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。
很顯然，C/N比持續(xù)降低的現(xiàn)象，加大了污水處理的難度。對于低碳氮比城市污水來說，傳統(tǒng)污水脫氮工藝不能達(dá)到預(yù)期，通常需要消耗大量的氧氣和能量等手段來提高處理效果。
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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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。
1、投加外部碳源
一般來說，低C/N比污水中有機(jī)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(jī)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：
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(jì)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(jī)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(jī)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)。
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(jì)效益。
3）厭氧氨氧化是指厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以氨根離子作為電子供體，并利用亞硝酸鹽氮作為電受體，將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣的生物氧化過程。其中亞硝酸鹽氮先被還原成輕胺，隨后與氨氮耦合形成聯(lián)氨再被氧化為氮氣。 厭氧氨氧化主要用于處理污泥硝化上清液、垃圾濾出液、制革廢水此類具有高濃度氨氮的廢水。處理效率極高，研究與應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。
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)。