傳統(tǒng)生物脫氮方法在廢水脫氮方面起到了一定的作用，但仍存在許多問題。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，増加了動力消耗；對C/N比低的廢水，需外加有機(jī)碳源；工藝流程長，占地面積大，基建投資高等。
近年來，生物脫氮領(lǐng)域開發(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(yǎng)脫氮。
1、同步硝化反硝化（SND）
自20世紀(jì)80年代以來, 研究人員在一些沒有明顯缺氧及厭氧段的活性污泥法工藝中, 曾多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象, 即存在有氧情況下的反硝化反應(yīng)、低氧情況下的硝化反應(yīng)。在這些處理系統(tǒng)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(nèi), 這種現(xiàn)象被稱作同步硝化反硝化(SND）,亦有研究人員將這種現(xiàn)象中的反硝化過程稱之為好氧反硝化。
工藝微生物學(xué)家在純種培養(yǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌有非常復(fù)雜的生理多樣性，如：Roberton和Lloyd等證明許多反硝化細(xì)菌在好氧條件下能進(jìn)行反硝化；Castingnetti證明許多異養(yǎng)菌能進(jìn)行硝化。這些新發(fā)現(xiàn)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(chǔ)。硝化與反硝化的反應(yīng)動力學(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(yīng)在同一個(gè)構(gòu)筑物中同時(shí)進(jìn)行，與傳統(tǒng)的工藝相比具有明顯的優(yōu)越性：（1）節(jié)省反應(yīng)器體積和構(gòu)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(yīng)，從而可縮短反應(yīng)時(shí)間，還可節(jié)省DO和有機(jī)碳；（3）反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以彌補(bǔ)硝化反應(yīng)堿度的消耗，簡化pH調(diào)節(jié)，減少運(yùn)行費(fèi)用。MBBR工藝是同步硝化反硝化的典型工藝。
MBBR工藝原理是通過向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類，從而提高反應(yīng)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(xì)小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內(nèi)外均具有不同的生物種類，內(nèi)部生長一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好養(yǎng)菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應(yīng)器，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)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(xiàn)了硝化過程中亞硝酸鹽積累的現(xiàn)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(nèi)外研究表明，與傳統(tǒng)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(jié)省反硝化階段所需要的有機(jī)碳源，降低了運(yùn)行費(fèi)用；縮短HRT，減少反應(yīng)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(yīng)器通過亞硝酸鹽去除氨氮(SHARON)工藝。
SHARON工藝是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的一種新型脫氮工藝，其基本原理是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，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(jī)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(xì)菌的競爭能力；
(2)利用完全混合反應(yīng)器在無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(xì)菌的世代時(shí)間，小于硝酸細(xì)菌的世代時(shí)間，實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”，使反應(yīng)器內(nèi)主要為亞硝酸細(xì)菌；
(3)控制較高的pH值，不僅抑制了硝酸細(xì)菌，也消除了游離亞硝酸(FNA)對亞硝酸細(xì)菌的抑制。
1998年在荷蘭已有此類污水處理廠投入運(yùn)行。
盡管SHARON工藝按有氧/缺氧的間歇運(yùn)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(yù)處理或旁路處理。
3、厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝
1994年，Kuenen等邸發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化反硝化反應(yīng)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(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn)，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)該過程是一個(gè)微生物反應(yīng)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)化為Nz的微生物反應(yīng)過程。
ANAMMOX工藝主要采用流化床反應(yīng)器，由于是在厭氧條件下直接利用氨氮作電子供體，無需供氧、無需外加有機(jī)碳源維持反硝化、無需額外投加酸堿中和試劑，故降低了能耗，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)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題。
由于NH3-N和NO2-N同時(shí)存在于反應(yīng)器中，因此，ANAMMOX工藝與一個(gè)前置的硝化過程結(jié)合在一起是非常必要的，并且，硝化過程只需將部分的NH3-N氧化為NO2-N。據(jù)此，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)了SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝，該聯(lián)合工藝?yán)肧HARON反應(yīng)器的出水作為ANAMMOX反應(yīng)器的進(jìn)水，具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量低、不需外加有機(jī)碳源等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景，成為生物脫氮領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究重點(diǎn)。
4、全程自養(yǎng)脫氨氮(CANON)
與其它工藝相比，全程自養(yǎng)脫氨氮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
(1)不必外加有機(jī)碳源。因此，在處理低C/N比廢水時(shí)能節(jié)省大量能源；
(2)對亞硝氮的供應(yīng)沒有要求，含有高氨氮的廢水可直接進(jìn)入反應(yīng)器；
(3)盡管該系統(tǒng)要求限氧，但不嚴(yán)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(yǎng)脫氨氮系統(tǒng)的處理能力仍然很低，對其機(jī)理也不十分明確，但污泥接種體比較容易大量生長，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(tǒng)可應(yīng)用于工程實(shí)踐。氧限制自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝是全程自養(yǎng)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(yīng)器中控制溶解氧，使硝化過程僅進(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(yīng)的NH3-N形成N2。該反應(yīng)機(jī)理為由亞硝酸菌(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反應(yīng)。
研究表明，亞硝酸菌與硝酸細(xì)菌對氧的親和力不同，亞硝酸菌氧飽和常數(shù)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(xì)菌與硝酸細(xì)菌的增長速率均下降，然而硝酸細(xì)菌的下降比亞硝酸細(xì)菌要快，導(dǎo)致亞硝酸細(xì)菌的增長速率超過硝酸細(xì)菌，使生物膜上的細(xì)菌以亞硝酸細(xì)菌為主體，出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累。OLAND工藝就是利用這2類菌動力學(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(xiàn)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。
來源：環(huán)保工程師
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