低碳氮比污水脱氮技术最新进展张岩赵剑文宋超俞斌康树林

中国资源综合利用ChinaResourcesComprehensiveUtilizationVol.37，No.32019年3月-67-污水治理低碳氮比污水脱氮技术最新进展张 岩，赵剑文，宋 超，俞 斌，康树林（上海城投污水处理有限公司白龙港污水处理厂，上海 201203）摘要：传统的硝化-反硝化工艺主要适用于低氨氮废水，对于低碳氮比、高氨氮的废水，其达不到理想的处理效果。本文综述了目前常规脱氮技术以及新型脱氮技术的近五年进展，以期为低碳氮比污水的治理提供一定参考。关键词：低碳氮比；脱氮工艺；厌氧氨氧化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1008-9500(2019)03-0067-04DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2019.03.020TheLatestprogressofLowCarbonandNitrogenRatiosewageNitrogenRemovalTechnologyZhangYan,ZhaoJianwen,SongChao,YuBin,KangShulin(BailonggangWastewaterTreatmentPlant,ShanghaiCityInvestmentCo.,Ltd.,Shanghai201203,China)Abstract:Thetraditionalnitrification-denitrificationprocessismainlyappliedtolowammonianitrogenwastewater,anditdoesnotachievethedesiredtreatmenteffectforwastewaterwithlowcarbontonitrogenratioandhighammonianitrogen.Thispaperreviewsthecurrentfive-yearprogressofconventionalnitrogenremovaltechnologyandnewnitrogenremovaltechnology,inordertoprovideareferenceforthetreatmentoflowcarbonandnitrogenthansewage.keywords:lowC/N;denitrificationprocess;anammox随着水污染加剧，我国部分水体湖泊富营养化严重，生态系统功能严重退化。水十条发布以后，国内大部分污水厂针对出水总氮进行考核，要求污水厂出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A排放标准，而目前国内大部分污水处理厂的总氮不能达标排放，因此全国各地为保证总氮达标进行了新一轮的提标和改扩建。从脱氮技术角度来看，生物脱氮技术是目前污水脱氮处理最经济有效的技术。但是对于低碳氮比的污水，传统的工艺到不到理想的脱氮效果，而且处理过程需氧量大，动力消耗大，为了保证较高的污泥浓度和良好的脱氮效果，必须同时进行污泥和消化液回流，同时为了保证硝化菌的活性，工艺的HRT较长，曝气池投资较大，运行费用较高。在处理低C/N废水方面，厌氧氨氧化工艺不需要外加有机碳源，并且比传统的硝化-反硝化反应减少了25%需氧量，从而降低了投资和运行费用，具有广阔的应用前景。因此，针对低碳氮比污水，寻求经济有效的处理技术具有重要意义。本文针对上述生物脱氮技术问题，结合最新的国内外研究成果，阐述了低碳氮比废水的技术研究最新进展，以期为废水的治理提供一定的参考。1 常规脱氮技术进展1.1传统工艺进行优化污水厂进水碳氮比较低，导致现有活性污泥系统对总氮的去除不完全，进而影响出水总氮的达标。首先，需要从现有工艺出发，对进水碳源进行合理分配，提高氮源的利用率。国内多位学者和工程技术人员通过对现有工艺的优化来进一步提升碳源的利用率，主要措施包括合理控制池内不同区域的溶解氧，通过调整不同位置的溶解氧水平，避免进水中的碳源被过快消耗，从而为后续生物脱氮保留足够的碳源[1]。对进水进行分段或者多点同时进水，保证各段微生物能充收稿日期：2019-01-16作者简介：张岩（1986-），男，山东淄博人，助理工程师，从事城市污水运行管理工作。中国资源综合利用第3期-68-污水治理分利用进水中的有效碳源进行反硝化[2]。对于传统脱氮除磷工艺，碳源既要脱氮又要兼顾除磷，脱氮效率很难得到保证，因此，部分污水厂调整碳源的利用策略，进水的碳源优先保证脱氮所需的碳源，进水中的磷通过添加化学药剂进行辅助去除，这样节省了生物除磷所需的碳源，进而提高了脱氮效率[3-4]。1.2生物强化工艺生物强化工艺包括定向培养部分微生物菌种和微生物固定化技术，提高低碳氮比污水的脱氮效果。刘向阳针对养猪废水的高氨氮低C/N沼液，通过培养异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌作为生物强化剂，以PAN活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池（BCO）为膜生物反应器，强化处理猪场沼液，结果显示，NH4-N+、TN的去除率比传统工艺提高29.3%、20.2%[5]。贾小宁通过固定化微生物组合床型对低C/N比污水的脱氮性能进行了研究，结果表明，随着碳氮比的增大，TN去除率快速增大，碳氮比为3时，该工艺对NH4-N+、TN的去除率分别达到了97.89%、72.52%[6]。王春喜研究了固定化反硝化菌联合固定碳源小球处理低碳氮比污水，最终投了小球的试验组NH4-N+、TN的去除率分别达到了85.46%、78.33%[7]。1.3投加碳源和无机盐目前，大部分企业选择外加碳源来补充污水中缺少的碳源，常见的外加碳源主要包括小分子有机物质，如甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠等；大分子有机物如葡萄糖、蔗糖、糖蜜等；纤维素类有机物如木屑、麦秆、稻壳等；人工合成类高分子材料如PHA、PHB、PHAS等，其中人工合成类的固体缓释碳源由于具有缓慢释放有机碳，降低有机碳添加过量引起的二次污染的风险，还能为系统内微生物提供附着点等作用，成为研究热点之一。裴延权投加PHB作为固体缓释碳源处理CRI出水，通过投加缓释碳源33d后，系统的NH4-N+、TN的去除率均值分别达到了77.18%、74.06%；裴延权采用了稻壳、玉米芯、陈米等作为外加碳源，发现陈米更合适作为脱氮的碳源，出水总氮范围为0.69～10.80mg/L[8-9]。而投加铁盐类无机盐可以为反硝化菌提供电子供体，促进反硝化作用，提高系统脱氮效率，解决进水的碳源缺乏问题。张嘉辉研究了低碳氮比污水投加Fe2+辅助活性污泥进行脱氮，结果表明，投加Fe2+后系统内脱氮效率提高了8%[10]。1.4污泥发酵液应用污泥发酵液中含有大量的VFAs，VFAs作为微生物容易利用的碳源，用来补充反硝化所需的碳源，同时也为污泥减量化开辟了新出路，是近年来新兴的热点。罗哲利用污泥厌氧发酵液作为碳源的中试研究表明，污泥液作为外加碳源时，出水的NH4-N+、TN去除率分别达到了88.91%、64.86%[11]。姚创通过对比乙酸钠和污泥发酵液作为外加碳源，用于氧化沟脱氮除磷研究，结果表明，污泥发酵液作为脱氮除磷碳源能达到和乙酸钠同样的效果，可以替代商业碳源使用[12]。刘绍根利用絮凝污泥水解酸化液作为外加碳源处理低碳氮比生活污水，NH4-N+、TN去除率分别达到了96.12%、79.80%[13]。1.5多工艺组合通过传统工艺和生物膜技术的组合工艺，人们可以得到更好的有机物和氨氮的去除效果，多种工艺的组合可以达到较好的耐冲击负荷能力、提高氧的利用率、降低污泥产量。张国珍通过投加悬浮复合填料的方式对多级A/O进行了改良，结果表明，添加填料后进一步提高了脱氮效果[14]。HuXiang通过缺氧/厌氧/好氧/预缺氧-MBR来处理低C/N的城市生活污水，结果表明，往缺氧区投加外加碳源后，最终NH4-N+、TN去除率分别达到了98.1%、74.9%[15]。吴勇采用多级AO-MBR组合工艺来处理低碳氮比城市污水，通过优化工艺，最终系统出水的氨氮、总氮均值分别为1.39mg/L、12.40mg/L，出水能满足一级A排放标准[16]。2 新型脱氮技术进展传统的生物脱氮是一种高能耗、高成本的模式，尤其是对于低碳氮比的污水，碳源不足，脱氮效率会偏低。因此，研究低能耗高效率的脱氮工艺，已经成为当今污水处理领域的研究热点。随着生物信息学和微生物鉴定技术的发展，人们对脱氮机理的认识更加深入，多种新型脱氮理论和工艺应运而生，短程硝化反硝化技术、同步硝化反硝化技术（SND）、同步反硝化脱氮除磷技术、厌氧氨氧化技术以及多种工艺的组合应用，均在21世纪得到了较大的发展，下文将展开论述。2.1短程硝化反硝化短程硝化反硝化是将氨氮的硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，然后利用亚硝酸盐菌（AOB）进行反硝化.与完全硝化反应相比，短程硝化反硝化具有更快的反硝化速率，缩短了反应过程，可以使反应器容积减少40%左右，同时曝气量降低约25%，碳源需求也得到了降低。巩秀珍利用SBR反应器，结合后置短程硝化反硝化技术处理低C/N比的城市污水，通过优化曝气量和缺氧停留时间，最终整个反应系统的第3期-69-污水治理张岩等：低碳氮比污水脱氮技术最新进展NO2-N-、TN去除率分别达到了81.64%、95.26%[17]。吴春雷建立了A2/O工艺中试装置，研究了低C/N条件下污水短程硝化反硝化工艺的脱氮性能，结果表明，亚硝氮的积累率稳定在62%以上，出水总氮低于9.0mg/L，同时在最优工况下，系统节约碳源约27.3%[18]。王永庆采用厌氧-好氧-好氧-厌氧工艺处理老龄垃圾渗滤液，该废水具有高氨氮、低C/N的特点，在控制溶解氧在0.1～0.5mg/L和充足碱度的条件下，O1池NO2-N-的累计率在90%以上，系统对NH4-N+、TN去除率分别达到了95%、66.5%，O1池优势菌种为AOB，成功实现了短程硝化反硝化体系[19]。2.2同步硝化反硝化技术（SND）SND技术是指在同一反应器内同时发生硝化和反硝化现象，近几年SND技术国内外也有不少报道，SND存在于多种系统内，生物膜系统、SBR和氧化沟等均发现了SND现象。邓时海模拟低了C/N比污水，在SBR系统内添加改性活性炭纤维来研究脱氮效果，发现C/N为5:1时，NH3-N从15mg/L降至2.5mg/L，总氮从20mg/L降至4mg/L[20]。YuhaiLiang采用SNAD工艺处理低C/N比污水，总氮去除率达到81%，同时鉴定出系统内的菌株主要为Nitrosomonas和Candidatusbrocadia[21]。Gogina通过实验室小试装置研究了SND技术处理低碳氮比废水，经过49d的试验，结果表明有机物去除率在95%～96%，氨氮去除率在80%～90%[22]。2.3厌氧氨氧化厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物以NH4-N+为电子供体，以NO2-N-电子受体，将NH4-N+转变为N2和少量NO3-N的生物氧化过程。1977年，Broda通过热力学计算预言了厌氧氨氧化反应，至今厌氧氨氧化技术已经成功应用于污水处理，厌氧氨氧化反应无需外加碳源、水力停留时间短、耗氧量少，但厌氧氨氧化细菌培养条件比较苛刻，系统启动较困难[23]。强红研究了厌氧氨氧化工艺的启动及其处理低碳氮比城市污水，研究表明，通过接种厌氧氨氧化污泥，启动时间大大缩短，氨氮和亚硝氮的去除率达到92%[24]。RuiDu通过Anammox工艺研究低碳氮比、低温的生活污水，发现当进水COD、NH3-N、NO3-N-分别为166.3mg/L、60.6mg/L、50mg/L时，去除率分别达到了78.7%、97.6%、89.5%[25]。ShenbinCao通过两段PD-Anammox工艺处理低碳氮比城市生活污水，结果表明，氨氮去除率达到了95.2%，总氮出水低于4.0mg/L[26]。2.4多种工艺联用随着研究的深入，国内外许多学者通过上述新型的脱氮技术联合使用，使其在节能减耗、脱氮效率、污泥减量方面产生了更好的效果。刘洪涛在SBR系统内，利用亚硝化-复合式UASB厌氧氨氧化组合工艺处