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

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)化為氮氣以達(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、消耗能源多等問題。自1975年VoetJ.P在JW-PCE上報道發(fā)現(xiàn)在硝化過程中HNO2積累的現(xiàn)象并首次提出短程硝化反硝化脫氮以來，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

生物脫氮包括硝化和反硝化2個階段，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環(huán)節(jié)。該技術(shù)具有很大的優(yōu)勢：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，也即是對亞硝化菌和硝化菌的控制。因此，如何實現(xiàn)短程硝化成為國內(nèi)外學(xué)者對短程硝化反硝化技術(shù)的研究重點，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，從脫氮工藝的運行效果來研究運行參數(shù)對短程硝化的影響。

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個屬組成。近年來，通過對硝化菌16SrRNA的核酸探針測試表明：完成亞硝態(tài)氮氧化的優(yōu)勢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.短程硝化運行參數(shù)的研究進(jìn)展。在短程硝化過程中，亞硝化菌和硝化菌的生長速率均受基質(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)者對短程硝化反應(yīng)器的運行參數(shù)進(jìn)行了大量研究。

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

鄭平等認(rèn)為，溫度高于20℃，亞硝化菌的最大比生長速率就會超過硝化菌，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30℃時又出現(xiàn)HNO2的積累。

高大文等認(rèn)為，28℃是控制溫度實現(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速率

（2）pH值。pH值對短程硝化的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面亞硝化菌對于pH值有一個最佳生長環(huán)境；另一方面pH值對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，通過控制進(jìn)水的PH值為7.5～8.8來實現(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現(xiàn)短程硝化，但對于長期運行的短程硝化反應(yīng)器，把pH值作為關(guān)鍵參數(shù)可能無法達(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氧的親和力不同，在低DO（〈1.0mg/L）時，亞硝化菌和硝化菌的增長速率都會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，亞硝化菌增值速率為正常值的60%，而硝化菌不超過正常值的30%），使亞硝化菌成為主體，實現(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，結(jié)果表明，在DO〈0.5mg/L的條件下可以實現(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），實現(xiàn)氨氮的部分亞硝化并實現(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。控制泥齡實現(xiàn)短程硝化的前提是亞硝化菌的生長速率明顯高于硝化菌的生長速率，亞硝化菌的最小停留時間小于硝化菌的最小停留時間。通過控制系統(tǒng)的泥齡處于亞硝化菌和硝化菌最小停留時間之間，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，實現(xiàn)亞硝酸積累。

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

（6）投加抑制劑。抑制劑是一種對敏感的細(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時就會抑制硝化菌活性，而當(dāng)濃度達(dá)到10～150mg/L時才會抑制亞硝化菌活性。于德爽等在采用SBR工藝處理城市污水中發(fā)現(xiàn)，增加水中鹽度對硝化菌的增殖有明顯的抑制而對亞硝化菌沒有影響。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，而對亞硝化菌無影響。

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

三、結(jié)語

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。在實際應(yīng)用中，如何針對各種廢水的水質(zhì)特點，找到重要影響因子，或綜合考慮水溫、DO、pH值、泥齡等運行參數(shù)，使短程硝化穩(wěn)定地持續(xù)，且不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染等，還有待進(jìn)一步的研究和探索。