自養(yǎng)菌反硝化脫氮工藝簡介
自20世紀(jì)初以活性污泥法為代表的污水生化處理技術(shù)建立以來，都是以去除含碳有機(jī)物為核心的污水二級生化處理。其處理后的水質(zhì)僅能達(dá)到BOD5=20mg/L，SS=20mg/L，而原污水中NH4+-N和磷只有少部分用于細(xì)胞合成，大部分隨出水流出。只在近10到30年的時間里，為遏制水質(zhì)污染逐年加劇的趨勢，提出了污水深度脫氮除磷的要求，即在二級出水的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行物理、化學(xué)和生物化學(xué)的深度凈化，達(dá)到再生水用戶的要求或達(dá)到不影響下游水體功能的水質(zhì)要求。所以，污水再生凈化不但要去除懸浮物（SS）和有機(jī)污染物（COD），同時因不同用水戶的水質(zhì)要求不同，也要去除氮磷污染物，甚或要深度脫氮除磷。深度脫氮除磷是污水再生凈化的重要任務(wù)，是污水再循環(huán)利用的客觀需求。近來我省對城鎮(zhèn)污水處理廠明確提出逐步要達(dá)到DB13/2796-2018《子牙河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，其中要求：COD≤40mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TN≤15mg/L，TP<0.4mg/L，氮、磷的去除成為污水工藝提標(biāo)的技術(shù)關(guān)鍵。
氮的所有形式（氨NH3、銨NH4+、亞硝酸根NO2-、硝酸根NO3-，但不包括氮?dú)釴2）均可作為營養(yǎng)物質(zhì)，為控制受納水體的富營養(yǎng)化，就需要從污水中將其去除，此工藝過程統(tǒng)稱為脫氮，脫氮技術(shù)可分為化學(xué)脫氮和生物脫氮。
化學(xué)脫氮常采用氨氣提法。其主要機(jī)理是用化學(xué)方法提高水中的pH值，使水中的銨離子轉(zhuǎn)變成游離的氨，然后通過向水中曝氣的物理作用，以氣提的方式將游離氨從水中逸出，從而實(shí)現(xiàn)從水中去除氨氮，但對NO3--N沒有去除效果。
生物脫氮是利用硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的硝化與反硝化作用來脫氮，故通常稱其為硝化—反硝化（Nitrification/Denitrification）脫氮。污水進(jìn)入生化反應(yīng)器后，含氮化合物在微生物的作用下相繼發(fā)生一系列反應(yīng)。其TN的變化有3條途徑（如圖1）：
其一轉(zhuǎn)化為N2、NxOy、NH3等氮的氣體形態(tài)從反應(yīng)器中逸入大氣；其二被微生物通過同化作用吸取為新細(xì)胞物質(zhì)，以剩余污泥的形式從生化反應(yīng)器中排除；其三則隨出水排出，表征為出水TN。
現(xiàn)行的污水處理廠一般采用AO工藝或AAO工藝作為生物脫氮的工藝流程。AO生物脫氮指的是缺氧—好氧（Anoxic-Oxic）工藝，其主要特點(diǎn)是用于反硝化脫氮反應(yīng)器置于系統(tǒng)之首，故稱之為前置反硝化生物脫氮系統(tǒng)（如圖2）。
現(xiàn)行的污水處理廠一般采用AO工藝或AAO工藝作為生物脫氮的工藝流程。AO生物脫氮指的是缺氧—好氧（Anoxic-Oxic）工藝，其主要特點(diǎn)是用于反硝化脫氮反應(yīng)器置于系統(tǒng)之首，故稱之為前置反硝化生物脫氮系統(tǒng)（如圖2）。
AAO工藝亦稱A2O工藝，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic首字母的簡稱，即：厭氧—缺氧—好氧工藝；而倒置AAO工藝是將缺氧工藝置于厭氧工藝之前（如圖3）。
倒置AAO工藝的特點(diǎn)是：1.因來水中的DO（溶解氧）值較高，會破壞厭氧狀態(tài)，且來水中富含大量的COD可直接用于缺氧池的反硝化反應(yīng)，達(dá)到脫氮的目的，所以將缺氧池置于厭氧池之前；2.經(jīng)過缺氧池的消耗，使得水體中DO值降低，進(jìn)而進(jìn)行厭氧水解，可將較大分子量的有機(jī)污染物在水解酶的作用下分解成小分子量的有機(jī)物，能更好地對有機(jī)污染物降解；3.外回流可將好氧硝化反應(yīng)產(chǎn)生的大量硝態(tài)氮輸送到缺氧池，而內(nèi)回流是將不完全硝化的氨氮進(jìn)一步氧化硝化。
缺氧池中的反硝化反應(yīng)是指硝態(tài)氮（硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的合稱）在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（N2）的過程，是從污水水體中脫除氮的主要工藝環(huán)節(jié)。反硝化菌屬異養(yǎng)菌，這些異養(yǎng)菌利用污水中的有機(jī)物（COD，也是異養(yǎng)菌生存的營養(yǎng)源——碳源）進(jìn)行氧化發(fā)酵得到細(xì)胞所需的營養(yǎng)物，進(jìn)而降解了有機(jī)污染物的同時還原水體中硝態(tài)氮成為氮?dú)猓∟2）逸出水體，達(dá)到脫氮的作用。
通俗講自養(yǎng)菌就是能夠自養(yǎng)自理，通過簡單地攝取無機(jī)化合物來合成自身的有機(jī)體（菌體）；而異養(yǎng)菌需要通過寄生或腐生的方式，在水解酶的作用下的化學(xué)氧化還原反應(yīng)代謝能量進(jìn)行的繁衍。同樣，自養(yǎng)菌大多生存于好氧狀態(tài)下的好氧（O池）中，如上述的好氧池的硝化反應(yīng)；異養(yǎng)菌主要在厭/缺氧（A池）中進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將水體中的硝態(tài)氮還原成氮?dú)?。所以，污水處理的脫氮工藝需要有機(jī)碳源，以消耗污水中的有機(jī)污染物（COD）作為碳源。污水中的有機(jī)污染物往往不易降解為簡單的有機(jī)物，不能直接作為碳源使用，就需要外加大量碳源，這樣無形中提高了運(yùn)行成本。
在上世紀(jì)90年代，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的生物技術(shù)實(shí)驗室開發(fā)出一種新型自養(yǎng)菌生物脫氮技術(shù)，在缺氧條件下，自養(yǎng)型微生物可直接利用無機(jī)物CO2（溶于水中呈現(xiàn)為碳酸鹽類）作為碳源，用回流的亞硝酸鹽氮（NO2--N）氧化水中的氨氮，將氨氮直接變成氮?dú)?。對比傳統(tǒng)的反硝化工藝，不用碳源，節(jié)省了100%外加碳源所增加的費(fèi)用；理論上還可節(jié)省65%的好氧曝氣所消耗的動力；污泥產(chǎn)量極少，節(jié)約了污泥處置費(fèi)用；同時可以減少CO2等溫室氣體的排放。所以，自養(yǎng)菌反硝化脫氮完全突破了傳統(tǒng)意義上的生物脫氮的基本概念，為生物法處理低碳氮比的廢污水找到了一條優(yōu)化途徑。
自養(yǎng)菌生物脫氮受限于硝態(tài)氮中的亞硝酸鹽氮的穩(wěn)定性，這是由于亞硝酸鹽氮在好氧池內(nèi)，可以在硝化菌的輔助作用下被氧化成硝酸鹽氮，而在缺氧條件下，很容易被還原成氨氮，所以，為了在缺氧狀態(tài)下穩(wěn)定住亞硝酸鹽氮，就需要利用催化劑。
自養(yǎng)菌生物脫氮通常用于污水處理廠深度脫氮工藝——自養(yǎng)菌反硝化濾池，這是一種在國內(nèi)較新的脫氮工藝，在污水處理廠的應(yīng)用不多見，均在實(shí)驗研究階段。查閱了許多資料后，在此做一簡單介紹。
自養(yǎng)菌反硝化的基本原理，是指水體中的化能自養(yǎng)型微生物利用無機(jī)碳（CO2、HCO3-、CO32-）作為碳源，主要以無機(jī)物（S、S2-、H2、S2O32-、Fe、Fe2+、NH4+等）作為硝酸鹽氮還原的電子供體完成微生物新陳代謝，將缺少有機(jī)碳源（COD）的硝酸鹽氮污染的水中的NO3--N還原為N2的過程。自養(yǎng)反硝化的優(yōu)點(diǎn)包括：
A.使用自養(yǎng)型濾料，無需投加碳源，降低碳源設(shè)備投資，以及避免傳統(tǒng)碳源投加過量導(dǎo)致的穿透現(xiàn)象，徹底杜絕出水COD升高的問題；
B.濾料消耗費(fèi)用小于碳源投加費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用降低；
C.可提高處理負(fù)荷，確保濾池日處理水量不發(fā)生變化；
一般自養(yǎng)菌反硝化濾池采用單質(zhì)硫及鐵復(fù)合礦物作為濾料，該濾料實(shí)質(zhì)上是一種催化劑，復(fù)合濾料除具備截留懸浮污染物功能也作為緩釋型電子供體驅(qū)動其附著的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，從而實(shí)現(xiàn)脫氮。選用的復(fù)合濾料中包括在反硝化過程中能夠產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的兩大類型，并通過復(fù)合比例的優(yōu)化設(shè)計，能夠使得反硝化脫氮過程中pH值始終保持在中性范圍，從而獲得較高脫氮速率，并滿足出水pH值指標(biāo)的要求。相較于目前常見的基于外源投加有機(jī)碳源的反硝化濾池，自養(yǎng)性反硝化濾池?zé)o需投加有機(jī)碳源，可有效避免由于水質(zhì)波動帶來的COD二次污染問題。同時，脫氮基于自養(yǎng)反硝化原理，污泥產(chǎn)率低，可有效降低反沖洗頻次，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。另外，相較于有機(jī)碳源作為電子供體，固體緩釋型電子供體更為廉價，并易于儲藏和運(yùn)輸，整體上可顯著降低深度反硝化工藝的運(yùn)行成本。
自養(yǎng)菌反硝化的基本原理，是指水體中的化能自養(yǎng)型微生物利用無機(jī)碳（CO2、HCO3-、CO32-）作為碳源，主要以無機(jī)物（S、S2-、H2、S2O32-、Fe、Fe2+、NH4+等）作為硝酸鹽氮還原的電子供體完成微生物新陳代謝，將缺少有機(jī)碳源（COD）的硝酸鹽氮污染的水中的NO3--N還原為N2的過程。自養(yǎng)反硝化的優(yōu)點(diǎn)包括：
A.使用自養(yǎng)型濾料，無需投加碳源，降低碳源設(shè)備投資，以及避免傳統(tǒng)碳源投加過量導(dǎo)致的穿透現(xiàn)象，徹底杜絕出水COD升高的問題；
B.濾料消耗費(fèi)用小于碳源投加費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用降低；
C.可提高處理負(fù)荷，確保濾池日處理水量不發(fā)生變化；
一般自養(yǎng)菌反硝化濾池采用單質(zhì)硫及鐵復(fù)合礦物作為濾料，該濾料實(shí)質(zhì)上是一種催化劑，復(fù)合濾料除具備截留懸浮污染物功能也作為緩釋型電子供體驅(qū)動其附著的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，從而實(shí)現(xiàn)脫氮。選用的復(fù)合濾料中包括在反硝化過程中能夠產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的兩大類型，并通過復(fù)合比例的優(yōu)化設(shè)計，能夠使得反硝化脫氮過程中pH值始終保持在中性范圍，從而獲得較高脫氮速率，并滿足出水pH值指標(biāo)的要求。相較于目前常見的基于外源投加有機(jī)碳源的反硝化濾池，自養(yǎng)性反硝化濾池?zé)o需投加有機(jī)碳源，可有效避免由于水質(zhì)波動帶來的COD二次污染問題。同時，脫氮基于自養(yǎng)反硝化原理，污泥產(chǎn)率低，可有效降低反沖洗頻次，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。另外，相較于有機(jī)碳源作為電子供體，固體緩釋型電子供體更為廉價，并易于儲藏和運(yùn)輸，整體上可顯著降低深度反硝化工藝的運(yùn)行成本。
