废水生物脱氮技术综述

废水生物脱氮技术综述
摘要：脱氮是废水处理中的重要组成部分，与其他脱氮技术相比，生物脱氮更
具优势。

本文简要介绍了几种主要的生物脱氮技术，分别为短程硝化反硝化技术、同时硝化反硝化技术及厌氧氨氧化技术。

关键词：生物脱氮；短程硝化反硝化；同时硝化反硝化；厌氧氨氧化
1 传统生物脱氮技术
传统生物脱氮是指以硝酸盐为电子受体的一系列生物还原反应过程，其理论基础是微生
物的硝化作用和反硝化作用。

由于硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌
氧条件下，所以由此发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化反
硝化工艺。

而与此同时，人们也在不断探索着更适用的新技术，目前成果主要有短程硝化反
硝化、同时硝化反硝化和厌氧氨氧化等。

2 短程硝化反硝化技术
2.1 提出和影响因素
从氮元素的微生物转化过程来看，氨氮被氧化为硝酸盐是由两类互相独立的细菌分别完
成的，其反应过程也完全可以分开，且对反硝化细菌而言，无论是NO3-还是NO2-都可以成
为最终的氢受体。

即整个生物脱氮过程可以直接略过NO2-氧化为NO3-的过程，直接经
NH4+→NO2-→N2的途径完成。

早在1975年，Voet[1]就通过对NO2-处理高浓度氨氮废水的
研究，发现了硝化过程中的NO2-积累，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。

影响NO2-积累的主要因素有温度、pH、溶解氧（DO）等。

通常，温度为15~30℃时，硝
化形成的亚硝酸可完全被氧化，超过30℃时则会出现NO2-的累积；pH值对短程硝化反硝化
的影响则表现在亚硝酸菌生长要求有适宜的pH值环境上，但不同性质的污水短程硝化反硝
化要求的pH值范围也不相同；DO也是控制亚硝酸盐积累的重要因素之一，浓度太高会使
NO2-氧化，不利于NO2-的积累，太低则会造成供氧不足，不利于NO2-的生成。

2.2 典型工艺
短程硝化反硝化的典型工艺有SHARON工艺和OLAND工艺。

SHARON工艺是由荷兰Delft
技术大学的Mulder[2]提出的，核心在于利用亚硝酸盐氧化菌和氨氧化菌的不同生长速率，通
过选择适当的泥龄将硝酸菌从反应器中淘汰掉，使亚硝酸菌成为反应器中的优势菌种，进而
保证反应停留在亚硝酸阶段。

OLAND工艺则是由比利时Gent大学微生物生态实验室所开发
的[3]，该工艺由在限氧条件下将废水中的部分NH4+氧化为NO2-和在厌氧条件下NO2-与剩余NH4+发生厌氧氨氧化反应两个过程组成。

目前，OLAND系统主要采用两种反应器型式，分别是一体化生物膜（RBC）反应系统和两阶段悬浮式膜生物反应系统（MBR）。

3 同时硝化反硝化技术
3.1 作用机理
同时硝化反硝化（SND）是指硝化和反硝化反应在同一反应器中、相同操作条件下发生
的现象。

相较于传统的脱氮工艺，SND反应处于同一系统中，硝化反应的产物可直接成为反
硝化反应的底物，加快硝化反应的速度；同时，反硝化反应中所释放出的碱度可部分补偿硝
化反应消耗的碱，使系统中的pH值相对稳定。

而对于该现象形成的机理，目前已初步形成
了三种解释，即宏观环境理论、微环境理论和生物学解释。

宏观环境理论认为，在反应器内曝气供氧时，氧扩散并不均匀，导致反应器内形成相对
的好氧区和缺氧或厌氧区，在其中可分别进行好氧硝化和厌氧反硝化。

微环境理论则认为，
当宏观环境为好氧时，由于氧扩散的限制，微生物絮体或生物膜内会产生溶解氧梯度，从而
形成有利于实现SND的微环境。

生物学的解释则是基于好氧反硝化菌及好氧反硝化酶系的存在，在上世纪80年代以来，生物学家就有发现许多微生物如荧光假单胞菌、粪产碱菌等都
可以对有机或无机氮化合物进行异养硝化。

3.2 影响因素
SND的影响因素主要有碳氮比、DO、微生物絮体结构、pH值等。

首先，有机碳源作为微生物新陈代谢的能源和碳源，是SND过程中最为重要的控制因素之一，研究发现，COD在一
定范围内时，随着C/N的增加，TN的去除率提高，出水NO3--N则减少。

其次，在低DO情
况下，微生物絮体中缺氧环境占主导地位，好氧微环境所占比例减小；而随DO浓度的提高，情况会反转。

当两种微环境达到平衡时，TN的去除率达到最佳。

微生物的絮体结构特征即活性污泥絮体粒径的大小及密实程度等，其一方面直接影响了絮体内部好氧区和缺氧区的比例
大小，另一方面还影响了絮体内部物质的传质效果。

pH值对SND的影响表现在pH值对硝化
菌和反硝化菌的影响上，为保证氮的去除，反应器内的pH值需保持在7.2左右。

4 厌氧氨氧化技术
4.1 提出
厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NH4+作为电子
供体，以NO2-或NO3-作为电子受体，将NH4+、NO2-或NO3-转变为N2的生物氧化过程。

在此过程中，NH4+的氧化无需分子态氧的参与，而NO2-的还原也无需有机物的参与，这可以
为反应节省大量的能源和资源消耗。

1994年，Mulder等[4]在荷兰Delft技术大学一个中试规
模的反硝化流化床中发现其中存在NH4+和NOX-消失，同时有N2产生的现象，据其研究，
在反应器中发生了如下反应：
5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+
且随后的序批式试验证实，厌氧条件下氨确实可直接作为电子供体而进行反硝化反应，
并就此提出了ANAMMOX工艺。

4.2 影响因素
影响ANAMMOX反应的因素有很多，主要包括温度、pH值、基质浓度等。

有研究表明，当反应温度在30~35℃时，厌氧氨氧化速率最高，当温度升至40℃或低于30℃时，其活性会
明显下降。

pH值对微生物的活性也影响甚大，在（20±1）℃下，厌氧氨氧化反应的最适pH
值为6.7~8.5。

而污水中的NH4+-N和NOX的浓度也会影响ANAMMOX的反应速率，低基质
浓度下ANAMMOX的反应速率明显优于高基质浓度。

5 结语
废水脱氮的工艺还有诸如电极膜生物反硝化、EM等其他技术，每种技术都各有其优缺点，如何扬长避短，在一定的能耗内将其性能尽可能大的发挥，也是我们需要继续努力的事业。

参考文献
[1]Voets J P, Vanstaen H, Verstraete W. Removal of Nitrogen from Highly Nitrogenous Wastewaters[J]. Journal, 1975, 47(2):394-398.
[2]Mulder J W, Kempen R V. N-removal by Sharon[J]. Water Quality International, 1997,
1997(3):30-31.
[3]叶建锋, 徐祖信, 薄国柱. 新型生物脱氮工艺——OLAND工艺[J].中国给水排水, 2006, 22(4):6-8.
[4]Mulder A, Van d G A A, Robertson L A, et al. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor[J].Fems Microbiology Ecology, 1995, 16(3):177–184
作者简介：刘梅（1995.12—），女，甘肃省陇南人，成都市双流区四川大学，环境工程专业，硕士研究生。