上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馮靈芝

短程硝化反硝化脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展

上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馮靈芝

生物脫氮是去除水中氨氮的一種較為經(jīng)濟(jì)的方法，其原理就是模擬自然生態(tài)環(huán)境中氮的循環(huán)，利用硝化菌和反硝化菌的聯(lián)合作用，將水中氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖赃_(dá)到脫氮目的。目前，應(yīng)用廣泛的A/O、SBR、氧化溝等脫氮工藝就是在此理論基礎(chǔ)上開發(fā)的，但這些脫氮工藝普遍存在氨氮負(fù)荷過(guò)高而引起的出水不達(dá)標(biāo)、消耗有機(jī)物、產(chǎn)生剩余污泥多、消耗能源多等問(wèn)題。自1975年VoetJ.P在JW-PCE上報(bào)道發(fā)現(xiàn)在硝化過(guò)程中HNO2積累的現(xiàn)象并首次提出短程硝化反硝化脫氮以來(lái)，短程硝化反硝化作為一種新型脫氮技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。

一、短程硝化反硝化的脫氮機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

生物脫氮包括硝化和反硝化2個(gè)階段，主要涉及亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌3類微生物。傳統(tǒng)生物脫氮途徑如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮途徑

短程硝化反硝化是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后進(jìn)行反硝化，省去了傳統(tǒng)生物脫氮中由亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，再還原成亞硝酸鹽兩個(gè)環(huán)節(jié)。該技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)：1.節(jié)省25%氧供應(yīng)量，降低能耗；2.減少40%的碳源，在C/N較低的情況下實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮；3.縮短反應(yīng)歷程，節(jié)省50%的反硝化池容積；4.降低污泥產(chǎn)量，硝化過(guò)程可少產(chǎn)污泥33%～35%左右，反硝化階段少產(chǎn)污泥55%左右。

二、短程硝化反硝化技術(shù)的研究進(jìn)展

亞硝酸鹽很不穩(wěn)定，硝化菌的作用下很快氧化成硝酸鹽，一般條件下實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化是比較困難的。短程硝化反硝化技術(shù)的關(guān)鍵是將硝化控制在亞硝化階段，也即是對(duì)亞硝化菌和硝化菌的控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)短程硝化成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)短程硝化反硝化技術(shù)的研究重點(diǎn)，研究方向可概括為2方面：一方面，從微生物學(xué)角度，篩選培養(yǎng)出高效亞硝化菌和硝化菌，研究其生化特征；另一方面，從脫氮工藝的運(yùn)行效果來(lái)研究運(yùn)行參數(shù)對(duì)短程硝化的影響。

1.微生物種類及特性研究進(jìn)展。參與短程硝化反硝化的微生物主要有亞硝化菌、硝化菌及反硝化菌，明確亞硝化菌、硝化菌和反硝化的生理特性，篩選培養(yǎng)高效的亞硝化菌和以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化菌對(duì)有效控制短程硝化反硝化的脫氮效果有重要作用。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，亞硝化菌為硝化桿菌科的5個(gè)屬：亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas），亞硝化螺菌屬（Nitrosospira），亞硝化球菌屬（Nitrosococcus），亞硝化弧菌屬（Nitrosovibrio），亞硝化葉狀菌屬（Nitrosolobus），總共有15種亞硝化細(xì)菌。廖雪義等從土壤中分離到一株亞硝化速率較高的菌株，鑒定為亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas sp），發(fā)現(xiàn)該菌株能同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化作用。

硝化菌主要由硝化桿菌屬（Nitrobacter）、硝化球菌屬（Nitrococcus）、硝化螺菌屬（Nitrospira）和硝化刺菌屬（Nitrospina）4個(gè)屬組成。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)硝化菌16SrRNA的核酸探針測(cè)試表明：完成亞硝態(tài)氮氧化的優(yōu)勢(shì)菌種為硝化螺菌屬而非硝化桿菌屬。亞硝化菌和硝化菌生化特性比較見表1。

表1 亞硝化菌和硝化菌主要生化特征比較

反硝化菌大多數(shù)為兼性異養(yǎng)菌，最適pH范圍為6.5～7.5，適宜溫度20℃～40℃。到目前為止，已分離出60多種反硝化菌，主要分布于3個(gè)屬：假單胞菌屬（Pseudomonas）、產(chǎn)堿菌屬（Alcaligenes）和芽孢桿菌（Bacillus）。有研究發(fā)現(xiàn)部分異養(yǎng)反硝化菌由于酶系統(tǒng)的缺乏，只能將NO3--N還原成NO2--N；也有人通過(guò)定向篩選法馴化得到了以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化菌。

2.短程硝化運(yùn)行參數(shù)的研究進(jìn)展。在短程硝化過(guò)程中，亞硝化菌和硝化菌的生長(zhǎng)速率均受基質(zhì)、溫度、pH值、氧濃度控制、游離氨FA等的影響，基于此，許多學(xué)者對(duì)短程硝化反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了大量研究。

（1）溫度。亞硝酸菌和硝酸菌對(duì)溫度變化的敏感性不同，由不同溫度下兩種菌群的增長(zhǎng)速率（見圖2）可知，高溫條件下，硝化菌的生長(zhǎng)速度明顯低于亞硝化菌，利用該動(dòng)力學(xué)特征可實(shí)現(xiàn)短程硝化。但目前，對(duì)于影響短程硝化的具體溫度說(shuō)法不一致：

鄭平等認(rèn)為，溫度高于20℃，亞硝化菌的最大比生長(zhǎng)速率就會(huì)超過(guò)硝化菌，而且溫度越高，相差越大。因此，將溫度控制在20℃以上，就會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

袁林江等認(rèn)為，12℃～14℃下活性污泥中的亞硝酸鹽氧化菌活性受到嚴(yán)重抑制，出現(xiàn)HNO2的積累；15℃～30℃內(nèi)，亞硝酸鹽可完全被氧化為硝酸鹽；溫度超過(guò)30℃時(shí)又出現(xiàn)HNO2的積累。

高大文等認(rèn)為，28℃是控制溫度實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮工藝的臨界溫度，即如果反應(yīng)器溫度低于此臨界溫度，則短程硝化會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿滔趸?/p>

圖2 不同溫度下亞硝化菌和硝化菌的增長(zhǎng)速率

（2）pH值。pH值對(duì)短程硝化的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面亞硝化菌對(duì)于pH值有一個(gè)最佳生長(zhǎng)環(huán)境；另一方面pH值對(duì)游離氨濃度有很大影響，高pH值下，廢水中游離氨所占比例增加，而分子態(tài)游離氨氮對(duì)硝化菌的抑制要強(qiáng)于亞硝化菌。

于德爽等在中溫（20～30℃）條件下，通過(guò)控制進(jìn)水的PH值為7.5～8.8來(lái)實(shí)現(xiàn)亞硝態(tài)氮的積累，且平均亞硝化率達(dá)到95%以上。

很多研究者發(fā)現(xiàn)雖然調(diào)節(jié)pH值能夠在一定程度上抑制硝化菌以實(shí)現(xiàn)短程硝化，但對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的短程硝化反應(yīng)器，把pH值作為關(guān)鍵參數(shù)可能無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。

（3）溶解氧DO。Bernet認(rèn)為亞硝化菌和硝化菌對(duì)氧的親和力不同，在低DO（〈1.0mg/L）時(shí)，亞硝化菌和硝化菌的增長(zhǎng)速率都會(huì)由于溶解氧的下降而下降，但是硝化菌的下降要比亞硝化菌快（當(dāng)DO為0.5mg/L時(shí)，亞硝化菌增值速率為正常值的60%，而硝化菌不超過(guò)正常值的30%），使亞硝化菌成為主體，實(shí)現(xiàn)亞硝態(tài)氮的累積。為了證明DO作為短程硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，在DO〈0.5mg/L的條件下可以實(shí)現(xiàn)短程硝化，出水NO2-N累積率90%以上。

低溶解氧的情況下，有利于亞硝化反應(yīng)的進(jìn)行，也有利于反硝化的進(jìn)行。張朝升等采用SBR處理模擬城市污水，在常溫（20℃～25℃），DO=0.5～1mg/L條件下，實(shí)現(xiàn)了短程同步硝化反硝化，氨氮的去除率達(dá)到95%～97%，總氮的去除率達(dá)到82%～85%。OLAND工藝就是先在限氧條件下（0.1～0.3mg/L），實(shí)現(xiàn)氨氮的部分亞硝化并實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽氮的濃度積累，接著進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，從而達(dá)到去除含氮污染物的目的。該工藝的關(guān)鍵是控制溶解氧濃度。

低溶解氧雖能實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，但易引起活性污泥易發(fā)生解體和絲狀菌膨脹，其對(duì)氨氧化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌活性減低的影響還需進(jìn)一步研究。

（4）泥齡?？刂颇帻g實(shí)現(xiàn)短程硝化的前提是亞硝化菌的生長(zhǎng)速率明顯高于硝化菌的生長(zhǎng)速率，亞硝化菌的最小停留時(shí)間小于硝化菌的最小停留時(shí)間。通過(guò)控制系統(tǒng)的泥齡處于亞硝化菌和硝化菌最小停留時(shí)間之間，使亞硝化菌具有較高的濃度而硝化菌被自然淘汰，維持穩(wěn)定的亞硝酸氮的積累。荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的SHARON工藝就是利用高溫（30～35℃）高pH值下，亞硝化菌的增長(zhǎng)速率高于硝化菌，控制短泥齡（1～1.5d）使硝化菌逐漸被“淘洗”掉，實(shí)現(xiàn)亞硝酸積累。

（5）有機(jī)物濃度。有機(jī)物對(duì)短程硝化的影響主要表現(xiàn)在異養(yǎng)菌與硝化菌對(duì)DO的爭(zhēng)奪。當(dāng)溫度和pH適合，DO和氨供給充足，有機(jī)物濃度對(duì)硝化作用不造成影響；但當(dāng)DO不足，有機(jī)物濃度高時(shí)，由于異養(yǎng)菌對(duì)水中DO的爭(zhēng)奪強(qiáng)于硝化菌，硝化菌的生長(zhǎng)繁殖會(huì)受到抑制，硝化作用受到影響。傅金祥等研究發(fā)現(xiàn)C/ N=6.1時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較高的亞硝酸鹽積累。

（6）投加抑制劑。抑制劑是一種對(duì)敏感的細(xì)菌產(chǎn)生選擇性抑制的化學(xué)物質(zhì)，在短程硝化影響因素中研究較多是游離氨FA、高濃度鹽、氧化劑。Anthonisen等研究認(rèn)為游離氨濃度在0.1～1.0mg/L時(shí)就會(huì)抑制硝化菌活性，而當(dāng)濃度達(dá)到10～150mg/L時(shí)才會(huì)抑制亞硝化菌活性。于德爽等在采用SBR工藝處理城市污水中發(fā)現(xiàn)，增加水中鹽度對(duì)硝化菌的增殖有明顯的抑制而對(duì)亞硝化菌沒(méi)有影響。Hynens等發(fā)現(xiàn)，在廢水中加入5mmol/L的氯酸鈉可抑制硝化菌的活性，而對(duì)亞硝化菌無(wú)影響。

但也有學(xué)者認(rèn)為，硝化菌對(duì)抑制劑有一定的適應(yīng)能力，僅依靠投加抑制劑不能實(shí)現(xiàn)短程硝化的持久穩(wěn)定運(yùn)行。

三、結(jié)語(yǔ)

短程硝化-反硝化脫氮技術(shù)應(yīng)用于高溫高氨廢水（污泥消化上清液和垃圾滲濾液等）的處理是可行的，溫度、DO、pH值、泥齡是工藝運(yùn)行的重要控制參數(shù)。但將短程硝化反硝化技術(shù)應(yīng)用于城市污水處理，并取得較好的脫氮效果，還存在一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中，如何針對(duì)各種廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，找到重要影響因子，或綜合考慮水溫、DO、pH值、泥齡等運(yùn)行參數(shù)，使短程硝化穩(wěn)定地持續(xù)，且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染等，還有待進(jìn)一步的研究和探索。