總氮去除工藝

​氮、磷元素的大量排放會造成水體的富營養化，因此我國將氨氮（dàn）和總磷作為（wéi）評價汙水處理廠處理效（xiào）果的重要考核指標。目前汙水處理以生物脫氮為主，其脫氮原理為經過好（hǎo）氧硝化，缺氧反硝化，將汙水（shuǐ）中的氮元素轉化為無害的氮氣。

一、原理

總氮是指可溶性及（jí）懸浮物顆粒中的含氮量，包括NO₃^-，NO₂^-和NH₄⁺等無機氮和氨基酸、蛋白質和有機胺等有機氮。生物脫氮首先是在厭氧環境內，通過氨化（huà）作用將有機氮轉化為氨氮，這一過程稱為氨化過（guò）程，氨化過（guò）程很容易進（jìn）行，在（zài）一般無數處理設施中均能完成；然後在好氧環境內，通過硝化作用，將氨氮轉化為硝態氮；隨（suí）後在缺氧環境內，通過反（fǎn）硝化作用，將硝（xiāo）態氮轉化為氨氣，從水中逸出。

二、主要工藝

脫氮的主（zhǔ）要工藝包括活性汙泥（ní）法（A²O、氧化溝（gōu）、SBR等）和生物膜法（生物濾池、生物接觸（chù）氧化池、生物轉盤等），對汙水中的氮都有良好的去除效果，但在工藝以及操作上存在一定的局限性和複雜性。

1.活性（xìng）汙泥法（fǎ）：

（1）A²O法

A²O法即厭氧一缺氧一好氧活性（xìng）汙泥法。汙水在流（liú）經厭氧、缺（quē）氧、好氧三個不同功能（néng）分區的（de）過程（chéng）中，在不同微（wēi）生物菌群的作用下，使汙水中的有機物、N、P得到去除。A²/O法是最簡單的同步除磷脫氮工藝，總水力（lì）停留時間短，在厭（yàn）氧、缺氧、好氧交替運行的（de）條件下，可抑製絲狀菌的（de）繁（fán）殖，克服汙泥膨脹，SVI一般小於100，有利於處（chù）理後的（de）汙水（shuǐ）與汙泥分離，厭氧和缺氧段在運行中隻需輕緩攪拌，運行費用低。該工藝在國內（nèi）外使用（yòng）比較廣泛。

優點：該工藝為（wéi）最簡單的同（tóng）步脫氮除（chú）磷（lín），總的水力停留時間，總產占地麵積（jī）少；在厭氧的好氧交替運（yùn）行（háng）條（tiáo）件下，絲狀菌得不到大量增殖，無汙泥膨脹；汙泥中含磷濃度高，具有很高的肥效；運行中勿需（xū）投藥，隻用輕緩攪拌，運（yùn）行費低。缺點有：除磷（lín）效果難於再行提高（gāo），汙泥（ní）增長有一定的限度，不（bú）易提高；脫氮效果（guǒ）也難於（yú）進一步提高，內循環量不宜（yí）太高，否則增加運行費用；對沉澱（diàn）池要保持一定的濃度（dù）的（de）溶解氧（yǎng），減少停（tíng）留時間，溶（róng）解濃度也不宜過高，以防止循環混合液（yè）對缺反應（yīng）器的幹擾。

（2）氧化溝

氧化溝又稱連續循環反（fǎn）應器，是20世紀50年代由荷蘭的公（gōng）共衛生所（TNO）開發出來（lái）的。氧化溝是常規活性汙泥法的一種改型和發展（zhǎn），是延時曝氣法的（de）一種特殊形式。其主要功能是供氧；保證其活性汙泥呈懸浮狀態，是汙水、空氣、和汙泥三（sān）者充（chōng）分（fèn）混合（hé）與接觸；推動水流以一定的流速（不低於0.25m/s）沿池長循環流動，這對（duì）保持氧化溝的淨化功（gōng）能具有重要的意義。氧化（huà）溝具有出水水質（zhì）好（hǎo）、抗衝擊負荷（hé）能（néng）力強、除磷脫氮效率高、汙泥（ní）易穩定、能耗省、便於自動化控製等優點。但是，在實際的運行過程中（zhōng），仍存在一係列的問（wèn）題，如汙泥膨脹（zhàng）問題、泡沫問題（tí）、汙泥上浮問題、流速不均及汙泥沉積問題。

（3）SBR

間歇式活性汙泥法簡稱SBR工藝，一個運行周期可分（fèn）為五個階段（duàn）即：進（jìn）水、反應、沉澱、排水（shuǐ）、閑置。這種一體化工藝的特點是工藝簡單，由於隻有一個反應池，不需二沉池、回流（liú）汙泥及（jí）設備，一般情況下不設調節池，多數情況下可省去初沉池。

特點：大多數情況下，無設置調節池的（de）需要；SVI值較低，易於沉澱，一般情況下不會產生汙（wū）泥膨脹；通過對運行方式的調節，進（jìn）行除磷脫氮反應；自動化程度（dù）較高；得當時，處理效果優於連續式；單方投資較（jiào）少；占地規模較大，處理水量較小（xiǎo）。

 存在問題（tí）：A₂O和氧（yǎng）化溝工藝均需要較大（dà）的池體麵積，基建（jiàn）成（chéng）本高；汙泥回流、沉澱工序複雜、能耗大，普通小型汙水廠難以（yǐ）承擔（dān），不適用於汙水廠改造。SBR工藝需要精細度高（gāo）的潷水器（qì）來保證出水水質，後續要設置調節池來（lái）調節出水水量（liàng），對自動化要求高。

 2.生物膜法：

 生物濾池占地麵積大（dà），生物接觸氧化池固定（dìng）載體施工維護難度大（dà），且二者均容易發生堵塞，對汙水廠的長期穩定運作造成極大的困難。生物轉盤處理水量小，僅適用於（yú）處理（lǐ）水量小的汙（wū）水處理廠。

 3.新型工藝

（1）MBBR膜法

MBBR工藝（yì）是（shì）基於生物濾池和生物流化床工藝發展起來的，在同（tóng）時發揮生物膜法和（hé）活性汙泥法的優勢（shì）下，克服了生物膜法常遇到的填料（liào）堵塞和反衝洗的高能耗（hào），還克服了活性汙泥法的汙泥（ní）流（liú）失等問題，使其生物處理效（xiào）果更（gèng）為有效。

MBBR載體（tǐ）使（shǐ）用聚合高（gāo）分子材料製成，高分子材料中（zhōng）融合多種有利（lì）於微生物快速附著生長的微量元素（sù），經過特殊工藝改（gǎi）性（xìng）、構造而成，具有比表麵積大、 親水性好、生物活性高、掛膜快、處理效果好、使用（yòng）壽命長等優點。

微生物可大量（liàng）附著在MBBR載體上，使生化處理（lǐ）係統（tǒng）在汙泥（ní）濃度不變的情況下生物量得到成倍的（de）提高。係統的處理能力和效率也因此得到相應（yīng）的提高，強化了對不同水質的抗衝擊性。當附著在MBBR載（zǎi）體上的生（shēng）物膜達到一定的厚度（dù）時，生（shēng）物膜形成溶氧梯度，使得在好氧池（chí）內載體的內部仍（réng）存（cún）在缺氧區域，使反硝化菌能在載體內部進行反硝化作用，即同步硝化反硝化。可以有效節省碳源，使其能在較低（dī）的碳氮比的情況下仍能有良好的脫氮能力。

MBBR載體密度均小於1，在掛膜之後密度與水相近，能在（zài）水體中呈懸浮狀態。在實際操作（zuò）中，使用（yòng）曝氣+攪拌使載體在水體中呈流化狀態，形成氣（qì）-液-固三相流化，強化了氣、液相和載體之間的接觸，大大提高（gāo）了對氧氣的利用效率，有效降低曝氣量和能耗（hào）。 

MBBR工藝隻需在原有（yǒu）生化（huà）工藝上按比例投加載體，和設置載體格柵（shān），無需大量的基建即可起到強化脫氮能力的（de）作用，大大節省了投資成本。在汙水廠的提（tí）標改造方麵有良好的發展前景。

（2）短程硝化反硝（xiāo）化

傳統的脫氮工藝是（shì）將NH₄⁺氧化成NO₂^-,再氧化成NO₃^-；起作用的分別是亞硝酸菌和硝酸菌，統稱為硝（xiāo）化菌，可得如下結論：亞硝化過程產生的能量比硝化過程產生的能量多，因而前者反應速率較後者快；亞硝化過程中產生大量（liàng）的H⁺,使係統pH值降低（dī），而硝化過程對係統的pH值無影響；亞硝（xiāo）化過程和硝化過程好氧比為3:1；亞硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但（dàn）前者的時代周期短，生長較快，因此較能適（shì）應衝擊（jī）負荷和不利的環境條件（jiàn）。當硝酸菌受到抑製的（de）時（shí）候，將會出現NO₂^-的積（jī）累。很顯然（rán），在傳統的硝化-反硝化脫氮過程中，在反硝化（huà）菌的作用下，反硝化過程既可從硝酸鹽開始，也可以從亞硝酸鹽開始。但由NO₂^-轉化為NO₃^-，然後由（yóu）NO₃^-再轉化為NO₂^-的重複轉化（huà）過程中，要消耗更多的溶解（jiě）氧和有機碳源。如果在實際過程中，控（kòng）製（zhì）這一轉化過程，使NH₄⁺全部或絕大部分轉化為NO₂^-而不是（shì）NO₃^-，由NO₂^-直接進行反（fǎn）硝化，稱此過（guò）程為短程硝化-反（fǎn）硝（xiāo）化，經過環境工作者的不懈努（nǔ）力，短程硝化-反硝化過程在許多反應（yīng）器都得以實現。

與傳統脫氮工藝過程相比，短程硝化-反硝化體現出以（yǐ）下優勢。

節能：硝化階段，供氧量節省近（jìn）25%，降低能耗；節約外加（jiā）碳源：從NO₂^-到N₂要比從（cóng）NO₃^-到N₂的（de）反（fǎn）硝化過程中（zhōng），減少40%的有機碳源；可以（yǐ）縮短水力停（tíng）留時（shí）間：在高氨環境下，NH₄⁺的（de）硝化速率和NO₂^-的（de）反（fǎn）硝化速率（lǜ）均比NO₂^-的氧化速率（lǜ）和NO₃^-的反硝化速率快，因此水力停留時間可（kě）以縮短，反應器的容積也相應減小；可（kě）減少剩餘汙泥產量：亞硝酸菌表觀（guān）產率係數為（wéi）0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表觀產率係數為（wéi）0.02~0.07 g VSS/g N，NO₂^-反硝化菌和NO₃^-反硝化菌（jun1）的（de）表觀產率係（xì）數分別為0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短（duǎn）程硝化（huà）反硝化（huà）過程中可以減少產泥24~33%，在反硝化過程中可少產泥50%。

存在問題：短程（chéng）硝化反硝化工藝目前還處（chù）於研究（jiū）階段，實際應用工（gōng）程較少。由於短程（chéng）硝化階段溫度、pH 值等（děng）因素的控製難度較大，需要研發（fā）更加完善（shàn）的在線檢測和模糊控製技（jì）術，以（yǐ）實現穩定的短程硝化反硝化，從而不斷擴大短程硝（xiāo）化反硝化工藝的應用

（2）厭氧氨氧化

厭氧氨氧化（huà）作用即在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌利（lì）用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮氣的生物反應（yīng）過程。這種反應通常對外界條件（pH值（zhí）、溫度、溶解氧（yǎng）等）的要求比較苛刻，但這種反應由於不需（xū）要氧氣和有機物的參與，因（yīn）此對（duì）其研究（jiū）和（hé）工藝的開發具有可持續發展的（de）意義。 

厭氧氨氮化一般前置短程硝化工藝，將廢水（shuǐ）中的一部分氨氮轉化成亞硝酸鹽。目前在（zài）處理焦化廢水（shuǐ）、垃圾滲濾液等（děng）廢水方麵已經有（yǒu）成功的（de）運用實例。

厭氧氨氧化（huà）是一個微生物反應，反（fǎn）應產（chǎn）物為氮氣。具有一些優點：由於氨直接作反硝化（huà）反應的電子供體，可免去外源（yuán）有（yǒu）機物(甲醇)，既可節約運行費用，也可防止二次汙染；由於氧得到有效利用，供氧能耗（hào）下降；由於部分（fèn）氨沒有經過硝化作用而直接參與厭氧氨氧化反應（yīng），產酸量下降，產堿量為零，這（zhè）樣可以減少中和所需的化學試劑，降低運行費用，也可以減輕二次汙染。

（5）曝氣生物濾池（BAF）

  曝氣生物濾池是 90 年代初（chū）興（xìng）起的汙（wū）水處理新工藝，已在歐（ōu）美和日本等發達國家廣為流行。

該（gāi）工藝具有去除 SS 、化學需氧量、 BOD 、硝化、脫氮、除磷（lín）、去除 AOX （有害物質）的作用，其特（tè）點是（shì）集生物（wù）氧化和截（jié）留懸浮固體與一體，節（jiē）省了後續沉澱池 ( 二沉池 ) ，其容積（jī）負荷、水力負荷大，水力停留時間短，所需基建投資少，出水水質好（hǎo）：運行能耗低，運行費用（yòng）省。

 BAF 屬第（dì）三代生物膜反應器，不僅具有生物膜工藝技術的優勢，同時（shí）也起著有效的空間過（guò）濾作用，通過使（shǐ）用特（tè）殊的濾（lǜ）料和（hé）正確（què）的配氣設計， BAF 具有以下工藝特點

1 、 采用氣（qì）水平行上向流，使得氣水進行極好均分，防止了氣泡在濾料（liào）層中凝結核氣堵現象，氧的利用率高（gāo），能耗低；

2 、與下向流（liú）過濾相反，上向流過濾維持在（zài）整（zhěng）個濾池高度上提供正壓條件（jiàn），可以更好的避（bì）免形成溝流或短流（liú），從而避免通（tōng）過形（xíng）成（chéng）溝流來影響過濾工藝而形成的氣阱；

 3、上向流形成了對工藝有好處的半柱推條件，即使采用高過濾（lǜ）速度和負荷，仍能保證 BAF 工（gōng）藝的持（chí）久穩定性和有效性；

 4 、采用（yòng）氣水平行上向流，使空間過濾能被更好的運（yùn）用，空氣能將固（gù）體物（wù）質（zhì）帶入濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的固體物質，從而延長了反衝洗周期，減少清洗時間和清洗時用的氣水量；

5 、濾料層對氣泡（pào）的切割（gē）作（zuò）用是使氣泡在濾池（chí）中（zhōng）的停（tíng）留時間延長，提（tí）高了（le）氧的利用率（lǜ）；

6 、由於濾池極好的截汙能力，使得 BAF 後麵不需再設二次沉澱（diàn）池；

適用範圍：

城市汙水、小區生活汙（wū）水、生活（huó）雜排水和（hé）食品加工水、釀造等有機廢水處理（lǐ）。

（4）STCC

“STCC汙水處（chù）理及深度淨化技（jì）術”是一種（zhǒng）新型的多種介質填料的“曝氣生物濾池技術”，該技（jì）術在“土壤淨化法（fǎ）”的長期實踐經驗基礎上，采用本地天然（rán）材料和廢（fèi）棄材料，研發出具有自淨功能的（de）“不飽和炭”、“脫氮材料”和“除磷材料”等多種介質（zhì）的填（tián）料，組成複合填料（liào）床。通過特殊的曝氣係統在（zài）填料床中形（xíng）成好氧缺氧和厭氧交替的環境，達到脫（tuō）氮和除磷的目的（de）。 

技術名稱（chēng）STCC寓意：ST代表standard(標準)，第一個C代（dài）表 combination(組合)，第二個C代表carbon(碳) ，STCC意即“標準化組合的、以碳係材料生物濾池為核心的汙（wū）水處理及深度淨化技術”。

處理城（chéng）鎮汙水後的出水優於國家《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準（zhǔn），可以達（dá）到國家《地表水環境質量標準》(GB3838—2002）Ⅳ類標（biāo）準。

適用範（fàn）圍：

城鎮生活汙水處理及深度處理、生態型城市汙水處（chù）理廠、河流湖泊水體淨化與修複。