淺談污水中脫氮的途徑

張新洋 楊忠濱 陳祥東

摘 要：介紹了亞硝酸鹽硝化/反硝化、同時(shí)硝化/反硝化、好氧反硝化等提高生物脫氮效率的可能途徑。

關(guān)鍵詞：生物脫氮； 好氧反硝化

1、脫氮途徑

1.1傳統(tǒng)生物脫氮原理

硝化反應(yīng)是由一類自養(yǎng)好氧微生物完成的，它包括兩個(gè)步驟：第一步稱為亞硝化過程，是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和硝化球菌屬；第二步稱為硝化過程，由硝酸菌（包括硝酸桿菌屬、螺菌屬和球菌屬）將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽。

反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)型微生物完成的，它的主要作用是將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態(tài)氮或N2O，反應(yīng)在無分子態(tài)氧的條件下進(jìn)行。反硝化反應(yīng)一般以有機(jī)物為碳源和電子供體。當(dāng)環(huán)境中缺乏有機(jī)物時(shí)，無機(jī)物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體，微生物還可以消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化。

C5H7O2N+4NO3-→5CO2+NH3+2N2↑+ 4OH-ˉ （1）

可見內(nèi)源反硝化的結(jié)果是細(xì)胞物質(zhì)的減少，并會(huì)有NH3的生成，因此廢水處理中均不希望此種反應(yīng)占主導(dǎo)地位，而應(yīng)提供必要的碳源。

硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行是受到一定制約的，一方面，自養(yǎng)硝化菌在大量有機(jī)物存在的條件下，對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)不如好氧異養(yǎng)菌，從而導(dǎo)致異養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì)；另一方面，反硝化需要提供適當(dāng)?shù)碾娮庸w，通常為有機(jī)物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求導(dǎo)致了生物脫氮反應(yīng)器的不同組合，如硝化與反硝化由同一污泥完成的單一污泥工藝和由不同污泥完成的雙污泥工藝。前者通過交替的好氧區(qū)與厭氧區(qū)來實(shí)現(xiàn)，后者則通過使用分離的硝化和反硝化反應(yīng)器來完成。如果硝化在后，需要將硝化廢水進(jìn)行回流；如果硝化在前，需要外加電子供體，這就是傳統(tǒng)脫氮工藝存在的問題和困難所在。

1.2亞硝酸硝化/反硝化工藝

在硝化反應(yīng)中，一般認(rèn)為硝酸鹽是反應(yīng)的主產(chǎn)物，而從氨向亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化一般認(rèn)為是硝化過程的速度控制步驟，但是出現(xiàn)亞硝酸鹽積累也是很多的。

人們認(rèn)為，出現(xiàn)亞硝酸積累是有害的。為了減少亞硝酸的積累，許多研究人員進(jìn)行了控制其積累的工藝條件的研究工作，并得到了有關(guān)自由氨可抑制亞硝酸積累的結(jié)論，其結(jié)果也得到了證實(shí)并被廣泛接受。隨后，開始把注意力放在通過亞硝酸硝化—反硝化縮短脫氮過程上，這種工藝的潛在優(yōu)勢(shì)在于：①節(jié)省硝化曝氣量。②節(jié)省一定量的反硝化碳源。③節(jié)省反硝化反應(yīng)器容積。

在硝化系統(tǒng)中，與亞硝酸積累有關(guān)的因素包括：①自由氨的存在，②較高的pH值，③溶解氧濃度低，④溫度的變化，⑤氨氮負(fù)荷高，⑥污泥齡長(zhǎng)，⑦硝酸鹽的還原。大多數(shù)研究人員認(rèn)為自由氨濃度高（高pH值條件下）和溶解氧濃度低是亞硝酸鹽積累的主要原因，指出亞硝酸積累的內(nèi)在原因在于自由羥氨（NH2OH）的積累。根據(jù)對(duì)前人試驗(yàn)結(jié)果的分析，表明自由羥氨不應(yīng)是亞硝酸積累的最終原因，自由羥氨積累主要受溶解氧、pH的控制。

然而，實(shí)現(xiàn)亞硝酸反硝化的成功報(bào)道并不多見。該工藝須在30～40 ℃的溫度下進(jìn)行，只對(duì)溫度較高的污水如厭氧消化排水的脫氮處理有實(shí)際意義。

1.3同時(shí)硝化/反硝化（SND）

當(dāng)好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)存在，硝化和反硝化在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行時(shí)則稱為同時(shí)硝化/反硝化。同時(shí)硝化/反硝化不僅可以發(fā)生在生物膜反應(yīng)器中，如流化床、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤；也可以發(fā)生在活性污泥系統(tǒng)中，如曝氣池、氧化溝。

同時(shí)硝化/反硝化的活性污泥系統(tǒng)為今后簡(jiǎn)化生物脫氮技術(shù)并降低投資提供了可能性。但目前對(duì)反消化現(xiàn)象的機(jī)理還沒有一致的解釋，一般認(rèn)為三個(gè)主要機(jī)理是：①混合形態(tài)。②菌膠團(tuán)或生物膜。③生物化學(xué)作用。

在生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中，完全均勻的混合狀態(tài)并不存在。菌膠團(tuán)內(nèi)部的溶解氧梯度目前也已被廣泛認(rèn)同，使實(shí)現(xiàn)SND的缺氧/厭氧環(huán)境可在菌膠團(tuán)內(nèi)部形成。由于生物化學(xué)作用而產(chǎn)生的SND更具實(shí)質(zhì)意義，它能使異養(yǎng)硝化和好氧反硝化同時(shí)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)低碳源條件下的高效脫氮。

1.4好氧反硝化

最初，反硝化被認(rèn)為是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過程，因?yàn)榉聪趸鳛榧嫘跃鷥?yōu)先使用溶解氧呼吸，甚至在濃度低達(dá)0.1 mg/L時(shí)也是如此，這樣就阻止了使用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為最終電子受體，不過這種限制只是對(duì)專性厭氧反硝化菌起作用。20世紀(jì)80年代后期以來，在生物脫氮生物學(xué)方面有了很大進(jìn)展。人們?cè)啻斡^察到在沒有明顯缺氧段的活性污泥法中存在脫氮現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌：Pseudomonas spp，Alcaligenes faecalis，Thiosphaera Pantotropha，這些好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌，而傳統(tǒng)上的硝化菌是化學(xué)自養(yǎng)型的。這樣，這類細(xì)菌就可將氨在好氧條件下直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物。

生物學(xué)研究表明，在好氧和缺氧條件下Nitrosmonas spp能夠通過硝酸鹽的生物還原形成氧化氮和氧化亞氮。有人認(rèn)為，在好氧條件下氧化氮和氧化亞氮產(chǎn)生速率依賴于亞硝酸鹽濃度，而大多數(shù)人則認(rèn)為這一速率與溶解氧濃度成反比[8]。眾多研究表明，Nitrosmonas spp的反硝化活動(dòng)在低溶解氧條件下是明顯的，但對(duì)Nitrobacter spp的反硝化能力研究得比較少。有人認(rèn)為在好氧條件下，Nitrobacter菌株不能進(jìn)行反硝化，某些菌株可以在無氧的丙酮酸、氨和硝酸鹽的培養(yǎng)物中生長(zhǎng)，丙酮酸和硝酸鹽被消耗，在低溶解氧條件下生產(chǎn)的氧化氮可能參與到NADH的形成。

Muller等證明了好氧反硝化是與硝化相伴發(fā)生的。他們得到的在不同溶解氧壓力下好氧反硝化特征參數(shù)如表1所示。