陈垃圾反应器中脱氮微生物的脱氮机理

李斐斐

武警工程大学装备工程学院防化教研室（陕西西安　710000）

节能环保

陈垃圾反应器中脱氮微生物的脱氮机理

李斐斐

武警工程大学装备工程学院防化教研室（陕西西安710000）

生物脱氮法因具有经济高效的特点而成为当今处理水体氮污染的热门方法。研究了陈垃圾反应器中的生物脱氮机理，其包括硝化阶段和反硝化阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。此外，研究中还发现了厌氧氨氧化反应及生物膜同步硝化反硝化（SND）法等。

陈垃圾脱氮微生物硝化反应反硝化反应

0　前言

由于水体氮污染已经对人类赖以生存的生态环境构成威胁，所以开发经济有效的生物脱氮技术目前已成为国内外的研究热点，而该技术的机理也日益成为研究的重点。新型脱氮工艺反应器内的微生物学研究，是其机理研究的一个重要组成部分。现如今，已有很多学者对脱氮技术做了大量研究，其中涉及了多种脱氮微生物，如自养氨氧化菌、异养氨氧化菌、厌氧氨氧化菌等，这些微生物在脱氮过程中起着关键作用。

由于在新型脱氮工艺运行过程中参与反应的微生物种类尚不明确，关于该工艺机理的研究也处于初级阶段，导致采用传统微生物学手段，研究新型脱氮工艺的反应机理尚存在一定的困难。为了更好地研究新型脱氮工艺的反应机理，并为控制其反应条件和实际应用提供理论依据、奠定理论基础，除了微生物传统研究方法外，目前还迫切需要开发生物学新技术。

对于氨氮含量高的氨氮有机废水的处理一直是一个难点。传统的脱氮处理工艺（如氨吹脱、化学沉淀等）会造成二次污染，或需要投加较大量的化学药品，成本较高。垃圾填埋场填埋数年的陈垃圾已基本生物稳定化，具有独特的物理化学和生物性质。利用陈垃圾作为填料，可以为脱氮微生物提供生长附着点，增加脱氮微生物的数量。这一方法在渗滤液处理中取得了很好的脱氮效果，并已在实际生产中得到应用。

1　陈垃圾反应器处理方法

陈垃圾是指在垃圾填埋场中经过多年填埋，已基本达到稳定化，可以开采利用的垃圾。与一般土壤相比，陈垃圾容重较小、孔隙率高、有机质含量高、阳离子交换容量大、吸附和交换能力强，其自身已经几乎不再产生渗滤液、填埋气和异味。陈垃圾在形成过程中经历了好氧、兼氧和厌氧阶段，发生了多种生物化学作用，并以多阶段降解性生物反应为主；渗滤液的长期产生和洗沥，也使陈垃圾成为一个微生物种类、数量繁多，水力渗透性能优良，多相多孔的生物活体[1-2]。陈垃圾反应器是指将筛分后的陈垃圾细料装填于反应器中，用以处理各种废水的反应装置[3]，分为厌氧陈垃圾反应器和好氧陈垃圾反应器等。

厌氧陈垃圾反应器采用颗粒较小的陈垃圾，反应器呈封闭状态，内部不设通气管，整个反应器在厌氧条件下进行反应。其优点为吸附效果好、污染物去除率高、抗冲击能力强、净化出水水质稳定等，缺点为水力负荷低、占地面积大、总氮去除率低等[4]。

好氧陈垃圾反应器利用自然通风、插导气管等方式改变陈垃圾反应器的厌氧状态，从而提高了其对污染物的去除效果。

2　污染水体的生物脱氮法

污水脱氮的方法主要有物理法、化学法和生物法三种，其中，生物法脱氮由于其经济、高效的特点而成为公认的最具发展前景的技术。污水生物脱氮技术已历经几十年的发展，并逐渐走向成熟，但人们仍不断致力于研究和开发更加高效、低耗的新型生物脱氮技术，而利用填埋场填埋数年的陈垃圾对污水进行处理，是一种简便、经济而且高效的方法。

生物法脱氮主要依靠的是各种脱氮微生物的作用，因此微生物是处理的主体，其群落结构会随运行条件和装置微环境的改变而变化，其代谢功能是影响污染物去除效果和装置运行性能的关键因素。

生物法处理污水是指依靠微生物的新陈代谢作用，以及微生物絮体对污染物的吸附作用，来去除污水中污染物的处理方法[5]。相对于其它脱氮技术，生物脱氮技术具有很强的优势，因此成为当前研究的热点。传统生物脱氮方法包括两个阶段，即硝化阶段和反硝化阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。硝化细菌是化能自养好氧菌，其分两个步骤完成硝化反应。第一步是将氨盐转化为亚硝酸盐，该过程由亚硝酸菌完成，称为亚硝化过程,反应方程式如下：

第二步是将亚硝酸盐转化为硝酸盐，该过程由硝酸菌完成，称为硝化过程，反应方程式如下：

反硝化作用则是由反硝化菌将硝酸盐转化为氮气排出，该反应在厌氧或缺氧条件下进行，反应方程式如下：

该转化过程有许多中间产物，如HNO2，NO2和N2O。反硝化菌多数为兼性厌氧菌，在无分子态氧存在的环境中，其利用硝酸盐作为电子受体，有机物则作为碳源和电子供体提供能量并被转化为CO2和H2O。随着时间的推移，人们对生物脱氮过程的研究又有了一些超出传统认知的新发现，如厌氧氨氧化反应，该反应是在严格厌氧条件下进行的，微生物直接以为电子供体，或为电子受体，将或转变为N2。

（1）好氧法

好氧法包括活性污泥法、生物滤池等，活性污泥法费用低、效率高，是广泛应用的处理方法，而通过提高污泥浓度来降低污泥有机负荷，可以提高污水处理效果。生物滤池是依据土壤自净原理，在污水灌溉的实践基础上，由较原始的间歇砂滤池和接触滤池发展而来的人工生物处理技术。曝气生物滤池合并了生物氧化和截留悬浮固体，省去了后续的沉淀池(二沉池)，优点是所需基建投资少，运行费用少、能耗低，水力停留时间短，容积负荷、水力负荷大，出水水质好。

（2）厌氧法

厌氧法包括上向流污泥床、厌氧固定化生物反应器、混合反应器及厌氧稳定塘等方法，厌氧滤池适用于处理可溶性有机物。

（3）厌氧-好氧组合法

单独采用厌氧法处理污水的实例很少见，这是由于虽然已经通过实践，证明了厌氧生物法对高质量浓度有机废水处理的有效性，但对于高质量浓度的污水，采用厌氧-好氧组合工艺对其进行处理既经济合理，又能得到较高的处理效率。

（4）生物膜同步硝化反硝化（SND）法

生物膜SND是指硝化与反硝化反应在同一生物膜内同时发生而达到脱氮效果的过程。目前普遍认为，生物膜SND过程是由生物膜微环境中各种物质（如溶解氧、有机物、等）的传质浓度梯度，以及各类微生物的代谢活动及其相互作用，所导致的微环境条件或状态改变引起的。其脱氮理论认为，由于传质阻力的存在，生物膜内有机物、溶解氧等基质传递存在浓度梯度，从膜外到膜内依次形成流动水层-附着水层-好氧层-厌氧层-附着介质的渐变结构，分别为好氧硝化和厌氧反硝化提供了适宜的条件。根据目前的研究，生物膜内氨氮、溶解氧、有机碳源等基质的传递状况如下：首先，由外部水体进入好氧层的氨氮在硝化细菌的作用下被氧化成，与有机物继续在膜内传递进入厌氧层，在反硝化菌的作用下，被还原为N2逸出水体，从而完成生物膜SND的脱氮过程。正是由于在生物膜内部存在微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性，以及物质浓度变化等因素的相互作用，在生物膜不同区域形成了具有不同反应条件的微环境，从而为SND的发生提供了条件。

3　影响脱氮效果的因素

（1）酸碱度（pH值）

大量研究表明，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的适宜pH范围分别为7.0～8.5和6.0～7.5，当pH值低于6.0或高于9.6时，硝化反应停止。反硝化细菌最适宜的pH范围为7.0～8.5，在这一范围内反硝化速率较高。

（2）温度（T）

硝化反应适宜的温度范围为5～35℃，在这一温度范围内，反应速率随温度的升高而加快，当温度低于5℃时，硝化菌完全停止活动。反硝化反应适宜的温度范围为15～30℃，当温度低于10℃时，反硝化作用停止，当温度高于30℃时，反硝化速率也开始下降。

（3）溶解氧（DO）

在好氧条件下，硝化反应才能进行，溶解氧的质量浓度不但影响硝化反应速率，而且影响其代谢产物。为满足正常的硝化反应需求，在活性污泥中，溶解氧的质量浓度至少应为2 mg/L，一般应在2～3 mg/L之间，生物膜法则应大于3mg/L。

（4）碳氮比（C/N）

在脱氮过程中，碳氮比将影响活性污泥中硝化菌所占的比例。因为硝化菌为自养型微生物，其代谢过程不需要有机质，所以污水中的BOD5/TKN（五日生化需氧量/凯氏氮）越小，即BOD5的质量浓度越低、硝化菌所占的比例越大，硝化反应越容易进行。硝化反应对碳氮比的一般要求是BOD5/TKN＞5，COD（化学需氧量）/TKN＞8。

（5）生物脱氮过程中氮素的转化条件

生物脱氮过程包括氨氧化、亚硝化、硝化及反硝化，有机物降解碳化过程亦伴随着这些过程同时完成。综合考虑各项因素（如菌种及其增值速度、溶解氧、pH值、温度、负荷等），可有效简化和改善生物脱氮的总体过程。

4　结语

传统生物脱氮机理包括硝化阶段和反硝化阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。硝化与反硝化反应在同一生物膜内同时发生而达到脱氮的过程，即为生物膜SND法。此外，研究中还发现了厌氧氨氧化反应。生物脱氮技术是当前研究的热点，其机理研究也日益成为研究重点。同时，生物脱氮的新技术也在不断开发之中，将为污水脱氮提供更加经济高效的选择。

[1]赵由才,柴晓利,牛冬杰.矿化垃圾基本特性研究[J].同济大学学报(自然科学版),2006,34(10):1360-1364.

[2]赵由才,黄仁华,赵爱华,等.大型填埋场垃圾降解规律研究[J].环境科学学报,2000,20(6):736-740.

[3]边炳鑫.生活垃圾填埋场中矿化垃圾的综合利用技术[D].上海:同济大学,2004.

[4]吕宝一.陈垃圾反应器处理晚年期渗滤液的强化调控研究[D].上海:华东师范大学,2010.

[5]王方,王明亚,王明太.回收氨氮废水用水处理技术的研究进展[J].当代化工,2011,40(12):1277-1282.

M echanism of M icrobial Nitrogen Removal in Aged Refuse Bioreactor

Li Feifei

Owing to the economic and effective characteristics,biological denitrification technology has become a popularmethod in treating nitrogen pollution of water.The mechanism of biological denitrification in aged landfill was studied,and it included nitrification and denitrification stages,which were completed by nitrifying bacteria and denitrifying bacteria,respectively.In addition,the anaerobic ammonia oxidation reaction and biofilm simultaneous nitrification and denitrificationmethod were found.

Aged refuse;Denitrificationmicroorganism;Nitration reaction;Denitrification reaction

O 6

李斐斐女1987年生硕士助教主要从事污水生物处理工作

2016年2月