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低碳氮比生活污水脱氮处理技术
来源：广州超禹膜分离技术有限公司
发布时间：2024-03-06 09:43
在生活污水处理的过程中，脱氮处理是关键环节，若生活污水的碳氮比相对均衡，就可以满足基本的生化反应条件，则脱氮效果较好，但若出现低碳氮比的情况，则需要补充相应的碳源，或营造更好的工艺反应条件，进而才能有效提升污水处理系统的脱氮效率。当前，随着城镇化的持续推进，村镇生活污水小型集中处理的要求越来越高，但南方地区历史遗留的雨污合流制、入河混流制、末端水体倒灌入管网等问题，以及高速公路服务区特有的污水水质条件等因素，导致大部分的生活污水具有明显的低碳氮比特性，这给当前的污水处理工作造成了很大的困难，同时也限制了污水处理系统的反硝化作用，所以无法确保处理后的水质达到排放标准。经相关研究显示，生活污水对水生态环境的危害性较大，而且呈现出逐年递增的趋势。因此，在我国生态文明建设的背景下，应逐步提升脱氮处理工艺水平，并选择与污水水质相适应的技术与设备，以此严格控制生活污水中的氨氮含量，从而使水环境维持在相对较好的水平，同时增强生态系统的稳定性。而在污水处理过程中，不同处理技术的应用要点和影响因素也存在较大的差异性，因此，需结合实际情况进行选择，而且要在实践中还要注重技术创新改进，以获得更好的水质处理方法和条件。
一、水体中氮的来源及危害：
近年来，随着人类活动加剧，导致生活污水增多，且污染来源呈现广泛性的特点，因而对污水治理工艺技术成熟度和完整性要求更高。比如，在农业生产中，会使用大量化肥和农药，使水体中的氮含量增加，引起氨氮污染，对环境安全形成了较大威胁。同时，农村地区的畜牧业发展速度也逐渐加快，若未能及时对家禽的粪便进行处理，也会产生大量的废水。当这些废水在降雨天气进入到地表水体中，会引发不同程度的污染。还有，如果在处理垃圾渗滤液时缺乏可靠的控制措施，也会导致地表水体受到污染，进而氨氮含量会随之上升，这是引发环境问题的主要原因。而当水体中的氮含量逐渐提升时，还会造成富营养化状况，使水体环境受到一定威胁，这也是造成黑臭水体的主要原因。而当水体出现黑臭现象时，水环境中的生物就会受到影响，严重时会出现大面积死亡的情况，从而加大了环境治理的投入成本。
二、低碳氮比生活污水脱氮处理工艺及应用措施：
① 外加碳源脱氮技术：外加碳源脱氮技术是处理低碳氮比生活污水的常用方法，是通过提供碳源的方式满足反硝化反应的要求，以确保出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的要求，有效降低生活污水对水环境造成的危害。乙酸钠、甲醇和乙酸等是几种常用的碳源类型，但应严格控制用量，防止出现二次污染。同时，为了改善碳源的使用情况，可采用改性天然缓释碳源，也可以充分发挥活性污泥反应器的作用，增强好氧颗粒污泥的处理效果，这样不仅能满足脱氮的要求，而且除磷作用也十分显著；在提供外加碳源时也可以选择污泥发酵物，使低碳氮比生活污水的处理作用更好，且不会干扰系统的运行状态，有效保持菌群结构的合理性，使脱氮效率大幅提升。通常，微曝氧化沟技术在处理生活污水中的应用较为普遍，但在处理低碳氮比生活污水时却存在一定的局限性。因此，可运用污泥发酵液进行改善，并通过提供丰富的碳源来改善出水水质，使其达到一级A标准要求，减少了商业碳源的用量，具有良好的经济优势。而在采用A2/O系统处理生活污水的过程中，也可以加入适量的污泥发酵液，能有效提高脱氮除磷的效率。目前，污泥碱性发酵液在污水处理中应用较多，可满足大批量的处理要求，在实践中还可以运用水解酸化液和污泥混合液进行联合处理，有效促进处理过程中的反硝化反应进程，提高系统的反应能效。比如，在生物絮凝吸附-前置反硝化曝气生物滤池工艺中，就可以引入污泥酸化液作为可靠碳源，以改善传统工艺的应用效果，同时也提高了资源化的利用率。
② 无外加碳源脱氮技术：ANAMMOX技术即厌氧氨氧化技术，其在生物脱氮工艺环节应用较多，已有30年的发展历史，积累了丰富的基础数据和理论经验。在实际应用过程中，是以厌氧条件为核心，使NH4+在NO2-电子受体的作用下转化为N2，且亚硝酸主体处理工艺和厌氧氨氧化技术的融合度越来越高，在两个反应主体中发生的反应不同，但会产生相互协同的生化反应，最终实现脱氮处理的目标。尤其是在低碳氮比生活污水的处理中，ANAMMOX技术的适用性更强，但该工艺的实际应用效果也会受到诸多因素干扰，包括温度、DO、SRT和pH值等。因此，需加强控制以创造更好的应用环境和工艺参数。通常，在使用ANAMMOX技术进行脱氮时，应将温度控制在30～35℃左右，pH值最高不要超过8.3，最低不要低于7.5；而ANAMMOX菌活性也会受到有机质的影响，包括葡萄糖和甲醇、丙酮酸等。如果DO浓度较高，也会对处理效果产生负面影响，所以，在实际运行中不能超过300mg/L。厌氧环境的限制是影响该技术发展的关键因素，因此，要合理营造生态反应环境，充分发挥出厌氧氨氧化菌团的作用。此外，还也可以引入沸石微粒和高浓度无机盐，以改善厌氧氨氧化菌的活性。经相关研究显示，采用该方法对污泥消化液实施减量化处理，在1周后能将氮的去除率提升到94%左右，且误差不超过1.7%。其中，USAB反应器是采用ANAMMOX技术时的主流工艺设备，可有效满足污泥混合接种的处理要求，特别是当NH4+-N浓度在3～5mmol/L时，运用该方法能将氨氮的去除率提升到68%左右。因此，该方法的优势显著，不仅不需要碳源的辅助作用，还不会产生较多污泥，相应降低了系统的运行负担，具有良好的经济性。但该技术在实践中也面临着一些的限制，尤其是对于温度控制的要求较高，而且系统的抗冲击能力有一定的局限性。
③ SHARON技术：SHARON技术即亚硝化脱氮技术，也是生物脱氮领域中的主要工艺方法，与ANAMMOX技术不同，该技术在应用中需要提供有氧环境，使NH4+在自养型亚硝酸菌的作用下转化为NO2-，而后续提供的无氧环境是发挥异养型反硝化菌的作用，最终产物包括H2O和CO2和NO2-等。通常情况下，亚硝化反应是该技术应用时的关键阶段，主要是充分发挥硝酸菌和亚硝酸菌的作用，以满足氨氧化要求。而完全混合反应器是采用SHARON技术的核心装置，解决了传统工艺中污泥停留时间过长等问题，其最佳反应温度在30～35℃左右，其中亚硝酸菌的活性优于硝酸菌，再合理配置水力停留时间等参数，可有效控制或去除硝酸菌群。与传统技术比较，该技术对碳源的需求量更少，而且反应装置的性能也得到了较大改善，不会产生大量的污泥。因此，环保综合效益明显。但该技术也存在一定的局限性，尤其是在城市污水处理中的应用效果较差，容易受到温度的影响，所以在使用该技术时，需要对NO2-的浓度实施严格控制，避免造成二次污染。
④ SHARON-ANAMMOX技术：SHARON-ANAMMOX技术可充分发挥两种组合技术的优势，且在SHARON硝化反应器的作用下，能有效去除50%的NH4+，还会使其快速转化为NO2-；再通过ANAMMOX反硝化反应器的作用完成污水处理。通常，ANAMMOX反应器进水为SHARON反应器的出水，其出水生成的产物包括H2O、CO2和N2等，因此，不会对环境造成污染。但为了提高污水的整体处理效果，需要控制各项反应条件，包括酸碱环境、温度环境等，同时，溶解氧也不能进入到ANAMMOX反应器中。在实际应用中，ANAMMOX菌和氨氧化菌的共同作用是处理生活污水的关键，因此，可以不再使用碳源，且氧气使用量更少，这样可有效降低污水处理的成本。在处理污泥上清液时，要充分发挥HCO3-的作用，主要是该物质对酸碱环境的要求较低，所以提高了处理工作的便捷性。此外，在实际应用SHARON-ANAMMOX技术进行污水处理时，运用EGSB反应器会使氨氮的去除率更高，即亚硝化反应器和厌氧氨化反应器中的去除率分别为79%和45%。
⑤ CANON技术：在实际应用中，以亚硝化技术和厌氧氨化技术为依托，还可以采用CANON技术对低碳氮比生活污水实施脱氮处理。该技术也被称为全程自养脱氮技术，主要是借助反应器或生物膜控制水体中的氮元素，并充分发挥出了厌氧氨氧化作用和亚硝化作用，但在处理过程中需合理控制溶解氨的含量。该技术的主要产物包括H2O、N2和H+、NO3-等。通常情况下，异氧菌、厌氧氨化菌、亚硝化细菌和硝化细菌是支持CANON技术发挥净化能效的关键，这不仅充分发挥出了ANAMMOX菌和硝化细菌的作用，还综合提高了污水的处理效果。该技术的优势在于对曝气的需求量相对较小，所以可合理降低系统能耗，且占地面积合理，而消耗的氧气量较常规处理工艺会降低65%左右。
⑥ 同步硝化反硝化技术：该技术是指在同一个反应器中完成同步硝化和反硝化的工作，且在微环境理论和好氧反硝化菌理论的支持下，该技术获得了可靠发展。其中，BAF反应器是该技术采用的主要装置，是将兼性菌和硝化菌设置在内层和外层，同时发挥活性污泥的作用，而且要在填料综合体以及单个填料反应体中均营造缺氧环境、厌氧环境和好氧环境，以满足该污水处理技术的反应需求。在实际应用中，BAF反应器可以选择火山岩或软性聚氨酯填料作为载体，同时，还要控制反应器中溶解氧的浓度，一般在0.5～3.0mg/L。虽然BAF反应器可以提高系统的整体脱氮效果，但需要严格控制DO的浓度，并通过对整个反应过程实施优化，并结合液相-生物膜传质系数和系统负荷等运行工况进行综合考虑，确定出最佳反应条件。该技术相比于传统处理技术，可有效提升生化反应的速率，且曝气量较低，具有良好的节能效果。
⑦ 短程硝化反硝化技术：对于低碳氮比生活污水的处理，在NO2-生成阶段实施硝化反应后，再控制缺氧环境以满足反硝化的要求，这时污水的处理效果较好。因此，在采用短程硝化反硝化技术时，应做好NO2-浓度的控制，避免受到硝酸盐细菌菌群的干扰。另外，其他环境因素也会对NO2-的累积产生干扰，包括DO、pH值、FH和温度等。所以，为了改善富集效果，宜将反应温度控制在35℃左右，并强化NO2-的累积作用，以此加快对氮素的去除速率。同时，适当控制溶解氧的浓度，既可以为氨氧化菌提供良好的环境，还可以提高整体的去除效果。在实际应用中，由于该技术的需氧量低，所以可缩短整个工艺系统的反应时间，降低系统的运行成本，减少污泥的产出量，从而有效降低了工艺实施强度。
⑧ 电化学脱氮技术：电化学脱氮技术可以弥补生物脱氮技术的不足，该技术不需要使用添加剂，就可以有效降低运营成本，且处理效率更高。其中，电解反应是采用电化学脱氮技术的关键，主要是指在强氧化剂的作用下，强制分解水体中的污染物，以发挥电极的氧化还原作用，强化整体脱氮效果。通常，在电化学脱氮技术中，三维电极技术的应用较多，且成熟度较高。但该技术在使用时需设置填充床，主要是为了保障电氧化作用的良好效果，而且还需要严格控制填充物的类型，以增强传质作用，并最终降低系统的运行能耗。同时，在处理生活污水的过程中，运用三维电极反应装置可更加高效地去除其中的NH3-N，但为了确保更好的脱氮效率，可用铁盐优化系统，改善生化反应器的反应性能。此外，微电解自养反硝化系统也可以满足脱氮处理的要求，但为了保障自养反硝化过程的有效实施，可加入适量的废铁屑，这样就可以在提升氮素去除率的同时，加快系统反应过程，并且还可以降低综合成本30%左右。但要注意在工业生产中，废铁屑属于废物，若不能得到有效妥善处理，会造成环境污染，因此，将其应用于生活污水的处理过程中，不仅实现了废物资源的高效利用，还达到了以废治废的目的。
⑨ 多工艺组合脱氮技术：在实际污水处理过程中，采用单一的工艺往往难以达到预期目标，因此，可采用多种工艺组合实现污水的综合处理，即强化生活污水的脱氮作用。通常是将电化学处理法和生物膜法协同应用，以提高整个处理系统的硝化和反硝化的反应能效，有效削减或去除水体中的氮素。目前，随着技术水平的提升以及反应设备性能的完善，A/O-MBR反应器和UF/RO膜分离技术逐渐得到应用，不仅可以确保出水水质达到国家标准，还加快了脱氮处理的速度和进展。此外，电极生物膜反应器也可以与人工湿地处理方法相融合，以满足低碳氮比生活污水的处理要求，且脱氮效果也较好。此外，双回流系统也可以有效解决传统系统中碳源不足等问题，可有效提升原水碳源的利用效率，降低外加资源的消耗量，实现脱氮和除磷过程的一体化和集成化，促进系统高效运行。
三、结语：
在污水处理过程中，低碳氮比生活污水的脱氮处理应用了较为完善和稳定的污水处理工艺，可有效降低含氮量，避免造成严重的水环境污染，从而进一步改善了环境质量。但由于水体中氮的来源十分广泛，特别是在城镇化和居民生活节奏逐步加快的趋势下，生活污水的产出量也在持续增加，这给水环境治理工作带来了不小的挑战。当前，生活污水脱氮处理工作主要是采用外加碳源脱氮技术和无外加碳源脱氮技术、多工艺组合脱氮技术进行控制。而无外加碳源脱氮技术又可以分为生物脱氮技术和电化学脱氮技术，其中，生物脱氮技术成熟度较高，涉及ANAMMOX技术、SHARON技术、SHARON-ANAMMOX技术、CANON技术、同步硝化反硝化技术和短程硝化反硝化技术等。基于以上多种技术，所以在实际运用中应结合具体的技术工艺特点和适用条件加以选择，才能更好地改善生活污水的整体脱氮效果，降低对环境产生的危害。
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