浅谈污水脱氮技术

张彩凤

（河北省衡水学院生命科学学院，河北衡水 053000）

近来，水污染已经成为我们当前急需解决的一项重大环境问题。氮元素是造成水体污染的主要因素之一。随着水体受氮素污染情况的日趋严重，势必会影响到湖泊生态系统的自净作用。对水体氮的自净过程主要通过氮循环系统来实现，氮循环系统包括生物固氮、氨化、硝化、反硝化及同化等过程，其中生物固氮、氨化、硝化及反硝化是微生物的特有作用过程。氮循环细菌在湖泊水体氮的迁移与转化中起着重要作用。

1 水体氮素的来源及危害

1.1 氮污染的来源

目前氮污染的来源主要包括自然来源和人为来源。其中人为来源是目前产生氮污染的主要来源，它主要包括：农药化肥的大规模使用，使土壤中的氮元素大量沉积，经过灌溉水或雨水的冲洗，使得大量氮元素进入水体；生活污水和工业废水的排放的肆意排放，可目前对废水的处理能力稍显滞后，使得大量的含氮废水进入河流和湖泊，这是造成目前水体污染的主要原因[1]；底泥的释放，随着底泥有机物质的代谢分解，其中的氮元素又会从底泥中释放出来，形成对水体的二次污染等方面，这也是造成水体污染一个重要的因素。

1.2 氮污染的危害

水体中氮含量过高会引起水中藻类快速繁殖，形成水体富营养化现象，引发水中生物大量死亡，水质恶化变臭等后果[2]。此外，还会对鱼类甚至是人类的身体健康造成影响[3]。亚硝酸盐在人体内长时间大量堆积会对人体产生致癌作用。

2 污水脱氮技术

针对污水中氮元素的去除，现在主要采取的方法主要包括两大类，即物理化学脱氮技术和生物脱氮技术。

2.1 物理、化学脱氮法

物理脱氮法[4]主要包括底泥的挖掘、增多曝气量[5]、使用沸石与改性沸石[6]等方法，化学脱氮技术主要是指通过化学手段对受污染水域进行脱氮，包括湿式氧化技术[7]、电化学技术、离子交换法、吸附法等。但是由于物理化学脱氮法对设备和资金要求较高，且容易对环境造成重复污染，因此目前使用相对较少。

2.2 生物脱氮技术

而利用脱氮微生物的生物法，则可以弥补物理、化学法的缺点，由于脱氮微生物无毒不会造成二次污染、对环境友好；而且生产成本低廉、操作简单，处理效果能够达到或超过其它方法。

生物脱氮技术主要是指以微生物为基础，通过微生物的生长代谢作用，将水体中积累的含氮废物转移和转化[8]。生物脱氮法不会改变水体生态系统，不会对环境形成二次污染，可以有效的消除过量的由于含氮物质对水体造成的污染。由微生物参与的生物圈氮元素的循环（图1）主要包括同化作用、固氮作用、氨氧化作用、硝化作用、反硝化作用等。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。

硝化作用[9]是指在好氧条件下硝化细菌将氨盐氧化为硝酸盐的过程。主要包括亚硝化作用和硝化作用。亚硝化作用是指亚硝化细菌将氨盐氧化为亚硝酸盐，硝化作用是指硝化细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐的过程。其中由氨盐氧化成亚硝酸盐的过程是整个氨氧化过程的限制步骤，该过程对整个环境的硝化作用起着调控的功能。包括以下两个反应：

反硝化作用[10]是指在反硝化细菌的作用下硝酸作为电子受体转变为气态氮损失的过程。传统的理论研究认为，缺氧是发生反硝化作用的必须条件。只有在严格厌氧的条件下，氮的代谢途径中才能以硝酸盐作为唯一的电子受体从而使反应顺利完成。在缺氧条件下，硝酸盐是在多种酶的作用下，通过电子传递，经过亚硝酸盐，氧化亚氮以及一氧化二氮不同氮形态的转移，最终被还原为氮气。好氧反硝化过程的存在，硝酸盐和氧气可以同时作为电子受体，证明了一些具有反硝化功能的细菌可以在有氧的条件下发挥作用[11]。对好氧反硝化作用的解释目前主要有微环境理论和生物学理论。微环境理论主要是指氧气扩散受到限制，在微生物集团外部为好氧环境，以好氧细菌为主。而在微生物集团内部，氧气的扩散受到阻遏，并且外部细菌消耗了大部分氧气，从而形成厌氧的微环境，反硝化细菌可以成为优势菌群，使好氧反硝化作用可以发生。生物学理论主要是指一些异养硝化细菌具有反硝化功能，导致好氧反硝化作用的发生。

图1氮转移途径Fig. 1The transfer way of nitrogen

由于细菌的种类以及本身特性的不同，再加上硝化细菌、反硝化细菌可以利用多种含氮基质发挥作用，因此对氮转移途径的研究显得非常困难。有研究[12]认为水体中的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮之间存在相互转化的关系，同时由于异养硝化细菌和反硝化细菌的作用，可以使水体中的含氮物质部分转化为含氮气体释放。

目前国内外使用的生物脱氮法的工艺主要包括以下几种方法：

2.2.1生物膜法

水体中一些微生物可以通过自身代谢产生的胞外衍生物附着在固体表面，成分是多糖和蛋白质，它具有很强的亲水性，细菌主要依靠其吸附性粘附在固体表面。从理论上来讲，水体中任何固体都可以通过吸附微生物种群形成生物膜。但是不同的水质和载体会造成生物膜的形成速度有所差异。

生物膜[13]主要是通过吸附在固体表面的微生物菌群完成对污水的净化处理。微生物菌群通过吸收水体中的“营养物质”即水体中的一些含氮含磷等物质来完成自身的生长，同时也完成了对水体的净化处理。生物膜最主要的特点就是可以在固体表面形成一个稳定的微生物群落结构，使每一种菌群可以食物链不同的位置发挥作用，使其各司其职，各尽其能，通过一个小的微生态群落结构达到水体净化的目的。

2.2.2SBR脱氮法

SBR又称序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）[14]，它主要是通过对活性污泥进行间歇曝气从而达到污水处理目的的一种方法。

传统的活性污泥主要是指以细菌、真菌、藻类为主的微生物群体以及一些无机物所形成的污泥状的絮凝沉淀，它通过微生物的代谢活动达到对水体净化的目的。SBR法[15]以传统的活性污泥法为基础，通过对反应池曝气时间的调控，使得反应池内好氧和厌氧环境交替变化，从而使得硝化过程和反硝化过程交替进行，提高除去水中氮的效率。通过该技术解决了高浓度工业废水有机物去除效率高而氨氮去除率不高的难题[16]。它具有设备简单、占地规模小、净化水体效率高等特点从而使得SBR法获得广泛应用。

2.2.3SND脱氮法

SND（Simultaneous nitri fi cation and denitri fi cation）称为同步硝化反硝化，它是一种全新的污水脱氮方法[17]，基于传统生物脱氮理论基础上发展起来的新型工艺，它是在一个生物反应器中同时实现硝化与反硝化。它可使硝化过程和反硝化过程在好氧状态下同时发生。传统的脱氮理论认为硝化过程和反硝化过程是两个不同阶段的反应，但是最近的一些研究成果表明硝化过程完成后，反硝化反应可以利用硝化过程的产物继续发生反应，同时硝化反应可以和反硝化反应在pH值的变化上形成互补，从而提高水体脱氮的速率。李柏林[18]等研究表明采用区段对溶解氧控制，将主反应分成不同生化反应功能区段，通过在线溶氧仪使各区段维持不同的溶解氧水平，可达到强化主反应区的SND脱氮作用的效果，得以节省碳源、提高脱氮效果。

2.2.4OLAND脱氮法

OLAND（Oxygen-Limited AutotropHic Nitrification and Denitrification）又称作限氧硝化反硝化[19]。其机理为氨氧化与亚硝化反应在限氧的状况下相偶联，该反应主要包括两个步骤，一是在限氧条件下将污水中的部分氨盐氧化为亚硝酸盐，二是在厌氧条件下使第一步产生的亚硝酸盐和剩余的氨盐发生厌氧氨氧化反应直接产生氮气，从而达到除去污水中氮的目的。该方法不仅可以降低反应的耗氧量，而且可以显著提高污水中除氮的速率和效果。

2.2.5CANON脱氮法

CANON（Completely AutotropHic ammonium removal over nitrite）生物膜内自养脱氮工艺[20]，该方法的核心为在反应器内通过控制氧气浓度实现亚硝化以及氨氧化过程的发生，以亚硝酸盐为电子受体通过偶联反应生成氮气从而达到从污染水体中除氮的目的。张红陶等[21]研究发现温度、氨氮浓度、溶解氧浓度、pH等因素都会对工艺效能产生一定的影响。另外，因CANON工艺具有不消耗有机碳源、降低曝气量、降低污泥产量等优点，采用常规脱氮技术处理高氨氮、低C/N的废水，往往面临碳源不足和能源消耗等问题，然而如果能把CANON工艺应用到高氨氮、低C/N的废水领域，将使得高氨氮和低C/N的废水处理产生革命性的改革[22]。

该反应不需要外加氮源的参与，并且减少了耗氧量，可以提高水体除氮的速度和效率。

2.2.6SHARON脱氮法

SHARON（Single reactor for high activity ammonia removal over nirite）又称半硝化脱氮工艺。该方法的核心为在同一个反应器内，首先是在有氧的条件下将氨盐氧化成亚硝酸盐，然后在缺氧的条件下通过反硝化细菌的作用以有机质为电子受体将亚硝酸盐直接还原成氮气，该方法省去了从亚硝酸盐到硝酸盐的转化途径，从而缩短了反应时间，提高了反应效率，减少了曝气量。SHARON[23]是迄今为止已知的最简捷、最经济的生物脱氮新工艺，特别是在处理低C/N废水方面有着不可替代的巨大优越性，因此具有非常广阔的应用前景，已经成为近几年国内外研究的热点技术之一。

3 展望

在废水富营养化情况日益严重的今天，人们对水体的净化多关注于覆盖水，而忽略了对底泥的治理。底泥是由水体中植物、动物及其他有机质经长时间沉积形成。底泥中的有机物在微生物的作用下会分解出大量的小分子物质以及氮、磷、钾等，是覆盖水的重要污染源之一。因此将水体净化和底泥治理结合起来，可达到事半功倍的效果。

由于生物脱氮技术在提高氨氮去除率及降低运行成本等方面具有很多优点，因此生物脱氮技术已有一定的应用基础。但是由于微生物工艺的复杂性，一些反应机理还不太明确，需进一步研究。另外，许多处理工艺在实际运行中的可靠性、稳定性和处理效率等方面上还有待提高。因此，新的脱氮处理工艺和新的硝化细菌的探索和研究是将来生物脱氮技术的发展方向，相信废水生物脱氮处理工艺会日趋完善。

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