陳垃圾反應器中脫氮微生物的脫氮機理

李斐斐

武警工程大學裝備工程學院防化教研室（陜西西安　710000）

節能環保

陳垃圾反應器中脫氮微生物的脫氮機理

李斐斐

武警工程大學裝備工程學院防化教研室（陜西西安710000）

生物脫氮法因具有經濟高效的特點而成為當今處理水體氮污染的熱門方法。研究了陳垃圾反應器中的生物脫氮機理，其包括硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。此外，研究中還發現了厭氧氨氧化反應及生物膜同步硝化反硝化（SND）法等。

陳垃圾脫氮微生物硝化反應反硝化反應

0　前言

由于水體氮污染已經對人類賴以生存的生態環境構成威脅，所以開發經濟有效的生物脫氮技術目前已成為國內外的研究熱點，而該技術的機理也日益成為研究的重點。新型脫氮工藝反應器內的微生物學研究，是其機理研究的一個重要組成部分。現如今，已有很多學者對脫氮技術做了大量研究，其中涉及了多種脫氮微生物，如自養氨氧化菌、異養氨氧化菌、厭氧氨氧化菌等，這些微生物在脫氮過程中起著關鍵作用。

由于在新型脫氮工藝運行過程中參與反應的微生物種類尚不明確，關于該工藝機理的研究也處于初級階段，導致采用傳統微生物學手段，研究新型脫氮工藝的反應機理尚存在一定的困難。為了更好地研究新型脫氮工藝的反應機理，并為控制其反應條件和實際應用提供理論依據、奠定理論基礎，除了微生物傳統研究方法外，目前還迫切需要開發生物學新技術。

對于氨氮含量高的氨氮有機廢水的處理一直是一個難點。傳統的脫氮處理工藝（如氨吹脫、化學沉淀等）會造成二次污染，或需要投加較大量的化學藥品，成本較高。垃圾填埋場填埋數年的陳垃圾已基本生物穩定化，具有獨特的物理化學和生物性質。利用陳垃圾作為填料，可以為脫氮微生物提供生長附著點，增加脫氮微生物的數量。這一方法在滲濾液處理中取得了很好的脫氮效果，并已在實際生產中得到應用。

1　陳垃圾反應器處理方法

陳垃圾是指在垃圾填埋場中經過多年填埋，已基本達到穩定化，可以開采利用的垃圾。與一般土壤相比，陳垃圾容重較小、孔隙率高、有機質含量高、陽離子交換容量大、吸附和交換能力強，其自身已經幾乎不再產生滲濾液、填埋氣和異味。陳垃圾在形成過程中經歷了好氧、兼氧和厭氧階段，發生了多種生物化學作用，并以多階段降解性生物反應為主；滲濾液的長期產生和洗瀝，也使陳垃圾成為一個微生物種類、數量繁多，水力滲透性能優良，多相多孔的生物活體[1-2]。陳垃圾反應器是指將篩分后的陳垃圾細料裝填于反應器中，用以處理各種廢水的反應裝置[3]，分為厭氧陳垃圾反應器和好氧陳垃圾反應器等。

厭氧陳垃圾反應器采用顆粒較小的陳垃圾，反應器呈封閉狀態，內部不設通氣管，整個反應器在厭氧條件下進行反應。其優點為吸附效果好、污染物去除率高、抗沖擊能力強、凈化出水水質穩定等，缺點為水力負荷低、占地面積大、總氮去除率低等[4]。

好氧陳垃圾反應器利用自然通風、插導氣管等方式改變陳垃圾反應器的厭氧狀態，從而提高了其對污染物的去除效果。

2　污染水體的生物脫氮法

污水脫氮的方法主要有物理法、化學法和生物法三種，其中，生物法脫氮由于其經濟、高效的特點而成為公認的最具發展前景的技術。污水生物脫氮技術已歷經幾十年的發展，并逐漸走向成熟，但人們仍不斷致力于研究和開發更加高效、低耗的新型生物脫氮技術，而利用填埋場填埋數年的陳垃圾對污水進行處理，是一種簡便、經濟而且高效的方法。

生物法脫氮主要依靠的是各種脫氮微生物的作用，因此微生物是處理的主體，其群落結構會隨運行條件和裝置微環境的改變而變化，其代謝功能是影響污染物去除效果和裝置運行性能的關鍵因素。

生物法處理污水是指依靠微生物的新陳代謝作用，以及微生物絮體對污染物的吸附作用，來去除污水中污染物的處理方法[5]。相對于其它脫氮技術，生物脫氮技術具有很強的優勢，因此成為當前研究的熱點。傳統生物脫氮方法包括兩個階段，即硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。硝化細菌是化能自養好氧菌，其分兩個步驟完成硝化反應。第一步是將氨鹽轉化為亞硝酸鹽，該過程由亞硝酸菌完成，稱為亞硝化過程,反應方程式如下：

第二步是將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽，該過程由硝酸菌完成，稱為硝化過程，反應方程式如下：

反硝化作用則是由反硝化菌將硝酸鹽轉化為氮氣排出，該反應在厭氧或缺氧條件下進行，反應方程式如下：

該轉化過程有許多中間產物，如HNO2，NO2和N2O。反硝化菌多數為兼性厭氧菌，在無分子態氧存在的環境中，其利用硝酸鹽作為電子受體，有機物則作為碳源和電子供體提供能量并被轉化為CO2和H2O。隨著時間的推移，人們對生物脫氮過程的研究又有了一些超出傳統認知的新發現，如厭氧氨氧化反應，該反應是在嚴格厭氧條件下進行的，微生物直接以為電子供體，或為電子受體，將或轉變為N2。

（1）好氧法

好氧法包括活性污泥法、生物濾池等，活性污泥法費用低、效率高，是廣泛應用的處理方法，而通過提高污泥濃度來降低污泥有機負荷，可以提高污水處理效果。生物濾池是依據土壤自凈原理，在污水灌溉的實踐基礎上，由較原始的間歇砂濾池和接觸濾池發展而來的人工生物處理技術。曝氣生物濾池合并了生物氧化和截留懸浮固體，省去了后續的沉淀池(二沉池)，優點是所需基建投資少，運行費用少、能耗低，水力停留時間短，容積負荷、水力負荷大，出水水質好。

（2）厭氧法

厭氧法包括上向流污泥床、厭氧固定化生物反應器、混合反應器及厭氧穩定塘等方法，厭氧濾池適用于處理可溶性有機物。

（3）厭氧-好氧組合法

單獨采用厭氧法處理污水的實例很少見，這是由于雖然已經通過實踐，證明了厭氧生物法對高質量濃度有機廢水處理的有效性，但對于高質量濃度的污水，采用厭氧-好氧組合工藝對其進行處理既經濟合理，又能得到較高的處理效率。

（4）生物膜同步硝化反硝化（SND）法

生物膜SND是指硝化與反硝化反應在同一生物膜內同時發生而達到脫氮效果的過程。目前普遍認為，生物膜SND過程是由生物膜微環境中各種物質（如溶解氧、有機物、等）的傳質濃度梯度，以及各類微生物的代謝活動及其相互作用，所導致的微環境條件或狀態改變引起的。其脫氮理論認為，由于傳質阻力的存在，生物膜內有機物、溶解氧等基質傳遞存在濃度梯度，從膜外到膜內依次形成流動水層-附著水層-好氧層-厭氧層-附著介質的漸變結構，分別為好氧硝化和厭氧反硝化提供了適宜的條件。根據目前的研究，生物膜內氨氮、溶解氧、有機碳源等基質的傳遞狀況如下：首先，由外部水體進入好氧層的氨氮在硝化細菌的作用下被氧化成，與有機物繼續在膜內傳遞進入厭氧層，在反硝化菌的作用下，被還原為N2逸出水體，從而完成生物膜SND的脫氮過程。正是由于在生物膜內部存在微生物種群結構、基質分布代謝活動和生物化學反應的不均勻性，以及物質濃度變化等因素的相互作用，在生物膜不同區域形成了具有不同反應條件的微環境，從而為SND的發生提供了條件。

3　影響脫氮效果的因素

（1）酸堿度（pH值）

大量研究表明，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜pH范圍分別為7.0～8.5和6.0～7.5，當pH值低于6.0或高于9.6時，硝化反應停止。反硝化細菌最適宜的pH范圍為7.0～8.5，在這一范圍內反硝化速率較高。

（2）溫度（T）

硝化反應適宜的溫度范圍為5～35℃，在這一溫度范圍內，反應速率隨溫度的升高而加快，當溫度低于5℃時，硝化菌完全停止活動。反硝化反應適宜的溫度范圍為15～30℃，當溫度低于10℃時，反硝化作用停止，當溫度高于30℃時，反硝化速率也開始下降。

（3）溶解氧（DO）

在好氧條件下，硝化反應才能進行，溶解氧的質量濃度不但影響硝化反應速率，而且影響其代謝產物。為滿足正常的硝化反應需求，在活性污泥中，溶解氧的質量濃度至少應為2 mg/L，一般應在2～3 mg/L之間，生物膜法則應大于3mg/L。

（4）碳氮比（C/N）

在脫氮過程中，碳氮比將影響活性污泥中硝化菌所占的比例。因為硝化菌為自養型微生物，其代謝過程不需要有機質，所以污水中的BOD5/TKN（五日生化需氧量/凱氏氮）越小，即BOD5的質量濃度越低、硝化菌所占的比例越大，硝化反應越容易進行。硝化反應對碳氮比的一般要求是BOD5/TKN＞5，COD（化學需氧量）/TKN＞8。

（5）生物脫氮過程中氮素的轉化條件

生物脫氮過程包括氨氧化、亞硝化、硝化及反硝化，有機物降解碳化過程亦伴隨著這些過程同時完成。綜合考慮各項因素（如菌種及其增值速度、溶解氧、pH值、溫度、負荷等），可有效簡化和改善生物脫氮的總體過程。

4　結語

傳統生物脫氮機理包括硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。硝化與反硝化反應在同一生物膜內同時發生而達到脫氮的過程，即為生物膜SND法。此外，研究中還發現了厭氧氨氧化反應。生物脫氮技術是當前研究的熱點，其機理研究也日益成為研究重點。同時，生物脫氮的新技術也在不斷開發之中，將為污水脫氮提供更加經濟高效的選擇。

[1]趙由才,柴曉利,牛冬杰.礦化垃圾基本特性研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2006,34(10):1360-1364.

[2]趙由才,黃仁華,趙愛華,等.大型填埋場垃圾降解規律研究[J].環境科學學報,2000,20(6):736-740.

[3]邊炳鑫.生活垃圾填埋場中礦化垃圾的綜合利用技術[D].上海:同濟大學,2004.

[4]呂寶一.陳垃圾反應器處理晚年期滲濾液的強化調控研究[D].上海:華東師范大學,2010.

[5]王方,王明亞,王明太.回收氨氮廢水用水處理技術的研究進展[J].當代化工,2011,40(12):1277-1282.

M echanism of M icrobial Nitrogen Removal in Aged Refuse Bioreactor

Li Feifei

Owing to the economic and effective characteristics,biological denitrification technology has become a popularmethod in treating nitrogen pollution of water.The mechanism of biological denitrification in aged landfill was studied,and it included nitrification and denitrification stages,which were completed by nitrifying bacteria and denitrifying bacteria,respectively.In addition,the anaerobic ammonia oxidation reaction and biofilm simultaneous nitrification and denitrificationmethod were found.

Aged refuse;Denitrificationmicroorganism;Nitration reaction;Denitrification reaction

O 6

李斐斐女1987年生碩士助教主要從事污水生物處理工作

2016年2月