含氮废水短程硝化调控策略

罗伟国 朱欣明

（浙江省桐庐县环境保护局 浙江杭州 311500）

短程硝化反应需要控制较高的温度和pH、较短的SRT，使亚硝酸细菌保持较高的生长速率，抑制硝酸细菌，从而使氨氮氧化成亚硝氮。短程硝化过程成为实现厌氧氨氧化或短程反硝化的关键前提条件。

实现短程硝化，关键是要控制操作条件，抑制亚硝酸细菌的生长，使氨氧化细菌具有相对竞争优势，实现亚硝酸盐的积累。短程硝化的主要操作条件包括：游离态亚硝酸浓度、游离态氨浓度、DO、pH、温度等。

1 基质（FNA/ FA）

游离态亚硝酸（FNA）和游离态氨(FA)分别是亚硝酸氧化细菌和氨氧化细菌的真正消耗基质，同时又是真正的抑制剂。

亚硝酸盐和铵盐分别是弱酸性盐和弱碱性盐，在水中遵循水解电离平衡。当温度是定值时，游离态亚硝酸在总亚硝酸中、游离态氨在总氨氮中占的比例受pH影响。FNA与FA浓度可根据式1和2计算：

式中，FNA-游离亚硝酸浓度 (mol/L)；FA-游离氨浓度（mol/L）；总氨氮浓度（mol/L）亚硝酸盐总浓度(mol/L)；Kb、Kw和Ka分别是氨、水和亚硝酸的解离常数，20℃时分别为

FA/Ct,NH3和FNA/Ct,NO2与pH的关系见下图所示：

图1 FA/Ct,NH3和FNA/Ct,NO2受pH 的影响

当FNA或FA浓度在较高浓度时，会抑制亚硝酸氧化细菌（NOB）和氨氧化细菌（AOB）的活性，但NOB比AOB相对更敏感。Anthonisen等发现，游离态氨(FA)对AOB产生抑制的浓度为10至150mg/L，对NOB产生抑制的浓度为0.1至1.0mg/L。Wongchong等[1]认为，当FA浓度达到5mg/L以上时，亚硝酸菌活性受到一定影响，FA达到40mg/L时，亚硝酸形成才受到严重抑制，经过驯化后，AOB所能耐受的FA浓度还可进一步提高。FNA对NOB和AOB产生抑制的浓度相差很大，分别为0.06和2.8mg/L。

综上可知，FNA和FA可作为优选AOB、淘汰NOB、实现亚硝酸盐累积的控制性参数之一。Kim等研究气提式生物膜反应器的短程硝化过程中发现，在FA高于0.2mg/L以及DO充足的条件下，亚硝酸氧化活性受到极大的抑制，FA浓度降低后，亚硝酸氧化活性又得到恢复。FA对于NOB活性的半抑制浓度为0.7 mg/L。

2 DO

在硝化系统中，AOB和NOB对应共同的电子受体都具有竞争作用。在电子受体的竞争方面，NOB通常处于弱势。据Hunik等研究结果，Nitrobacteragilis和N.europaea对氧气的半饱和浓度分别是0.54mg/L和0.16mg/L[2]；活性污泥的研究结果可知，NOB和AOB相应的氧气的半饱和浓度范围分别是0.34mg/L~2.5mg/L和0.25~0.5。由此可见，较低浓度的溶解氧使氨的氧化速率高于亚硝酸的氧化速率，最终实现亚硝酸盐的积累。Ruiz等人研究总结短程硝化的最佳溶解氧范围为0.7mg/L~1.5mg/L。

3 pH

pH值可影响废水中FA-Ct,NH3和FNA-Ct,NO2，通过电离平衡作用，碱性条件促进游离态氨形成，不仅使NOB缺少基质，而且对NOB活性产生抑制，又能为AOB生存提供基质。此外，pH本身对微生物也是较大影响。NOB最佳生长的pH范围是6.0至7.5，AOB最佳生长的pH范围是7.0至8.5。Kumar的研究表明，pHo从6.00增加至8.50时，N.europaea的胞内pHi由6.30增加至7.80，pH值增加明显；而硝酸细菌的胞内pHi维持在相对稳定的状态，变化范围仅限于7.30至7.80，可见pH对AOB的影响作用更大。

4 温度

据报道，在温度为7至30℃范围，AOB和NOB的活化能范围分别为72至60kJ/mol以及43至47kJ/mol，它们对温度的敏感性存在着较大差异。当温度低于12℃时，硝化杆菌的生长速率快于亚硝化单胞细菌，硝化杆菌对亚硝酸盐的转化速率也较亚硝化单胞细菌高，要将硝化过程控制在短程硝化阶段较难；然而，温度高于12℃时，尤其是在高于25℃时，亚硝化单胞细菌活性较硝化杆菌高。由此可见，较高温度有利于筛选AOB。综合考虑，实现短程硝化的适宜温度范围应控制在20～35℃之间。

5 泥龄

在中温、高温度和较高pH的外部条件下，将污泥龄控制在AOB和NOB的最大生长速率内，可滞留AOB并筛洗出NOB，进一步实现短程硝化。Pollice等在氨氮浓度控制在400至500mg/L、DO为2.0mg/L、pH为7.2、温度为32℃的环境条件下，研究了泥龄对SBR反应器短程硝化的作用影响，结果表明，随着泥龄从40天降到10天时，亚硝酸氮的累积浓度由0增至500mg·L-1，硝酸盐量明显减少。尽管反应器内生物浓度和生物量都在减少，但生物的氨氮氧化活性得到提高。根据短程硝化工艺实际经验，推荐污泥停留时间控制在1至2.5天。

6 展望

含氮废水带来水质富营养，对水环境产生较大影响。短程硝化是一种处理含氮废水的高效、经济的解决方案。从应用层面，还需要研究其他不利影响因素对短程硝化反应功能性微生物——亚硝酸细菌的影响，并寻求突破影响其生长和繁殖的不利因子的工程技术手段；进一步研究各类生态因子对短程硝化优势菌群的导向作用，为短程硝化工艺的参数控制和操作优化提供依据支撑。

[1]Wongchong GM and Loehr RC.1978.Kinetics of Microbial Nitrification-Nitrite-Nitrogen Oxidation.Water Res,12:605-609.

[2]Hunik JH,Tramper J and Wijffels RH.1994.A Strategy to Scale-Up Nitrification Processes with Immobilized Cells of Nitrosomonas-Europaea and Nitrobacter-Agilis.Bioprocess Engineering,11:73-82.