陳仁杰，謝禹，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

含氮量是控制水污染的一項重要指標，由于氮肥的廣泛使用及含氮廢水的排放導(dǎo)致水體中氮含量遠超環(huán)境容量，引發(fā)水體的富營養(yǎng)化。目前，利用硝化菌、反硝化菌的生物特性對污水進行脫氮處理是普遍采用的處理方式，是將污水中各種化合形式的氮元素通過微生物的代謝轉(zhuǎn)化為氮氣排出系統(tǒng)[1]。由于傳統(tǒng)工藝有著系統(tǒng)總停留時間過長、抗沖擊負荷能力較差等問題，開發(fā)經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定的新型生物脫氮技術(shù)的研究十分迫切[2-3]。

強化生物脫氮技術(shù)是指在污水處理系統(tǒng)中通過利用菌群的生物特性和物化手段調(diào)控反應(yīng)條件達到改善工藝脫氮效果的技術(shù)方法，通過工藝強化能夠增強微生物對氮素的降解能力，加快反應(yīng)物降解速率，提高出水水質(zhì)。目前，已研究開發(fā)出的強化生物脫氮技術(shù)有：短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化聚磷菌強化脫氮等。

1 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化(Shortcut Nitrification Denitrification)是一種可用來處理高濃度、低碳氮比的新型脫氮技術(shù)，其作用機理是通過改變反應(yīng)池環(huán)境溫度、pH值、溶解氧濃度DO、污泥齡等影響硝化階段的因素條件，將硝化過程停止于亞硝化階段,不進行亞硝酸鹽氮(NO2-N)到硝酸鹽氮(NO3-N)的轉(zhuǎn)化，亞硝化后直接進行反硝化反應(yīng)[4-5]。短程硝化反硝化與傳統(tǒng)的全程硝化反硝化相比，該技術(shù)具有下列特點[6-8]：(1)亞硝化細菌(AOB)比硝化細菌(NOB)具有更短的世代周期和污泥齡，將硝化過程氨氮氧化停止在亞硝化階段，可以有效提高微生物生長速率，促進反應(yīng)正向進行，縮短系統(tǒng)的水力停留時間，從而減少產(chǎn)泥量，有效的節(jié)省了反應(yīng)器設(shè)計使用容積;(2)不進行NO2-N至NO3-N的轉(zhuǎn)化可降低溶解氧的消耗量，降低用于曝氣充氧的能量損耗;(3)NO3-N比NO2-N轉(zhuǎn)化為N2需要更多的電子供體，硝化過程中，由于只完成了氨氮到亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化，為后續(xù)的反硝化過程節(jié)省了接近一半的有機碳源需求量。

應(yīng)用到短程硝化反硝化技術(shù)的典型工藝有：SHARON工藝( Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite,基于亞硝酸鹽除高活性氨的單反應(yīng)器)、OLAND工藝(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denification,限氧自養(yǎng)硝化-反硝化)。

1.1 SHARON工藝

SHARON工藝是由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)設(shè)計開發(fā)的一種基于亞硝酸鹽去除高活性氨氮的生物單反應(yīng)器，工藝可以用于處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥硝化上清液和垃圾滲濾液此類低碳氮比、高濃度氨氮廢水。SHARON基本的工作原理是將氨氮(NH3-N)氧化控制在亞硝化階段，不進行NO2-N到NO3-N的轉(zhuǎn)化就直接進行反硝化[9]。

SHARON工藝的關(guān)鍵是控制反應(yīng)池環(huán)境溫度在處于中高溫(30～35 ℃)條件下，利用AOB在此溫度下比NOB具有更快生長速率及AOB具有更短的停留時間這一生物特性來控制反應(yīng)系統(tǒng)的污泥齡，將系統(tǒng)停留時間控制在AOB及NOB最小停留時間之間，促進AOB濃度上漲使得NOB被自然淘汰，硝化過程可穩(wěn)定累積到全部的亞硝酸鹽，不進行NO2-N向硝酸鹽NO3-N氮的轉(zhuǎn)化直接進行NO2-N的反硝化轉(zhuǎn)化為氮氣排出[7-10]。在SHARON工藝的運行過程中，必須嚴格控制反應(yīng)環(huán)境溫度、pH值、溶解氧濃度DO及自由氨濃度等，以推進系統(tǒng)向有利于亞硝化菌生長繁殖的方向發(fā)展。

1.2 OLAND工藝

OLAND工藝是一種以生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器為基礎(chǔ)設(shè)計運行的新型生物脫氮工藝[11]，它由比利時Gent大學(xué)微生物生態(tài)實驗室最先提出并設(shè)計開發(fā)。OLAND工藝能夠成功運行的關(guān)鍵是控制溶解氧濃度，保持反應(yīng)池內(nèi)污水處于低氧濃度下，使得硝化過程只進行到亞硝化階段以實現(xiàn)NO2-N的累積[12-13]。累積的NO2-N隨后與在亞硝化過程中剩余的NH3-N在厭氧條件下發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，最后污水中的氮以氮氣的形式排出反應(yīng)系統(tǒng)外。

溶解氧濃度對硝化、反硝化反應(yīng)有著極為重要的影響，相關(guān)實驗研究表明：低氧濃度下可加快AOB的生長速率，補償了AOB由于在低溶解氧下代謝活動的缺失，所以氨氮氧化在整個硝化過程中沒有明顯的影響。低溶解氧濃度下，AOB比NOB具有對溶解氧更強的親合力，因此亞硝酸鹽可以得到大量的累積[14-15]。OLAND工藝適用于處理高濃度氨氮、低化學(xué)需氧量的污水,具有高效率低耗能、反應(yīng)器啟動迅速、系統(tǒng)運行平穩(wěn)、污水處理效果好、不需要外加碳源、節(jié)省投資費用等優(yōu)點。

2 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification,SND)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，并能夠一步達到污水脫氮效果的新型生物脫氮工藝。物理學(xué)微環(huán)境反應(yīng)機理是目前普遍接受的機制理論，理論認為：溶解氧向微生物絮體內(nèi)部擴散受到阻礙，溶解氧在微生物絮體內(nèi)外產(chǎn)生了濃度梯度。溶解氧在微生物絮體外具有較高的濃度，微生物絮體外聚集大量的好氧菌及硝化菌，發(fā)生硝化反應(yīng)；氧擴散受到微生物絮體阻礙，并且外部存在有機物的氧化、硝化作用對氧的消耗，微生物絮體內(nèi)部形成缺氧區(qū)，聚集大量的反硝化細菌發(fā)生反硝化反應(yīng)[16]。正是由于溶解氧在微生物絮體內(nèi)外存在濃度梯度，形成了有利于硝化、反硝化反應(yīng)的好氧區(qū)、缺氧區(qū)這樣的微環(huán)境，使得硝化、反硝化反應(yīng)可以同時在同一個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)。近年來，有研究表明一些新型的脫氮微生物也推進著SND的順利進行，例如好氧反硝化菌、低溶解氧硝化菌、異氧硝化菌、自養(yǎng)反硝化菌等[17-18]。

同步硝化反硝化具有下列特點[19-21]：(1)反應(yīng)過程與短程硝化反硝化相似，氨氮僅需亞硝化后就可以直接進行反硝化，加快了系統(tǒng)反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)水力停留時間，反應(yīng)器設(shè)計容積得以減?。?2)與完全硝化反應(yīng)相比，亞硝化反應(yīng)具有較低的耗氧量，減少曝氣量，有效降低能源消耗；(3)硝化產(chǎn)生的氫離子可以與反硝化產(chǎn)生的氫氧根離子發(fā)生中和反應(yīng)，平衡穩(wěn)定反應(yīng)液體的pH值，同時加快兩種反應(yīng)的正向進行速度，反應(yīng)效率得到較大的提高；(4)碳源在反應(yīng)中對硝化階段有正向推動作用，同時也作為反應(yīng)物參與反硝化反應(yīng)，因此碳源有利于推進整個系統(tǒng)的反應(yīng)進程。正是由于同步硝化反硝化具有上列特征，常被用于處理碳氮比較低、氨氮濃度較高的污水。

3 厭氧氨氧化

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。與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化脫氮具有以下特點[23-25]：(1)工藝可以實現(xiàn)傳統(tǒng)生物脫氮工藝不能處理的低碳氮比、高濃度氨氮廢水的脫氮；(2)工藝屬于自養(yǎng)缺氧型脫氮，可減少系統(tǒng)曝氣量，工藝動力消耗低，節(jié)省反硝化碳源，且不需要調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng)的pH值，較大降低了相關(guān)的投資運行費用；(3)污泥產(chǎn)量少，有效減少二次污染；(4)ANAMMOX菌屬于專性厭氧化學(xué)無機自養(yǎng)型細菌，具有生長緩慢、世代周期長、對外部環(huán)境非常敏感的生物特性，因此工藝啟動周期相當(dāng)漫長，而且往往由于其穩(wěn)定性只作為一種末端的處理技術(shù)[21]。

應(yīng)用到厭氧氨氧化技術(shù)的典型工藝有：SHARON-ANAMMOX工藝( Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite-Anaerobic Ammonium Oxidation，一段式短程硝化-厭氧氨氧化)、CANON工藝(Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite，基于亞硝酸鹽的完全自養(yǎng)生物脫氮)。

3.1 SHARON-ANAMMOX工藝

兩種自養(yǎng)型細菌(氨氧化細菌、厭氧氨氧化菌)在這項技術(shù)中發(fā)揮主要作用，故反應(yīng)過程中無需外加碳源，且整個系統(tǒng)的耗氧量可節(jié)約50%，能源可節(jié)約90%以上,污泥產(chǎn)量較低，二氧化碳排放量很小，有利于環(huán)境保護。工藝運行過程中，需要嚴格控制反應(yīng)系統(tǒng)的溫度、堿度、水力停留時間(HRT)及污泥停留時間(SRT)等，尤其要保證ANAMMOX反應(yīng)器中不可出現(xiàn)溶解氧[27]。該工藝可運行于城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥硝化的上清液、高濃度氨氮及低C/N工業(yè)污廢水的脫氮處理。目前，眾多學(xué)者對SHARON-ANAMOX工藝進行了深入研究，但對其作用的具體途徑和微生物的生物特性的研究還不夠了解，仍然需要進一步研究。

3.2 CANON工藝

亞硝化細菌、厭氧氨氧化菌、硝化細菌在CANON工藝中起主要作用。根據(jù)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)：在控制溶解氧在適宜的濃度的條件下，厭氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌能夠形成穩(wěn)定的相互作用的協(xié)同關(guān)系。CANON工藝屬于全程完全自養(yǎng)脫氮技術(shù)，反應(yīng)菌群的生物特性決定了其不需要外加碳源的特點，且能夠比傳統(tǒng)脫氮工藝節(jié)省一半以上的供氧量，污泥產(chǎn)量也低，因此能夠有效減少能源消耗和占地面積的使用。CANON工藝脫氮流程簡短，大大降低了相應(yīng)的建設(shè)、運行管理費用，給污水處理廠處理高氨氮、低有機碳廢水提供了一個經(jīng)濟高效的選擇[28-29]。

4 反硝化聚磷菌強化脫氮

反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms，DNPAOs)最早于1996年由荷蘭 Delft大學(xué)研究員在改良UCT(University of Cape town)工藝時在反應(yīng)池的活性污泥中被發(fā)現(xiàn)。DNPAOs的發(fā)現(xiàn)為解決碳源利用與泥齡差異之間的矛盾提供了可行性研究方案，脫氮除磷可實現(xiàn)同步進行[31-33]。反硝化聚磷菌與聚磷菌有著相似的脫氮除磷機理，都是在厭氧條件下釋放磷，缺氧條件下以亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮作為電子受體從外界吸收過量的磷同時達到脫氮除磷的效果。厭氧條件下：DNPAOs從外界吸收揮發(fā)性低分子脂肪酸(VFA)，并在細胞體內(nèi)將VFA活化成乙酰輔酶A并合成聚β-羥基烷酸(PHA)儲存于體內(nèi)，與此同時細胞體內(nèi)儲存的聚磷酸鹽(Poly-P)分解為磷酸根離子，發(fā)生磷的釋放；缺氧條件下：DNPAOs以亞硝酸根離子或硝酸根離子為電子受體氧化分解菌體內(nèi)儲存的PHA，產(chǎn)生的能量用于糖原合成維持生命活動和吸收外界過量的無機磷酸鹽合成Poly-P儲存于菌體內(nèi)；好氧條件下：O2作為DNPAOs的電子受體分解體內(nèi)儲存的 PHA，產(chǎn)生從外界攝取無機磷酸鹽和提供微生物生長的能量，并以Poly-P的形式儲存于菌體內(nèi)。

反硝化聚磷菌生長代謝具有下列影響因素：(1)溫度：反硝化聚磷菌屬于中溫生長菌，在20～30 ℃時最適宜其生長繁殖。高溫(高于35 ℃)可破壞菌種酶系統(tǒng)導(dǎo)致生物體活性降低，溫度低于10 ℃時，DNPAOs的生長速度放緩影響脫氮除磷效率，但序批式活性污泥法(SBR)系統(tǒng)中DNPAOs脫氮性能受低溫條件的負面影響并不大[34]；(2)pH值：較高的pH值(pH>10)或較低的pH值(pH<6)都會降低反硝化聚磷菌酶反應(yīng)活性，抑制對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，影響菌體的新陳代謝。DNPAOs具有較寬的pH 生長范圍(7～10)，且研究表明菌株在中性偏堿的件下具有最好脫氮除磷效果；(3)氮源：反硝化聚磷菌能以亞硝酸根離子或硝酸根離子作為電子受體進行反硝化脫氮除磷。氮源的種類及濃度都會影響DNPAOs的脫氮性能，其中硝酸鹽最適宜DNPAOs的吸收，高濃度的硝酸鹽可以促進DNPAOs的生長繁殖，以N/P比為4時最適宜DNPAOs的生長富集[35]；(4)碳源：反硝化聚磷菌能夠利用的碳源只有揮發(fā)性低分子脂肪酸 (VFA)，其他種類的有機碳源只能通過水解酸化成 VFA才能被反硝化聚磷菌吸收。葡萄糖相比其他碳源最容易被DNPAOs利用，而利用乙酸作為DNPAOs碳源時可獲得更好的脫氮除磷效果，DNPAOs在混合碳源下最先利用乙酸鈉為其生物碳源[36]。

5 結(jié)論與展望

本論文系統(tǒng)介紹了污水處理中新型生物脫氮強化技術(shù)的研究進展，詳細闡述了各項新型技術(shù)的脫氮機理，簡單討論了在實際污水處理中各氮素間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。短程硝化反硝技術(shù)在污水C/N較高時，脫氮效果較為明顯，并且該項技術(shù)可節(jié)約大量能源、碳源及減少底泥產(chǎn)量。同步硝化反硝化技術(shù)對碳源需求較高(COD/N>10)，但反應(yīng)速率較低，在實際應(yīng)用中需要更進一步的研究。厭氧氨氧化通常發(fā)生在污泥停留時間較長的自養(yǎng)體系或生物膜系統(tǒng)中，脫氮速率高效且無需外加碳源，在各脫氮工藝中具有較為明顯的優(yōu)勢，但菌群富集且敏感、工藝前期啟動比較困難。反硝化聚磷菌生物強化可實現(xiàn)同步脫氮除磷效果，N/P比為4時最適宜DNPAOs的繁殖生長，脫氮效果最為明顯。

短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化及反硝化聚磷菌強化生物脫氮技術(shù)都是在傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的基礎(chǔ)上研究并取得了一系列的突破，都可以較大程度上節(jié)省脫氮處理投資運營費用，使工藝運行更加高效、穩(wěn)定。這些新型技術(shù)都還處于在發(fā)展應(yīng)用的起步階段，通過對新型強化生物脫氮技術(shù)的研究分析，強化生物脫氮技術(shù)在水處理領(lǐng)域的研究應(yīng)用還可以從以下幾個方面加強：

(1)生物脫氮強化技術(shù)通常對環(huán)境條件要求較高，導(dǎo)致耗費較大的代價以獲得較高脫氮效率，故應(yīng)加強在實際應(yīng)用中溫度、pH值、溶解氧濃度DO和硝酸鹽等各個反應(yīng)條件的關(guān)聯(lián)問題，使生物脫氮系統(tǒng)的運行效率可得到有效的提高。

(2)生物脫氮強化技術(shù)目前大部分圍繞著強化脫氮技術(shù)的傳質(zhì)機理與反應(yīng)動力學(xué)進行研究，很少有研究將強化生物脫氮技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，而且沒能掌握對工藝使用菌株的收集與儲存方式，從而限制了脫氮菌劑的開發(fā)，不利于強化生物脫氮技術(shù)在日常大型污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此可深入探索研究新型填料，加強各反應(yīng)菌種的研究，研究各反應(yīng)菌種的分子生物學(xué)性質(zhì)并利用其生物特性加以基因重組和基因改組以構(gòu)建新型的工程菌種，深究菌種的生理學(xué)特征和生物化學(xué)特征，篩選、馴化、培育良種菌株，采取這一系列措施來提高脫氮效率。

(3)大多數(shù)生物脫氮強化工藝啟動周期漫長，總氮的去除負荷較低，且研究成果大多應(yīng)用在規(guī)模較小試驗工程中，大規(guī)模應(yīng)用于實際工程的案例不多。應(yīng)重點研究如何調(diào)控反應(yīng)條件以保持穩(wěn)定持久的亞硝酸鹽積累，提高工藝的抗沖負荷，開發(fā)更多的新型脫氮工藝及工藝組合，并加快實驗室小試成果向大規(guī)模工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。