胡凱耀，王亞娥，李杰

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

工業(yè)廢水和農(nóng)村城鎮(zhèn)生活污水含有大量的氮元素且主要以無機(jī)氮居多，有機(jī)氮含量其次，是極為重要的氮素排放源。因此污水排放脫氮不僅減少自然水體氮素富集也是減輕環(huán)境氮污染負(fù)荷的重要方式之一。

1 氮的循環(huán)機(jī)制及在環(huán)境中的排放現(xiàn)狀

1.1 氮的循環(huán)機(jī)制

生物固氮不單是地球生態(tài)系統(tǒng)氮素重要的來源之一，也驅(qū)動著水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的關(guān)鍵因素。N2作為惰性氣體，難以整合進(jìn)入代謝機(jī)制中，須在固氮生物細(xì)菌及古細(xì)菌的固氮酶復(fù)合物作用下轉(zhuǎn)化為植物可利用的銨態(tài)氮[9]。微生物的固氮酶有鉬(MO)固氮酶、釩(V)固氮酶和鐵(Fe)固氮酶3種不同的功能酶，其中MO—固氮酶比活性最高，也是所有固氮細(xì)菌所共有的固氮酶，當(dāng)3種酶同時存在時MO—固氮酶最優(yōu)先表達(dá)[10-11]。由于土壤中MO較為稀缺，V和Fe相對較豐富，一般認(rèn)為固氮作用取決于土壤養(yǎng)分(氮、磷、鉬)，除此之外研究發(fā)現(xiàn)在熱帶植物中，固氮是由熱帶生物群落的生物多樣性、進(jìn)化史和物種特異性特征決定，物種的類別是固氮的主要決定因素[12]。對于固氮的變化一般觀點認(rèn)為是由底物N和P控制的，但最近研究發(fā)現(xiàn)固氮的變化不是由底物N和P控制，而是由底物(C)∶N和C∶(N∶P)的化學(xué)計量控制的。Yang等[13]研究了水稻秸稈和葡萄糖添加輔以梯度氮肥種植紫云英，探索碳氮交互作用如何影響土壤固氮菌群，結(jié)果表明，土壤固氮菌對氮有效性的響應(yīng)依賴于碳的有效性，相比于氮，碳的種類和類型對固氮菌群的群落結(jié)構(gòu)影響更大。

氨化是有機(jī)氮化合物被微生物分解釋放出氨的過程。蛋白質(zhì)作為有機(jī)氮大分子，其分解過程是由微生物細(xì)胞外物理、化學(xué)、生物(胞外蛋白酶)聯(lián)合作用下水解生成多肽,隨后肽鍵會被多種肽酶斷裂成小分子肽和氨基酸,氨基酸可直接被微生物吸收并合成自身細(xì)胞物質(zhì)[14]，其它氮素以銨態(tài)氮的形式排放。氨化細(xì)菌作為兼性厭氧菌，不管在土壤系統(tǒng)還是水域系統(tǒng)中，其在厭氧和好氧的環(huán)境中均可發(fā)生氨化作用。而氨氧化細(xì)菌作為化學(xué)自養(yǎng)微生物，一般以無機(jī)碳為唯一碳源，不需要有機(jī)碳源，有機(jī)物的存在會導(dǎo)致氨氧化過程的抑制甚至致使氨氧化功能喪失[15]。一般在施用過化肥的土壤中，氨化細(xì)菌的豐度較其它微生物更廣。李春越等[16]通過研究施肥土壤氮素生理群豐度，發(fā)現(xiàn)氨化細(xì)菌和好氧固氮菌的數(shù)量分別是亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的102、103倍，結(jié)果表明，施肥土壤中的有機(jī)氮化合物在氨化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為氨基酸和NH3的過程相對較為容易。在廢水中含有的有機(jī)氮化合物均能夠在氨化微生物的作用下生成氨，氨在水溶液中生成銨態(tài)氮或游離氨(FA,NH3)。另外研究發(fā)現(xiàn)FA達(dá)到一定濃度后不僅會對污水處理系統(tǒng)中硝化過程產(chǎn)生抑制作用還對脫氮菌群有致死效應(yīng)[17]。

1.2 我國氮污染物排放現(xiàn)狀

人類的生存發(fā)展和行為活動是導(dǎo)致氮排放的重要因素之一，全球每年向陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)提供413 t活性氮，其中僅人為活動占近一半[31]。見圖1[32]，根據(jù)2017年開展的第2次污染源普查數(shù)據(jù)顯示，我國在2017年度總氮、氨氮、化學(xué)需氧量總排放量分別為304.14，96.34，2 143.98萬t[32]。七大江河流域總氮、氨氮、化學(xué)需氧量排放量分別為272.27，85.64，1 957.48萬t。七大江河流域是我國氮污染的主要來源，其總氮、氨氮和化學(xué)需氧量三項指標(biāo)排放量，分別占我國水污染物排放總量的89.5%，88.9%和91.3%。因此河流氮污染物治理需要進(jìn)一步加強(qiáng)。除此之外，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、工企業(yè)污水、農(nóng)村生活污水和城鎮(zhèn)生活污水是人類生產(chǎn)活動中水污染物氮素主要排放源。見圖2[32]，城鎮(zhèn)生活污水污染物中總共排放氨氮45.41萬t，總氮排放量高達(dá)101.87萬t，兩指標(biāo)排放量均為最高值。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)相對于其他行業(yè)總氮和氨氮排放相對較少分別為9.91萬t和2.23萬t，農(nóng)村生活污水總共排放氨氮24.5萬t，僅次于城鎮(zhèn)生活污水的氨氮排放量。工企業(yè)污水相對于農(nóng)村生活污水和城鎮(zhèn)生活污水排放的總氮和氨氮較少，而在工企業(yè)生產(chǎn)中，化工產(chǎn)品制造業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、紡織工業(yè)均是氨氮和總氮排放量前三位的行業(yè)[32]。此外，種植業(yè)及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的總氮和氨氮排放量均有巨大差異，表明畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)排放的污染物中有機(jī)氮或硝態(tài)氮含量較高。僅工企業(yè)污水、農(nóng)村生活污水和城鎮(zhèn)生活污水三者共排放總氮162.09萬t，污水脫氮處理可大量減少氮排放也是目前亟需解決的問題，污水脫氮治理及新型高效的脫氮工藝技術(shù)研發(fā)，目前仍具有巨大的潛在空間。

圖1 2017年全國水污染物排放狀況Fig.1 National water pollutant discharge in 2017七大流域(松花江、淮河、海河、遼河、長江、黃河、珠江)

圖2 2017年水污染物氮素主要排放源Fig.2 Main nitrogen emission sources of water pollutants in 2017

2 污水脫氮技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 厭氧氨氧化

0.02C5H7O2N+1.04H2O+1.89H+

(1)

(2)

2.2 短程硝化反硝化

2.3 同步硝化反硝化

傳統(tǒng)生物脫氮及觀點認(rèn)為硝化和反硝化進(jìn)程受DO、溫度、pH等環(huán)境條件因素的影響，兩者只能在不同的區(qū)域進(jìn)行各自反應(yīng)。但同步硝化反硝化(SND)打破了硝化和反硝化在時間和空間上的隔離，通過恰當(dāng)?shù)目刂艱O、溫度、pH、碳源、微生物絮體結(jié)構(gòu)等條件，使得兩者能夠在同位置同步進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而快速脫氮。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化相比，同步硝化反硝化不僅大大提高了脫氮速率還減小了反應(yīng)器占地空間，節(jié)約基建投資費用。

3 結(jié)語

氮的循環(huán)機(jī)制是污水生物脫氮技術(shù)的理論基礎(chǔ)，隨著新的氮素循環(huán)途徑的發(fā)現(xiàn)以及對氮素循環(huán)機(jī)制的深入研究，這為新型脫氮技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新的思路。新的理論的產(chǎn)生到實際成熟的運(yùn)用需要較長的實踐時間，污水脫氮技術(shù)未來的發(fā)展需要從氮循環(huán)機(jī)理上深入的研究，以及注重實際工程運(yùn)用。生物脫氮是當(dāng)前脫氮技術(shù)的主流方法，此外，化學(xué)方法脫氮或生物化學(xué)法的高效結(jié)合也具有一定優(yōu)勢。生物海綿鐵、鳥糞石、電化學(xué)方法等新型材料的發(fā)掘和高效脫氮方法的研發(fā)具有可觀的前景，隨著對理論的深入研究，多技術(shù)聯(lián)用下的新型脫氮技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>