生物的生理功能所用，即用于細(xì)胞合成?；钚晕勰嗟臓I(yíng)養(yǎng)平衡式為BOD：N：P=100：5：1?，F(xiàn)行的以傳統(tǒng)活性污泥法為代表的好氧生物處理法，其傳統(tǒng)功能是去除廢水中呈溶解性的有機(jī)底物，至于氮只能去除細(xì)菌細(xì)胞由于生理上的需要而攝取的數(shù)量，這樣氮的去除率僅為20%-40%[1]。
我們知道，要很好的實(shí)現(xiàn)脫氮，需要將自然界存在的氮循環(huán)的自然現(xiàn)象運(yùn)用在活性污泥處理系統(tǒng)中去。
廢水中的有機(jī)氮化合物可經(jīng)氨化微生物的分解而釋放出氨，即氨化作用。氨態(tài)氮進(jìn)一步氧化，在硝化菌的好氧呼吸過(guò)程中，首先被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后最終轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，這個(gè)過(guò)程為硝化過(guò)程。由于硝化菌是一類自養(yǎng)型菌，故在廢水的硝化處理過(guò)程中，含碳有機(jī)底物濃度不應(yīng)過(guò)高。
通過(guò)生物反硝化將氮化合物轉(zhuǎn)化為人體無(wú)害的分子氮溢出返回大氣。參與這一過(guò)程的微生物為反硝化菌，這是一類異養(yǎng)型兼性厭氧細(xì)菌。在生物反硝化過(guò)程中，不僅可使氮化合物被還原，而且還可以使有機(jī)碳底物得到氧化分解。為此，反硝化作用將同時(shí)起到去碳、脫氮的效果。這意味著在廢水生物處理中，反硝化工藝的應(yīng)用可以達(dá)到除碳、除氮的目的[2]。
1?? LINPOR-N工藝——改進(jìn)的活性污泥法的工藝
活性污泥法于1914年在英國(guó)曼徹斯特建成試驗(yàn)廠開(kāi)創(chuàng)?；钚晕勰嗵幚硐到y(tǒng)的生物反應(yīng)器是曝氣池。此外系統(tǒng)的主要組成還有二次沉淀池、污泥回流系統(tǒng)和曝氣及空氣擴(kuò)散系統(tǒng)。
活性污泥上的細(xì)菌以異養(yǎng)型的原核細(xì)菌為主，這種細(xì)菌具有較高的增殖速率，也具有較強(qiáng)的分解有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物的功能。
在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機(jī)底物從廢水中去除過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是有機(jī)底物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過(guò)程，也就是活性污泥反應(yīng)過(guò)程。其結(jié)果是廢水得到凈化，微生物獲得能量合成新的細(xì)胞，使活性污泥得到增長(zhǎng)。
德國(guó)LINDE股份公司的Manfrod R Morper[3]博士針對(duì)傳統(tǒng)活性污泥工藝，開(kāi)展了研究并提出了一系列新的活性污泥法改進(jìn)工藝。LINPOR工藝是一種傳統(tǒng)活性污泥法的改進(jìn)型工藝，它通過(guò)在傳統(tǒng)工藝曝氣池中投加一定數(shù)量的多孔泡沫塑料顆粒作為活性生物量的載體材料而實(shí)現(xiàn)的。它改進(jìn)傳統(tǒng)活性污泥工藝的處理效能和運(yùn)行可靠性，改進(jìn)傳統(tǒng)活性污泥處理廠由于水質(zhì)水量等變化的原因使曝氣池中污泥流失、數(shù)量不足、性能惡化等所導(dǎo)致的污泥膨脹、對(duì)COD、BOD、NH4+-N及TN等去除率下降的問(wèn)題。
在LINPOR工藝中，改進(jìn)后的曝氣池稱為L(zhǎng)INPOR反應(yīng)器，在此中投加的多孔泡沫塑料顆粒載體的量一般占曝氣池有效體積的10%-30%，作為反應(yīng)器中活性生物體的附著生長(zhǎng)載體。此載體的要求極高，一般需要體積小，比表面積大，孔多均勻的載體。目前，作此載體的材料尚為不多，滿足上述嚴(yán)格要求的僅幾種。Sandu Simonel[4]等研究了以塑料球?yàn)檩d體的流化床硝化效率的影響因素。研究結(jié)果表明：低流化率能對(duì)生物膜進(jìn)行很好的保護(hù)，使其免受摩擦力的破壞；高流速使水回流快，產(chǎn)生較好的硝化效率，小粒徑球體為單位體積反應(yīng)器提供更大的硝化表面積；而當(dāng)載體密度接近水時(shí)，載體懸浮于水中，流化性能好。
王建龍[5]等人認(rèn)為載體小球材料的選擇，具體要求是制備的小球成本低，易于制成各種形狀，在常溫常壓下很快固化，抗沖擊能力強(qiáng)，還要求小球的基質(zhì)具有通透性，物理及化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)微生物無(wú)毒。一般說(shuō)來(lái)海藻酸鈣和PVA凝膠機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能均較好，對(duì)生物無(wú)毒，且耐生物分解性良好，是較為合適的細(xì)胞載體[6]。日本向曝氣池中投加聚氨酯泡抹小方塊的類似研究也表明該復(fù)合工藝可以達(dá)到去除COD和反硝化的效果[7]。
在LINPOR反應(yīng)器運(yùn)行的初期，可分批將載體材料投入曝氣池，使之形成一層懸浮層并慢慢得到潤(rùn)濕，同時(shí)微生物體在其表面生長(zhǎng)而使其在水中呈淹沒(méi)狀并最終隨水流的流動(dòng)而流動(dòng)，即流化態(tài)[8]。
由此可知，LONPOR反應(yīng)器實(shí)際上是一種傳統(tǒng)活性與生物膜法相結(jié)合而組成的雙生物體組分生物反應(yīng)器[9]，也就是復(fù)合式生物膜—活性污泥反應(yīng)器。它是近年來(lái)發(fā)展較快，并引起研究者極大興趣的復(fù)合式污水處理工藝之一[10]。它是在活性污泥曝氣池中投加載體作為微生物附著生長(zhǎng)載體，懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜共同作用去除污水中的有機(jī)污染物。
而在傳統(tǒng)工藝中二沉池出水中所含的有機(jī)物通常是比較低的，具有適合于硝化菌生長(zhǎng)的良好環(huán)境條件，不存在異養(yǎng)菌與硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)作用，因而在LINPOR-N工藝中，處于懸浮生長(zhǎng)的生物量幾乎不存在，而只有那些附著生長(zhǎng)于載體表面的生物才能生長(zhǎng)繁殖。因此，LINPOR-N工藝稱為“清水反應(yīng)器”。
在LINPOR-N工藝中，所有的生物體都附著生長(zhǎng)于載體的表面，因而運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需污泥的沉淀分離和污泥的回流，從而可節(jié)省污泥沉淀分離及污泥回流設(shè)備，使其成為一種經(jīng)濟(jì)的深度處理工藝。常用于廢水排入敏感性受納水體和對(duì)處理出水中氨氮有嚴(yán)格要求的廢水的深度處理。
2?? ADMONT工藝——改進(jìn)的AB工藝
AB工藝是吸附—生物降解工藝的簡(jiǎn)稱。這項(xiàng)污水生物處理技術(shù)是由德國(guó)亞深工業(yè)大學(xué)衛(wèi)生工程學(xué)院的Botho Bohuke教授于70年代中期開(kāi)發(fā)，80年代初開(kāi)始應(yīng)用于工程實(shí)踐的一項(xiàng)污水生物處理工藝。
AB法具有下列各項(xiàng)特征：未設(shè)初次沉淀池由吸附池和中間池組成的A段為一級(jí)處理系統(tǒng)；B段由曝氣池和二次沉淀池組成；A、B兩段各自擁有獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)，兩段完全分開(kāi)，各自有獨(dú)特的微生物群體，有利于功能穩(wěn)定。
其中A段連續(xù)不斷地從排水管網(wǎng)系統(tǒng)接種在管網(wǎng)系統(tǒng)中已存活的大量的細(xì)菌，A段負(fù)荷較高，有利于增殖速度快的微生物生長(zhǎng)繁殖，而且在這里成活的只能是沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的原核細(xì)菌，其他微生物都不能存活。
B段的各項(xiàng)效應(yīng)都是以A段的正常運(yùn)行作為首要條件的。B段所接受的廢水來(lái)自A段，水質(zhì)、水量都比較穩(wěn)定，沖擊負(fù)荷不再影響本段，凈化功能得以充分發(fā)揮；B段承受的負(fù)荷率為總負(fù)荷率的30%-60%。氮在A段得到了部分去除，這樣B段具有進(jìn)行硝化反應(yīng)的工藝條件。
AB法廢水處理工藝流程為：格柵—沉砂池—吸附池—中間沉淀池—曝氣池—二次沉淀池。吸附池—中間沉淀池為A段，曝氣池—二次沉淀為B段。各自有回流系統(tǒng)。
AB法生物處理不足之處是尚難達(dá)到氮的出水要求，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)為滿足處理水中NH4+-N小于5mg/L的要求，馬歇爾等人將AB段中的B段的部分污泥回流到A段中，同時(shí)也將A段中的污泥部分回流到B段，以在A、B兩段中均形成一定程度的混合微生物群體，即A、B段均有硝化和反硝化菌同時(shí)存在，從而實(shí)現(xiàn)高效的脫氮效果。這種工藝叫做ADMONT工藝。
雖然根據(jù)傳統(tǒng)的脫氧理論：氨氮的去除是通過(guò)硝化和反硝化兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，由于對(duì)環(huán)境的要求不同，兩個(gè)過(guò)程不能同時(shí)發(fā)生。
現(xiàn)行的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化分別作為空間上（不同的反應(yīng)器）或者時(shí)間上（間歇的好氧和厭氧）的兩個(gè)獨(dú)立的階段實(shí)現(xiàn)氮的去除，這樣往往造成系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較大，且運(yùn)行管理不便。
楊麒[11]等人發(fā)現(xiàn)在同一處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化過(guò)程，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進(jìn)行，簡(jiǎn)化了操作的難度。實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化并達(dá)到兩過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡，將大大簡(jiǎn)化生物脫氮工藝并提高脫氮效率，從而節(jié)省投資，提高處理效率。
而且好氧反硝化細(xì)菌和異氧硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)理論認(rèn)為的硝化反應(yīng)只能由自氧細(xì)菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進(jìn)行的觀點(diǎn)。Robertson[12]等還以Thiosphaera pantotropha為例提出了好氧反硝化和異氧硝化的工作模型。因此從生物學(xué)角度上來(lái)看同時(shí)硝化反硝化生物脫氮是可能的。呂錫武[13]等對(duì)同步硝化—反硝化工藝(SND)進(jìn)行了研究，認(rèn)為與傳統(tǒng)順序式硝化—反硝化(SQND)技術(shù)相比，二者脫氮效率相近。呂錫武[14]繼而深入研究了溶解氧及活性污泥濃度對(duì)同步硝化—反硝化效率的影響。研究結(jié)果表明：在一定DO范圍內(nèi)，隨著反映器內(nèi)溶解氧濃度的降低，總氮去除率呈上升趨勢(shì)。在一定MLSS范圍內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)混合液污泥濃度越高，出水總氮越低，反硝化現(xiàn)象越明顯。
因此，像ADMONT工藝那樣在AB兩段形成一定程度的混合微生物體A段為B段連續(xù)不斷的補(bǔ)充硝化和反硝化菌，以及一定量的碳源B段為A段提供硝化菌從而實(shí)現(xiàn)AB兩段同時(shí)具有脫氮功效提高效率是完全可實(shí)行的。況且，采用內(nèi)源脫氮既可以節(jié)省外加碳源，又可以減少剩余污泥產(chǎn)量和污泥處置費(fèi)用 [15-16]。
3?? ICEAS工藝——改進(jìn)SBR工藝
SBR序批式活性污泥法也稱為間歇式活性污泥法，是20世紀(jì)70年代初，美國(guó)Natre Dame大學(xué)的Irvine教授等人研究開(kāi)發(fā)的好氧生物處理新技術(shù)，并于1980年在美國(guó)國(guó)家環(huán)保局的資助下，在印第安納州的Culver城改建并投產(chǎn)了世界上第一個(gè)SBR法污水處理廠。
其工藝系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，為格柵—沉砂池—初次沉淀池—SBR反應(yīng)池。SBR在工藝上的特征有：不設(shè)二次沉淀池，曝氣池兼具二沉池功能；不設(shè)污泥回流設(shè)備等。
SBR工藝的一個(gè)完整的操作過(guò)程包括5個(gè)階段：進(jìn)水期，反應(yīng)期，沉淀期，排水排泥期，閑置期。
SBR工藝是一種簡(jiǎn)易，快速且低耗的廢水生物處理工藝。它主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：1工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低；2時(shí)間上具有理想的推流式反應(yīng)器的特性；3運(yùn)行方式靈活，可脫氮除磷；4具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷的能力；5良好的污泥沉降性能，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象[17]。然而面對(duì)N、P排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷收緊，傳統(tǒng)SBR工藝在氮磷脫除方面還是不足。常規(guī)的SBR工藝因處理過(guò)程中的泥齡矛盾，有機(jī)物混度與硝化作用的矛盾以及厭氧區(qū)的硝酸鹽問(wèn)題等氮磷脫除效果較差，可通過(guò)改進(jìn)常規(guī)的運(yùn)行方式對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化[18-19]。
在SBR工藝上所改進(jìn)的ICEAS工藝是周期循環(huán)延時(shí)曝氣活性污泥系統(tǒng)，是澳大利亞新南威爾士大學(xué)與美國(guó)ABJ公司Goroaszy教授研究開(kāi)發(fā)的。上海中藥制藥三廠就是用ICEAS工藝處理抗生素的污水。其去氮率為75.1%-78.4%[1]。
ICEAS反應(yīng)池由預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)組成，主反應(yīng)區(qū)可分為水位變化區(qū)、緩沖區(qū)、污泥區(qū)三部分。運(yùn)行方式為連續(xù)進(jìn)水，沉淀期和排水期仍保持進(jìn)水，曝氣、沉淀、排水、排泥間歇進(jìn)行。在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，按“曝氣，閑置，沉淀和潷水”的程序周期性地運(yùn)行，使污水在交替的好氧—厭氧和厭氧—好氧的條件下完成脫氮作用。其實(shí)實(shí)質(zhì)也是利用了A/O技術(shù)。大家都知道A/O技術(shù)A/O2技術(shù)都是常用的脫氮技術(shù)。林山杉[20]等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)好氧/厭氧交替和循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化。于得爽[21]等應(yīng)用A/O2法處理煉油廢水，COD去除率可達(dá)95%以上，出水氨氮濃度小于15mg/L，滿足國(guó)際排放要求。利用實(shí)現(xiàn)厭氧、缺氧、好氧三種狀態(tài)在數(shù)量和時(shí)間分布上理想交替，從而進(jìn)一步優(yōu)化工藝組合，形成更加高效經(jīng)濟(jì)的脫氮除磷組合工藝。
ICEAS工藝對(duì)污染物的降解是一個(gè)時(shí)間上的推流過(guò)程，集反應(yīng)、沉淀、排水于一體，是一個(gè)好氧—缺氧—厭氧交替運(yùn)行的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)脫氮效果。
結(jié)語(yǔ)：
綜上所述，其實(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)工藝的原則還是建立在脫氮技術(shù)之上的，為實(shí)現(xiàn)更為有效的脫氮而將一般的工藝改進(jìn)，既經(jīng)濟(jì)又提高效率，可謂一舉兩得。他們是在改進(jìn)的同時(shí)，為脫氮的過(guò)程尋找適宜的條件。
LINPOR-N工藝是采用了復(fù)合式生物膜—活性污泥反應(yīng)器微生物技術(shù)，懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜共同去除污染物，同時(shí)此反應(yīng)器將反硝化和硝化過(guò)程分隔開(kāi)，這樣更適合于硝化菌生長(zhǎng)的良好環(huán)境條件，不存在異養(yǎng)菌與硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)作用，從而能更好的除氮；
ADMONT工藝A、B段均有硝化和反硝化菌同時(shí)存，在從生物學(xué)角度上來(lái)看同時(shí)硝化反硝化生物脫氮是可能的，特別是在一定的條件下，污泥濃度越高反硝化現(xiàn)象越明顯，出水總氮越低，而由此提高了除氮率；
ICEAS工藝更是運(yùn)用了常用的除氮技術(shù)A/O法，在交替的好氧—厭氧和厭氧—好氧的條件下完成脫氮作用。利用了時(shí)間空間上的分布優(yōu)化了原來(lái)的SBR工藝，使其更顯經(jīng)濟(jì)性。
上述工藝的改進(jìn)都是將最新微生物處理技術(shù)與傳統(tǒng)工藝結(jié)合，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)脫氮技術(shù)。
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Improvement for conventional anaerobic wastewater treatment to realize nitrogen removal
SHI, Wen
No: 0313555, Grade 2003, Department of Environmental Engineering,
Shanghai Normal ?University
Abstract: There have been a lot of studies on conventional anaerobic wastewater treatment and many effective processes have appeared overseas and in country for recent years. The treatments such as activated sludge process, AB process, SBR process, biofilm-process were known very well to treat the wastewater and degrade the organic matter. But it was difficult to realize the nitrogen removal. Many researchers want to find an improvement to reach this goal. The developments on improvement of nitrogen removal are showed as follows.
Keywords: conventional anaerobic wastewater treatment, nitrogen removal, improvement
