探討廢水中氨氮的主要去除方法

近20年來,對氨氮汙水處理方面開展了較多的研究。其研究範圍涉及生物法、物化法的各種處理工藝,目前氨氮處理實用性較好國內運用最多的技術為：生物脫氮法、氨吹脫汽提法、折點氯化法、化學沉澱法、離子交換法、液膜法、土壤灌溉法等。

一.生物法

1.生物法機理——生物硝化和反硝化機理

在汙水的生物脫氮處理過程中，首先在好氧條件下,通過好氧硝化菌的作用,將汙水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽;然後在缺氧條件下,利用反硝化菌(脫氮菌)將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從汙水中逸出。因而,汙水的生物脫氮包括硝化和反硝化兩個階段。生物脫氮工藝流程見圖1。

硝化反應是將氨氮轉化為硝酸鹽的過程,包括兩個基本反應步驟:由亞硝酸菌參與的將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應;由硝酸菌參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應。

在缺氧條件下,由於兼性脫氮菌(反硝化菌)的作用,將硝化過程中產生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成N2的過程,稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體是各種各樣的有機底物(碳源)。

生物脫氮法可去除多種含氮化合物,總氮去除率可達70%—95%,二次汙染小且比較經濟,因此在國內外運用最多。但缺點是佔地面積大,低溫時效率低。

2.傳統生物法

目前,國內外對氨氮汙水實際處理中應用較成熟的生物處理方法是傳統的前置反硝化生物脫氮,如A/O、A2/O工藝等,都能在一定程度上去除汙水中的氨氮。傳統生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個階段,硝化和反硝化反應分別由硝化菌和反硝化菌作用完成,由於對環境條件的要求不同,這兩個過程不能同時發生,而只能序列式進行,即硝化反應發生在好氧條件下,反硝化反應發生在缺氧或厭氧條件下。由此而發展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區與好氧區分開,形成分級硝化反硝化工藝,以便硝化與反硝化能夠獨立地進行。1932年,Wuhrmann利用內源反硝化建立了後置反硝化工藝(post-denitrification),Ludzack和Ettinger於1962年提出了前置反硝化工藝(pre-denitrification),1973年Barnard結合前面兩種工藝又提出了A/O工藝,以及後又出現了各種改進工藝如Bardenpho、Phoredox(A2/O)UCT、JBH、AAA工藝等,這些都是典型的傳統硝化反硝化工藝。

3.A/O系統

A/O脫氮除磷系統，即缺氧、好氧脫氮除磷系統。它是70年代主要由美國、南非等國開發的具有去除廢水中氮汙染物的工藝，同時對脫磷亦有一定的效果。其工藝流程是讓廢水依次經歷缺氧、好氧兩個階段，故人們通稱為缺氧、好氧脫氮除磷系統，簡稱A/O系統。A/O系統流程簡單、運行管理方便，且很容易利用原廠改建，從而提高了出水水質。近年來已得到了越來越廣泛的應用。A/O法工藝如圖2所示。

4.缺氧/好氧工藝(簡稱A2/O法)

A2-O法處理工藝是在好氧條件下,汙水中NH3和銨鹽在硝化菌的作用下被氧化成NO2-—N和NO3-—N,然後在缺氧條件下,通過反硝化反應將NO2-—N和NO3-—N還原成N2,達到脫氮的目的。A2/O是目前普遍採用的工藝，它是在法A/O法的基礎上增加一個厭氧段和一個缺氧段，傳統A2/O工藝流程如圖3所示。

5.厭氧—缺氧—好氧工藝(簡稱A1-A2/O工藝)

A1—A2/O工藝和A2/O工藝同屬於硝化—反硝化為基本流程的生物脫氨工藝,所不同的是A1—A2/O工藝是在A1/O工藝基礎上增加了一級預處理段—厭氧段(A1),目的在於通過水解(酸化)的預處理,改變廢水中難降解物質的分子結構,提高其可生化性,強化脫氮效果。

近幾十年來,儘管生物脫氮技術有了很大的發展,但是,硝化和反硝化兩個過程仍然需要在兩個隔離的反應器中進行,或者在時間或空間上造成交替缺氧和好氧環境的同一個反應器中進行。並且傳統的生物脫氮工藝,主要有前置反硝化和後置反硝化兩種。前置反硝化能夠利用廢水中部分快速易降解有機物作碳源,雖然可節約反硝化階段外加碳源的費用,但是,前置反硝化工藝對氮的去除不完全,廢水和汙泥循環比也較高,若想獲得較高的氮去除率,則必須加大循環比,能耗相應也增加。而後置反硝化則有賴於外加快速易降解有機碳源的投加,同時還會產生大量汙泥,並且出水中的COD和低水平的DO也影響出水水質。傳統生物脫氮工藝存在不少問題:(1)工藝流程較長,佔地面積大,基建投資高;(2)由於硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高的生物濃度,特別是在低溫冬季,造成系統的HRT較長,需要較大的曝氣池,增加了投資和運行費用;(3)系統為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果,必須同時進行汙泥和硝化液回流,增加了動力消耗和運行費用;(4)系統抗衝擊能力較弱,高濃度NH3-N和NO2-廢水會抑制硝化菌生長;(5)硝化過程中產生的酸度需要投加鹼中和,不僅增加了處理費用,而且還有可能造成二次汙染等等。

6.生物脫氮法新工藝

隨著生物脫氮技術的深入研究，其新發展卻突破了傳統理論的認識。近年來的許多研究表明:硝化反應不僅由自養菌完成,某些異養菌也可以進行硝化作用;反硝化不只在厭氧條件下進行,某些細菌也可在好氧條件下進行反硝化;而且,許多好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌(如Thiosphaerapantotropha菌),並能把NH4+氧化成NO2-後直接進行反硝化反應。生物脫氮技術在概念和工藝上的新發展主要有:短程(或簡捷)硝化反硝化(shortcutnitreification-denitrification)、同時硝化反硝化(simultaneousnitreification-denitrifi-cation-SND)和厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation-ANAMMOX)。

7.厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化(ANA-MMOX)是以硝酸鹽為電子受體或以氨作為直接電子供體,進行硝酸鹽還原反應或將亞硝酸氮轉化為氮氣的反硝化反應。與傳統的硝化反硝化工藝或同時硝化反硝化工藝相比,氨的厭氧氧化具有不少突出的優點。主要表現在:(1)無需外加有機物作電子供體,既可節省費用,又可防止二次汙染;(2)硝化反應每氧化1molNH4+耗氧2mol,而在厭氧氨氧化反應中,每氧化1molNH4+只需要0.75mol氧,耗氧下降62.5%(不考慮細胞合成時),所以,可使耗氧能耗大為降;(3)傳統的硝化反應氧化1molNH4+可產生2molH+,反硝化還原1molNO3-或NO2-將產生1molOH-,而氨厭氧氧化的生物產酸量大為下降,產鹼量降至為零,可以節省可觀的中和試劑。故厭氧氨氧化及其工藝技術很有研究價值和開發前景。

編輯：汪茵