傳統生物脫氮方法在廢水脫氮方面起到了一定的作用，但仍存在許多問(wèn)題。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，増加了動(dòng)力消耗；對C/N比低的廢水，需外加有機碳源；工藝流程長(cháng)，占地面積大，基建投資高等。
近年來(lái)，生物脫氮領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了許多新工藝，主要有：同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；厭氧氨氧化和全程自養脫氮。
1、同步硝化反硝化（SND）
自20世紀80年代以來(lái), 研究人員在一些沒(méi)有明顯缺氧及厭氧段的活性污泥法工藝中, 曾多次觀(guān)察到氮的非同化損失現象, 即存在有氧情況下的反硝化反應、低氧情況下的硝化反應。在這些處理系統中,硝化和反硝化往往發(fā)生在相同的條件下或同一處理空間內, 這種現象被稱(chēng)作同步硝化反硝化(SND）,亦有研究人員將這種現象中的反硝化過(guò)程稱(chēng)之為好氧反硝化。
工藝微生物學(xué)家在純種培養的研究中發(fā)現，硝化細菌和反硝化細菌有非常復雜的生理多樣性，如：Roberton和Lloyd等證明許多反硝化細菌在好氧條件下能進(jìn)行反硝化；Castingnetti證明許多異養菌能進(jìn)行硝化。這些新發(fā)現使得同時(shí)硝化反硝化成為可能，并奠定了SND生物脫氮的理論基礎。硝化與反硝化的反應動(dòng)力學(xué)平衡控制是同步硝化反硝化技術(shù)的關(guān)鍵。
在該工藝中，硝化與反硝化反應在同一個(gè)構筑物中同時(shí)進(jìn)行，與傳統的工藝相比具有明顯的優(yōu)越性：（1）節省反應器體積和構筑物占地面積，減少投資；（2）可在一定程度上避免NO2-氧化成NO3-再還原成NO2-這兩步多余的反應，從而可縮短反應時(shí)間，還可節省DO和有機碳；（3）反硝化反應產(chǎn)生的堿度可以彌補硝化反應堿度的消耗，簡(jiǎn)化pH調節，減少運行費用。MBBR工藝是同步硝化反硝化的典型工藝。
MBBR工藝原理是通過(guò)向反應器中投加一定數量的懸浮載體，提高反應器中的生物量及生物種類(lèi)，從而提高反應器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時(shí)候，與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長(cháng)的環(huán)境為氣、液、固三相。載體在水中的碰撞和剪切作用，使空氣氣泡更加細小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內外均具有不同的生物種類(lèi)，內部生長(cháng)一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好養菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應器，使硝化反應和反硝化反應同時(shí)存在，從而提高了處理效果。
2、短程硝化-反硝化（SHARON）
1975年，Voets等發(fā)現了硝化過(guò)程中亞硝酸鹽積累的現象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念。1986年Sutherson等證實(shí)了其可行性，國內外研究表明，與傳統的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可減少25%左右的需氧量，降低能耗；節省反硝化階段所需要的有機碳源，降低了運行費用；縮短HRT，減少反應器體積和占地面積；降低了污泥產(chǎn)量；硝化產(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和。
因此，對許多低C/N比廢水，目前比較有代表性的工藝有亞硝酸菌與固定化微生物單級生物脫氮工藝，單一反應器通過(guò)亞硝酸鹽去除氨氮(SHARON)工藝。
SHARON工藝是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新型脫氮工藝，其基本原理是在同一個(gè)反應器內，在有氧條件下，利用氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮，然后在缺氧條件下，以有機物為電子供體，將亞硝態(tài)氮反硝化成N2。將氨氧化控制在亞硝化階段是該工藝的關(guān)鍵。
SHARON工藝的成功在于：
(1)利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細菌的競爭能力；
(2)利用完全混合反應器在無(wú)污泥回流條件下污泥停留時(shí)間(SRT)與水力停留時(shí)間(HRT)的同一性，控制HRT大于亞硝酸細菌的世代時(shí)間，小于硝酸細菌的世代時(shí)間，實(shí)現硝酸細菌的“淘洗”，使反應器內主要為亞硝酸細菌；
(3)控制較高的pH值，不僅抑制了硝酸細菌，也消除了游離亞硝酸(FNA)對亞硝酸細菌的抑制。
1998年在荷蘭已有此類(lèi)污水處理廠(chǎng)投入運行。
盡管SHARON工藝按有氧/缺氧的間歇運行方式取得了較好的效果，但不能保證出水氨氮的濃度很低。該工藝更適于對較高濃度的含氨氮廢水的預處理或旁路處理。
3、厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝
1994年，Kuenen等邸發(fā)現某些細菌在硝化反硝化反應中能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作電子受體將氨氮氧化成N2和氣態(tài)氮化物；1995年，Mulder等人在研究脫氮流化床反應器時(shí)發(fā)現，氨氮可在厭氧條件下消失，氨氮的消失與硝氮的消耗同時(shí)發(fā)生并成正相關(guān)。不久，VandeGraaf等人進(jìn)一步證實(shí)該過(guò)程是一個(gè)微生物反應，并且實(shí)驗結果還表明，亞硝態(tài)氮是一個(gè)更為關(guān)鍵的電子受體。因此，可以把ANAMMOX完整的定義為，在厭氧條件下，微生物直接以氨氮作為電子供體，以亞硝態(tài)氮為電子受體，轉化為Nz的微生物反應過(guò)程。
ANAMMOX工藝主要采用流化床反應器，由于是在厭氧條件下直接利用氨氮作電子供體，無(wú)需供氧、無(wú)需外加有機碳源維持反硝化、無(wú)需額外投加酸堿中和試劑，故降低了能耗，節約了運行費用。同時(shí)還避免了因投加中和試劑有可能造成的二次污染問(wèn)題。
由于NH3-N和NO2-N同時(shí)存在于反應器中，因此，ANAMMOX工藝與一個(gè)前置的硝化過(guò)程結合在一起是非常必要的，并且，硝化過(guò)程只需將部分的NH3-N氧化為NO2-N。據此，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)了SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝，該聯(lián)合工藝利用SHARON反應器的出水作為ANAMMOX反應器的進(jìn)水，具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量低、不需外加有機碳源等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應用前景，成為生物脫氮領(lǐng)域內的一個(gè)研究重點(diǎn)。
4、全程自養脫氨氮(CANON)
與其它工藝相比，全程自養脫氨氮系統的優(yōu)點(diǎn)主要表現在：
(1)不必外加有機碳源。因此，在處理低C/N比廢水時(shí)能節省大量能源；
(2)對亞硝氮的供應沒(méi)有要求，含有高氨氮的廢水可直接進(jìn)入反應器；
(3)盡管該系統要求限氧，但不嚴格要求厭氧，因此，在實(shí)際操作中，氧氣的控制比較容易。目前，全程自養脫氨氮系統的處理能力仍然很低，對其機理也不十分明確，但污泥接種體比較容易大量生長(cháng)，接種的硝化污泥很容易在活性污泥中產(chǎn)生，這表明該系統可應用于工程實(shí)踐。氧限制自養硝化反硝化(OLAND)工藝是全程自養脫氮的典型工藝。
Kuai等人提出了OLAND工藝，該工藝的關(guān)鍵是在活性污泥反應器中控制溶解氧，使硝化過(guò)程僅進(jìn)行到氨氮氧化為亞硝酸鹽階段，由于缺乏電子受體，由NH3-N氧化產(chǎn)生的NO2-N氧化未反應的NH3-N形成N2。該反應機理為由亞硝酸菌(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反應。
研究表明，亞硝酸菌與硝酸細菌對氧的親和力不同，亞硝酸菌氧飽和常數一般為0.2~0.4mg/L，硝酸菌的為1.2-1.5mg/L，在低DO條件下，亞硝酸細菌與硝酸細菌的增長(cháng)速率均下降，然而硝酸細菌的下降比亞硝酸細菌要快，導致亞硝酸細菌的增長(cháng)速率超過(guò)硝酸細菌，使生物膜上的細菌以亞硝酸細菌為主體，出現亞硝酸鹽氮積累。OLAND工藝就是利用這2類(lèi)菌動(dòng)力學(xué)特性的差異，以淘汰硝酸菌，使亞硝酸大量積累。但迄今為止，還不清楚這些微生物群體是否與正常的硝化菌有關(guān)聯(lián)。
OLAND工藝是在低DO濃度下實(shí)現維持亞硝酸積累，但是活性污泥易解體和發(fā)生絲狀膨脹。因此，低DO對活性污泥的沉降性、污泥膨脹等的影響仍有待進(jìn)一步的研究。
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