新型生物脱氮工艺的简介

新型生物脱氮工艺的简介

摘要：水体中的氮素污染越来越严重。传统生物脱氮工艺在废水脱氮过程中发挥着重要的作用，但也暴露出成本高、脱氮效率低等缺点。随着生物脱氮新技术如亚硝酸型硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术的发展，生物脱氮新工艺也越来越多的受到研究者的关注。本文主要介绍了亚硝化脱氮工艺（SHARON）、厌氧氨氧化工艺（ANMAMOX）、亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺（SHARON-ANAMMOX）、全程自养脱氮工艺（CANON）、限制自养硝化反硝化工艺（OLAND）。分别阐述了各工艺的原理、影响因素、运行特性、应用状况等。最后，简单叙述了各工艺的区别和联系，对各种工艺的操作参数进行了比较和概括。

关键词：SHARON；ANMAMOX；SHARON-ANAMMOX；CANON；OLAND

1.引言

传统的生物脱氮理论包括硝化和反硝化两个过程，分别由自养型硝化菌和异氧型反硝化菌完成。传统生物脱氮工艺需要消耗大量的溶解氧、碳源，造成较高的运行成本。随着近代生物学和生物技术的发展，以及污水生物脱氮工程实践中出现的新的问题和现象，国内外学者提出了一些脱氮理论的新认识，并逐渐形成了生物脱氮新的理论。基于这些生物脱氮新理论，废水生物脱氮新技术也有了较快的发展。在亚硝酸型硝化反硝化技术和厌氧氨氧化技术发展的基础上，出现了一些新的生物脱氮工艺。这些生物脱氮工艺包SHARON、ANMAMOX、SHARON-ANAMMOX、OLAND、CANON等。

2.Sharon工艺

SHARON（single reactor for high ammonia removal over nitrite）即亚硝化脱氮工艺，是荷兰Delft 技术大学1997 年提出并开发的一种新型生物脱氮技术[1]。其基本原理是在同一个反应器内，在有氧的条件下，自养型亚硝酸菌将NH4+转化为NO2﹣，然后在缺氧的条件下，异氧型反硝化菌以有机物为电子供体，以NO2﹣为电子受体，将NO2﹣转化为N2。其理论基础是亚硝酸型硝化反硝化技术，生化反应式可用下式（1）表示：

NH4+ + 0.75O2 + HCO3﹣→0.5 NH4+ + 0.5NO2﹣+ CO2 + 1.5H2O （1）该工艺的关键是如何将氨氧化控制在亚硝酸阶段，并持久维持较高浓度的亚硝酸盐积累[2]。由于硝化过程中的两类细菌亚硝酸菌和硝酸菌的生长特性不同，对环境的要求也不同，这为将硝化控制在亚硝化阶段提供了条件[3]。

SHARON 工艺使用单个无需污泥停留的完全混合反应器（CSTR）来实现，在较短的HRT 和30~35℃的条件下，利用高温下硝酸菌的活性比亚硝酸的活性低，同时利用硝酸菌的

水力停留时间大于亚硝酸菌的水力停留时间，使水力停留时间介于两者之间，从而淘汰硝酸菌[4]。

经过小试、中试，第一个生产规模的运用SHARON工艺的Dokhaven污水处理场于1998年初在荷兰鹿特丹建成并投入运行。该SHARON的进水氨氮质量浓度为1g/L，进水氨氮的总量为1200kg/d，氨氮的去除率为85%。

SHARON 工艺与传统的的脱氮工艺相比，具有能够节省25%的氧气，节省40%的碳源、污泥产量少、反应器容积减少、反应时间短等优点。同时，它也存在一些问题，如反应时较高的温度不适合城市污水的处理，仅比较适合处理污泥硝化上清液和垃圾渗滤液等高氨高温废水，适合C/N 较低的废水，亚硝化产物NO2﹣是致癌、致畸、致突变物质，对受纳水体和人体健康有害。

3. Anammox工艺

ANAMMOX(anaerobic ammonium oxidation)即厌氧氨氧化工艺，是由荷兰DeLft 大学1990 年提出的一种新型脱氮工艺。厌氧的条件下，微生物以NH4+为电子供体，NO2﹣为电子受体，把NH4+、NO2﹣转化为N2 的过程。其生化反应式可用下式（2）表示：

NH4+ + NO2﹣→N2 + 2H2O （2）

Graaf[5]等通过同位素15N 示踪研究，提出了厌氧氨氧化可能的代谢途径，见下图1。他认为ANAMMOX是通过生物氧化的途径实现的，过程中最可能的电子受体是羟(NH2OH)，而羟胺本身是由亚硝酸盐产生的。

图1 Graaf 提出的ANAMMOX 工艺的可能途径[5]

厌氧氨氧化过程中起作用的微生物是Anammox菌。Anammox菌是专性厌氧化学无机自养细菌，生长十分缓慢，在实验室的条件下世代期为2~3 周，厌氧氨氧化过程的生物产量很低，相应污泥产量也很低。

ANAMMOX工艺的影响因素主要集中在系统环境对Anammox菌的抑制。主要的影响因素包括反应器的生物量、基质浓度、pH 值、温度、水力停留时间和固体停留时间等。

ANAMMOX工艺具有不少突出的优点：相对传统的脱氮过程，耗氧下降62.5%；不需外加碳源，节约成本；不需调节pH 值降低运行费用。但该工艺还存在以下几个方面的问题：工艺还没有实现实用化和长期稳定运行；Anammox细菌生长缓慢，启动时间长，为保持反应器内足够多的生物量，需要有效的截留污泥等[6]。

荷兰的研究者们于2002 年通过数学模型模拟设计出世界上第一个生产性规模的ANMAMOX 反应器，该反应器建在荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂内，主要用于污泥消化液的脱氮处理。

4. SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON-ANAMMOX工艺即为SHARON和ANAMMOX的组合工艺。SHARON作为硝化反应器，在此反应器内，含NH4+的污水中约50%的NH4+氧化成NO2﹣；ANAMMOX作为反化反应器，含NH4+和NO2﹣的SHARON 反应器的出水作为此反应器的进水，在此反应器内，厌氧条件下NH4+和NO2﹣被转化为N2 和H2O。生化反应式如下式（3）：

NH4+ + 0.75O2 + HCO3﹣→0.5N2 + CO2 + 2.5H2O （3）典型的SHARON-ANAMMOX工艺流程如下图2 所示。