水是构成地球上一切生命体的基本要素，参与了生命体形成及其物质、能量转化。水是宝贵的自然资源，在地球上广泛分布。随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问题，而我国的缺水形式尤其严峻。与此同时，水环境污染日趋严重。全国 7 大重点流域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染严重，主要湖泊富营养化问题突出。根据全国 130 余个湖泊的调查结果显示，高营养化湖泊占 43.5% ，中营养化湖泊占 45.0% 。富营养化不仅影响水质的质量，而且危害人类健康。氮、磷等营养物的输入是大多数水体产生富营养化的根本原因。

氮对我国及世界环境造成了多方面影响，我们应采用科学的措施和政策，遏制氮对环境与生态的破坏。 在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现了一大批行之有效的处理工艺，构成了废水脱氮处理的技术体系。这些废水脱氮技术可区分为物化法和生物法两大类。物化脱氮法工艺复杂、成本较高，易对环境造成二次污染，且物化脱氮法不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化成硝酸盐过程，通常只能去除氨氮，所以实际运用中受到一定的局限，难以大规模推广使用 。 而生物法 (即生物脱氮技术 )由于其具有成本低、应用范围广等特点而逐渐成为目前应用最广泛的废水脱氮技术。

污水生物脱氮基本原理即先将污水中的有机氮转化为氨氮，然后通过硝化反应将氨氮转化为硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到从污水中脱氮的目的。 根据生物脱氮的硝化和反硝化的机理，当对污水进行生物处理时，首先在好氧条件下通过生物硝化过程将污水中的有机氮和氨氮转化为硝态氮，然后再缺氧条件下通过生物反硝化过程将硝态氮还原为氮气。

1. 传统的生物脱氮工艺

传统的生物脱氮工艺是由巴茨（ Barth）开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三项反应过程为基础建立的。传统的生物脱氮工艺是单独进行硝化和反硝化的工艺系统，每一部分都有自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统，使除碳、硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行。

第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除有机物，使有机氮转化为氨氮。经过沉淀后，废水进入第二级硝化曝气池。在第二级硝化曝气池进行硝化反应，使氨氮转化为硝态氮。在第二段硝化过程中要消耗一定的碱度，使 PH值下降，进而会降低硝化反应的速度，因此，需要投加碱补充碱度。第三级为反硝化池，需要维持缺氧条件，不进行曝气，只采用搅拌机械使污泥处于悬浮状态并与污水充分混合，硝态氮还原为氮气，反硝化过程所需要的碳源不足，需要外加碳源。这种流程的优点是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构筑物中，均可在各自适宜的环境条件下生长繁殖，所以反应速度较快，可以得到较好的 BOD₅去除和脱氮效果。缺点是流程长、处理构筑物多、附属设备多，基建费用高、需要补充碱度和外加碳源因而运转费用较高。

2. A/O 脱氮工艺

A/O 工艺是一种有回流的前置反硝化生物脱氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中进行，硝化在好氧池中进行。原污水先进入缺氧池，并将好氧池的混合液与沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保证了缺氧池和好氧池有足够数量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所产生的硝酸盐。而原污水和混合液的直接进入又为缺氧池反硝化提供了充足的碳源有机物，使反硝化反应能在缺氧池中进行，反硝化反应的出水又可在好氧池中进行 BOD₅ 的降解。

A/0 与传统的生物脱氮工艺相比，其特点有：流程简单，构筑物少，费用小，占地少；以原污水中的含碳有机物和内源代谢产物为碳源，节省外加碳源的费用；好氧池在缺氧池后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物，改善出水水质；缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了一部分碳源有机物，可减轻好氧池的有机负荷，并且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的消耗。其缺点是：三种不同作用的微生物同在一个系统中，经常改变条件，则存在不断改变环境、不断适应环境的过程，微生物有适应期、闲置期，未能发挥最佳作用。

随着水体富营养化问题的日益突出、水质指标系统不断严格化，使废水脱氮问题成为了水污染控制中广泛关注的热点。而传统多级分设备的生物脱氮工艺以及序批式活性污泥工艺等，虽然在废水脱氮方面起着重要的作用，但仍然存在着以下问题：

（ 1）硝化反应和反硝化反应所需要的条件不同，需要序批式进行，且 HRT较长，反应池占地面积大；（ 2）污泥产生量大，剩余污泥处理费用高，污泥不易沉降，而且容易发生污泥膨胀；（ 3）耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；（ 4）中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用；（ 5）曝气池中的生物浓度低，曝气池氧的传质效率低。

与此相比，单级生物脱氮工艺在生物脱氮过程当中展现出更多的优势。硝化反应耗氧、耗碱度、但不消耗碳源，而反硝化过程不需氧、产生碱度、消耗大量碳源，两者在多方面表现为互补。如果硝化和反硝化反应能在同一处理系统中连续实现，硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中的 NO₂^-的积累对硝化反应的抑制，加快硝化反应的速度，还可以有效利用废水中有机碳源进行反硝化；而且也不需外加动力进行硝化液循环；反硝化反应增加的碱度补充硝化反应减少的碱度，使系统内的 pH值相对稳定；另外，硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统中进行，简化了操作的难度 。

3. 新型的脱氮工艺 ：

1 ）短程硝化反硝化工艺

短程硝化反硝化工艺（ Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite ）是一种新型的脱氮工艺。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，是经 NH₄⁺-N→ NO₂^--N→ N₂ 这样的途径完成，整个过程较全程硝化反硝化大大缩短。短程硝化的标志是有稳定且较高的 NO₂^--N 积累，即亚硝酸氮积累率较高。

与传统的生物脱氮工艺相比，该工艺具有以下优点：硝化与反硝化两个阶段在同一反应器中完成，可以简化工艺流程；可节省反硝化过程所需要的外加碳源 ，同时硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少了处理费用；可以缩短水力停留时间，减少反应器体积和占地面积；只需要将氨氮氧化成亚硝酸盐，可减少 25% 左右的供气量，降低能耗。

2 ）厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化工艺（ Anaerobic AMMonium Oxidation ）是由荷兰 Delft大学于 1990年提出的。该工艺的特点是：在厌氧条件下，微生物直接以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，以氨氮作为电子供体，将氨氮氧化生成氮气，硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。厌氧氨氧化是 Mulder和 Graaf对一个使用硫化物做电子供体的流化床反应器自养菌反硝化运行工况仔细观测和研究发现的。该工艺中亚硝酸盐是一个关键的电子受体。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子供体。

从这一反应中所产生的吉布斯（ Gibbs）自由能甚至比好氧氨氧化（硝化）所产生的能量还要高，所以能够支持自养菌生长。这表明在这一工艺中发生的反硝化反应中不需外加碳源。厌氧氨氧化工艺特别适宜在温度高于 20℃和自营养系统中运行。这种工艺多用于处理工业废水，也可用于处理其他废液，如污泥消化池上清液。

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