污水新型生物脫氮強化技術研究進展

陳仁杰，謝禹，荊肇乾

(南京林業大學 土木工程學院，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致水體中氮含量遠超環境容量，引發水體的富營養化。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化為氮氣排出系統[1]。由于傳統工藝有著系統總停留時間過長、抗沖擊負荷能力較差等問題，開發經濟、高效、穩定的新型生物脫氮技術的研究十分迫切[2-3]。

強化生物脫氮技術是指在污水處理系統中通過利用菌群的生物特性和物化手段調控反應條件達到改善工藝脫氮效果的技術方法，通過工藝強化能夠增強微生物對氮素的降解能力，加快反應物降解速率，提高出水水質。目前，已研究開發出的強化生物脫氮技術有：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，其作用機理是通過改變反應池環境溫度、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)的轉化，亞硝化后直接進行反硝化反應[4-5]。短程硝化反硝化與傳統的全程硝化反硝化相比，該技術具有下列特點[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，促進反應正向進行，縮短系統的水力停留時間，從而減少產泥量，有效的節省了反應器設計使用容積;(2)不進行NO2-N至NO3-N的轉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化，為后續的反硝化過程節省了接近一半的有機碳源需求量。

應用到短程硝化反硝化技術的典型工藝有：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器)、OLAND工藝(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denification,限氧自養硝化-反硝化)。

1.1 SHARON工藝

SHARON工藝是由荷蘭Delft工業大學設計開發的一種基于亞硝酸鹽去除高活性氨氮的生物單反應器，工藝可以用于處理城市污水二級處理系統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的轉化就直接進行反硝化[9]。

SHARON工藝的關鍵是控制反應池環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系統的污泥齡，將系統停留時間控制在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氮的轉化直接進行NO2-N的反硝化轉化為氮氣排出[7-10]。在SHARON工藝的運行過程中，必須嚴格控制反應環境溫度、pH值、溶解氧濃度DO及自由氨濃度等，以推進系統向有利于亞硝化菌生長繁殖的方向發展。

1.2 OLAND工藝

OLAND工藝是一種以生物轉盤反應器為基礎設計運行的新型生物脫氮工藝[11]，它由比利時Gent大學微生物生態實驗室最先提出并設計開發。OLAND工藝能夠成功運行的關鍵是控制溶解氧濃度，保持反應池內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在厭氧條件下發生厭氧氨氧化反應，最后污水中的氮以氮氣的形式排出反應系統外。

溶解氧濃度對硝化、反硝化反應有著極為重要的影響，相關實驗研究表明：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、低化學需氧量的污水,具有高效率低耗能、反應器啟動迅速、系統運行平穩、污水處理效果好、不需要外加碳源、節省投資費用等優點。

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器內完成，并能夠一步達到污水脫氮效果的新型生物脫氮工藝。物理學微環境反應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部擴散受到阻礙，溶解氧在微生物絮體內外產生了濃度梯度。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，發生硝化反應；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，微生物絮體內部形成缺氧區，聚集大量的反硝化細菌發生反硝化反應[16]。正是由于溶解氧在微生物絮體內外存在濃度梯度，形成了有利于硝化、反硝化反應的好氧區、缺氧區這樣的微環境，使得硝化、反硝化反應可以同時在同一個反應器內實現。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，加快了系統反應速度，縮短了反應水力停留時間，反應器設計容積得以減小；(2)與完全硝化反應相比，亞硝化反應具有較低的耗氧量，減少曝氣量，有效降低能源消耗；(3)硝化產生的氫離子可以與反硝化產生的氫氧根離子發生中和反應，平衡穩定反應液體的pH值，同時加快兩種反應的正向進行速度，反應效率得到較大的提高；(4)碳源在反應中對硝化階段有正向推動作用，同時也作為反應物參與反硝化反應，因此碳源有利于推進整個系統的反應進程。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。與傳統生物脫氮技術相比，厭氧氨氧化脫氮具有以下特點[23-25]：(1)工藝可以實現傳統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)工藝屬于自養缺氧型脫氮，可減少系統曝氣量，工藝動力消耗低，節省反硝化碳源，且不需要調節反應系統的pH值，較大降低了相關的投資運行費用；(3)污泥產量少，有效減少二次污染；(4)ANAMMOX菌屬于專性厭氧化學無機自養型細菌，具有生長緩慢、世代周期長、對外部環境非常敏感的生物特性，因此工藝啟動周期相當漫長，而且往往由于其穩定性只作為一種末端的處理技術[21]。

應用到厭氧氨氧化技術的典型工藝有：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生物脫氮)。

3.1 SHARON-ANAMMOX工藝

兩種自養型細菌(氨氧化細菌、厭氧氨氧化菌)在這項技術中發揮主要作用，故反應過程中無需外加碳源，且整個系統的耗氧量可節約50%，能源可節約90%以上,污泥產量較低，二氧化碳排放量很小，有利于環境保護。工藝運行過程中，需要嚴格控制反應系統的溫度、堿度、水力停留時間(HRT)及污泥停留時間(SRT)等，尤其要保證ANAMMOX反應器中不可出現溶解氧[27]。該工藝可運行于城市污水二級處理系統中污泥硝化的上清液、高濃度氨氮及低C/N工業污廢水的脫氮處理。目前，眾多學者對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。根據相關的發現：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定的相互作用的協同關系。CANON工藝屬于全程完全自養脫氮技術，反應菌群的生物特性決定了其不需要外加碳源的特點，且能夠比傳統脫氮工藝節省一半以上的供氧量，污泥產量也低，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，大大降低了相應的建設、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大學研究員在改良UCT(University of Cape town)工藝時在反應池的活性污泥中被發現。DNPAOs的發現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從外界吸收揮發性低分子脂肪酸(VFA)，并在細胞體內將VFA活化成乙酰輔酶A并合成聚β-羥基烷酸(PHA)儲存于體內，與此同時細胞體內儲存的聚磷酸鹽(Poly-P)分解為磷酸根離子，發生磷的釋放；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儲存的PHA，產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；好氧條件下：O2作為DNPAOs的電子受體分解體內儲存的 PHA，產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。

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 ℃)可破壞菌種酶系統導致生物體活性降低，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活性，抑制對營養物質的吸收利用，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 結論與展望

本論文系統介紹了污水處理中新型生物脫氮強化技術的研究進展，詳細闡述了各項新型技術的脫氮機理，簡單討論了在實際污水處理中各氮素間的聯系與轉化。短程硝化反硝技術在污水C/N較高時，脫氮效果較為明顯，并且該項技術可節約大量能源、碳源及減少底泥產量。同步硝化反硝化技術對碳源需求較高(COD/N>10)，但反應速率較低，在實際應用中需要更進一步的研究。厭氧氨氧化通常發生在污泥停留時間較長的自養體系或生物膜系統中，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都是在傳統生物脫氮技術的基礎上研究并取得了一系列的突破，都可以較大程度上節省脫氮處理投資運營費用，使工藝運行更加高效、穩定。這些新型技術都還處于在發展應用的起步階段，通過對新型強化生物脫氮技術的研究分析，強化生物脫氮技術在水處理領域的研究應用還可以從以下幾個方面加強：

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

(2)生物脫氮強化技術目前大部分圍繞著強化脫氮技術的傳質機理與反應動力學進行研究，很少有研究將強化生物脫氮技術與分子生物學技術相結合，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，不利于強化生物脫氮技術在日常大型污水處理系統中的應用。因此可深入探索研究新型填料，加強各反應菌種的研究，研究各反應菌種的分子生物學性質并利用其生物特性加以基因重組和基因改組以構建新型的工程菌種，深究菌種的生理學特征和生物化學特征，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，且研究成果大多應用在規模較小試驗工程中，大規模應用于實際工程的案例不多。應重點研究如何調控反應條件以保持穩定持久的亞硝酸鹽積累，提高工藝的抗沖負荷，開發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模工程應用的轉化。