袁林江， 彭黨聰， 王志盈?　
（西安建筑科技大學 環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055）

　　摘　要： 短程硝化—反硝化生物脫氮法是將硝化控制在形成亞硝酸階段，阻止亞硝酸的進一步硝化，然后直接進行反硝化。這一方法可以克服傳統生物脫氮法存在的問題，其關鍵是在硝化階段維持HNO₂長久穩定地積累。本文結合國內外研究，對形成HNO₂積累的條件和影響因素進行了分析，探討了實現短程硝化的途徑。
　　關鍵詞： 生物脫氮； 硝化； 反硝化； 短程硝化—反硝化
　　中圖分類號： X703
　　文獻標識碼： B
　　文章編號： 1000-4602(2000)02-0029-03
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　　 近年來國內外學者對污水生物脫氮工程實踐中暴露出的問題和現象進行了大量理論和試驗研究，并提出了一些新的觀點和方法，其中短程生物脫氮法頗受重視，具有重要的應用價值。

1 短程硝化—反硝化作用機理

　　長期以來無論是在廢水生物脫氮理論上還是在工程實踐中，都一直認為要實現廢水生物脫氮就必須使NH₄⁺經歷典型的硝化和反硝化過程才能安全地被除去,這條途徑也可稱之為全程(或完全)硝化—反硝化生物脫氮。實際上從氮的微生物轉化過程來看,氨被氧化成硝酸是由兩類獨立的細菌催化完成的兩個不同反應,應該可以分開。對于反硝化菌,無論是NO₂^-還是NO₃^-均可以作為最終受氫體,因而整個生物脫氮過程也可以經NH₄⁺→HNO₂→N₂這樣的途徑完成。早在1975年Voet就發現在硝化過程中HNO₂積累的現象并首次提出了 短程硝化—反硝化生物脫氮(Shortcut nitrification—denitrification ，也可稱為不完全或稱簡捷硝化—反硝化生物脫氮)，隨后國內外許多學者對此進行了試驗研究。這種方法就是 將硝化過程控制在HNO₂階段而終止，隨后進行反硝化。傳統生物脫氮之所以要將氨完全氧化成硝酸后再進行反硝化，主要是基于以下幾方面原因：①如果硝化不完全，形成的亞硝化產物HNO₂是“三致”物質，對受納水體和人是不安全的，所以盡量避免出現HNO₂；②HNO₂具有一定耗氧性，影響出水COD和受納水體的DO；③氨自然生物氧化過程中，NH₄⁺→NO₂^-可釋放242.8～351.7kJ/mol的能量，亞硝酸菌從中獲取5%～14%能量。氧化NO₂^-→NO₃^-釋放能量為64.5～87.5kJ/mol，硝酸菌可利用其中5%～10%，是亞硝酸菌有效利用能量的1/4～1/5，要達到相同的能量，硝酸菌氧化NO₂^-量必須達到亞硝酸菌氧化NH₄⁺量的4～5倍，因而在穩態下不會有HNO₂積累，氨會被氧化成硝酸；④亞硝酸菌和硝酸菌雖是兩類獨立細菌，但在開放體系中這兩類菌普遍存在，并生活在一起，彼此有利，因此難以單獨存在；⑤氨氧化為亞硝酸的速率較亞硝酸氧化為硝酸速率快，在NH₃→HNO₃中，亞硝酸的形成是限速步驟，所以通常硝化產物為硝酸，亞硝酸濃度很低。?
　　近年來，高氨低碳源廢水處理過程中所反映的一系列問題和短程生物脫氮的提出，又促使人 們重新 審視傳統生物脫氮的過程，并圍繞短程生物脫氮的可行性進行了大量實驗研究和工程實踐。短程生物脫氮具有以下特點：①對于活性污泥法，可節省氧供應量約25%，降低能耗；②節省反硝化所需碳源40%，在C/N比一定的情況下提高TN去除率；③減少污泥生成量可達50%；④減少投堿量；⑤縮短反應時間，相應反應器容積減少。因此這一方法重新受到了人們的關注。

2 影響亞硝酸積累的因素

　　由于廢水生物處理反應器均為開放的非純培養系統，如何控制硝化停止在HNO₂階段是實現短程生物脫氮的關鍵。傳統硝化過程是由亞硝酸菌和硝酸菌協同完成的，由于這兩類細菌在開放的生態系統中形成較為緊密的互生關系，將氨氧化為硝酸，因此完全的亞硝酸化是不可能的。短程硝化的標志是穩定且較高的HNO₂積累即亞硝酸化率較高［NO₂^--N/(NO₂^--N+NO₃^--N)至少大于50%以上］。影響亞硝酸積累的因素主要有溫度、pH、氨濃度、氮負荷、DO、有害物質及泥齡。?
　　 ① 溫度。生物硝化反應在4～45 ℃內均可進行，適宜溫度為20～35℃，一般低于15 ℃硝 化速率降低，并且低溫對硝化產物及兩類硝化菌活性影響也不同。12～14℃下活性污泥中 硝 酸菌活性受到更嚴重的抑制，出現HNO₂積累。15～30℃范圍內，硝化過程形成 的亞硝酸可完全被氧化成硝酸。溫度超過30℃后又會出現HNO₂積累。
② pH。隨著硝化反應的進行，硝化過程產生的酸使廢水pH不斷下降。亞硝酸菌要求的最適pH在7～8.5之間，硝酸菌為6～7.5。反應器中pH低于7則整個硝化反應會受到抑制。pH升高到8以上，則出水HNO₂濃度升高，硝化產物中亞硝酸比率增加，出現HNO₂積累。
　　 ③HNO₂ NH₃濃度與氮負荷。廢水中氨隨pH不同分別以分子態和離子態形式存在。 分子態游離氨(FA)對硝化作用有明顯的抑制作用，硝化桿菌屬比亞硝化單胞菌屬(硝化過程中常見的兩個菌屬)更易受到FA的抑制，0.6mg/L的FA幾乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，從而使HNO₂氧化受阻，出現HNO₂積累。只有當FA達到5mg/L以上時才會對亞硝酸菌活性產生影響，當達到40mg/L才會嚴重抑制亞硝酸的形成。pH升高，FA濃度增大，造成HNO₂積累。另外氨氮負荷過高時，在系統運行初期有利于繁殖較快的亞硝酸菌增長，使亞硝酸產生量大于氧化量出現積累。進水負荷過大所造成的HNO₂積累也與水中總氨氮中FA濃度增加有關，沖擊負荷也會造成HNO₂積累。
　　 ④ DO。亞硝酸菌和硝酸菌均是絕對好氧菌，在生物膜和活性污泥反應器中當膜的厚度和污泥顆粒的尺度較大時，形成氧擴散梯度。一般認為至少應使DO在0.5mg/L以上時才能很好地進行硝化作用，否則硝化作用會受到抑制。降低溶氧對氨氧化影響不大，但對亞硝酸氧化有明顯阻礙，產生HNO₂積累。
　　 ⑤ 有害物質。硝化菌對環境較為敏感。廢水中酚、氰及重金屬離子等有害物質對硝化過程有明顯抑制作用。相對于亞硝酸菌，硝酸菌對環境適應性慢，因而在接觸有害物質的初期會受抑制，出現亞硝酸積累。
　　 ⑥ 泥齡。亞硝酸菌的世代較硝酸菌短，在懸浮處理系統中若泥齡介于硝酸菌和亞硝酸菌的最小停留時間之間時，系統中的硝酸菌會逐漸被“淘洗”掉，使亞硝酸菌成為系統中優勢硝化菌，硝化產物以HNO₂為主。

3 短程硝化的維持

?　雖然很多因素會導致硝化過程中亞硝酸積累，但目前對此現象的理論解釋還不充分，認識有所不同，長久穩定地維持HNO₂積累的途徑還有待探索。Anthonisen在試驗中注意到高濃度游離氨(FA)對硝化作用有抑制作用，并影響到硝化產物。Alleman在此基礎上進一步研究后提出了HNO₂積累的選擇性抑制學說。他認為亞硝酸菌和硝酸菌對FA敏感度不同，只要控制系統中FA濃度介于硝酸菌抑制濃度和亞硝酸菌抑制濃度之間就可保證氨氧化正常進行而HNO₂氧化受到阻礙，形成HNO₂積累。另一些試驗表明，高濃度FA抑制所造成的HNO₂積累并不穩定，時間一長系統中亞硝酸濃度和亞硝化比率均會下降，HNO₃濃度增大。這說明硝酸菌對FA所產生的抑制作用會逐漸適應，而且硝酸菌對FA適應性是不可逆轉的，即便再進一步提高FA濃度，亞硝化比率也不會增加。?
　　國內學者在進行高氨廢水生物處理中也遇到類似情況^［1］。在設施運行初期，負荷增長過程中或遭遇到沖擊負荷以及進水水質波動較大時都會出現亞硝化現象，好氧段出水中亞硝酸濃度增加，甚至運行初期硝化產物幾乎以亞硝酸為主，但經過一段時間的恢復與適應后，出水又以硝酸鹽為主。彭黨聰在焦化廢水處理中發現，即使硝化菌同時接觸到高濃度有機物、酚、氰及FA等多重抑制物，硝化菌對此仍有一定的適應性，亞硝化率由初期的85%以上逐漸下降。進水水質的經常波動會削弱硝酸菌的這種適應性。因此單純依靠提高FA濃度等抑制作用來實現長久穩定的短程硝化是不可能的。?
　　1997年荷蘭的Mulder^［2］提出了SHARON工藝來處理城市污水二級處理系統中污泥消化上清液和垃圾濾出液等高氨廢水，可使硝化系統中HNO₂積累達100%。SHARON工藝全稱為Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over Nitrite。該工藝采用CSTR反應器。因在一定的高溫下，硝化菌對氨有很高轉化率，所以系統無需特別污泥停留。SHARON工藝的核心是利用在高溫(30～35℃)下，亞硝酸菌的最小停留時間小于硝酸菌這一固有特性控制系統的水力停留時間，介于硝酸菌和亞硝酸菌最小停留時間之間，則硝酸菌被自然淘汰，從而維持了穩定的HNO₂積累。在SHARON工藝中，溫度和pH受到嚴格控制。利用此專利工藝的兩座廢水生物脫氮處理廠已在荷蘭建成，證明了短程硝化—反硝化的可行性。但此工藝利用消化污泥消化液本身溫度較高的特點來實現短程硝化，這對于大多數工程意義不大，因為大量水要升溫、保溫在30～40℃難于實現。另外，SHARON工藝去除率最多達90%。當進水NH₃-N為1000mg/L時，出水NH₃-N仍高達100mg/L以上。這一方法對于本身溫度較高的高氨廢水生物脫氮處理有重要的現實意義。?
　　DO是硝化與反硝化過程中重要因素。Hanaki研究表明，低溶氧下亞硝酸菌增殖速率加快，補償了由于低氧所造成的代謝活動下降，使得整個硝化階段中氨氧化未受到明顯影響，而亞硝酸大量積累，降低溶氧對硝酸菌有明顯抑制作用。Laanbroek^［1］的研究進一步表明低溶氧下亞硝酸大量積累是由于亞硝酸菌對DO的親合力較硝酸菌強。亞硝酸菌氧飽和常數一般為0.2～0.4mg/L，硝酸菌的為1.2～1.5mg/L。低溶氧下，亞硝酸菌和硝酸菌增殖速率均下降。當DO為0.5mg/L時，亞硝酸菌增殖速率約為正常時的60%，而硝酸菌則不超過正常值的30%。利用這兩類菌動力學特性的差異有望在活性污泥系統和生物膜上逐漸達到淘汰硝酸菌的目的。只是在懸浮系統中，低氧下活性污泥很易解體和發生絲狀膨脹^［3］。但低氧下確實可以如SHARON工藝一樣實現在反應器中逐漸保留亞硝酸菌的目的。低氧下，不但存在對硝酸菌的淘汰還存在對硝酸菌活性的抑制。彭黨聰在生物膜反應器中也發現低濃度DO抑制了硝化現象，在0.5～1mg/LDO下，當進水NH₃-N為250mg/L時，出水NH₃-N低于5mg/L且硝化產物以亞硝酸為主，亞硝化率高達90%以上，連續運行120d，無明顯變化，表明了低DO下生物膜系統獲得了良好的短程硝化效果。
　　無論是SHARON工藝還是利用低DO下亞硝酸化，其本質均是利用了微生物動力學特性固有差異而實現兩類菌的動態競爭與選擇的結果，尤其是降低溶解氧作為實現短程硝化的控制是對傳統好氧處理和傳統生物脫氮處理的深化，但諸如活性污泥的沉降性和污泥膨脹、低溶氧下同步硝化反硝化等問題仍有待于進一步研究與完善。

參考文獻：
　　 ［1］ 文一波，錢易.焦化廢水生物脫氮研究［J］.環境科學，1994，13(3)：45-5 0.
　　［2］ Mulder J W， Rogier van Kempen.N?removal by SHARON［A］.IAWQ con ference［C］,1997.30-31.
　　［3］ Laanbroek H J，Gerards S.Competition for limiting amoun ts of oxygen between Nitrosomanas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures［J］.Arch Microbiology,1993,159:453-459.

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作者簡介： 袁林江(1966- )， 男， 河南滑縣人，西安建筑科技大學副教授，碩士，主要研究方向：環境生物與工程。
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收稿日期： 1999-09-05