影响同步硝化反硝化的因素

影响同步硝化反硝化的因素

鲍艳卫，张雁秋

中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州（221008）

E-mail：ffbyw@

摘要：同步硝化反硝化(Simultanous Nitrificati0n and Denitrification. 简称SND)是硝化和反硝化两个阶段在同一构筑物内同时实现的过程。结合国内外的研究分析了同步硝化反硝化的影响因素，以实现同步硝化反硝化的途径，为今后SND的脱氮提供依据。

关键词：同步硝化反硝化；脱氮机理；影响因素

随着城市化和工业化程度的不断提高以及化肥和农药的广泛使用，氮磷营养物质引起的水体富营养化问题日益突出。大量的有机物和氮磷营养物进入江河湖海，使水环境污染和水体富营养化日益严重。控制氮、磷的排入是防止水体富营养化的有效途径。因此水环境污染和水体富营养化问题的日益突出迫使越来越多的国家和地区制定严格的氨氮和磷的排放标准，要达到这些排放标准，许多废水处理设施需要考虑脱氮除磷问题，脱氮是当今水污染控制领域研究的热点和难点之一。近几年来，废水生物脱氮技术更是取得了突破性进展，通过对脱氮微生物的生物的深入研究，提出了一些新工艺，其中的同步硝化反硝化工艺成为当今研究的热点之一。

1. 同步硝化反硝化现象

传统的生物脱氮是由两个阶段完成的，即好氧条件下的硝化阶段和厌氧条件下的反硝化反应。这两种反应一般是作为两个独立的阶段分别在不同反应器中或者用时间和空间上的好氧和厌氧条件来运行。对于生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的现象，在实际运行中发现好氧硝化池中常有30﹪的总氮损失[1]，不少研究者进行了大量的实验研究，证明了同步硝化/反硝化现象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND）[2-4]，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在与各种不同的生物处理系统，如氧化沟[5]、生物转盘[5,6]、SBR[7]等生物处理系统中，在有氧条件下均发生了反硝化反应。

由于硝化与反硝化在同一个反应器中同时完成，与传统生物脱氮工艺相比，SND工艺具有明显的优越性，主要表现在[2]：(1) 可以省去缺氧池，或设备体积减小，节省费用；(2) 曝气需求降低，节省能耗；(3) 设备的处理负荷增加；(4)硝化过程中碱度被消耗，而同时反硝化过程中产生碱度，保持反应器中pH稳定，无需酸碱中和。

2. 同时硝化反硝化机理研究

由于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、自养反硝化等概念的提出，奠定了SND生物脱氮新技术的理论基础。目前，对SND生物脱氮的机理已初步形成了三种解释：即宏观环境解释、微环境解释和生物学解释，分别从物理学角度（宏观环境解释和微环境解释）和生物学角度加以解释。

2.1 物理学角度

宏观环境解释和微环境解释都是从物理学角度来分析的，SND应当属于一种物理现象，正是由于系统中存在适合于SND进行的环境而导致了SND现象的发生。

2.1.1 宏观环境解释

由于生物反应器的混合形态不均，可在生物反应器内部不同区域形成缺氧段和好氧段，分别为反硝化菌和硝化菌作用提供了优势环境，此认为生物反应的大环境即宏观环境。事实上在生产规模的生物反应器中整个反应器处于完全均匀混合的状态的情况并不存在，即使在曝气阶段出现某种程度的反硝化即同步硝化反硝化的现象也是完全可能的，除了反应器不同空间上的溶解氧不均外，反应器在不同时间点上的溶解氧变化也可以导致同步硝化反硝化现象的发生[8]。Hyungseok Yoo[9]研究了SBR反应器在曝气反应阶段，反应器内溶解氧(DO)浓度历经减小后逐渐升高，并伴随的同步硝化反硝化现象。

2.1.2 微环境学解释

由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生溶解氧梯度从而导致微环境的SND发生。因为微生物絮体外表面溶解氧浓度较高，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。从而形成了实现同步硝化反硝化的微环境。

由于微生物絮体内的缺氧环境是形成同步硝化反硝化的重要原因，而缺氧环境的形成又依赖于水中溶解氧的高低以及微生物的絮体结构。因此，若将反应器内溶解氧浓度控制在较低水平，将可能提高缺氧、厌氧微环境所占比例，从而提高反硝化作用。曝气不均也容易造成局部缺氧的微环境，产生反硝化作用。Rittmann等[10]在工业规模的氧化沟中通过控制溶解氧成功地实现了SND，有力地支持了微环境解释。Daigger[11]等对6个Orbal 氧化沟工艺运行数据进行了分析比较,确定了该工艺SND的发生程度，指出了Orbal 氧化沟最容易发生SND ，进一步证实了微环境理论对SND解释的正确性。

2.2 生物学解释

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。生物学的发展已经可以比较合理的解释好氧反硝化、异养硝化、自养反硝化的现象。由于许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌[8,9],能够直接把NH4+转化成为最终气态产物逸出, 正是由于好氧反硝化菌、低DO下的硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在，使得SND 能够进行。

Munch等[7](1996)研究了SBR反应器中的SND现象，证实了某种细菌具有好氧反硝化的功能。Gupta 等则用RBC反应器研究SND ,并证实了一类具有好氧反硝化功能的细菌。

李丛娜[12]等在控制SBR反应器保持良好的好氧状态条件下，考察进水COD/NH3比值对同步硝化反硝化脱氮效率的影响，推断出活性污泥菌胶团中存在异氧硝化菌和好氧硝化菌。

冯叶成[13]等以进水COD浓度仅为50mg／L左右，COD／TN＜1进行同时硝化反硝化的试验研究，结果显示有总氮损失，推测出同时硝化反硝化过程可能是某种自养菌在发挥作用。

3. 同步硝化反硝化影响因素分析

实现同步硝化反硝化的关键在于对硝化反硝化菌的培养和控制，目前国内外研究认为对影响硝化反硝化菌的因素如下：

3.1 溶解氧

硝化细菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的NH4+或NO2-。环境中溶解氧的大小会极大地影响硝化反应的速度及硝化细菌的生长速率。当环境中溶解氧浓度升高时，