污水处理厂曝气池节能及新型生物脱氮技术

北极星环保网讯:【摘要】随着城镇污水处理规模的增加,污水处理厂的能耗也越来越引起重视，分析了生物曝气池的能耗。从节能降耗的角度出发，讨论了几种新型生物脱氮技术，包括同时硝化反硝化、短程硝化

0.引言

按处理程度划分，现代污水处理技术一般可分为一级处理、二级处理和三级处理。总体流程一般如下，污水进水→粗格栅→提升泵站→细格栅→沉砂池→初次沉淀池→生物处理段→二次沉淀池→消毒排放。污水处理厂的能耗主要体现在污水进水提升，生物处理和污泥处理三大块，其中生物处理段的能耗占大很大比例，一般占总能耗的60%左右。

随着我国城市化步伐的加快，各地污水处理厂的建设也紧随其后。为了确保出水水质的稳定，各地区的污水处理都以集中处理为主，这就使得一个污水处理厂的服务面积很大，城市远处的污水要进入污水处理厂则势必要增加污水管道埋深或者多设提升泵站。污水集中后，为了保证后续处理设施的正常运行，必须要求进水泵有较高的扬程，这一部分的能耗也是十分可观的。

污水处理厂的能耗大头在生物处理段，尤其以曝气池为主。曝气的主要作用是向污水中鼓入空气，确保活性污泥能够获得充足的溶解氧来维持其正常的生命代谢。同时为了保证好氧段的处理效果，使空气与污水混合均匀，则要不停的搅拌。由于曝气池容积大，且要二十四小时不停运行，使得这部分的电耗极高。如何降低曝气量已经成为污水处理行业需要研究的重要问题。

1.曝气设备的节能降耗

鼓风曝气系统的节能降耗主要有三方面，(1)选择合适的曝气装置，(2)优化曝气装置的布置，(3)科学的控制曝气量。

城市污水处理过程中氧利用速度如图1[1]所示。

图1 污水处理过程中氧利用速度

如图所示，随着反应时间的推移，微生物的耗氧速度不断降低。好氧反应池进水端的污染负荷较高，而随着反应的进行，污染负荷沿推流方向逐渐降低。按照此原则，曝气装置的安装密度也应该沿推流方向递减。

同时，传统的平均式曝气布置由于不考虑反应池后端的有机物降解，使得池中某段区域溶解氧浓度过高，这样不仅造成曝气浪费，增加能耗，也容易产生污泥老化的现象。与传统的均匀分布的曝气相比，这种递减式的曝气设置可节约能耗15%左右。

除了传统平均曝气方式的缺陷外，很多污水处理厂还存在曝气过量的问题。在实际运行中，污水厂在下午和傍晚的需氧量一般及较大，大于夜晚和早晨，所以根据实际需氧量调整曝气量是十分必要的。曝气过量不仅造成了能源的浪费和污泥沉降性能的变差，也不利于氧的扩散。氧气依靠氧浓度梯度提供动力在水中扩散，当曝气过量时，浓度梯度减小，使得氧气在水中的扩散速度降低[2]。

研究生物曝气池的节能降耗更重要的是要研究新型生物处理技术。以生物脱氮技术为例，目前研究比较热的有同时硝化反硝化、短程硝化反硝化及厌氧氨氧化等。这些新型生物脱氮技术都可以极大的降低需氧量，从而达到节能降耗的目的。

2.传统生物脱氮原理

传统生物脱氮理论认为，生物脱氮包括氨化、硝化和反硝化三个过程。污水中的有机氮首先在氨化菌的作用下转化为氨态氮。硝化反应又分为亚硝化和硝化两个阶段，氨氮先是在亚硝化菌的作用下被氧化成亚硝酸氮，继而，在硝化菌的作用下，亚硝态氮进一步被氧化成硝酸氮。硝化菌属于化能自养型细菌，其生理活动不需要有机物作为碳源。硝化反应需要在好氧条件下进行，溶解氧含量不能低于1mg/L，并要保持一定的碱度，最佳pH值为8.0~8.4。反硝化反应指在反硝化菌的作用下，还原硝酸氮和亚硝酸氮为氮气的过程。反硝化菌属于异养兼性厌氧菌，在厌氧条件下，以有机物为电子供体，以硝酸氮为电子受体。反硝化反应需要有机碳源，最适pH值为6.5~7.5，反应过程中溶解氧应控制在0.5mg/L。

3.新型生物脱氮技术

3.1同时硝化反硝化

同时硝化反硝化是指硝化过程与反硝化过程在同一个反应器中、相同操作条件下同时进行[3,4]。基于硝化过程与反硝化过程各自所需的条件不同，传统脱氮理论任务两者需要分别在不同的反应器中进行。近年来，在很多实际工艺中发现了同时硝化反硝化过程，随着异养硝化、好氧反硝化、自养反硝化等概念的提出[3]，同时硝化反硝化理论也得到了进一步发展。

从宏观环境看，在反应器内存在充氧不均匀的现象，使得反应器中形成了好氧区和缺氧区，硝化菌在好氧区占优势，反硝化菌在缺氧区占优势。随着时间的推移，溶解氧的不均匀性也为同时硝化反硝化的进行创造了条件。从微观上看，在微生物絮体内存在溶解氧梯度，有利于同时硝化反硝化的发生。传统生物脱氮认为硝化只能在好氧条件下进行，反硝化只能在缺氧条件下进行，而由于好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化的发现，使得即使在低溶解氧条件下硝化反应也能进行。

同时硝化反硝化的影响因素主要有：有机碳源、溶解氧、微生物絮体结构等。由于需要实现硝化与反硝化的一体化，所以有机碳源必不可少[5]。进水碳源越充足，同时硝化反硝化就越明显[6]。此外还需选择适当的污泥负荷，负荷过高，会抑制硝化反应，负荷过低，则会大量消耗有机物，使得反硝化的碳源不足。溶解氧也是影响同时硝化反硝化的重要因素之一。DO一般控制在0.5~1.0mg/L[5,7,8]，DO过高，反应器内缺氧区域减小，反硝化受抑制，DO过低，不利于硝化反应的进行。微观上认为微生物絮体内的溶解氧梯度使得同时硝化反硝化发生，所以絮体的大小也是影响因素之一。只有当微生物絮体的粒径在一个最佳的范围内，才能使得好氧区和缺氧区的比例最佳。研究表明[4]，当絮体粒径在50~110微米时可在絮体内形成缺氧区。此外，温度、碱度、pH和污泥龄等也会对同时硝化反硝化产生一定影响。

3.2短程硝化反硝化

从整个生物脱氮过程来看，污水中氮的去除先后经历NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→N2这样的过程。短程硝化反硝化理论认为，只要控制合适的反应条件，使硝化反应只进行到NO2-阶段，并直接将NO2-还原成N2从而达到脱氮的目的(NH4+→NO2-→N2)。与传统生物脱氮过程相比，短程硝化反硝化不仅可减少硝化过程的曝气量，也减少了反硝化过程对有机物的需求量[9]。

短程硝化反硝化顺利进行的关键在于HNO2的积累，传统生物脱氮过程中，硝化反应的主要产物是NO3-，一般占95%左右，而NO2-的含量极低。由于亚硝化菌和硝化菌有着密切的互生关系，想要将NH4+完全氧化成NO2-是不可能的。衡量短程硝化反硝化能否顺利进行的标志是NO2-的累积量，以NO2-/(  NO3-+NO2-)的值表示，一般认为累积量至少需大于50%。

影响NO2-积累的主要因素有游离氨(FA)、pH、温度、溶解氧(DO)、污泥龄和有害物质等。游离氨(FA)的存在会对硝化反应产生抑制作用。当FA达到0.6mg/L时会阻断NO2-向NO3-氧化的过程，促进NO2-的积累[10]。当FA大于5mg/L时，NH4+的氧化受阻，不利于形成NO2-。pH值的控制要考虑NH4+的氧化、NO2-的积累和FA的控制，一般控制在7.0~8.5[11]。温度一般控制在25~30℃。溶解氧(DO)应控制在0.7~1.4mg/L，DO小于0.5mg/L时，NH4的氧化受阻，DO值过高不利于NO2-的积累。

由于亚硝化菌和硝化菌之间关系紧密，每个影响因素的变化都同时影响到两类细菌，而且各个因素之间也存在这相互影响的关系，例如pH值的变化会影响到FA的浓度，这使得短程硝化反硝化的条件难以控制。目前这一理论仍处在人工配水阶段，如何有效的维持NO2-的累积仍有待研究。

3.3厌氧氨氧化

20世纪90年代中期，荷兰Delft技术大学在反硝化流化床中试过程中发现了厌氧氨氧化现象。厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NH4+为电子供体，以NO2-为电子受体，将NH4+和NO2-转化为N2的过程[12,13](反应式)。

由于厌氧氨氧化菌世代周期长，生长及其缓慢，目前如何快速有效地启动厌氧氨氧化反应器已成为研究的热点。厌氧氨氧化的培养污泥主要有：好氧污泥、好氧硝化污泥、厌氧污泥、厌氧颗粒污泥、厌氧消化污泥等。常用的反应器主要有：上流式厌氧污泥床(UASB)、序批式反应器(SBR)、序批式生物膜反应器(SBBR)、膨胀颗粒污泥流化床(EGSB)等。胡勇有等[14]采用ASBR反应器，接种好氧硝化污泥，经历142d后成功培养出厌氧氨氧化菌。杜兵等[15]采用推流式固定化生物反应器，接着好氧污泥和好氧硝化污泥，经120d成功启动厌氧氨氧化反应器。张少辉等[16]采用上流式生物膜反应器，接种厌氧消化污泥和厌氧污泥的混合物，经110d成功启动厌氧氨氧化反应器。

影响厌氧氨氧化的因素主要有温度、溶解氧、pH值、底物浓度等。研究表明[17]，当温度由15℃逐渐升至30℃的过程中，反应速率随温度的升高而提高。温度小于15℃时反应速率较低，温度大于35℃后，反应速率开始下降。Strous等[18]研究表明，厌氧氨氧化对DO非常敏感，须在严格厌氧的条件下进行。一般认为厌氧氨氧化的适宜pH值为7.0~9.0[17]。NO2--N浓度的增加会提高厌氧氨氧化反应速率，过高的亚硝态氮浓度则会一直反应的进行。研究表明[19]，进水中最佳的NH4+-N：NO2--N为1：1.3。

厌氧氨氧化不需要以有机物作为电子供体，节省碳源的同时也可以防止二次污染，在严格的厌氧条件下进行极大降低了能耗。此外，厌氧氨氧化还具有污泥产量低，反应过程中不产碱，节省中和剂的优点。然而厌氧氨氧化反应器的启动时间长，运行条件苛刻，是的其在实际工程中的应用受到极大的限制。

4.结论与展望

就目前来看，同时硝化反硝化的应用相对比较成熟，而对于短程硝化反硝化以及厌氧氨氧化来说，由于受到多种因素的制约，这两种的研究进展基本上还处在实验室阶段。短程硝化反硝化的难题在于如何稳定高效的积累亚硝酸氮，厌氧氨氧化的条件则更为苛刻。但从节能减排的角度讲，医厌氧氨氧化具有一些优点：由于氨直接作反硝化反应的电子供体，可不需要外加碳源(甲醇)，既可节约运行费用，也可防止二次污染;由于氧得到有效利用，供氧能耗下降;由于部分氨没有经过硝化作用而直接参与厌氧氨氧化反应，产酸量下降，产碱量为零，这样可以减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，也可以减轻二次污染。

厌氧氨氧化的研究应着手于以下几点：(1)研究厌氧氨氧化菌的微生态环境，寻求如何快速高效的使其繁殖的方法;(2)研究厌氧氨氧化酶学，探究其机理;(3)进一步研究厌氧氨氧化在低浓度污水处理中的应用。

延伸阅读：

高浓度氨氮废水处理——新型生物脱氮法