生物脱氮新工艺研究进展
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国内外对 ＳＮＤ 进行了大量的研究。Ｇｕｐｔａ 等研 究了生物转盘中的 ＳＮＤ 现象，证实了好氧反硝化菌 的存在。Ｙｏｏ 等研究了间歇式曝气反应器中的 ＳＮＤ 现象，并确定了关键的控制参数，在最佳条件下，氨 氮去除率均高达 ９０％以上，同时还可以去除 ９５％以 上的 ＣＯＤ。
同时硝化反硝化过程具有以下优点：（１） 完全 脱氮、降低曝气量、节省能耗并增加设备处理负荷； （２） 减少碱度的消耗；（３） 简化系统的设计和操作； （４） 能使厌氧硝化和好氧反硝化同时进行，从而实 现低碳源条件下的高效脱氮。
与传统的硝化 － 反硝化脱氮工艺相比，短程硝 化 － 反硝化具有以下优点：（１） 硝化阶段需氧量减 少 ２５％；（２） 反硝化阶段所需碳源减少 ４０％，反硝 化率提高 ６３％；（３） 厌氧反硝化阶段剩余污泥量减 少 ３００％；（４） 水力停留时间较短，反应器的容积可 减少 ３０％￣４０％；（５） 减少了投碱量；（６） 缩短了反应 历程，增加了脱氮效率。
早在 １９７５ 年，Ｖｏｅｔｓ 等提出了短程硝化反硝化
第一作者简介： 王英阁 女 1982 年生 工程师 研究方向为污水处理
·２·
上海化工
第 ３３ 卷
的概念，随后很多学者做了很多这方面的研究。 Ｓｕｔｈｅｒｓｏｎ 等经小试研究证实了短程硝化反硝化的 可行性，Ｔｕｒｋ 和 Ｍａｖｉｎｉｃ 对前置反硝化活性污泥脱 氮系统进行了短程硝化反硝化的研究并取得了成 功。国内对短程硝化反硝化的研究也很活跃，耿艳楼 等研究了焦化废水的短程硝化反硝化，并获得了较 高的氮去除率。周少奇等从计量学角度研究了以 ＮＯ２－ 作为电子受体的反硝化过程，并在研究高氨氮 垃圾填埋场渗滤水的同时硝化反硝化过程中发现， 部分氨氮的去除是通过了短程硝化反硝化途径。实 现短程硝化反硝化的关键在于将 ＮＨ４＋ 氧化控制在 ＮＯ２－ 阶段。由于亚硝酸盐本身对微生物的抑制，到 目前为止，在实际运行工艺中将硝化反应有效控制 在亚硝化阶段的报道并不多见，比较成功的工艺为 荷兰 Ｄｅｌｆｔ 理工大学开发的 ＳＨＡＲＯＮ 工艺。 ２．２ 厌氧氨氧化工艺（ＡＮＡＭＭＯＸ）
在传统生物脱氮工艺中，生物脱氮途径为： ＮＨ４＋→ＮＯ２－→ＮＯ３－→ＮＯ２－→Ｎ２， 称 为 全 程 硝 化 反 硝 化；短程硝化的脱氮途径为：ＮＨ４＋→ＮＯ２－→Ｎ２，通过 抑制硝化菌（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）的活性，使硝化的第二阶段 被抑制，从而使硝化的产物停留在 ＮＯ２－ 阶段，然后 在反硝化阶段将 ＮＯ２－－Ｎ 还原为 Ｎ２。
１ 传统废水生物脱氮原理
传统废水生物脱氮工艺主要是依靠好氧硝化把 氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧条件下将硝态氮转 化为氮气，从而从废水中去除。 １．１ 硝化反应
在好氧条件下，将 ＮＨ４＋ 转化为 ＮＯ２－ 和 ＮＯ３－ 的 过程称为硝化反应。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌 两种化能自养型微生物共同完成的。
第一步 ０．５ＮＨ４＋＋０．７５Ｏ２→０．５ＮＯ２－＋０．５Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋
－１３５．５ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 第二步 ０．５ＮＨ４＋＋０．５ＮＯ２－→０．５Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
－１７９．４ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 总反应 ＮＨ４＋＋０．７５Ｏ２→０．５Ｎ２＋１．５Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋
－３１４．９ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 该工艺的核心技术是在限氧亚硝化阶段通过严 格控制溶解氧水平，将近 ５０％的 ＮＨ４＋ 转化为 ＮＯ２－， 实 现 硝 化 阶 段 稳 定 的 出 水 比 例 ＮＨ４＋／ＮＯ２－＝１ ∶ （１．２±０．２），从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进 水，提高整个工艺的脱氮效率。 在限氧亚硝化脱氮过程中，ＯＬＡＮＤ 工艺理论上 只需将一半的氨氮氧化，所以可比传统的硝化反硝 化工艺节省 ６２．５％的耗氧量；同时，由于在厌氧氨氧 化过程中氨氮作为亚硝酸盐氮还原的电子供体，所 以不需外加有机碳源；好氧氨氧化菌（主要是亚硝化 单胞菌和硝化杆菌） 和厌氧自养菌在限氧条件下生 长都非常缓慢，产生的生物量很少，所以产生的污泥 量也很少，这些特点都将有效降低其运行成本。 目前，ＯＬＡＮＤ 系统主要采用两种反应器型式， 一种是一体化生物膜（ＲＢＣ）反应系统，另一种是两
厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以 ＮＨ４＋ 为电子供体，以 ＮＯ２－ 或 ＮＯ３－ 为电子受体，将 ＮＨ４＋ 转变成 Ｎ２ 的生物过程。到目前为止，厌氧氨氧 化的反应机理还不明确，目前大家普遍接受的是羟 氨途径：
１９９４ 年，Ｍｕｌｄｅｒ 等发现荷兰 Ｄｅｌｆｔ 大学一个污 水脱氮流化床反应器存在 ＮＨ４＋ 消失现象，且随 ＮＨ４＋ 和 ＮＯ２－ 的消耗，有 Ｎ２ 生成。１９９５ 年，Ｍｕｌｄｅｒ 等在研 究脱氮流化床反应器时发现，在厌氧条件下，氨氮的 消失与硝态氮的消耗同时发生并呈正相关。Ｊｅｔｔｅｒｎ 提出 ＡＮＡＭＭＯＸ 工艺的温度范围是 ２０￣４３ ℃，最佳 温度为 ４０ ℃，ｐＨ 在 ６．７￣８．３ 时运行得最好。Ｚｈｅｎｇ Ｇｏｎｇ 等利用曝气膜生物反应器基于 ＡＮＡＭＭＯＸ 工 艺研究了自养脱氮。国内哈工大的李捷等采用缺氧 下向流生物膜滤池研究 ＡＮＡＭＭＯＸ 工艺在城市生 活污水深度处理中的效能，取得了满意的结果。
ＯＬＡＮＤ 工艺是限氧亚硝化与厌氧氨氧化相耦 联的一种新颖的生物脱氮反应工艺，该工艺分两个 过程进行：第一步是在限氧条件下将废水中的部分 氨氮氧化为亚硝酸盐氮；第二步是在厌氧条件下亚 硝酸盐氮与剩余氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而去 除含氮污染物。其机理是由亚硝化细菌对亚硝酸盐 氮催化进行歧化反应，所涉及的反应式为：
第 ３３ 卷 第 １１ 期 ２００８ 年 １１ 月
上海化工 Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
·１·
环境保护
生物脱氮新工艺研究进展
王英阁 胡宗泰
郑州市污水净化有限公司 （河南郑州 ４５０００１）
Fra Baidu bibliotek
摘 要 分析了传统生物脱氮工艺存在的问题，系统介绍了短程硝化 － 反硝化、厌氧氨氧化、同时硝化反硝化、好氧 除氨工艺、全自养脱氮工艺等生物脱氮新工艺的机理、特点和研究现状，同时指出了新技术存在的问题和 今后研究的发展趋势。
关键词 生物脱氮 新工艺 机理 发展趋势 中图分类号 Ｘ ５１１
近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高， 大量含有氮、磷的营养物进入水体，致使水体富营养 化日益严重。传统的生物脱氮工艺，如 Ａ／Ｏ 法、Ａ２／Ｏ 法等硝化阶段进行曝气通常需要消耗大量的能量， 反硝化作用阶段则需要额外投加有机碳源，虽然能 起到脱氮效果，但仍存在以下一些问题：（１） 硝化菌 群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，造成系统 总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投 资和运行费用；（２） 系统为维持较高生物浓度及获 得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化 液回流，增加了动力消耗及运行费用；（３） 抗冲击能 力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生 长；（４） 为中和硝化过程产生的酸度，需加碱中和， 增加了处理费用。随着近年来微生物学等技术的发 展及工程应用方面的实践，人们在生物脱氮机理及 新技术方面取得了一定的成果。本文系统介绍了近 年来生物脱氮新技术的原理、特点和应用现状，并指 出了生物脱氮技术的发展趋势。
２ 废水生物脱氮新技术
近年来的许多研究表明，硝化反应不仅可以由 自养菌完成，某些异养菌也可以起硝化作用；反硝化 不只在缺氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件 下进行反硝化；许多好氧反硝化菌同时也是异养硝 化菌，并能把 ＮＨ４＋ 氧化成 ＮＯ２－ 后直接进行反硝化 反应。由此发展起来的新工艺主要有：短程硝化反硝 化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化、限氧自养硝化反 硝化、好氧反硝化等。 ２．１ 短程硝化 － 反硝化
阶段悬浮式膜生物反应系统（ＭＢＲ）。Ｐｙｎａｅｒｔ 等研究 了投加生物催化剂情况下 ＯＬＡＮＤ 工艺在 ＲＢＣ 反 应系统中的启动情况。ＯＬＡＮＤ 工艺仅在生物膜系统 中获得了良好的效果，在悬浮系统中低氧下活性污 泥的沉降性、污泥膨胀以及同步硝化反硝化等问题 仍有待于进一步研究与完善。 ２．４．２ 一体化完全自养脱氮系统（ＣＡＮＯＮ）
第 １１ 期
王英阁等：生物脱氮新工艺研究进展
·３·
同时硝化反硝化工艺的不足之处就是影响因素 较多，过程难以控制。但关键是在有 ＤＯ 的条件下如 何实现反硝化反应。目前有两种方法可以实现在有 ＤＯ 条件下的反硝化：一是从微生物的角度出发，筛 选出能在有氧情况下进行反硝化的好氧反硝化菌； 二是合理设计反应器，通过调整反应器构造及选择 适宜的操作手段人为地使反应器内同时存在缺氧、 厌氧段环境，或者利用生物膜或者菌胶团中 ＤＯ 的 扩散梯度，形成反硝化所需的缺氧 ／ 厌氧环境。 ２．４ 全自养脱氮工艺 ２．４．１ 两阶段限氧自养硝化反硝化工艺（ＯＬＡＮＤ）
与传统的硝化 － 反硝化技术相比，厌氧氨氧化 有如下优点：（１） 由于氨可直接用作反硝化的电子 供体，因此不再需要外加有机物（如甲醇）作电子供
体，既可节省费用，也可防止二次污染；（２） 由于可 以经济有效地利用氧，供氧能耗大幅度下降；（３） 由 于厌氧氨氧化一步完成，产酸量可大幅度下降，产碱 量降为零，可节省中和试剂。
同时硝化反硝化的机理可以从物理学、微环境 理论和微生物学等多重角度来分析。从宏观来看，整 个反应器处于完全均匀的混合状态是不可能的，由 于曝气方式和曝气装置的不同，都可能在生物反应 器内形成缺氧及厌氧区。从微观环境来看，由于氧扩 散的限制，在微生物絮体内产生 ＤＯ 梯度从而导致 微环境的 ＳＮＤ 发生。微生物絮体的外表面 ＤＯ 较 高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻 及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优 势。微生物学的解释有别于传统理论，近年来，好氧 反硝化菌和异养硝化菌的发现，打破了传统理论认 为硝化反应只能在好氧条件下由自养菌完成和反硝 化只能在缺氧条件下进行的观点。
一体化完全自养脱氮系统 （生物膜内自养脱氮 工艺） 是由 Ｄｉｊｋｍａｎ 等利用好氧和厌氧氨氧化菌的 共生系统开发的在限氧条件下的一步除氮工艺。 ＣＡＮＯＮ 工艺实质上是通过控制生物膜内溶解氧的 浓度实现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝 化菌和 ＡＮＡＭＭＯＸ 微生物能同时生长，满足生物膜 内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。环境中的 氨氮与溶解氧是决定 ＣＡＮＯＮ 工艺的两个关键因 素，Ｇｕａｎｇｚｈｉ Ｓｕｎ 等研究了 ＣＡＮＯＮ 工艺在湿地系 统中的物料恒算问题。在对生物膜和颗粒污泥的研 究中发现，生物膜内硝化细菌与亚硝化细菌受传质 限制等影响，亚硝化细菌占据生物膜表层成为优势 菌种，而 ＡＮＡＭＭＯＸ 细菌生长于膜内部的厌氧层。 膜表层进行亚硝化作用，而氨氮与亚硝酸盐可以扩 散至厌氧层内进行 ＡＮＡＭＭＯＸ 反应，由此提出了生 物膜完全自养脱氮工艺。ＣＡＮＯＮ 工艺目前还处于研 究阶段，没有真正应用到工程实践中。 ２．５ 好氧除氨工艺（Ａｅｒｏｂｉｃ Ｄｅａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）
ＮＨ４＋＋３／２Ｏ２ 亚硝酸菌→ＮＯ２－＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ
ＮＯ２－＋１／２Ｏ２ 硝酸菌→ ＮＯ３－
１．２ 反硝化反应 在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将 ＮＯ２－ 和 ＮＯ３－
还原成 Ｎ２ 的过程，称为反硝化反应。 ６ＮＯ３－＋２ＣＨ３ＯＨ→２ＣＯ２＋６ＮＯ２－＋４Ｈ２Ｏ ６ＮＯ２－＋３ＣＨ３ＯＨ→３ＣＯ２＋３Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ＯＨ－
目前利用厌氧氨氧化反应理论开发的脱氮工艺 有荷兰 Ｄｅｌｆｔ 技术大学开发的 ＡＮＡＮＭＭＯＸ 工艺和 比利时 Ｇｅｎｔ 微生物生态实验室开发的 ＯＬＡＮＤ 工 艺两种，但是都只处在小试阶段，还缺乏大型实际工 程的实践检验。 ２．３ 同时硝化反硝化（ＳＮＤ）
同时硝化和反硝化是指硝化与反硝化反应同时 在相同操作条件下和同一反应器中实现：（１） 硝化 过程的产物是反硝化的反应物；（２） 硝化使系统的 ｐＨ 下降，而反硝化使系统 ｐＨ 上升，产生硝化所需 的碱。这个工艺技术的开发充分利用了反应器供氧 不均匀的客观现象，同时硝化反硝化的活性污泥系 统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可 能。
同时硝化反硝化过程具有以下优点：（１） 完全 脱氮、降低曝气量、节省能耗并增加设备处理负荷； （２） 减少碱度的消耗；（３） 简化系统的设计和操作； （４） 能使厌氧硝化和好氧反硝化同时进行，从而实 现低碳源条件下的高效脱氮。
与传统的硝化 － 反硝化脱氮工艺相比，短程硝 化 － 反硝化具有以下优点：（１） 硝化阶段需氧量减 少 ２５％；（２） 反硝化阶段所需碳源减少 ４０％，反硝 化率提高 ６３％；（３） 厌氧反硝化阶段剩余污泥量减 少 ３００％；（４） 水力停留时间较短，反应器的容积可 减少 ３０％￣４０％；（５） 减少了投碱量；（６） 缩短了反应 历程，增加了脱氮效率。
早在 １９７５ 年，Ｖｏｅｔｓ 等提出了短程硝化反硝化
第一作者简介： 王英阁 女 1982 年生 工程师 研究方向为污水处理
·２·
上海化工
第 ３３ 卷
的概念，随后很多学者做了很多这方面的研究。 Ｓｕｔｈｅｒｓｏｎ 等经小试研究证实了短程硝化反硝化的 可行性，Ｔｕｒｋ 和 Ｍａｖｉｎｉｃ 对前置反硝化活性污泥脱 氮系统进行了短程硝化反硝化的研究并取得了成 功。国内对短程硝化反硝化的研究也很活跃，耿艳楼 等研究了焦化废水的短程硝化反硝化，并获得了较 高的氮去除率。周少奇等从计量学角度研究了以 ＮＯ２－ 作为电子受体的反硝化过程，并在研究高氨氮 垃圾填埋场渗滤水的同时硝化反硝化过程中发现， 部分氨氮的去除是通过了短程硝化反硝化途径。实 现短程硝化反硝化的关键在于将 ＮＨ４＋ 氧化控制在 ＮＯ２－ 阶段。由于亚硝酸盐本身对微生物的抑制，到 目前为止，在实际运行工艺中将硝化反应有效控制 在亚硝化阶段的报道并不多见，比较成功的工艺为 荷兰 Ｄｅｌｆｔ 理工大学开发的 ＳＨＡＲＯＮ 工艺。 ２．２ 厌氧氨氧化工艺（ＡＮＡＭＭＯＸ）
在传统生物脱氮工艺中，生物脱氮途径为： ＮＨ４＋→ＮＯ２－→ＮＯ３－→ＮＯ２－→Ｎ２， 称 为 全 程 硝 化 反 硝 化；短程硝化的脱氮途径为：ＮＨ４＋→ＮＯ２－→Ｎ２，通过 抑制硝化菌（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）的活性，使硝化的第二阶段 被抑制，从而使硝化的产物停留在 ＮＯ２－ 阶段，然后 在反硝化阶段将 ＮＯ２－－Ｎ 还原为 Ｎ２。
１ 传统废水生物脱氮原理
传统废水生物脱氮工艺主要是依靠好氧硝化把 氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧条件下将硝态氮转 化为氮气，从而从废水中去除。 １．１ 硝化反应
在好氧条件下，将 ＮＨ４＋ 转化为 ＮＯ２－ 和 ＮＯ３－ 的 过程称为硝化反应。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌 两种化能自养型微生物共同完成的。
第一步 ０．５ＮＨ４＋＋０．７５Ｏ２→０．５ＮＯ２－＋０．５Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋
－１３５．５ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 第二步 ０．５ＮＨ４＋＋０．５ＮＯ２－→０．５Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
－１７９．４ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 总反应 ＮＨ４＋＋０．７５Ｏ２→０．５Ｎ２＋１．５Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋
－３１４．９ ｋＪ／ｍｏｌ Ｎ 该工艺的核心技术是在限氧亚硝化阶段通过严 格控制溶解氧水平，将近 ５０％的 ＮＨ４＋ 转化为 ＮＯ２－， 实 现 硝 化 阶 段 稳 定 的 出 水 比 例 ＮＨ４＋／ＮＯ２－＝１ ∶ （１．２±０．２），从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进 水，提高整个工艺的脱氮效率。 在限氧亚硝化脱氮过程中，ＯＬＡＮＤ 工艺理论上 只需将一半的氨氮氧化，所以可比传统的硝化反硝 化工艺节省 ６２．５％的耗氧量；同时，由于在厌氧氨氧 化过程中氨氮作为亚硝酸盐氮还原的电子供体，所 以不需外加有机碳源；好氧氨氧化菌（主要是亚硝化 单胞菌和硝化杆菌） 和厌氧自养菌在限氧条件下生 长都非常缓慢，产生的生物量很少，所以产生的污泥 量也很少，这些特点都将有效降低其运行成本。 目前，ＯＬＡＮＤ 系统主要采用两种反应器型式， 一种是一体化生物膜（ＲＢＣ）反应系统，另一种是两
厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以 ＮＨ４＋ 为电子供体，以 ＮＯ２－ 或 ＮＯ３－ 为电子受体，将 ＮＨ４＋ 转变成 Ｎ２ 的生物过程。到目前为止，厌氧氨氧 化的反应机理还不明确，目前大家普遍接受的是羟 氨途径：
１９９４ 年，Ｍｕｌｄｅｒ 等发现荷兰 Ｄｅｌｆｔ 大学一个污 水脱氮流化床反应器存在 ＮＨ４＋ 消失现象，且随 ＮＨ４＋ 和 ＮＯ２－ 的消耗，有 Ｎ２ 生成。１９９５ 年，Ｍｕｌｄｅｒ 等在研 究脱氮流化床反应器时发现，在厌氧条件下，氨氮的 消失与硝态氮的消耗同时发生并呈正相关。Ｊｅｔｔｅｒｎ 提出 ＡＮＡＭＭＯＸ 工艺的温度范围是 ２０￣４３ ℃，最佳 温度为 ４０ ℃，ｐＨ 在 ６．７￣８．３ 时运行得最好。Ｚｈｅｎｇ Ｇｏｎｇ 等利用曝气膜生物反应器基于 ＡＮＡＭＭＯＸ 工 艺研究了自养脱氮。国内哈工大的李捷等采用缺氧 下向流生物膜滤池研究 ＡＮＡＭＭＯＸ 工艺在城市生 活污水深度处理中的效能，取得了满意的结果。
ＯＬＡＮＤ 工艺是限氧亚硝化与厌氧氨氧化相耦 联的一种新颖的生物脱氮反应工艺，该工艺分两个 过程进行：第一步是在限氧条件下将废水中的部分 氨氮氧化为亚硝酸盐氮；第二步是在厌氧条件下亚 硝酸盐氮与剩余氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而去 除含氮污染物。其机理是由亚硝化细菌对亚硝酸盐 氮催化进行歧化反应，所涉及的反应式为：
第 ３３ 卷 第 １１ 期 ２００８ 年 １１ 月
上海化工 Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
·１·
环境保护
生物脱氮新工艺研究进展
王英阁 胡宗泰
郑州市污水净化有限公司 （河南郑州 ４５０００１）
Fra Baidu bibliotek
摘 要 分析了传统生物脱氮工艺存在的问题，系统介绍了短程硝化 － 反硝化、厌氧氨氧化、同时硝化反硝化、好氧 除氨工艺、全自养脱氮工艺等生物脱氮新工艺的机理、特点和研究现状，同时指出了新技术存在的问题和 今后研究的发展趋势。
关键词 生物脱氮 新工艺 机理 发展趋势 中图分类号 Ｘ ５１１
近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高， 大量含有氮、磷的营养物进入水体，致使水体富营养 化日益严重。传统的生物脱氮工艺，如 Ａ／Ｏ 法、Ａ２／Ｏ 法等硝化阶段进行曝气通常需要消耗大量的能量， 反硝化作用阶段则需要额外投加有机碳源，虽然能 起到脱氮效果，但仍存在以下一些问题：（１） 硝化菌 群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，造成系统 总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投 资和运行费用；（２） 系统为维持较高生物浓度及获 得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化 液回流，增加了动力消耗及运行费用；（３） 抗冲击能 力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生 长；（４） 为中和硝化过程产生的酸度，需加碱中和， 增加了处理费用。随着近年来微生物学等技术的发 展及工程应用方面的实践，人们在生物脱氮机理及 新技术方面取得了一定的成果。本文系统介绍了近 年来生物脱氮新技术的原理、特点和应用现状，并指 出了生物脱氮技术的发展趋势。
２ 废水生物脱氮新技术
近年来的许多研究表明，硝化反应不仅可以由 自养菌完成，某些异养菌也可以起硝化作用；反硝化 不只在缺氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件 下进行反硝化；许多好氧反硝化菌同时也是异养硝 化菌，并能把 ＮＨ４＋ 氧化成 ＮＯ２－ 后直接进行反硝化 反应。由此发展起来的新工艺主要有：短程硝化反硝 化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化、限氧自养硝化反 硝化、好氧反硝化等。 ２．１ 短程硝化 － 反硝化
阶段悬浮式膜生物反应系统（ＭＢＲ）。Ｐｙｎａｅｒｔ 等研究 了投加生物催化剂情况下 ＯＬＡＮＤ 工艺在 ＲＢＣ 反 应系统中的启动情况。ＯＬＡＮＤ 工艺仅在生物膜系统 中获得了良好的效果，在悬浮系统中低氧下活性污 泥的沉降性、污泥膨胀以及同步硝化反硝化等问题 仍有待于进一步研究与完善。 ２．４．２ 一体化完全自养脱氮系统（ＣＡＮＯＮ）
第 １１ 期
王英阁等：生物脱氮新工艺研究进展
·３·
同时硝化反硝化工艺的不足之处就是影响因素 较多，过程难以控制。但关键是在有 ＤＯ 的条件下如 何实现反硝化反应。目前有两种方法可以实现在有 ＤＯ 条件下的反硝化：一是从微生物的角度出发，筛 选出能在有氧情况下进行反硝化的好氧反硝化菌； 二是合理设计反应器，通过调整反应器构造及选择 适宜的操作手段人为地使反应器内同时存在缺氧、 厌氧段环境，或者利用生物膜或者菌胶团中 ＤＯ 的 扩散梯度，形成反硝化所需的缺氧 ／ 厌氧环境。 ２．４ 全自养脱氮工艺 ２．４．１ 两阶段限氧自养硝化反硝化工艺（ＯＬＡＮＤ）
与传统的硝化 － 反硝化技术相比，厌氧氨氧化 有如下优点：（１） 由于氨可直接用作反硝化的电子 供体，因此不再需要外加有机物（如甲醇）作电子供
体，既可节省费用，也可防止二次污染；（２） 由于可 以经济有效地利用氧，供氧能耗大幅度下降；（３） 由 于厌氧氨氧化一步完成，产酸量可大幅度下降，产碱 量降为零，可节省中和试剂。
同时硝化反硝化的机理可以从物理学、微环境 理论和微生物学等多重角度来分析。从宏观来看，整 个反应器处于完全均匀的混合状态是不可能的，由 于曝气方式和曝气装置的不同，都可能在生物反应 器内形成缺氧及厌氧区。从微观环境来看，由于氧扩 散的限制，在微生物絮体内产生 ＤＯ 梯度从而导致 微环境的 ＳＮＤ 发生。微生物絮体的外表面 ＤＯ 较 高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻 及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优 势。微生物学的解释有别于传统理论，近年来，好氧 反硝化菌和异养硝化菌的发现，打破了传统理论认 为硝化反应只能在好氧条件下由自养菌完成和反硝 化只能在缺氧条件下进行的观点。
一体化完全自养脱氮系统 （生物膜内自养脱氮 工艺） 是由 Ｄｉｊｋｍａｎ 等利用好氧和厌氧氨氧化菌的 共生系统开发的在限氧条件下的一步除氮工艺。 ＣＡＮＯＮ 工艺实质上是通过控制生物膜内溶解氧的 浓度实现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝 化菌和 ＡＮＡＭＭＯＸ 微生物能同时生长，满足生物膜 内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。环境中的 氨氮与溶解氧是决定 ＣＡＮＯＮ 工艺的两个关键因 素，Ｇｕａｎｇｚｈｉ Ｓｕｎ 等研究了 ＣＡＮＯＮ 工艺在湿地系 统中的物料恒算问题。在对生物膜和颗粒污泥的研 究中发现，生物膜内硝化细菌与亚硝化细菌受传质 限制等影响，亚硝化细菌占据生物膜表层成为优势 菌种，而 ＡＮＡＭＭＯＸ 细菌生长于膜内部的厌氧层。 膜表层进行亚硝化作用，而氨氮与亚硝酸盐可以扩 散至厌氧层内进行 ＡＮＡＭＭＯＸ 反应，由此提出了生 物膜完全自养脱氮工艺。ＣＡＮＯＮ 工艺目前还处于研 究阶段，没有真正应用到工程实践中。 ２．５ 好氧除氨工艺（Ａｅｒｏｂｉｃ Ｄｅａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）
ＮＨ４＋＋３／２Ｏ２ 亚硝酸菌→ＮＯ２－＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ
ＮＯ２－＋１／２Ｏ２ 硝酸菌→ ＮＯ３－
１．２ 反硝化反应 在无氧或缺氧条件下，反硝化菌将 ＮＯ２－ 和 ＮＯ３－
还原成 Ｎ２ 的过程，称为反硝化反应。 ６ＮＯ３－＋２ＣＨ３ＯＨ→２ＣＯ２＋６ＮＯ２－＋４Ｈ２Ｏ ６ＮＯ２－＋３ＣＨ３ＯＨ→３ＣＯ２＋３Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ＯＨ－
目前利用厌氧氨氧化反应理论开发的脱氮工艺 有荷兰 Ｄｅｌｆｔ 技术大学开发的 ＡＮＡＮＭＭＯＸ 工艺和 比利时 Ｇｅｎｔ 微生物生态实验室开发的 ＯＬＡＮＤ 工 艺两种，但是都只处在小试阶段，还缺乏大型实际工 程的实践检验。 ２．３ 同时硝化反硝化（ＳＮＤ）
同时硝化和反硝化是指硝化与反硝化反应同时 在相同操作条件下和同一反应器中实现：（１） 硝化 过程的产物是反硝化的反应物；（２） 硝化使系统的 ｐＨ 下降，而反硝化使系统 ｐＨ 上升，产生硝化所需 的碱。这个工艺技术的开发充分利用了反应器供氧 不均匀的客观现象，同时硝化反硝化的活性污泥系 统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可 能。