微污染水體中低濃度氨氮處理技術(shù)

飲用水水源的氮磷污染問(wèn)題逐漸受到人們的關(guān)注，氮磷過(guò)量導致湖泊等封閉型水體富營(yíng)養化，而水質(zhì)惡化會(huì )增加給水處理的難度，通過(guò)常規處理難以達到飲用水衛生標準。有研究表明，在供水管網(wǎng)中，0.25mg/L的NH就足以使硝化細菌生長(cháng)繁殖，且硝化細菌在代謝過(guò)程中會(huì )釋放出臭昧；過(guò)量的硝酸氮會(huì )在人胃中還原為亞硝酸氮，與胃中的仲胺或酞胺作用形成致癌性物質(zhì)亞硝胺。因此，法國和德國規定飲用水中的氨氮(NH3-N)≤0.5mg/L；荷蘭更是嚴格至0.2mg/L；中國根據新的飲用水質(zhì)量標準(GB5749—2006)生活飲用水衛生標準，規定(NH3-N)≤0.5mg/L。有效去除微污染水源中低濃度氨氮已成為水處理領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題。

根據國內外工程實(shí)例及資料介紹，目前處理微污染水體中低濃度氨氮廢水的方法主要有三類(lèi)，即物理法、化學(xué)法、生物法。文中主要通過(guò)生物法與物理化學(xué)法的對比，強調生物處理法是目前除氮效果最佳方法；并詳細闡述目前幾種生物處理技術(shù)的研究現狀，提出了今后脫氮技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1生物處理方法與物理化學(xué)方法的比較目前，處理微污染水體中低濃度氨氮廢水的物理與化學(xué)法主要有以下幾種方法：折點(diǎn)氯化法、離子交換法、吸附法、電化學(xué)氧化法等。折點(diǎn)加氯法就是投加cl：，將NH4+一N轉化為N：的化學(xué)過(guò)程，反應速度快，但加氯量大，費用高，副產(chǎn)物氯胺和氯代有機物會(huì )造成二次污染；。離子交換法的脫氮過(guò)程是選用對銨離子有很強選擇性的離子交換劑作為交換樹(shù)脂，使固相交換劑和廢水中銨離子之間進(jìn)行化學(xué)置換反應，從而達到去除氨氮的目的。雖然離子交換法去除廢水中的氨氮取得了一定的效果，但交換劑的交換容量有限，交換劑使用前需要改性等問(wèn)題制約著(zhù)離子交換法的廣泛使用；吸附法主要采用具有較強吸附能力的固體介質(zhì)對河道水體中的NH4+一N進(jìn)行去除，常用的吸附劑有活性炭、黏土、硅藻土、沸石等。但目前缺乏價(jià)格合適、性能良好的吸附劑作為吸附材料，還不適合作為單獨的處理系統；電化學(xué)氧化法去除有機污染物是由電氧化法與化學(xué)氧化法共同完成，該方法能使水中的污染物生成不溶于水的沉淀物，或生成氣體從水中逸出，從而使廢水得以?xún)艋�。此法�?jīng)常與生化法結合用于反硝化除氮，但是受電極材料的限制，電化學(xué)氧化降解有機廢水的電流效率偏低，能耗偏高。

生物脫氮原理從反應類(lèi)型上可分為NH4+一N的硝化作用和NO；一N(N0—N)的反硝化作用兩種。好氧條件下氨化菌將水中的有機氮分解、轉化成NH4+一N，再利用亞硝化菌把NH4+一N轉化為NO一N，NO一N在硝化菌的作用下，進(jìn)一步轉化成NO一N。生物脫氮由于其成本低廉、高效、無(wú)二次污染和易操作等優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展前景。在傳統的生物脫氮工藝中，尤其是在低濃度氨氮的環(huán)境中，低碳源和貧營(yíng)養、硝化細菌生長(cháng)緩慢的特點(diǎn)達不到深度處理的效果，同時(shí)由于水力停留時(shí)間(HRT)太短，很難實(shí)現固液分離，使得硝化細菌在處理系統中大量流失。因此，在傳統生物脫氮工藝基礎上，針對以上問(wèn)題，進(jìn)行了新的探索與改進(jìn)。目前，低氨氮濃度廢水的生物處理法主要有固定化細胞技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)、膜生物反應器(MBR)工藝、生物膜法等。

2生物處理方法

2.1固定化微生物技術(shù)

固定化微生物技術(shù)是用化學(xué)的或者物理的手段和方法將游離微生物限制或定位在某一特定空問(wèn)范圍內，保留其固有的催化活性，且能夠被重復和連續使用的現代生物工程技術(shù)。由于具有高效、快速、耐受性強、污泥產(chǎn)量少、微生物密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，在水處理中得到越來(lái)越多的研究和應用。固定化大致可分為四種：吸附法、交聯(lián)法、包埋法和介質(zhì)截留法。

一般認為，微生物去除氨氮需經(jīng)過(guò)好氧硝化、厭氧反硝化兩個(gè)階段。黃廷林等人針對微污染水低碳源和貧營(yíng)養的特點(diǎn)，利用固定化微生物技術(shù)將異養硝化菌和好氧反硝化菌固定于自制懸浮纖維海綿球型填料上，研究了貧營(yíng)養及好氧條件下水源水的生物脫氮過(guò)程。由篩選的優(yōu)勢異養硝化菌和好氧反硝化菌為主構建的纖維海綿球填料生物膜系統，試驗結果表明，在原水總氮2.7mg/L、氨氮1.3mg/L、水溫25℃、溶解氧3—4mg/L的條件下，經(jīng)過(guò)19d的連續運行，構建的生物膜系統對水中氨氮的去除率達到了100%，總氮去除率最高達到52%，處理效果穩定，在低營(yíng)養條件下獲得良好的生物脫氮效果，該技術(shù)是改善微污染水源水水質(zhì)的有效途徑。

董亞梅等人通過(guò)人工配制微污染廢水，利用水性聚胺酯包埋固定硝化菌在上流式循環(huán)反應器中對約含1mg/L氨氮廢水進(jìn)行了研究，并探討了不同因素如溫度，溶解氧(DO)、濃度和pH值對硝化作用的影響。結果表明，當初始氨濃度為1mg/L時(shí)，最佳操作條件pH為9、DO為4mg/L、溫度為30~C和氧氣充足的條件下，固定化顆粒具有較好的硝化特性，在較低溫度下和更廣泛的pH范圍內保留其硝化活性。微污染廢水的連續處理表明，在停留時(shí)間為30min時(shí)，使用水性聚胺酯固定化顆粒的氨氮去除率保持在80%以上，即使在水力停留時(shí)間10rain以下時(shí)，出水仍符合國家水質(zhì)標準。水性聚胺酯包埋固定硝化菌在低濃度氨氮廢水中體現出較高的氨氮的去除能力，同時(shí)可長(cháng)期穩定運行。這種方便的固定化硝化細菌的方法在微污染水源處理的長(cháng)期運行中很有前途。

侯帥華等采用包埋固定微生物好氧流化床在不同濾速條件下處理廣州某河河水，進(jìn)水氨氮的濃度為1.640—4.040mg/L，顆粒的裝填體積為流化床有效容積的10%，流化床采用氣升管曝氣的內循環(huán)方式設計。試驗表明，在水溫為20%左右，DO濃度大于、等于4mg/L的條件下，當濾速為11—12m/h(HRT為35—38rain)時(shí)，氨氮的去除率可以保持在40%以上。

固定化微生物在廢水處理中的應用十分廣泛，它具有效率高、穩定性強、耐負荷、產(chǎn)污泥量少等優(yōu)勢。固定化硝化細菌較游離細菌而言，更能適應環(huán)境的變化，同時(shí)在處理系統中不易流失，因此，它在廢水處理乃至于環(huán)境保護工程中會(huì )發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

2.2厭氧氨氧化技術(shù)

在傳統生物脫氮基礎上，人們不斷對生物脫氮技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種新的脫氮途徑即厭氧氨氧化。厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxida-tion，Anammox)的基本原理是在厭氧或缺氧的條件下，微生物直接以NH—N為電子供體，以NO；一N為電子受體，將NH—N、NO；一N轉變成N：的生物氧化過(guò)程。Kuypers等在黑海中發(fā)現，厭氧氨氧化菌能夠高效地消耗從黑海表層區域進(jìn)入到下層厭氧區的無(wú)機氮，從而說(shuō)明在氨氮濃度極低的條件下，厭氧氨氧化反應也能順利進(jìn)行。

操家順等采用特制的HHU一2T型往復式水浴恒溫振蕩器，在SBR反應器中，以好氧硝化污泥和厭氧污泥作為接種污泥進(jìn)行混合培養，為了使厭氧氨氧化工藝運用于城市污水處理中，試驗進(jìn)水氨氮濃度一般維持在12mg/L，由于氨氮濃度很低，厭氧氨氧化的富集時(shí)間較高濃度氨氮條件下更長(cháng)(一般為100d左右)，約5個(gè)多月才能完成反應器的啟動(dòng)，但成功啟動(dòng)后氨氮和亞硝氮的去除率均達到90%以上，高于多數高氨氮條件下啟動(dòng)的厭氧氨氧化反應器的去除效率。在此基礎上，研究了pH值、溫度及化學(xué)需氧量(COD)對厭氧氨氧化反應過(guò)程的影響，并確定了各因素的最佳控制范圍。研究結果表明：在低濃度氨(NH一N一12mg/L)條件下，厭氧氨氧化反應在pH值為7.5—8.0、溫度為30—35℃、COD為0—50mg/L時(shí)反應達到最佳狀態(tài)。

張龍等人采用污泥混合接種的方法，利用UASB反應器進(jìn)行厭氧氨氧化菌混培物的培養與馴化，反應器連續運行了210d。當含氮模擬廢水的NH，一N濃度和NO一N濃度分別為3—5mmol/L和4—6mmol/L時(shí)，其最大去除率分別達68.0%和95.1%。付麗霞等運用厭氧氨氧化技術(shù)處理濃度小18mg/L的低濃度氨氮廢水，結果表明，厭氧氨氧化反應在pH8.0、溫度30cC、有機質(zhì)(TOC)濃度40mg/L時(shí)，反應達到最佳狀態(tài)，亞硝酸鹽氮與氨氮去除率分別為100%和93%。

厭氧氨氧化較傳統工藝而言，首先反應無(wú)需外加有機碳源作為電子供體，在節約成本的同時(shí)，防止了投加碳源產(chǎn)生的二次污染。其次只需將進(jìn)水中50%氨氮氧化為亞硝酸態(tài)氮，節省了供氧動(dòng)力消耗。再次，反應過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生N，O，避免了傳統硝化一反硝化工藝中產(chǎn)生的溫室氣體排放，因此該工藝自發(fā)現以來(lái)一直是國內外研究的熱點(diǎn)。

2.3膜生物反應器(MBR)工藝

膜一生物反應器(MBR)是生物處理單元與膜技術(shù)的有機結合。由于膜分離代替了常規固液分離裝置，有效地截留了微生物，實(shí)現了水力停留時(shí)間和污泥齡的分離，污染物處理效率高，出水水質(zhì)好且穩定，已成功應用于污水處理與回用等領(lǐng)域。

莫罹等考察了懸浮生長(cháng)型和3種附著(zhù)生長(cháng)型MBR處理人工模擬微污染水源水，結果表明，上述4種MBR對氨氮的去除率可達85%一90%(HRT為2—4h)，且投加PAC的MBR對有機物去除率較高。曹占平等¨采用MBR工藝處理低濃度氨氮廢水，在進(jìn)水氨氮濃度為30—63mg/L、DO濃度在0.8—1.2mg/L時(shí)，氨氮去除率能達到90%以上，總氮(TN)去除率達到70%。

膜生物反應器(MBR)工藝利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質(zhì)截留，省掉二沉池，活性污泥濃度因此大大提高，水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)可以分別控制，使難降解的物質(zhì)在反應器中不斷反應、降解。因此，膜生物反應器(MBR)工藝通過(guò)膜分離技術(shù)大大強化了生物反應器的功能。與傳統的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術(shù)之一。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.g生物膜法

生物膜法是利用固著(zhù)在惰性材料表面的膜狀生物群落處理污水的方法。生物濾池法、生物接觸氧化法和生物轉盤(pán)法均屬于此種方法。目前，對低濃度氨氮的微污染水處理，生物膜法主要采用序批式生物膜法(SBBR)、曝氣生物濾池(BAF)及改進(jìn)工藝等。

序批式生物膜法(SBBR)實(shí)質(zhì)上是生物膜法(SBR)的問(wèn)歇操作模式，它秉承了SBR工藝最成熟的可控制非穩態(tài)技術(shù)特征，是SBR技術(shù)的革新工藝之一¨。該法結合了生物膜和序批式的特點(diǎn)，采用限制性曝氣實(shí)現厭氧、好氧的交替運行，通過(guò)控制合適的時(shí)間比例，可以達到較好的去除氨氮的效果。張朝升等采用序批式生物膜法對廣州地區城市生活污水進(jìn)行生物脫氮實(shí)驗，研究表明：氨氮的去除率都在86%以上，出水濃度基本都小于4mg/L，而且大部分都在1ing/L；經(jīng)過(guò)60min左右反硝化反應后，硝酸鹽濃度基本在0.08mg/L以下。溫度對硝化和反硝化的影響較大。宋晶等用SBBR工藝對不同鹽度的模擬廢水進(jìn)行處理，進(jìn)水COD為300mg/L，在污泥質(zhì)量濃度為2000—3500ing/L、污泥齡為18d的條件下，對反應器一個(gè)周期內氨氮的去除情況進(jìn)行考察，當鹽度為0時(shí)，氨氮的濃度從20.2mg/L降到4ing/L以下，去除率達到84%，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，去除率達到93%。但當鹽度增大到2%時(shí)，1h內相應的出水氨氮去除率從93%降低到了72%。

自上世紀80年代法國OTV公司開(kāi)發(fā)BIO.CARBONE工藝以來(lái)，曝氣生物濾池(BAF)工藝有了很大發(fā)展，先后出現了BIOSTYR、BIOFOR、BIO.PUR、BIOSMEDI等多種工藝，在世界范圍內的應用也日益廣泛，對NH4+一N和有機氮具有較強的去除轉化能力。研究表明，BAF適合微污染河水和生活污水的處理¨。閆立龍引等人采用升流式曝氣生物濾池(Up—flowBiologicalAeratedFil—ter，UBAF)處理二級生活污水的研究，研究了UBAF對NH—N的去除規律，結果表明，UBAF可以有效去除二級生活污水中的Nn；一N，去除率達75.3%；同時(shí)，UBAF具有很強的抗沖擊負荷的能力，進(jìn)水NH4一N分別在4—26.83mg/L時(shí)，出水NH4+一N穩定在4Illg/L以下。李秀芳等采用UBAF組合工藝處理濃度為2.07～22.9mg/L的低濃度氨氮廢水，當氣水比為2：1，進(jìn)水流量為0.6L/h，水力負荷為0.3ITI/(In•h)，填料高度為60cm，進(jìn)水COD小于40mg/L時(shí)，氨氮平均去除率可達45.1%。該方法的處理效率與水體中有機物的濃度緊密相關(guān)，高濃度的有機物會(huì )對氨氮的去除產(chǎn)生抑制作用，所以該方法只適合于廢水的深度處理。

在生物膜法處理中，生物固體的平均停留時(shí)間與污水的停留時(shí)間無(wú)關(guān)，硝化菌和亞硝化細菌能夠大量繁殖，氨氮的容積去除負荷率較大，耐沖擊負荷能力強。系統對氨氮去除效果顯著(zhù)，可以在較短的停留時(shí)間內取得較高的去除率。

3前景展望

面對污染嚴重的水源與日益提高的水質(zhì)標準，微污染水體中低濃度氨氮去除的研究勢在必行。雖然現行許多技術(shù)與工藝已投入使用，但仍在應用范圍、操作條件、成本投入等方面存在局限性。因此，在今后的研究探索中還要注重以下幾方面問(wèn)題。首先，針對不同情況的微污染水體要采用不同的應對方案；其次，在深度處理時(shí)滿(mǎn)足氨氮相應標準的同時(shí)，還應注意滿(mǎn)足其他水質(zhì)標準要求。再次，還應對處理過(guò)程中影響因素加以深入研究，從而更好的控制反應過(guò)程。另外，物理化學(xué)處理方法相對于生物處理法有更多的局限性，但將二者結合，可能成為未來(lái)此類(lèi)污水處理的發(fā)展方向。對于微污染水體中低濃度氨氮去除方法與工藝還需更進(jìn)一步探索。