印染废水生物脱氮技术进展研究

许冯

身份证：320623199303153171

摘要：随着纺织行业的迅速发展，纺织印染废水的排放量也在逐年增加，已成为水环境污染的重要来源之一。传统的生物脱氮技术因其处理效果差、运行费用高等问题，在实际应用中受到了一定的限制。因此，研究和开发高效、低成本的新型生物脱氮技术具有重要意义。本文从废水中氮污染来源入手，概述了目前常用的生物脱氮技术，包括厌氧氨氧化、好氧反硝化和同步硝化反硝化等技术，并对其优缺点进行了对比分析。

关键词：印染废水；脱氮；生物处理；硝化；反硝化

针对我国印染废水氮污染现状以及现有生物脱氮技术存在的不足，提出了未来发展的重点方向：开发高效生物脱氮微生物菌株；深入研究不同脱氮工艺间的协同作用机制；加强对生物脱氮反应器中微生物群落结构、功能以及动态变化的研究。在纺织工业中，印染废水是一类高浓度、难处理的有机废水。其排放不仅对生态环境产生严重影响，还对人类健康和生命安全造成威胁。因此，在纺织行业中有必要采取有效措施治理印染废水中的有机污染物。

1.厌氧氨氧化

1.1外加碳源

目前，常用的外加碳源包括甲醇、乙醇、丙醇、正丙醇等。研究表明，这些有机化合物可被用于Anammox工艺的启动，其中甲醇对该工艺的启动作用最显著。在启动阶段，甲醇可以为反应器内提供碳源，从而促进亚硝酸氧化细菌的生长，而亚硝酸菌可以通过自身氧化作用来维持亚硝酸和硝酸根的平衡。在运行过程中，甲醇还能降低氨氮浓度，提高反应器内溶解氧含量并增强反应器对有机物的降解作用。王兆春等通过投加甲醇和丙醇联合投加启动Anammox工艺。结果表明，甲醇和丙醇的投加量分别为100mL/L和10mL/L时，反应器内具有较高的氨氮去除率、亚硝酸和硝酸根浓度，从而实现了对NH3-N的高效脱除。由于外加碳源存在一定局限性：（1）它会在反应器内形成大量污泥，增加了污泥处理成本；（2）由于甲醇会与厌氧菌竞争电子受体（NO3-），因此添加甲醇可能会降低厌氧氨氧化的脱氮效率；（3）甲醇可以作为外碳源来降低反应器内氨氮浓度，但甲醇在一定程度上会抑制亚硝酸氧化细菌生长。因此，目前在废水处理中采用外加碳源启动Anammox工艺时应注意以下问题：（1）选择合适的外加碳源；（2）控制好反应器内污泥浓度。

1.2混合废水处理

Anammox工艺对进水氨氮浓度要求较高，在实际印染废水处理中，如何实现混合废水中的总氮去除是Anammox工艺的一大挑战。UASB反应器是一种适合处理低浓度含氮废水的高效反应器。因此，为了降低处理成本，有必要在混合废水处理中进行尝试。张庆军等人将UASB反应器与Anammox反应器进行耦合，将进水氨氮浓度从100mg/L降至40mg/L，实现了总氮的达标排放。在进水氨氮浓度为30~50mg/L时，Anammox反应器的COD去除率可达80%~90%，总氮去除率可达80%~90%，并且在较高负荷下仍能保持较高的TN去除效率。但目前对Anammox工艺处理高浓度印染废水的研究报道还比较少。因此，研究Anammox工艺处理高浓度印染废水的可行性对于未来该技术的应用具有重要意义。

2.好氧反硝化

2.1传统活性污泥法

活性污泥法是传统的生物处理技术，也是当前应用最为广泛的脱氮技术之一。活性污泥法的运行过程分为4个阶段：微生物驯化、运行条件优化、处理工艺改进和新工艺的开发。传统活性污泥法一般在曝气池中设置生物膜，由大量微生物在污泥絮体中生长和繁殖，其中一部分微生物通过吸附作用，将污染物吸收到细胞外，另一部分微生物则通过分解作用将污染物降解。此外，微生物还可通过分泌酶来分解有机物，将其降解为CO2、H2O和NH4+等无机物。在传统活性污泥法处理工艺中，处理的最终目标是去除水中的有机污染物和氨氮。然而，污水中的污染物并不只有有机污染物一种，还有一部分是氨氮。因此，在传统活性污泥法中还需加入脱氮工艺以进一步去除水中的氨氮。在传统活性污泥法中，反硝化菌是通过硝化作用来去除有机物的，而反硝化菌则是通过脱氮作用来去除有机物的。因此，传统活性污泥法对高浓度氨氮废水的处理效果不理想。因此，开发一种同时具有脱氮和硝化功能的新型工艺成为近年来的研究热点之一。

2.2生物膜法

生物膜法是一种应用广泛的废水处理方法，其具有占地面积小、能耗低、易维护等优点。然而，生物膜法中存在的不足也不容忽视。例如：生物膜反应器中污泥沉降性能较差，污泥浓度较低，污泥沉降性能差会影响反应器内的传质效果；生物膜反应器对有机污染物的去除能力有限，不能有效地处理有机污染物；生物膜反应器对废水中COD和氨氮的去除效率较低，影响了反应器对废水的处理效果。近年来，有学者对生物膜法进行了改进。例如：采用新型微生物载体材料（如玻璃纤维、碳纤维、硅胶等）构建了新型生物膜法。在该系统中，经驯化后的污泥中可生长出高效脱氮细菌和硝化细菌。该系统对COD、NH4+-N和TN的去除率分别为99.1%、98.7%和97.6%。此外，还对该系统进行了强化脱氮机制研究。结果表明：在好氧条件下，该系统中反硝化速率为0.5mg/（L.h），反硝化速率与硝化速率之比约为2:1。通过强化生物膜反应器中的硝化过程可以有效地提高该工艺处理高氨氮废水的效率，减少了废水中氨氮含量。

2.3微生物强化技术

好氧反硝化工艺能够在很大程度上减少COD和氨氮的去除，但受溶解氧浓度的影响，不适用于处理高氨氮含量和高浓度有机污染物的废水。因此，研究人员开始将生物强化技术应用到好氧反硝化工艺中。其中，反硝化细菌强化技术是一种利用特殊菌种或载体作为碳源，促进反硝化过程，从而提高脱氮效率的方法。采用这种方法时，会首先筛选出具有反硝化功能的菌株，然后再通过驯化培养后获得稳定高效的菌株。这种方法主要是利用菌株本身的优势，例如：可将亚硝酸盐转化为硝酸盐、具有较强的脱氮能力等。目前，国内外关于微生物强化技术在印染废水处理中的研究工作相对较少。如图1所示，BacillussubtilisATCC74007是一种耐盐反硝化细菌，其可将NH4+-N转化为NO3-和NO2-，在好氧条件下具有较强的反硝化能力。此外，该菌还可以将硝酸盐转化为亚硝酸盐。由于其在好氧条件下具有较强的脱氮能力，因此可以将其作为微生物强化技术在印染废水处理中进行应用。相比于普通生物反应器，该反应器对有机物和氨氮的去除率分别提高了17%和32%。Mukherjee等通过强化反硝化细菌对印染废水进行处理后发现：处理后印染废水中的COD去除率和氨氮去除率均得到明显提高，且出水水质明显优于传统生物反应器。可见，微生物强化技术能够有效提高好氧反硝化工艺对COD和氨氮的去除效率。因此，该技术具有较好的应用前景。

3.同步硝化反硝化

同步硝化反硝化（Syntheticnitrogenreduction,SNR）是指在硝化-反硝化反应过程中同时存在异养反硝化和自养反硝化作用，在此过程中微生物利用亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化。与传统的硝化和反硝化过程不同，SNR工艺将污泥龄（SRT）和亚硝态氮浓度作为控制参数，通过控制HRT、温度和DO等因素来控制脱氮反应的进行，实现对亚硝态氮的有效去除。SNR工艺的优点在于反应速率较快、硝化效果好、出水水质稳定，但其运行费用较高，且需要使用外加碳源。近年来，国内外研究者利用中温型厌氧氨氧化工艺（Anammox）实现了SNR工艺的升级改造。该工艺通过控制温度和HRT等因素，使污泥中的NO3-氧化为NO2-，同时亚硝化细菌的比例达到90%以上。在此基础上，通过外加碳源和驯化等措施来提高生物脱氮效率。与Anammox工艺相比，Anammox工艺的优势在于其占地面积小、出水水质稳定、运行费用低且无需外加碳源。但该工艺仍存在不足：（1）当进水C/N比较高时，反应器内基质浓度也随之增加，导致NH4+-N转化为NO2-的速率变慢；（2）当进水C/N比过低时，由于该工艺所需HRT较短、氨氮转化率低，导致反应器内NO2-转化为NO3-的速率较慢；（3）当进水C/N比过低时，系统中NO2-产生速率降低会导致脱氮效率下降。为解决以上问题，研究者将同步硝化反硝化相结合，提出了SNR+BAF组合工艺。该工艺通过在好氧段设置BAF装置，在硝化段和反硝化段间设置曝气装置来提高反应器的脱氮率。

4.新型脱氮技术

生物脱氮技术的不断创新与发展，使其成为解决当今污染问题的重要途径之一。同时，人们也在不断探索更高效的脱氮方法。目前，已有学者利用生物膜法（Membrane）、基因工程菌（geneengineering）等新型生物脱氮技术，实现了对印染废水中氮元素的高效去除。Membrane工艺是利用微生物来强化氨氮和亚硝酸盐氮的去除，使其在微生物作用下产生大量的游离氨，为厌氧氨氧化提供碳源；同时利用微生物自身氧化功能来降解有机物，使系统内物质循环得到强化。Membrane工艺可实现对氨氮、亚硝酸盐氮以及有机磷的高效去除，具有良好的处理效果。Membrane工艺主要分为两步：第一步是厌氧氨氧化过程，第二步是缺氧氨氧化过程。该工艺具有如下特点：首先，在厌氧条件下实现了氨氮和亚硝酸盐氮的去除；其次，该工艺不需要外加碳源，降低了成本；最后，该工艺具有较强的抗冲击能力。与传统的生物脱氮技术相比，Membrane工艺具有以下优点：（1）不需要外加碳源；（2）反应器内部处于厌氧状态；（3）出水水质优于传统生物脱氮技术。目前，Membrane工艺在印染废水中应用较多。例如：UASB反应器的主要作用是为厌氧氨氧化提供碳源；而SBR反应器主要作用是为好氧反硝化提供碳源；SBR反应器在去除氨氮时会产生大量剩余污泥，而Membrane工艺可以有效减少剩余污泥产生量。尽管Membrane工艺具有诸多优点，但仍存在一些问题。首先是由于系统运行时间较短。此外，该工艺对于温度的要求比较严格，一般要求在15~30℃之间。此外，由于该工艺对于溶解氧浓度要求较高且曝气过程中存在一定的冲击负荷，所以当系统出现异常时会造成系统脱氮效率下降。同时由于厌氧氨氧化反应需要厌氧环境且反硝化过程需要好氧段进行支撑，因此在运行过程中需要对厌氧氨氧化反应器和反硝化反应器之间进行定期的清洗操作。因此该工艺在实际应用中存在一定的限制条件。

结束语：
综上所述，随着全球对环境保护日益重视，生物脱氮技术以其低成本、高效率、节能等优点，被认为是未来的主要发展方向之一。然而，不同的脱氮技术适用条件不同，且对微生物的要求也不尽相同，因此必须结合实际情况，选择最佳的生物脱氮技术。在未来发展过程中，以下几个方面仍需继续研究：（1）开发高效生物脱氮微生物菌株。目前，从自然界筛选出的具有较强脱氮能力的菌株较少。因此，需要从基因组学、转录组学以及代谢组学等角度出发，筛选具有较强脱氮能力的菌株。（2）深入研究不同脱氮工艺间的协同作用机制。由于生物脱氮过程中需要多种反应步骤，因此在不同脱氮工艺间实现高效协同作用具有重要意义。

参考文献：
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