短程硝化反硝化氨氮脱除技术研究进展

罗博 黄安寿 陈海龙

摘要：叙述了短程硝化反硝化的优势、工艺原理，总结了分析了温度、pH、游离氨、碳氮比以及污泥龄在高氨氮、低碳氮比有机废水方面影响因素以及工程化应用现状，最后提出了该技术工程化应用方面的有待优化解决的问题与方向。

关键词：短程硝化反硝化;氨氮脱除;污水处理技术;亚硝酸盐

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）01-0-02

Abstract：The advantages and process principles of short-range nitrification and denitrification are described， and the influencing factors and engineering applications of temperature， pH， free ammonia， carbon-to-nitrogen ratio，and sludge age in high ammonia nitrogen and low carbon-nitrogen ratio organic wastewater are analyzed .At present， the problems and directions to be optimized in engineering application of the technology are finally put forward.

Key words：Short-range nitrification and denitrification;Ammonia nitrogen removal;Wastewater treatment technology; Nitrite

传统生物脱氮技术在处理高COD、高氨氮、高SS、低C/N比的特点的废水存在能耗高、工艺流程复杂、成本高等局限，因此开发处理能耗低、效率高的新型生物脱氮技术成为近年的研究热点。1975年，Voet等在处理高浓度氨氮废水的研究中，发现了硝化过程NO2--N的累积现象，首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的原理。对于传统硝化反硝化生物脱氮技术，短程硝化反硝化具有几大特点：一是可节约25%的供氧量，40%的反硝化有机碳源;二是反硝化速率提高了60%，缺氧段污泥量减少了30%。

1 短程硝化原理

AOB：氨氧化细菌;NOB：亚硝酸盐氧化细菌;DB：反硝化细菌

短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亚硝酸菌在动力学特性上存在的固有差异，控制硝化反应只进行到NO2--N阶段，然后就进行反硝化反应。短程硝化过程即通过控制环境条件，抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的同时，使氨氧化细菌（AOB）成为优势菌种，从而实现NO2--N的大量累积;反硝化过程主要是反硝化细菌在缺氧条件下，将NO2--N还原为N2的过程。

2 短程硝化反硝化影响因素

短程硝化反硝化能否取得成功，关键是氨氮的硝化反应过程控制于亚硝酸盐阶段，同时在反硝化階段拥有足够的碳源和污泥龄，因此影响短程硝化反硝化进程的主要因素包括以下几个方面：

2.1 温度

温度是控制短程消化反硝化的关键因素之一。硝化反应在5～35℃下都能进行，最适合温度为25～30℃[1]，当温度在12～14℃范围或者大于30℃时，亚硝酸盐氧化菌（NOB）会受到抑制，从而出现亚硝酸盐的累积，在5～40℃范围内，可以利用Arrhenius equation[2]来描述温度和硝化细菌最大生产速率之间的关系。

式中，t为温度，℃;和分别表示当温度为t℃和20℃时，亚硝酸盐氧化菌最大的生长速率，;表示反应活化能，kJ/mol;R为常数，其值一般为8.314J/（mol·K）。

2.2 pH与游离氨（FA）

pH对短程硝化的影响主要有两个方面，一是为微生物提供最佳生长环境，硝化过程中，AOB菌的最佳pH范围是7.0～8.5，NOB为6.0～7.5，污水中pH由酸性向碱性移动时，会降低亚硝酸盐细菌的硝化速率，菌而反硝化细菌生存的最佳pH范围是6.5～7.5[3];二是对污水中游离氨（FA）的调节，由于餐厨厌氧废水中存在HCO3-/NH4+-N 的缓冲体系，pH的高低对污水中氨的形态有直接影响，如下平衡反应：

游离氨的浓度可以通过如下公式进行计算：

式中，C表示FA质量浓度，以（mg/L）表示;表示氨氮质量浓度，以N（mg/L）表示，为氨水解的电离常数，为水的电离常数。

许多短程消化研究通过控制游离氨，实现了亚硝酸盐的累积，就是利用游离氨对氨氧化细菌和亚硝酸盐细菌的抑制浓度不同来实现的[4]。

2.3 溶解氧（DO）

溶解氧（DO）对短程硝化反硝化进程起着关键作用，为保证彻底的硝化反应过程，污水中溶解氧浓度一般在2mg/L以上，其中AOB细菌的溶解氧一般在0.2～0.4mg/L，而NOB细菌的溶解氧值在1.2～1.5mg/L，因此，为了促进亚硝酸盐的累积，溶解氧值不应高于0.5mg/L[5]。

2.4 碳氮比（C/N）

碳氮比（C/N）是影响短程硝化的重要影响因素，主要表现在硝化过程中自养型细菌与异养型细菌的相对数量方面。碳氮比越大，异养菌的繁殖速度越快，硝化细菌属于自养型，因此硝化反应在一定程度上受到抑制，如果碳氮比较低，则会导致反硝化过程碳源不足而影响反硝化中总氮的去除，表1为不同碳氮比条件下的污水脱氮效果。

2.5 污泥龄（SRT）

污泥龄是指活性污泥在系统中的平均停留时间。一般情况下，硝化过程中AOB菌的世代时间为1天左右，NOB菌的时代时间为3～5天，因此，通过将污泥龄选择一个较低的停留时间，则AOB菌逐步成为优势菌种[6]。Pollic研究了SBBR硝化性能与供氧之间的影响关系中将污泥龄从84d降低到3d，发现随着污泥龄的缩短，硝酸盐生成量减少，亚硝酸盐累积量加大。崔慧慧等也发现常污泥龄的SBR系统不能建立稳定长期的亚硝化系统[7]，因此，要建立稳定的短程硝化体系，在保证污泥浓度的前提条件下，适当的污泥龄尤为重要。

3 应用研究

虽然短程硝化反硝化技术具有明显优势，但针对不同类型工艺和反应器，仍存在启动时间长，工艺控制要求高、菌种培养难等局限，大大限制了其规模化工程应用。国外在该领域的工程应用案例较多，2002年帕克公司在荷兰建设了第一个Sharon-anammox系统工程案例处理污泥脱水液，伺候在德国、日本等地也建立了100多座短程消化不同类型工艺的短程消化反硝化工程。国内许多研究多处于中试阶段。马斌在城市污研究短程硝化厌氧氨氧化脱氮效率中实现了A/O硝化系统中亚硝酸盐累积率达到95%以上，在UASB系统中总氮88.38%的去除率[8];吴丽娜等通过短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺处理垃圾渗滤液也可以实现COD、氨氮和总氮的去除率达到88%，95%和91%[9]。

4 结语

短程硝化反硝化技术作为一项新技术，在氨氮、低碳氮比类污水处理的能耗和药剂消耗方面具有明显优势，可广泛应用于餐厨垃圾厌氧消化废水、垃圾填埋场厂渗滤液等低碳氮比、高氨氮有机废水的处理处置。随着研究的深入，已在部分工程的运行方面有所应用，但仍有许多问题尚未解决，比如针对特定污水，如何通过污泥停留时间、溶解氧、温度等参数进行优化组合，实现氨氧化细菌的富集，提高系统的稳定性;如何针对不同类型工艺，确定短程硝化反硝化关键参数，从而为真正意义上的工程化应用提供技术支持。

参考文献

[1]Kim H ， Li T J. Denitrification mechanism in combustion of biocoal briquettes[J]. Environmental Science & Technology， 2005，39（4）：1180-1183.

[2]王志盈.高氨浓度下生物流化床内亚硝化过程的选择性研究[J].环境科学，1993，14（3）：2-6.

[3]姜体胜，杨琦，尚海涛，等.溫度和PH对活性污泥法脱氮除磷的影响[J].环境工程学报，2007，1（9）：10-14.

[4]韩晓宇，张树军，甘一萍，等.以FA与FNA为控制因子的短程硝化启动与维持[J].环境科学，2009，30（3）：809-814.

[5]Van Dongen U， Jetten MSM， van loosdrecht M.C.M. The SHARON-Anammox process for treatment of ammonium rich wastewater[J]. wat. Sci. Tech.， 2001，44（1）：153-160.

[6]Zhang S H， Kang S Q， Hua Y M. Waste water with low C/N ratio treated by partial nitrification/anammox process[J]. 2009 3RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS AND BIOMEDICAL ENGINEERING， VOLS 1-11， 2009：4865-4868.

[7]崔慧慧.SBR短程硝化及影响因素研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2011.

[8]马斌.城市污水连续短程硝化厌氧氨氧化脱氮工艺与技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[9]吴丽娜，徐莹莹，史枭，等.短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺深度处理垃圾渗滤液[J].环境科学研究，2016，29（4）：587-593.

收稿日期：2019-10-18

基金项目：重庆市科技局社会民生类重点研发项目（cstc2018jscx-mszdx0070）

作者简介：罗博（1981-），男，土家族，硕士研究生学历，高级工程师，研究方向为固废处理与资源化。