微污染水体中低浓度氨氮处理技术

饮用水水源的氮磷污染问题逐渐受到人们的关注，氮磷过量导致湖泊等封闭型水体富营养化，而水质恶化会增加给水处理的难度，通过常规处理难以达到饮用水卫生标准。有研究表明，在供水管网中，0.25mg/L的NH就足以使硝化细菌生长繁殖，且硝化细菌在代谢过程中会释放出臭昧；过量的硝酸氮会在人胃中还原为亚硝酸氮，与胃中的仲胺或酞胺作用形成致癌性物质亚硝胺。因此，法国和德国规定饮用水中的氨氮(NH3-N)≤0.5mg/L；荷兰更是严格至0.2mg/L；中国根据新的饮用水质量标准(GB5749—2006)生活饮用水卫生标准，规定(NH3-N)≤0.5mg/L。有效去除微污染水源中低浓度氨氮已成为水处理领域的热门话题。

根据国内外工程实例及资料介绍，目前处理微污染水体中低浓度氨氮废水的方法主要有三类，即物理法、化学法、生物法。文中主要通过生物法与物理化学法的对比，强调生物处理法是目前除氮效果最佳方法；并详细阐述目前几种生物处理技术的研究现状，提出了今后脱氮技术的发展趋势。

1生物处理方法与物理化学方法的比较目前，处理微污染水体中低浓度氨氮废水的物理与化学法主要有以下几种方法：折点氯化法、离子交换法、吸附法、电化学氧化法等。折点加氯法就是投加cl：，将NH4+一N转化为N：的化学过程，反应速度快，但加氯量大，费用高，副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染；。离子交换法的脱氮过程是选用对铵离子有很强选择性的离子交换剂作为交换树脂，使固相交换剂和废水中铵离子之间进行化学置换反应，从而达到去除氨氮的目的。虽然离子交换法去除废水中的氨氮取得了一定的效果，但交换剂的交换容量有限，交换剂使用前需要改性等问题制约着离子交换法的广泛使用；吸附法主要采用具有较强吸附能力的固体介质对河道水体中的NH4+一N进行去除，常用的吸附剂有活性炭、黏土、硅藻土、沸石等。但目前缺乏价格合适、性能良好的吸附剂作为吸附材料，还不适合作为单独的处理系统；电化学氧化法去除有机污染物是由电氧化法与化学氧化法共同完成，该方法能使水中的污染物生成不溶于水的沉淀物，或生成气体从水中逸出，从而使废水得以净化。此法经常与生化法结合用于反硝化除氮，但是受电极材料的限制，电化学氧化降解有机废水的电流效率偏低，能耗偏高。

生物脱氮原理从反应类型上可分为NH4+一N的硝化作用和NO；一N(N0—N)的反硝化作用两种。好氧条件下氨化菌将水中的有机氮分解、转化成NH4+一N，再利用亚硝化菌把NH4+一N转化为NO一N，NO一N在硝化菌的作用下，进一步转化成NO一N。生物脱氮由于其成本低廉、高效、无二次污染和易操作等优点，极具发展前景。在传统的生物脱氮工艺中，尤其是在低浓度氨氮的环境中，低碳源和贫营养、硝化细菌生长缓慢的特点达不到深度处理的效果，同时由于水力停留时间(HRT)太短，很难实现固液分离，使得硝化细菌在处理系统中大量流失。因此，在传统生物脱氮工艺基础上，针对以上问题，进行了新的探索与改进。目前，低氨氮浓度废水的生物处理法主要有固定化细胞技术、厌氧氨氧化技术、膜生物反应器(MBR)工艺、生物膜法等。

2生物处理方法

2.1固定化微生物技术

固定化微生物技术是用化学的或者物理的手段和方法将游离微生物限制或定位在某一特定空问范围内，保留其固有的催化活性，且能够被重复和连续使用的现代生物工程技术。由于具有高效、快速、耐受性强、污泥产量少、微生物密度高等优点，因此，在水处理中得到越来越多的研究和应用。固定化大致可分为四种：吸附法、交联法、包埋法和介质截留法。

一般认为，微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧反硝化两个阶段。黄廷林等人针对微污染水低碳源和贫营养的特点，利用固定化微生物技术将异养硝化菌和好氧反硝化菌固定于自制悬浮纤维海绵球型填料上，研究了贫营养及好氧条件下水源水的生物脱氮过程。由筛选的优势异养硝化菌和好氧反硝化菌为主构建的纤维海绵球填料生物膜系统，试验结果表明，在原水总氮2.7mg/L、氨氮1.3mg/L、水温25℃、溶解氧3—4mg/L的条件下，经过19d的连续运行，构建的生物膜系统对水中氨氮的去除率达到了100%，总氮去除率最高达到52%，处理效果稳定，在低营养条件下获得良好的生物脱氮效果，该技术是改善微污染水源水水质的有效途径。

董亚梅等人通过人工配制微污染废水，利用水性聚胺酯包埋固定硝化菌在上流式循环反应器中对约含1mg/L氨氮废水进行了研究，并探讨了不同因素如温度，溶解氧(DO)、浓度和pH值对硝化作用的影响。结果表明，当初始氨浓度为1mg/L时，最佳操作条件pH为9、DO为4mg/L、温度为30~C和氧气充足的条件下，固定化颗粒具有较好的硝化特性，在较低温度下和更广泛的pH范围内保留其硝化活性。微污染废水的连续处理表明，在停留时间为30min时，使用水性聚胺酯固定化颗粒的氨氮去除率保持在80%以上，即使在水力停留时间10rain以下时，出水仍符合国家水质标准。水性聚胺酯包埋固定硝化菌在低浓度氨氮废水中体现出较高的氨氮的去除能力，同时可长期稳定运行。这种方便的固定化硝化细菌的方法在微污染水源处理的长期运行中很有前途。

侯帅华等采用包埋固定微生物好氧流化床在不同滤速条件下处理广州某河河水，进水氨氮的浓度为1.640—4.040mg/L，颗粒的装填体积为流化床有效容积的10%，流化床采用气升管曝气的内循环方式设计。试验表明，在水温为20%左右，DO浓度大于、等于4mg/L的条件下，当滤速为11—12m/h(HRT为35—38rain)时，氨氮的去除率可以保持在40%以上。

固定化微生物在废水处理中的应用十分广泛，它具有效率高、稳定性强、耐负荷、产污泥量少等优势。固定化硝化细菌较游离细菌而言，更能适应环境的变化，同时在处理系统中不易流失，因此，它在废水处理乃至于环境保护工程中会发挥越来越重要的作用。

2.2厌氧氨氧化技术

在传统生物脱氮基础上，人们不断对生物脱氮技术进行研究，提出了一种新的脱氮途径即厌氧氨氧化。厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxida-tion，Anammox)的基本原理是在厌氧或缺氧的条件下，微生物直接以NH—N为电子供体，以NO；一N为电子受体，将NH—N、NO；一N转变成N：的生物氧化过程。Kuypers等在黑海中发现，厌氧氨氧化菌能够高效地消耗从黑海表层区域进入到下层厌氧区的无机氮，从而说明在氨氮浓度极低的条件下，厌氧氨氧化反应也能顺利进行。

操家顺等采用特制的HHU一2T型往复式水浴恒温振荡器，在SBR反应器中，以好氧硝化污泥和厌氧污泥作为接种污泥进行混合培养，为了使厌氧氨氧化工艺运用于城市污水处理中，试验进水氨氮浓度一般维持在12mg/L，由于氨氮浓度很低，厌氧氨氧化的富集时间较高浓度氨氮条件下更长(一般为100d左右)，约5个多月才能完成反应器的启动，但成功启动后氨氮和亚硝氮的去除率均达到90%以上，高于多数高氨氮条件下启动的厌氧氨氧化反应器的去除效率。在此基础上，研究了pH值、温度及化学需氧量(COD)对厌氧氨氧化反应过程的影响，并确定了各因素的最佳控制范围。研究结果表明：在低浓度氨(NH一N一12mg/L)条件下，厌氧氨氧化反应在pH值为7.5—8.0、温度为30—35℃、COD为0—50mg/L时反应达到最佳状态。

张龙等人采用污泥混合接种的方法，利用UASB反应器进行厌氧氨氧化菌混培物的培养与驯化，反应器连续运行了210d。当含氮模拟废水的NH，一N浓度和NO一N浓度分别为3—5mmol/L和4—6mmol/L时，其最大去除率分别达68.0%和95.1%。付丽霞等运用厌氧氨氧化技术处理浓度小18mg/L的低浓度氨氮废水，结果表明，厌氧氨氧化反应在pH8.0、温度30cC、有机质(TOC)浓度40mg/L时，反应达到最佳状态，亚硝酸盐氮与氨氮去除率分别为100%和93%。

厌氧氨氧化较传统工艺而言，首先反应无需外加有机碳源作为电子供体，在节约成本的同时，防止了投加碳源产生的二次污染。其次只需将进水中50%氨氮氧化为亚硝酸态氮，节省了供氧动力消耗。再次，反应过程中几乎不产生N，O，避免了传统硝化一反硝化工艺中产生的温室气体排放，因此该工艺自发现以来一直是国内外研究的热点。

2.3膜生物反应器(MBR)工艺

膜一生物反应器(MBR)是生物处理单元与膜技术的有机结合。由于膜分离代替了常规固液分离装置，有效地截留了微生物，实现了水力停留时间和污泥龄的分离，污染物处理效率高，出水水质好且稳定，已成功应用于污水处理与回用等领域。

莫罹等考察了悬浮生长型和3种附着生长型MBR处理人工模拟微污染水源水，结果表明，上述4种MBR对氨氮的去除率可达85%一90%(HRT为2—4h)，且投加PAC的MBR对有机物去除率较高。曹占平等¨采用MBR工艺处理低浓度氨氮废水，在进水氨氮浓度为30—63mg/L、DO浓度在0.8—1.2mg/L时，氨氮去除率能达到90%以上，总氮(TN)去除率达到70%。

膜生物反应器(MBR)工艺利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留，省掉二沉池，活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)可以分别控制，使难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应器(MBR)工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。与传统的生物处理方法相比，是目前最有前途的废水处理新技术之一。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

2.g生物膜法

生物膜法是利用固着在惰性材料表面的膜状生物群落处理污水的方法。生物滤池法、生物接触氧化法和生物转盘法均属于此种方法。目前，对低浓度氨氮的微污染水处理，生物膜法主要采用序批式生物膜法(SBBR)、曝气生物滤池(BAF)及改进工艺等。

序批式生物膜法(SBBR)实质上是生物膜法(SBR)的问歇操作模式，它秉承了SBR工艺最成熟的可控制非稳态技术特征，是SBR技术的革新工艺之一¨。该法结合了生物膜和序批式的特点，采用限制性曝气实现厌氧、好氧的交替运行，通过控制合适的时间比例，可以达到较好的去除氨氮的效果。张朝升等采用序批式生物膜法对广州地区城市生活污水进行生物脱氮实验，研究表明：氨氮的去除率都在86%以上，出水浓度基本都小于4mg/L，而且大部分都在1ing/L；经过60min左右反硝化反应后，硝酸盐浓度基本在0.08mg/L以下。温度对硝化和反硝化的影响较大。宋晶等用SBBR工艺对不同盐度的模拟废水进行处理，进水COD为300mg/L，在污泥质量浓度为2000—3500ing/L、污泥龄为18d的条件下，对反应器一个周期内氨氮的去除情况进行考察，当盐度为0时，氨氮的浓度从20.2mg/L降到4ing/L以下，去除率达到84%，随着时间的延长，去除率达到93%。但当盐度增大到2%时，1h内相应的出水氨氮去除率从93%降低到了72%。

自上世纪80年代法国OTV公司开发BIO.CARBONE工艺以来，曝气生物滤池(BAF)工艺有了很大发展，先后出现了BIOSTYR、BIOFOR、BIO.PUR、BIOSMEDI等多种工艺，在世界范围内的应用也日益广泛，对NH4+一N和有机氮具有较强的去除转化能力。研究表明，BAF适合微污染河水和生活污水的处理¨。闫立龙引等人采用升流式曝气生物滤池(Up—flowBiologicalAeratedFil—ter，UBAF)处理二级生活污水的研究，研究了UBAF对NH—N的去除规律，结果表明，UBAF可以有效去除二级生活污水中的Nn；一N，去除率达75.3%；同时，UBAF具有很强的抗冲击负荷的能力，进水NH4一N分别在4—26.83mg/L时，出水NH4+一N稳定在4Illg/L以下。李秀芳等采用UBAF组合工艺处理浓度为2.07～22.9mg/L的低浓度氨氮废水，当气水比为2：1，进水流量为0.6L/h，水力负荷为0.3ITI/(In•h)，填料高度为60cm，进水COD小于40mg/L时，氨氮平均去除率可达45.1%。该方法的处理效率与水体中有机物的浓度紧密相关，高浓度的有机物会对氨氮的去除产生抑制作用，所以该方法只适合于废水的深度处理。

在生物膜法处理中，生物固体的平均停留时间与污水的停留时间无关，硝化菌和亚硝化细菌能够大量繁殖，氨氮的容积去除负荷率较大，耐冲击负荷能力强。系统对氨氮去除效果显著，可以在较短的停留时间内取得较高的去除率。

3前景展望

面对污染严重的水源与日益提高的水质标准，微污染水体中低浓度氨氮去除的研究势在必行。虽然现行许多技术与工艺已投入使用，但仍在应用范围、操作条件、成本投入等方面存在局限性。因此，在今后的研究探索中还要注重以下几方面问题。首先，针对不同情况的微污染水体要采用不同的应对方案；其次，在深度处理时满足氨氮相应标准的同时，还应注意满足其他水质标准要求。再次，还应对处理过程中影响因素加以深入研究，从而更好的控制反应过程。另外，物理化学处理方法相对于生物处理法有更多的局限性，但将二者结合，可能成为未来此类污水处理的发展方向。对于微污染水体中低浓度氨氮去除方法与工艺还需更进一步探索。