同步硝化反硝化生物脱氮技术

同步硝化反硝化生物脱氮技术

摘要：本文论述了同步硝化反硝化（SND）工艺同传统的生物脱氮技术相比具有的优势，从生物学和物理学角度探讨其反应机理，综述影响同步硝化反硝化反应的如DO、碳源、温度、碱度、游离氨（FA）、pH、氧化还原电位（ORP）、水力停留时间（HRT）和污泥絮体结构等因素，最后介绍该工艺的研究现状以及存在的问题。

关键词：同步硝化反硝化；生物脱氮；反应机理；因素

前言

废水中的氮的去除方法有物化法和生化法两种，生化法被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法。目前，废水的脱氮处理大多采用生化法。废水生物脱氮技术经过几十年的发展，无论是在理论认识还是在工程实践方面，都取得了很大的进步。

传统的生物脱氮理论认为，氨氮的去除通过硝化和反硝化两个阶段完成，由于硝化菌和反硝化菌对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，由自养菌以氧作为电子受体，把NH3和NH4+氧化成NO2-和NO3-；反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下，通过异养菌以NO2-和NO3-作为电子受体，将其还原成气态物质排出。由此而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。先后出现了后置反硝化、前置反硝化、A/O和A2/O 工艺以及各种改进工艺如UCT、JBH和AAA等，这些都是典型的传统的硝化反硝化工艺[1]。

然而，生物脱氮技术的新发展却突破了传统理论的认识。近年来的许多研究表明，硝化反应不仅只由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用[2]；反硝化不只在厌氧条件下进行，在好氧情况下也有TN减少的现象，这种好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能把NH3−N直接氧化成含氮气态物，这种TN减少的现象并非真正意义上的反硝化[3.4]；反硝化不一定需要碳源，一些自养菌也能进行反硝化反应[5]。这些新的发现使硝化和反硝化反应在时间和空间上同时进行成为可能，由此产生了同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND）生物脱氮技术。

一、同步硝化反硝化的优势

传统的生物脱氮工艺存在很多不足之处：（1）工艺流程较长，占地面积大，基建投资高；（2）由于硝化菌增殖速率慢且难以维持较高浓度，必须同时进行污泥和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用；（3）系统抗冲击能力较弱，高浓度NH3−N废水会抑

制硝化菌生长；（4）硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，既增加了处理费用又可能带来二次污染[6]。

然而，同步硝化反硝化（SND）工艺就有可能克服上述不足。传统理论认为硝化反应与反硝化反应不能同时发生，而近年来好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了同步硝化反硝化的理论基础。在该工艺中，硝化与反硝化反应在同一个构筑物中同时进行，与传统的工艺相比具有明显的优越性：（1）节省反应器体积和构筑物占地面积，减少投资；（2）可在一定程度上避免NO2-氧化成NO3-再还原成NO2-这两步多余的反应，从而可缩短反应时间，还可节省DO和有机碳；（3）反硝化反应产生的碱度可以弥补硝化反应碱度的消耗，简化pH调节，减少运行费用。

二、同步硝化反硝化的机理

目前，对同步硝化反硝化生物脱氮机理还不十分清楚，有待于进一步了解与认识，但纵观如今各大观点，可从生物学和物理学两大方面给出解释。

生物学解释突破了传统生物脱氮理论的认识。近年来，好氧反硝化菌、异养硝化菌和自养反硝化菌的发现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的认识。对于好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等现象，目前生物学上的发现和进展已经可以给出比较令人满意的答案。

许多硝化菌如荧光假单胞菌、粪产碱菌、致金色假单胞菌、铜绿假单胞菌（Pseudomonas fluorescens, Alcaligenes faecalis , Pseudomonas aureofaciena , Pseudomonas aeruginos）等都可以进行异养硝化[3.6~8]。同自养硝化菌相比，异养硝化菌具有生长速度快，细菌产量高，要求的DO浓度较低，能够在偏酸性环境中生长等特点[9]。

Robertson [3]等人认为好氧反硝化菌同时也能进行异养硝化，在有微量氧存在的条件下把NH3−N直接转化为气态产物，如Thiosphaera pantotropha等好氧反硝化菌可以用NH3−N作为电子供体，用NO2--N或NO3--N作电子受体，并形成聚β羟丁酸（PHB），从而达到去除氨氮、合成细胞物质和提供能量的目的。可能的反应方程式如下：

NH4++ NO2-→N2 + 2H2O （1）

或

5 NH4++ 3 NO3-→4N2 + 9H2O + 2H+（2）

在完全好氧条件下（溶解氧浓度约为空气中饱和溶解氧的25%），Thiosphaera pantotropha等好氧反硝化菌就会发生下列反应：

NH4+→NH2OH→NO2-→N2O→N2（3）

从物理学角度讲，由于处理系统中存在适合SND进行的环境（包括宏观环境和微观环境）而导致SND现象的发生。

由于实际生产中反应器和构筑物内活性污泥的混合和曝气不均，形成好氧及缺氧区，这种宏观环境的存在使得SND能够进行。如SBR、氧化沟以及生物转盘等系统中均有发生SND现象的报道[10~12]。

微环境理论是目前已被普遍接受的观点。微环境理论研究活性污泥絮体中各种物质（如DO、底物等）传递和变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，以及微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变等。该理论认为，由于氧和底物的扩散存在阻力，在活性污泥絮体内部产生DO和底物浓度梯度[12~14]，如图1所示。微生物絮体的外表面DO 浓度较高，以好氧菌和硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧微环境，缺氧菌和反硝化菌占优势。正是由于污泥絮体内同时存在好氧和缺氧环境，导致了同步硝化反硝化的发生。由于微生物种群结构、生物化学反应的不均匀性和物质传递的变化等因素的相互作用，在微生物絮体内部会存在多种多样的微环境，一般的，即使是在好氧环境占主导地位的处理系统中，也会存在一定程度上的缺氧微环境。但该理论也存在一个重大的缺陷，即有机碳源问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，在活性污泥絮体中，有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于内部缺氧区的反硝化菌由于得不到电子供体，反硝化就会受到抑制，SND 的脱氮效率也就不会很高[15]。该理论需要进一步发展和完善。

三、影响同步硝化反硝化的因素

1．DO

DO浓度直接影响生物脱氮系统的硝化反硝化程度。首先，DO浓度应满足含碳有机物的氧化以及硝化反应的需要；其次，DO浓度不宜过高，以保证污泥絮体内缺氧微环境的形成，同时使系统中有机物不致于过度消耗而影响反硝化反应的顺利进行。对于反硝化菌而言，氧气的存在之所以对反硝化过程有抑制作用，并不是由于氧气对反硝化菌本身有抑制作用，而是因为电子受体（O2、NO2-和NO3-）之间争夺电子的能力存在差异，通常O2接受电子的能力高于NO2-和NO3-，在DO较高的条件下，反硝化菌虽未受到抑制，但NO-和NO-不易得到电子供体（有机物），因此也难以被还原成N[16]。