I-BAF工藝在高濃度氨氮廢水處理中應(yīng)用
1 引言
近年來，隨著化肥、石油化工等行業(yè)的迅速發(fā)展壯大，由此而產(chǎn)生的高氨氮廢水也成為行業(yè)發(fā)展制約因素之一；據(jù)報道,2001年我國海域發(fā)生赤潮高達(dá)77次，氨氮是污染的重要原因之一，并且被氧化生成的硝酸鹽和亞硝酸鹽還會影響水生生物甚至人類的健康。特別是高濃度氨氮廢水造成的污染。因此，經(jīng)濟(jì)有效的控制高濃度氨氮廢水污染也成為當(dāng)前環(huán)保工作者研究的重要課題，得到了業(yè)內(nèi)人士的高度重視。目前，處理氨氮廢水的物理、化學(xué)法等常規(guī)技術(shù)根本不能經(jīng)濟(jì)有效的治理目的，存在處理效果差，運行費用高的問題。生物處理法中，一般采用的A/O法、A2/O 法、SBR序批處理法等對脫氮具有一定效果的工藝技術(shù)，一般處理的廢水氨氮含量不能超過300mg/L，同時，為了實現(xiàn)脫氮的目的，必須補(bǔ)充相應(yīng)的碳源來配合實現(xiàn)氨氮的脫除，使運行費用有很大的增加，是一般企業(yè)根本無法承受。高濃度氨氮廢水來源多，排放量大，采用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)實現(xiàn)處理要求迫在眉睫。
2 I-BAF工藝生物脫氮
近年來，隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，特別是定向分離和培育的特性微生物工程技術(shù)的飛速進(jìn)步，使傳統(tǒng)脫氮理論受到挑戰(zhàn)，并在實際高氨氮廢水的處理項目中被打破。由此發(fā)展的新工藝固定化微生物曝氣生物濾池（簡稱I-BAF）：是在固定化微生物技術(shù)（IM）基礎(chǔ)上，結(jié)合曝氣生物濾池（BAF）發(fā)展而成的污水處理新裝置，生物脫氮理論上有了很多進(jìn)展，新的脫氮理論在實踐上得到了很好的驗證，如： ①亞硝酸硝化/反硝化工藝。該工藝可以節(jié)省25％硝化曝氣量，節(jié)省40％的反硝化碳源，節(jié)省50％反硝化反應(yīng)器容積。 ②厭氧氨氧化。一些微生物能夠以硝酸鹽、二氧化碳和氧氣為氧化劑將氨氧化為氮氣。③好氧反硝化。在好氧條件下，某些好氧反硝化菌能夠通過氨氮的生物作用形成氧化氮和氧化亞氮等氣態(tài)產(chǎn)物。④同時硝化/反硝化工藝（SND）。好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境同時存在的一個反應(yīng)器中，由于許多新的氮生物化學(xué)菌族被鑒定出來，在菌膠團(tuán)作用下，硝化/反硝化同時進(jìn)行，從而實現(xiàn)了低碳源條件下的高效脫氮。
2.1 亞硝酸化反硝化工藝
生物硝化反硝化是應(yīng)用最廣泛的脫氮方式。由于氨氮氧化過程中需要大量的氧氣，曝氣費用成為這種脫氮方式的主要開支。亞硝酸化反硝化（將氨氮氧化至亞硝酸鹽氮即進(jìn)行反硝化），不僅可以節(jié)省氨氧化需氧量而且可以節(jié)省反硝化所需炭源。Ruiza等[1]用合成廢水（模擬含高濃度氨氮的工業(yè)廢水）試驗確定實現(xiàn)亞硝酸鹽積累的最佳條件。要想實現(xiàn)亞硝酸鹽積累，pH不是一個關(guān)鍵的控制參數(shù)，因為pH在 6.45～8.95時，全部硝化生成硝酸鹽，在pH<6.45或pH>8.95時發(fā)生硝化受抑，氨氮積累。當(dāng)DO＝0.7 mg/L時，可以實現(xiàn)65％的氨氮以亞硝酸鹽的形式積累并且氨氮轉(zhuǎn)化率在98％以上。DO<0.5 mg/L時發(fā)生氨氮積累，DO>1.7 mg/L時全部硝化生成硝酸鹽。
劉超翔等[2]短程硝化反硝化處理焦化廢水的中試結(jié)果表明，進(jìn)水COD、氨氮、TN 和酚的濃度分別為1201.6、510.4、540.1、110.4 mg/L時，出水COD、氨氮、TN和酚的平均濃度分別為197.1、14.2、181.5、0.4 mg/L，相應(yīng)的去除率分別為83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。與常規(guī)生物脫氮工藝相比，該工藝氨氮負(fù)荷高，在較低的C/N值條件下可使 TN去除率提高。
2.2 厭氧氨氧化
厭氧氨氧化是指在厭氧條件下氨氮以亞硝酸鹽為電子受體直接被氧化成氮氣的過程。厭氧氨氧化的生化反應(yīng)式為：
NH4++NO2－→N2↑+2H2O
厭氧氨氧化菌是專性厭氧自養(yǎng)菌，因而非常適合處理含NO2－、低C/N的氨氮廢水。與傳統(tǒng)工藝相比，基于厭氧氨氧化的脫氮方式工藝流程簡單，不需要外加有機(jī)炭源，防止二次污染，又很好的應(yīng)用前景。厭氧氨氧化的應(yīng)用主要有兩種：全程自養(yǎng)脫氮工藝和與中溫亞硝化結(jié)合，構(gòu)成中溫亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝。
全程自養(yǎng)脫氮工藝是在限氧的條件下，利用完全自養(yǎng)性微生物將氨氮和亞硝酸鹽同時去除的一種方法，從反應(yīng)形式上看，它是全程自養(yǎng)脫氮和厭氧氨氧化工藝的結(jié)合，在同一個反應(yīng)器中進(jìn)行。
2.3 好氧反硝化
傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為，反硝化菌為兼性厭氧菌，其呼吸鏈在有氧條件下以氧氣為最終電子受體在缺氧條件下以硝酸根為最終電子受體。所以若進(jìn)行反硝化反應(yīng)，必須在缺氧環(huán)境下。近年來，好氧反硝化現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)和報道，逐漸受到人們的關(guān)注。一些好氧反硝化菌已經(jīng)被分離出來，有些可以同時進(jìn)行好氧反硝化和異養(yǎng)硝化（如 Robertson等分離、篩選出的Tpantotropha.LMD82.5）。這樣就可以在同一個反應(yīng)器中實現(xiàn)真正意義上的同步硝化反硝化，簡化了工藝流程，節(jié)省了能量。
賈劍暉等[3]用序批式反應(yīng)器處理氨氮廢水，試驗結(jié)果驗證了好氧反硝化的存在，好氧反硝化脫氮能力隨混合液溶解氧濃度的提高而降低，當(dāng)溶解氧濃度為0.5 mg/L時，總氮去除率可達(dá)到66.0%。
在反硝化過程中會產(chǎn)生N2O是一種溫室氣體，產(chǎn)生新的污染，其相關(guān)機(jī)制研究還不夠深入，許多工藝仍在實驗室階段，需要進(jìn)一步研究才能有效地應(yīng)用于實際工程中。另外，還有諸如全程自養(yǎng)脫氮工藝、同步硝化反硝化等工藝仍處在試驗研究階段，都有很好的應(yīng)用前景。
3 I-BAF工藝的優(yōu)勢
在大幅度提高生物脫氮效率的生物學(xué)基礎(chǔ)上，效率的提高并不意味著成本的上升。在這種前提下，固定化微生物-曝氣生物濾池工藝（I-BAF）處理高氨氮廢水的工藝技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)在處理高氨氮廢水方面有獨特的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：
（1）I－BAF 技術(shù)打破和超越了常規(guī)硝化/反硝化生物治理氨氮廢水的理論基礎(chǔ)。由于采用了特殊生物工程技術(shù)分離和培養(yǎng)的專用菌族（噬氮菌菌族），配合滿足噬氮菌處理高氨氮廢水的生物環(huán)境需要的載體，在I-BAF池中同時存在著硝化/反硝化、亞硝酸硝化/反硝化工藝、同時硝化/反硝化、好氧反硝化、厭氧氨氧化等生物反應(yīng)歷程，能夠發(fā)揮出最高效的脫氮效率。
（2）設(shè)備投資小，運行費用低、運行管理簡單。由于能夠更加高效的去除高氨氮，同時在低有機(jī)物、高氨氮的特性廢水處理過程中，補(bǔ)充碳源極少，本處理工藝產(chǎn)生的污泥量極少，無需增加高額的污泥處置投資和費用，在長期的水處理設(shè)施運行中，微生物和載體一經(jīng)投入無需補(bǔ)加，固定化微生物技術(shù)對進(jìn)水的抗波動能力強(qiáng)，現(xiàn)場操作簡便，更加容易實現(xiàn)自動化控制，所以，I-BAF工藝技術(shù)處理高氨氮廢水表現(xiàn)出了強(qiáng)大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
（3） I-BAF工藝技術(shù)可以實行模塊式應(yīng)用和管理，針對不同的處理要求，可以增加或減少處理單元，改變處理后出水指標(biāo)，在增加相應(yīng)的處理模塊的情況下，可以對出水進(jìn)行更深度的處理，使其達(dá)到回用指標(biāo)要求，用于生產(chǎn)工藝、循環(huán)冷卻水、綠地或沖洗等使用，節(jié)約大量補(bǔ)充用水，為企業(yè)節(jié)省大量的排污費的同時，可以節(jié)約大量的用水費用。
目前，I-BAF工藝技術(shù)已經(jīng)運用在浙江利園皮革廠、浙江恒昌皮革及深圳龍崗垃圾填埋廠等產(chǎn)生高濃度氨氮廢水的企業(yè)，并取得了非常明顯的效果，至此，I-BAF工藝技術(shù)處理高氨氮廢水的研究取得了廣泛和有效的理論基礎(chǔ)和工程實踐效果。
4 小 結(jié)
（1）I-BAF在運行過程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水連續(xù)檢測和在反應(yīng)器內(nèi)不同部位取樣分析均未發(fā)現(xiàn)NO3--N的相應(yīng)增加，與此同時對TN去除率卻較高，說明NH3-N被氧化為NO2--N后并沒有進(jìn)一步被氧化為NO3--N，而是直接被反硝化去除，表現(xiàn)出顯著的亞硝酸硝化反硝化特征。
（2）有關(guān)I-BAF亞硝酸硝化反硝化的機(jī)理、作用因子及其影響規(guī)律的研究尚需進(jìn)一步深入，同時在工程運行事反應(yīng)器出水的NH3-N和NO2--N濃度還比較高，因此有關(guān)如何提高脫氮效能、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運行條件的優(yōu)化研究將具有更重要的工程意義和應(yīng)用價值。
（3）本技術(shù)不僅承載污染負(fù)荷高，抗沖擊力強(qiáng)，運行穩(wěn)定，而且加藥量少，運行費用低，出水水質(zhì)好。
參考文獻(xiàn)
[1]Ruiza G，Jeisonb D，Chamya R. Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration.Water Research，2003，37：1371～1377
[2]劉超翔，胡洪營，彭黨聰，等.短程硝化反硝化工藝處理焦化高氨廢水.中國給水排水，2003，19（8）：11
[3]賈劍暉.氨氮廢水處理過程中的好氧反硝化研究.南平師專學(xué)報，2004，（2）：10～20
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