短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展

[收稿日期] 2010-01-13

短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展

冯灵芝

（上海农林职业技术学院，上海松江：201600）

摘 要：短程硝化反硝化是一种新型生物脱氮技术，具有降低能耗、节省碳源和减少污泥产量等优点。本文简要介绍了短程硝化反硝化脱氮技术的原理，对亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的研究现状进行了综述，讨论了温度、DO 、pH 值、泥龄等参数对实现短程硝化的影响，并提出了今后的研究方向。 关键词：短程硝化反硝化；生物脱氮；亚硝酸盐

生物脱氮是去除水中氨氮的一种较为经济的方法，其原理就是模拟自然生态环境中氮的循环，利用硝化菌和反硝化菌的联合作用，将水中氨氮转化为氮气以达到脱氮目的。目前应用广泛的A/O 、SBR 、氧化沟等脱氮工艺就是在此理论基础上开发的，但这些脱氮工艺普遍存在氨氮负荷过高而引起的出水不达标、消耗有机物，产生剩余污泥多，消耗能源多等问题。自1975年Voet [1] 发现在硝化过程中HNO 2积累的现象并首次提出短程硝化反硝化脱氮以来，短程硝化反硝化作为一种新型脱氮技术得到广泛的关注。

1 短程硝化反硝化的脱氮机理及优势

生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，主要涉及亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌三类微生物。传统生物脱氮途径如图1所示。

图1 传统生物脱氮途径

短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节。该技术具有很大的优势[2]：①节省25%氧供应量，降低能耗；②减少40%的碳源，在Ｃ／Ｎ较低的情况下实现反硝化脱氮；③缩短反应历程，节省50%的反硝化池容积；④降低污泥产量，硝化过程可少产污泥33%~35%左右，反硝化阶段少产污泥55%左右。

2 短程硝化反硝化技术的研究进展

亚硝酸盐很不稳定，硝化菌的作用下很快氧化成硝酸盐，一般条件下实现短程硝化反硝化是比较困难的。短程硝化反硝化技术的关键是将硝化控制在亚硝化阶段，也即是对亚硝化菌和硝化菌的控制。因此，如何实现短程硝化成为国内外学者对短程硝化反硝化技术的研究重点，研究方向可概括为两方面：一方面从微生物学角度，筛选培养出高效亚硝化菌和硝化菌，研究其生化特征；另一方面从脱氮工艺的运行效果来研究运行参数对短程硝化的影响。 氨 （NH 3、NH 4+） 硝酸盐 （NO 3—）

亚硝酸盐 （NO 2—） 氮气（N 2） 亚硝化

硝化 反硝化 反硝化

2.1微生物种类及特性研究进展

目前的研究发现，亚硝化菌为硝化杆菌科的5个属：亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas ）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira ）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus ）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio ）、亚硝化叶状菌属（Nitrosolobus ），总共有15个种的亚硝化细菌[3]。廖雪义等[4]从土壤中分离到一株亚硝化速率较高的菌株，鉴定为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas sp ），发现该菌株能同时进行硝化和反硝化作用。

硝化菌主要由硝化杆菌属（Nitrobacter ）、硝化球菌属（Nitrococcus ）、硝化螺菌属（Nitrospira ）和硝化刺菌属（Nitrospina ）4个属组成。近年来，通过对硝化菌16SrRNA 的核酸探针测试表明：完成亚硝态氮氧化的优势菌种为硝化螺菌属而非硝化杆菌属[5]。亚硝化菌和硝化菌生化特性比较见表1。

表1 亚硝化菌和硝化菌主要生化特征比较

亚硝化菌 硝化菌 自养性

专性 兼性 需氧性

严格好氧，在低氧下能生长 严格好氧 世代时间/h

8-12（Nitrosococcus ） 8-24（Nitrosospira ）

8h-几天 产率系数Y/（mg 细胞/mg 基质）

0.04-0.13 0.02-0.07 氧饱和常数K/（mg/L ）

0.2-0.4 1.2-1.5 最适温度/℃

25-30℃ 25-30℃ 最适pH 值

7.5-8.0 7.5-8.0 有毒物质 敏感 较为敏感

反硝化菌大多数为兼性异养菌，最适pH 范围为6.5-7.5，适宜温度20-40℃。到目前为止，已分离出60多种反硝化菌，主要分布于3个属：假单胞菌属（Pseudomonas ）、产碱菌属（Alcaligenes ）和芽孢杆菌（Bacillus ）。有研究发现部分异养反硝化菌由于酶系统的缺

乏，只能将3NO N --还原成2NO N --[6]；也有人[7]通过定向筛选法驯化得到了以亚硝酸盐

为电子受体的反硝化菌。

2.2短程硝化运行参数的研究进展

2.2.1温度

亚硝酸菌和硝酸菌对温度变化的敏感性不同，由不同温度下两种菌群的增长速率（见图

2）可知，高温条件下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌，利用该动力学特征可实现短程硝化。但目前，对于影响短程硝化的具体温度说法不一致：

郑平等[8]认为，温度高于20℃，亚硝化菌的最大比生长速率就会超过硝化菌，而且温度

越高，相差越大。因此，将温度控制在20℃以上，就会出现亚硝酸盐的积累。

袁林江等[9]认为，12℃~14℃下活性污泥中的亚硝酸盐氧化菌活性受到严重抑制，出现HNO2的积累；15℃~30℃内，亚硝酸盐可完全被氧化为硝酸盐；温度超过30℃时又出现HNO2的积累。

高大文等[10]认为，28℃是控制温度实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺的临界温度，即如果反应器温度低于此临界温度，则短程硝化会逐渐转变为全程硝化。

图2 不同温度下亚硝化菌和硝化菌的增长速率

2.2.2 pH值

pH值对短程硝化的影响主要表现在两方面：一方面亚硝化菌对于pH值有一个最佳生长环境；另一方面pH值对游离氨浓度有很大影响，高pH值下，废水中游离氨所占比例增加，而分子态游离氨氮对硝化菌的抑制要强于亚硝化菌[11]。

于徳爽等[12]在中温（20-30℃）条件下，通过控制进水的PH值为7.5-8.8来实现亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率达到95%以上。

很多研究者发现虽然调节pH值能够一定程度上抑制硝化菌以实现短程硝化，但对于长期运行的短程硝化反应器，把pH值作为关键参数可能无法达到稳定的亚硝酸盐积累[13]。

2.2.3溶解氧DO

Bernet[14]认为亚硝化菌和硝化菌对氧的亲和力不同，在低DO（<1.0mg/L）时，亚硝化菌和硝化菌的增长速率都会由于溶解氧的下降而下降，但是硝化菌的下降要比亚硝化菌快（当DO为0.5mg/L时，亚硝化菌增值速率为正常值的60%，而硝化菌不超过正常值的30%[15]），使亚硝化菌成为主体，实现亚硝态氮的累积。为了证明DO作为短程硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反应器进行试验，结果表明，在DO<0.5mg/L的条件下可以实现短程硝化，出水NO2-N累积率90%以上。

低溶解氧的情况下，有利于亚硝化反应的进行，也有利于反硝化的进行。张朝升等[16]采用SBR处理模拟城市污水，在常温（20-25℃），DO=0.5-1mg/L条件下，实现了短程同步硝化反硝化，氨氮的去除率达到95%~97%，总氮的去除率达到82%~85%。