短程硝化反硝化生物脫氮影響因素與實現(xiàn)途徑

李 娜，胡筱敏，李國德，趙 巖，劉金亮

（1.東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110004；2.沈陽師范大學實驗教學中心，沈陽110034）

短程硝化反硝化的電子受體是亞硝氮，所以短程脫氮的核心是亞硝氮的積累。短程硝化是在氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的作用下實現(xiàn)的，這兩類微生物生存的環(huán)境條件不同，因此，通過控制這兩類微生物的環(huán)境條件，可進而控制其活性，保證系統(tǒng)中氨氧化菌大量生長，抑制亞硝酸鹽氧化菌的繁殖，達到亞硝氮積累的目的。對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌產(chǎn)生選擇性抑制的主要因素有：溫度，溶解氧（DO），pH，游離氨（FA），污泥齡，抑制劑等[1-6]。

1 短程硝化反硝化工藝的優(yōu)越性

短程硝化反硝化相比于全程硝化反硝化，縮短了反應步驟，正是由于生物脫氮過程中反應步驟的減少，使短程硝化反硝化具有如下優(yōu)勢[7-15]：①硝化階段只需將氨氮氧化為亞硝氮，可減少25%的需氧量，降低了污水處理的運行能耗；②反硝化階段節(jié)省了外加碳源，可減少40%的有機碳源，降低污水處理運行費用的同時，使低碳氮比廢水高效率脫氮成為可能；③亞硝氮反硝化的速率是硝氮反硝化速率的近2倍，縮短了系統(tǒng)的水力停留時間，減小了反應器有效容積和占地面積，節(jié)省了污水處理的基建投資費用；④短程硝化反硝化能夠減少剩余污泥的排放量，在硝化過程中可減少產(chǎn)泥24%～33%，在反硝化過程中可減少產(chǎn)泥50%，節(jié)省了污水處理中的污泥處理費用；⑤減少了堿的投加量，運行管理簡單。

2 短程硝化反硝化影響因素及實現(xiàn)途徑

2.1 溫度

溫度是微生物生長繁殖的重要影響因素，對短程硝化反硝化的影響很大。亞硝酸菌與硝酸菌有著不同的最適宜溫度范圍，因此可通過調(diào)節(jié)溫度抑制硝酸菌生長，達到實現(xiàn)短程硝化反硝化的目的。生物硝化反應在4～45℃均可進行，當系統(tǒng)溫度較高時，氨氧化菌處于優(yōu)勢地位，有利于亞硝氮的積累，進而實現(xiàn)短程硝化，12～14℃亞硝化細菌積累，15～30℃硝化細菌活性較大，大于30℃又出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，可見，提高溫度能使氨氧化菌處于優(yōu)勢地位[16-18]。

2.2 溶解氧

溶解氧對短程硝化反硝化起著至關(guān)重要的作用，這是因為溶解氧濃度的高低對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌影響情況不同。氨氧化菌氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4mg/L，硝酸菌為1.2～1.5mg/L，低溶解氧條件下，可使氨氧化菌成為優(yōu)勢菌淘汰亞硝酸鹽氧化菌，容易形成亞硝氮的積累，進而將硝化過程控制在亞硝態(tài)氮階段，達到短程硝化的目的。但也有研究表明，高溶解氧的狀態(tài)下，通過控制pH值、HRT、溫度等條件，也可實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累[19-21]。

2.3 pH值影響

pH值是影響短程硝化的重要參數(shù)，亞硝酸菌的適宜pH值為7.0～8.5，而硝酸菌的適宜pH值為6.0～7.5。水體中pH值低于7.5，硝酸菌占優(yōu)勢，系統(tǒng)中亞硝酸鹽濃度降低。pH值升高到7.5以上，亞硝酸菌的增長占優(yōu)勢地位，亞硝酸鹽濃度升高，出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累[22]。

2.4 游離氨

游離氨一方面作為基質(zhì)加快快氨氧化反應，另一方面對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性又有抑制作用。在硝化過程中，硝酸菌比亞硝酸菌對游離氨更敏感，游離氨對AOB和NOB的抑制濃度不同，對AOB的抑制濃度為10～150mg/L，對NOB的抑制濃度為0.1～1.0mg/L，NOB對游離氨較AOB敏感，當游離氨的濃度介于兩者之間時，AOB能夠正常增殖和氧化，NOB被抑制，就會發(fā)生亞硝酸的積累，0.6mg/L的FA幾乎可以抑制硝酸菌[23]。

2.5 污泥齡

氨氧化菌的世代時間比亞硝酸鹽氧化菌的世代時間短，氨氧化菌的最大生長速率為2.2d-1，亞硝酸鹽氧化菌的最大生長速率為1.4d-1，因此，將污泥停留時間調(diào)整在氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌最小停留時間之間，系統(tǒng)中的NOB將逐漸流失掉，使AOB成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌[24-25]。

2.6 碳氮比

C/N比對亞硝酸鹽的積累有著較大影響，是影響生物脫氮系統(tǒng)的主要因素之一，過高的C/N會降低硝化反硝化的速率，造成資源浪費，C/N過低會阻礙反硝化的進行，抑制系統(tǒng)中的同時硝化反硝化，影響整個系統(tǒng)總氮的去除[26]。

2.7 抑制劑

一些化學物質(zhì)對硝化反應有選擇性抑制[27-29]，相對于氨氧化菌來說，亞硝酸鹽氧化菌對環(huán)境適應性慢，所以在生長環(huán)境發(fā)生改變時很容易受到抑制，出現(xiàn)亞硝氮積累的現(xiàn)象。廢水中也存在一些化學物質(zhì)或金屬離子對亞硝酸鹽氧化菌有選擇性抑制作用，使亞硝酸鹽氧化菌被抑制或殺死。這些對亞硝酸鹽氧化菌具有抑制作用的化學物質(zhì)也可以作為短程硝化反硝化的控制因素[30]。

3 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)生物脫氮工藝，短程硝化反硝化具有較多優(yōu)點，為研究者們在污水處理領(lǐng)域提供了更多新的研究理論和研究思路，將受到了污水處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，應用前景廣闊。

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