含氮廢水短程硝化調控策略

羅偉國 朱欣明

（浙江省桐廬縣環境保護局 浙江杭州 311500）

短程硝化反應需要控制較高的溫度和pH、較短的SRT，使亞硝酸細菌保持較高的生長速率，抑制硝酸細菌，從而使氨氮氧化成亞硝氮。短程硝化過程成為實現厭氧氨氧化或短程反硝化的關鍵前提條件。

實現短程硝化，關鍵是要控制操作條件，抑制亞硝酸細菌的生長，使氨氧化細菌具有相對競爭優勢，實現亞硝酸鹽的積累。短程硝化的主要操作條件包括：游離態亞硝酸濃度、游離態氨濃度、DO、pH、溫度等。

1 基質（FNA/ FA）

游離態亞硝酸（FNA）和游離態氨(FA)分別是亞硝酸氧化細菌和氨氧化細菌的真正消耗基質，同時又是真正的抑制劑。

亞硝酸鹽和銨鹽分別是弱酸性鹽和弱堿性鹽，在水中遵循水解電離平衡。當溫度是定值時，游離態亞硝酸在總亞硝酸中、游離態氨在總氨氮中占的比例受pH影響。FNA與FA濃度可根據式1和2計算：

式中，FNA-游離亞硝酸濃度 (mol/L)；FA-游離氨濃度（mol/L）；總氨氮濃度（mol/L）亞硝酸鹽總濃度(mol/L)；Kb、Kw和Ka分別是氨、水和亞硝酸的解離常數，20℃時分別為

FA/Ct,NH3和FNA/Ct,NO2與pH的關系見下圖所示：

圖1 FA/Ct,NH3和FNA/Ct,NO2受pH 的影響

當FNA或FA濃度在較高濃度時，會抑制亞硝酸氧化細菌（NOB）和氨氧化細菌（AOB）的活性，但NOB比AOB相對更敏感。Anthonisen等發現，游離態氨(FA)對AOB產生抑制的濃度為10至150mg/L，對NOB產生抑制的濃度為0.1至1.0mg/L。Wongchong等[1]認為，當FA濃度達到5mg/L以上時，亞硝酸菌活性受到一定影響，FA達到40mg/L時，亞硝酸形成才受到嚴重抑制，經過馴化后，AOB所能耐受的FA濃度還可進一步提高。FNA對NOB和AOB產生抑制的濃度相差很大，分別為0.06和2.8mg/L。

綜上可知，FNA和FA可作為優選AOB、淘汰NOB、實現亞硝酸鹽累積的控制性參數之一。Kim等研究氣提式生物膜反應器的短程硝化過程中發現，在FA高于0.2mg/L以及DO充足的條件下，亞硝酸氧化活性受到極大的抑制，FA濃度降低后，亞硝酸氧化活性又得到恢復。FA對于NOB活性的半抑制濃度為0.7 mg/L。

2 DO

在硝化系統中，AOB和NOB對應共同的電子受體都具有競爭作用。在電子受體的競爭方面，NOB通常處于弱勢。據Hunik等研究結果，Nitrobacteragilis和N.europaea對氧氣的半飽和濃度分別是0.54mg/L和0.16mg/L[2]；活性污泥的研究結果可知，NOB和AOB相應的氧氣的半飽和濃度范圍分別是0.34mg/L~2.5mg/L和0.25~0.5。由此可見，較低濃度的溶解氧使氨的氧化速率高于亞硝酸的氧化速率，最終實現亞硝酸鹽的積累。Ruiz等人研究總結短程硝化的最佳溶解氧范圍為0.7mg/L~1.5mg/L。

3 pH

pH值可影響廢水中FA-Ct,NH3和FNA-Ct,NO2，通過電離平衡作用，堿性條件促進游離態氨形成，不僅使NOB缺少基質，而且對NOB活性產生抑制，又能為AOB生存提供基質。此外，pH本身對微生物也是較大影響。NOB最佳生長的pH范圍是6.0至7.5，AOB最佳生長的pH范圍是7.0至8.5。Kumar的研究表明，pHo從6.00增加至8.50時，N.europaea的胞內pHi由6.30增加至7.80，pH值增加明顯；而硝酸細菌的胞內pHi維持在相對穩定的狀態，變化范圍僅限于7.30至7.80，可見pH對AOB的影響作用更大。

4 溫度

據報道，在溫度為7至30℃范圍，AOB和NOB的活化能范圍分別為72至60kJ/mol以及43至47kJ/mol，它們對溫度的敏感性存在著較大差異。當溫度低于12℃時，硝化桿菌的生長速率快于亞硝化單胞細菌，硝化桿菌對亞硝酸鹽的轉化速率也較亞硝化單胞細菌高，要將硝化過程控制在短程硝化階段較難；然而，溫度高于12℃時，尤其是在高于25℃時，亞硝化單胞細菌活性較硝化桿菌高。由此可見，較高溫度有利于篩選AOB。綜合考慮，實現短程硝化的適宜溫度范圍應控制在20～35℃之間。

5 泥齡

在中溫、高溫度和較高pH的外部條件下，將污泥齡控制在AOB和NOB的最大生長速率內，可滯留AOB并篩洗出NOB，進一步實現短程硝化。Pollice等在氨氮濃度控制在400至500mg/L、DO為2.0mg/L、pH為7.2、溫度為32℃的環境條件下，研究了泥齡對SBR反應器短程硝化的作用影響，結果表明，隨著泥齡從40天降到10天時，亞硝酸氮的累積濃度由0增至500mg·L-1，硝酸鹽量明顯減少。盡管反應器內生物濃度和生物量都在減少，但生物的氨氮氧化活性得到提高。根據短程硝化工藝實際經驗，推薦污泥停留時間控制在1至2.5天。

6 展望

含氮廢水帶來水質富營養，對水環境產生較大影響。短程硝化是一種處理含氮廢水的高效、經濟的解決方案。從應用層面，還需要研究其他不利影響因素對短程硝化反應功能性微生物——亞硝酸細菌的影響，并尋求突破影響其生長和繁殖的不利因子的工程技術手段；進一步研究各類生態因子對短程硝化優勢菌群的導向作用，為短程硝化工藝的參數控制和操作優化提供依據支撐。

[1]Wongchong GM and Loehr RC.1978.Kinetics of Microbial Nitrification-Nitrite-Nitrogen Oxidation.Water Res,12:605-609.

[2]Hunik JH,Tramper J and Wijffels RH.1994.A Strategy to Scale-Up Nitrification Processes with Immobilized Cells of Nitrosomonas-Europaea and Nitrobacter-Agilis.Bioprocess Engineering,11:73-82.