短程硝化生化机理及其控制途径综述

马好，姜广辉

(1.济南铁路疾病预防控制中心，山东 济南 250001; 2.山东华腾环保科技有限公司，山东 济南 250022)

1 短程硝化机理与特点

1.1 机理

废水生物脱氮，一般由硝化和反硝化两个过程完成，而硝化过程又可以分为两个阶段，氨氧化阶段和亚硝酸盐氧化阶段。这两个阶段分别由氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)独立催化完成。第一阶段，在 AOB的作用下，将氨氮NH4+-N氧化为亚硝态氮 NO2－-N;第二阶段，在NOB的作用下，将亚硝态氮 NO2－-N氧化为硝态氮NO3－-N。由于硝化反应是由两类生理特性完全不同的细菌独立催化完成的不同反应，故通过适当控制条件，可以将硝化反应控制在NO2－-N阶段，阻止NO2－-N的进一步氧化，随后直接进行反硝化，这就是短程硝化反硝化的作用机理。

1.2 特点

与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点［2］:

(1)由于氨氧化菌(AOB)的世代周期比亚硝酸盐氧化菌(NOB)短，所以污泥龄短，易提高反应器微生物浓度。

(2)硝化和反硝化速率加快，缩短了反应时间。

(3)硝化过程节省约25%供氧量，反硝化过程节省约40%外加碳源(以甲醇计)，节省运行费用。

(4)硝化反应器容积可减少8%，反硝化反应器容积可减少33%，可节省基建投资。

(5)硝化过程减少产泥24% ～33%，反硝化过程减少产泥50%，明显降低了污泥排放量，从而减少污泥处理处置费用。

2 短程硝化控制因素

实现短程硝化的关键在于将NH4+-N氧化为NO2－-N，阻止 NO2－-N进一步氧化。从本质上说，就是创造合适AOB的生长条件，以确立AOB竞争优势，抑制NOB的活性，使AOB成为优势菌属，从而实现持久地维持较高浓度的 NO－2-N积累。目前国内外相关研究表明:影响硝化菌生长的因素有溶解氧(DO)、游离氨(FA)、温度、pH。

2.1 溶解氧(DO)

溶解氧是实现短程硝化较为重要的因素，国内外许多研究表明，通常情况下，在较低溶解氧(DO＜0.5～1.0 mg/L)的条件下，可以得到较高的亚硝态氮积累。溶解氧影响亚硝态氮的机理称之为“亲和力”理论［3－4］。正常溶解氧条件下，硝化系统在内部存在AOB和NOB的增殖和氧化平衡，使得硝化反应得以稳定进行。而在低溶解氧条件下，AOB和NOB的增殖和氧化速率均降低。但由于AOB对有限溶解氧的竞争要强于NOB，即AOB对溶解氧的“亲和力”强于 NOB，使得 AOB的增殖和氧化速率降低的幅度较NOB小的多，所以AOB增殖和氧化的速率要高于NOB。

在低DO浓度(＜0.5 mg/L)条件下，硝化速率受到明显抑制。低DO浓度对硝化菌属的抑制作用较亚硝化单胞菌属更为明显。氨氧化溶解氧饱和常数KO2范围为0.2～0.4 mg/L，亚硝酸盐氧化菌溶解氧饱和常数KO2范围为1.2～1.5 mg/L。当溶解氧浓度为0.5 mg/L时，氨氧化菌的增殖速率为正常值的60%，而亚硝酸盐氧化菌则为正常值的30%。

综上所述，在低溶解氧条件下，正常硝化过程中两类细菌的增殖和氧化平衡被打破，通过动力学选择，氨氧化菌成为系统中的优势菌种，形成了亚硝酸盐积累。

2.2 游离氨(FA)

氨氮浓度的高低直接影响氨氧化菌的氧化速率，随着氨氮浓度的增加而增加，亚硝酸盐氧化菌对氨氮的氧化速率则随着氨氮浓度的增加而降低。所以通过控制FA实现短程硝化就是将 FA控制在对亚硝酸盐氧化菌产生抑制而对氨氧化菌不产生抑制或抑制较轻的浓度范围内［5］。

游离氨影响亚硝态氮积累的机理称之为NH3浓度机理:废水中的氨氮主要以氨离子(NH+4)和游离氨(NH3)两种形式存在，并在水中保持如下的平衡关系:

由公式(1)可以看出，FA浓度会影响NH+4的浓度，而进水氨氮浓度的高低又直接影响短程硝化反硝化的进程和硝化结束后系统内亚硝酸盐的积累。由于废水中FA浓度无法直接测定，通常采用下式来计算:

其中:Kb/Kw=exp［6334(273+t)］，Kb为氨的离解常数，Kw为水的离解常数。

由公式(3)可以看出，溶液中的FA浓度是温度和pH的函数。

Aathonisen发现［6］，在实验所用的反应器中，亚硝酸化被抑制的游离氨限度为10～15 mg/L。

综上所述，国内外学者在FA对亚硝酸化的抑制浓度上得出的结论不尽相同。但有一点可以达成共识，即通过控制反应器内游离氨浓度，使其高于亚硝酸盐氧化菌的抑制浓度，而低于氨氧化菌的抑制浓度，从而实现亚硝酸盐积累，即亚硝盐氧化菌对游离FA的敏感性要高于氨氧化菌。

2.3 温度

各种微生物均存在最适的生长温度，不同微生物最适温度存在差异。利用氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌不同的温度效应，有助于富集氨氧化菌从而实现短程硝化。亚硝酸盐氧化菌对温度的敏感比氨氧化菌更高。在20℃时，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的最大比生长速率分别为0.801 d－1和0.788 d－1。由于两类菌群的反应活化能(Ea分别为68 kJ/mol和44 kJ/mol)或温度系数(θ'分别为0.094和0.061，也就是说亚硝化菌对温度变化影响的比硝化菌更加敏感)不同。当温度5～12℃时，氨氧化菌的最大比生长速率小于亚硝酸盐氧化菌;当温度12～40℃氨氧化菌的最大比生长速率高于亚硝酸盐氧化菌［7］。因此，升高温度不但能够加快氨氧化菌生长速率，同时还能扩大氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌在生长速率上的差距，有利于筛选亚硝酸菌，淘汰亚硝酸盐氧化菌。

2.4 pH值

氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌对pH值非常敏感，亚硝酸盐氧化菌生长的最佳pH为7.4～8.3，而氨氧化菌的最佳pH则高于8［8］。利用氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的最佳pH的不同，控制混合液中pH，就能控制硝化类型及硝化产物。

pH对实现短程硝化的影响主要包括两方面: (1)对氨氧化菌和亚硝盐氧化菌的影响;(2)对基质有效性和抑制剂毒性的影响。一般认为，高浓度氨氮和亚硝酸盐氮都会对硝化过程产生抑制作用，其中真正起抑制作用的抑制剂分别为 FA和HNO3。氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的增殖与基质(氨氮和亚硝酸)、溶解氧、温度都呈现一定的关系。由于基质浓度受FA、pH值的影响。所以，通过控制上述因素，就可以控制两类细菌的增殖，使氨氧化菌成为优势菌，从而来实现短程硝化。

3 结论

废水的生物脱氮过程中，短程硝化与完全硝化相比有诸多优点。实现短程硝化的本质是创造合适AOB的生长条件，确立AOB的竞争优势，抑制NOB的活性，使AOB成为优势菌属。其控制因素有溶解氧(DO)、游离氨(FA)、温度、pH，需综合考虑多个影响因素的联合作用，从而有效实现短程硝化反应过程控制。

［1］ 高大文，彭永臻，潘威.SBR法短程硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究［J］.环境污染治理技术与设备，2003，4 (6):2－4.

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［5］ Villaverde S，Garcia-encina P A，FDZ-Polanco F.Influence of pH over nitrifying biofilm activity in submerged biofilters［J］.Water Res，1997，31(5):1180－1186.

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［8］ Metcalf＆Eddy.Wastewater engineering treatment and reuse［M］.Fourth Edition.USA:McGraw-Hill Companies，2003.616－629.