隨著國內(nèi)大部分受納水體的環(huán)境容量變小，以及愈加嚴(yán)格的環(huán)境政策，越來越多的市政污水處理廠出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，并有進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。
按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）建議的生物脫氮的污水碳氮比BOD5／TKN＞4這個評價指標(biāo)，如果對全國不同地區(qū)的市政污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計，我們就能發(fā)現(xiàn)，目前我國不同地區(qū)污水廠原水碳源不足、碳氮比低的情況普遍存在。
低碳源污水特性及問題
之前有人對國內(nèi)127座污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)80%的污水處理廠BOD5/TN比值小于3.6，只有10%的污水處理廠大于4。
住建部城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析顯示：我國70%左右的城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN比值小于4，其中北方城市污水廠進(jìn)水BOD5/TN比值為4，南方城市污水廠進(jìn)水BOD5/TN比值為3，可見，碳源不足的情況在全國范圍內(nèi)都是一個棘手的問題。
而我國污水廠多采取的是傳統(tǒng)生物/化學(xué)工藝處理低碳源污水，雖然可以滿足城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，但是污水廠運行成本較高，同時進(jìn)水方式復(fù)雜、操控困難，也給污水廠處理低碳源污水增加了難度，主要存在以下幾個問題：
1、污水廠的運行成本高
由于傳統(tǒng)硝化反硝化工藝需要消耗大量有機物，為了滿足反硝化，需要投加大量碳源，提高C/N。污水廠通常選擇乙酸、乙醇、葡萄糖等有機物作為外加碳源，其市場均價在2500元以上（各地方數(shù)據(jù)有所偏差）。
近年來，以天然的固體有機物為主，無毒、價格低廉的外加碳源成為熱點。比如說有人采用稻殼、玉米芯和陳米作為外加碳源，研究不同天然有機碳源對生物脫氮的影響。也有采用玉米芯固體碳源生物反應(yīng)器，研究SND工藝處理低碳氮比污水的脫氮效果。如果能減少氮的價態(tài)轉(zhuǎn)換過程，就可以從理論上減少碳源的消耗，從而降低有機物的浪費。
2、進(jìn)水方式復(fù)雜
為了提高生物脫氮效率，大多數(shù)污水處理廠采用分段進(jìn)水和周期性改變進(jìn)水的方法。一方面改良分段進(jìn)水擁有充分利用碳源、脫氮效率高、運行管理方便等優(yōu)點；另一方面也存在分段進(jìn)水工藝操作復(fù)雜，運行調(diào)控困難的不足。此外該工藝需要多個反應(yīng)器串聯(lián)運行，占地面積大，運行成本也相應(yīng)增加。
低碳源污水如何脫氮？
1、投加外部碳源
一般來說，低C/N比污水中有機物缺乏，活性污泥系統(tǒng)中微生物之間產(chǎn)生資源競爭，導(dǎo)致了硝化與反硝化反應(yīng)平衡被打破，抑制了生物脫氮過程的進(jìn)行，氮類污染物質(zhì)的去除效果不佳，出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。因此，投加碳源仍為提高低C/N比污水生物脫氮率的主要方式。現(xiàn)有的外加碳源大體上可以分為三大類：以液態(tài)有機物為主的傳統(tǒng)碳源、可生物降解高分子聚合物及天然纖維素物質(zhì)。
1）傳統(tǒng)液體碳源
目前應(yīng)用最為廣泛的液體碳源主要有葡萄糖、乙酸鈉、甲醇和乙酸等。
它們分子結(jié)構(gòu)簡單，有利于微生物的吸收轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)反硝化細(xì)菌的生長繁殖，有效的去除污水中的氮磷。
在以甲醇、乙醇、葡萄糖、乙酸和麥芽糖為外加碳源處理低 C/N 比污水的研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸的反硝化速率最好，甲醇、乙醇和葡萄糖次之，麥芽糖效果最差。
以乙酸鈉為外加碳源的反硝化速率為12 mg · (g · h)-1 , 較以乙醇為外碳源的反硝化速率高出約3 mg · (g · h)-1，在相同的投加量下，再以乙酸鈉作為反硝化系統(tǒng)的外碳源時，其反硝化能力優(yōu)于葡萄糖。
當(dāng)然，除了反硝化能力，運行成本也是污水廠選擇外加碳源要考慮的重要指標(biāo)，如下表所示：
液體碳源的經(jīng)濟性對比
從表中我們可以看出投加葡萄糖成本最高，乙酸鈉投加成本較低，甲醇一般只有在連續(xù)投加時成本最低。
從長期投加成本上看，葡萄糖＞乙酸鈉＞甲醇，甲醇經(jīng)過馴化后，投加成本最低。但是甲醇對運輸、儲存和使用的安全要求極高，一般在進(jìn)水碳源長期不足、總氮長期不達(dá)標(biāo)時，甲醇是最經(jīng)濟的碳源。而乙酸鈉在成本、安全性、反應(yīng)速度各方面而言，具有明顯的優(yōu)勢，是污水廠較好的備用外加碳源。
2）可生物降解高分子聚合物
早在1991年就有學(xué)者提出以PHB作為反硝化碳源去除水中的硝酸氮的設(shè)想，并取得了較好的脫氮效果。
研究認(rèn)為PHB和PCL均能維持7周以上穩(wěn)定的反硝化脫氮效果，硝酸鹽氮的負(fù)荷可達(dá)10 mg · (L · h)-1。
利用PLA顆粒作為反硝化的固體碳源及生物膜載體，在系統(tǒng)溫度為 30℃，硝酸鹽氮初始濃度為50mg· L -1 的條件下，PLA的平均反硝化速率可達(dá)2.6x10³ mg · (g · h)-1，硝酸氮在13h內(nèi)可以得到完全去除。
3）天然維生素類物質(zhì)
天然纖維素類物質(zhì)作為固體碳源，具有來源廣泛、易獲取、價格低廉、易生物降解、無毒等優(yōu)點。
豌豆藤、花生藤、更豆藤、綠豆藤因單位質(zhì)量釋碳量較低，不適宜用作反硝化水處理碳源。相比之下，玉米芯、秸稈等更具備作為理想的固體碳源和生物載體的性能。研究發(fā)現(xiàn)，以玉米葉水解液為反硝化碳源，反硝化速率可達(dá)24. 30 mg· (g· h)-1，脫氮率高達(dá) 97. 20% 。
2、優(yōu)化進(jìn)水方式
傳統(tǒng)的進(jìn)水方式中，大多數(shù)碳源在好氧段消耗，在缺氧反硝化階段將無碳源可用。在合理利用碳源研究中，通過優(yōu)化進(jìn)水方式可以保證有機碳源應(yīng)用于缺氧反硝化階段，主要有兩種優(yōu)化方式：分段進(jìn)水和周期性改變進(jìn)水方式。
分段進(jìn)水方式具有污泥濃度高、水力停留時間短、碳源利用率高等優(yōu)點。近年來，分段進(jìn)水多段A/O工藝是國外針對低碳源污水開發(fā)的新技術(shù)。在碳氮比條件下采用分段進(jìn)水A/0工藝處理高氨氮污水，通過曝氣量控制獲得較高的脫氮效能，平均去除率都達(dá)到了90％以上。
周期性改變進(jìn)水方式可將兩個相同的反應(yīng)器串聯(lián)，將其作為定期進(jìn)水的第一級反應(yīng)器，改變每個反應(yīng)器的周期性功能，以保證充分利用進(jìn)水中有機碳源。
3、生物脫氮新工藝
針對低碳源污水的處理，大多數(shù)污水廠選擇外加碳源的方式來滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，這勢必增加了污水廠的運行處理費用。
而針對低碳源污水的新型生物脫氮工藝（包括短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝以及SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝等）突破了傳統(tǒng)理念，縮短了脫氮時間，降低了碳源的消耗，節(jié)省了運行成本，而且依舊可以達(dá)到水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。
新型脫氮工藝與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝的比較
1）同步硝化反硝化是指在低溶解氧、碳源易降解的條件下，硝化與反硝化同時在同一個反應(yīng)器內(nèi)完成，并能夠一步達(dá)到污水脫氮效果的新型生物脫氮工藝。同步硝化反硝化的出現(xiàn)，突破了硝化、反硝化不能同時發(fā)生的傳統(tǒng)觀念，加快了反應(yīng)進(jìn)程，能維持系統(tǒng)中的pH平衡。
2）短程硝化反硝化工藝將反應(yīng)維持在亞硝化階段，阻止亞硝酸鹽的進(jìn)一步氧化，能夠減少對碳源的需求，降低反應(yīng)過程的能量消耗，縮小反應(yīng)器的占地面積，可以最大程度地降低處理成本，具有一定的經(jīng)濟效益。
結(jié)語
傳統(tǒng)硝化反硝化工藝主要應(yīng)用于低氨氮廢水，對于低碳源的廢水達(dá)不到理想的處理效果，因此需要對工藝進(jìn)行優(yōu)化，以盡可能降低出水的總氮，使其污水達(dá)標(biāo)排放。
而短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化等新興生物脫氮技術(shù)都是基于傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的改進(jìn)，可以較大程度上節(jié)省脫氮處理投資運營費用，使工藝運行更加高效、穩(wěn)定。當(dāng)然，這些新型技術(shù)都還處于發(fā)展應(yīng)用的起步階段，并非特別成熟，希望未來在應(yīng)用中能有更多的探索和改進(jìn)。
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