污水新型生物脱氮强化技术研究进展

陈仁杰，谢禹，荆肇乾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

含氮量是控制水污染的一项重要指标，由于氮肥的广泛使用及含氮废水的排放导致水体中氮含量远超环境容量，引发水体的富营养化。目前，利用硝化菌、反硝化菌的生物特性对污水进行脱氮处理是普遍采用的处理方式，是将污水中各种化合形式的氮元素通过微生物的代谢转化为氮气排出系统[1]。由于传统工艺有着系统总停留时间过长、抗冲击负荷能力较差等问题，开发经济、高效、稳定的新型生物脱氮技术的研究十分迫切[2-3]。

强化生物脱氮技术是指在污水处理系统中通过利用菌群的生物特性和物化手段调控反应条件达到改善工艺脱氮效果的技术方法，通过工艺强化能够增强微生物对氮素的降解能力，加快反应物降解速率，提高出水水质。目前，已研究开发出的强化生物脱氮技术有：短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化聚磷菌强化脱氮等。

1 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化(Shortcut Nitrification Denitrification)是一种可用来处理高浓度、低碳氮比的新型脱氮技术，其作用机理是通过改变反应池环境温度、pH值、溶解氧浓度DO、污泥龄等影响硝化阶段的因素条件，将硝化过程停止于亚硝化阶段,不进行亚硝酸盐氮(NO2-N)到硝酸盐氮(NO3-N)的转化，亚硝化后直接进行反硝化反应[4-5]。短程硝化反硝化与传统的全程硝化反硝化相比，该技术具有下列特点[6-8]：(1)亚硝化细菌(AOB)比硝化细菌(NOB)具有更短的世代周期和污泥龄，将硝化过程氨氮氧化停止在亚硝化阶段，可以有效提高微生物生长速率，促进反应正向进行，缩短系统的水力停留时间，从而减少产泥量，有效的节省了反应器设计使用容积;(2)不进行NO2-N至NO3-N的转化可降低溶解氧的消耗量，降低用于曝气充氧的能量损耗;(3)NO3-N比NO2-N转化为N2需要更多的电子供体，硝化过程中，由于只完成了氨氮到亚硝酸盐氮的转化，为后续的反硝化过程节省了接近一半的有机碳源需求量。

应用到短程硝化反硝化技术的典型工艺有：SHARON工艺( Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite,基于亚硝酸盐除高活性氨的单反应器)、OLAND工艺(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denification,限氧自养硝化-反硝化)。

1.1 SHARON工艺

SHARON工艺是由荷兰Delft工业大学设计开发的一种基于亚硝酸盐去除高活性氨氮的生物单反应器，工艺可以用于处理城市污水二级处理系统中污泥硝化上清液和垃圾渗滤液此类低碳氮比、高浓度氨氮废水。SHARON基本的工作原理是将氨氮(NH3-N)氧化控制在亚硝化阶段，不进行NO2-N到NO3-N的转化就直接进行反硝化[9]。

SHARON工艺的关键是控制反应池环境温度在处于中高温(30～35 ℃)条件下，利用AOB在此温度下比NOB具有更快生长速率及AOB具有更短的停留时间这一生物特性来控制反应系统的污泥龄，将系统停留时间控制在AOB及NOB最小停留时间之间，促进AOB浓度上涨使得NOB被自然淘汰，硝化过程可稳定累积到全部的亚硝酸盐，不进行NO2-N向硝酸盐NO3-N氮的转化直接进行NO2-N的反硝化转化为氮气排出[7-10]。在SHARON工艺的运行过程中，必须严格控制反应环境温度、pH值、溶解氧浓度DO及自由氨浓度等，以推进系统向有利于亚硝化菌生长繁殖的方向发展。

1.2 OLAND工艺

OLAND工艺是一种以生物转盘反应器为基础设计运行的新型生物脱氮工艺[11]，它由比利时Gent大学微生物生态实验室最先提出并设计开发。OLAND工艺能够成功运行的关键是控制溶解氧浓度，保持反应池内污水处于低氧浓度下，使得硝化过程只进行到亚硝化阶段以实现NO2-N的累积[12-13]。累积的NO2-N随后与在亚硝化过程中剩余的NH3-N在厌氧条件下发生厌氧氨氧化反应，最后污水中的氮以氮气的形式排出反应系统外。

溶解氧浓度对硝化、反硝化反应有着极为重要的影响，相关实验研究表明：低氧浓度下可加快AOB的生长速率，补偿了AOB由于在低溶解氧下代谢活动的缺失，所以氨氮氧化在整个硝化过程中没有明显的影响。低溶解氧浓度下，AOB比NOB具有对溶解氧更强的亲合力，因此亚硝酸盐可以得到大量的累积[14-15]。OLAND工艺适用于处理高浓度氨氮、低化学需氧量的污水,具有高效率低耗能、反应器启动迅速、系统运行平稳、污水处理效果好、不需要外加碳源、节省投资费用等优点。

2 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification,SND)是指在低溶解氧、碳源易降解的条件下，硝化与反硝化同时在同一个反应器内完成，并能够一步达到污水脱氮效果的新型生物脱氮工艺。物理学微环境反应机理是目前普遍接受的机制理论，理论认为：溶解氧向微生物絮体内部扩散受到阻碍，溶解氧在微生物絮体内外产生了浓度梯度。溶解氧在微生物絮体外具有较高的浓度，微生物絮体外聚集大量的好氧菌及硝化菌，发生硝化反应；氧扩散受到微生物絮体阻碍，并且外部存在有机物的氧化、硝化作用对氧的消耗，微生物絮体内部形成缺氧区，聚集大量的反硝化细菌发生反硝化反应[16]。正是由于溶解氧在微生物絮体内外存在浓度梯度，形成了有利于硝化、反硝化反应的好氧区、缺氧区这样的微环境，使得硝化、反硝化反应可以同时在同一个反应器内实现。近年来，有研究表明一些新型的脱氮微生物也推进着SND的顺利进行，例如好氧反硝化菌、低溶解氧硝化菌、异氧硝化菌、自养反硝化菌等[17-18]。

同步硝化反硝化具有下列特点[19-21]：(1)反应过程与短程硝化反硝化相似，氨氮仅需亚硝化后就可以直接进行反硝化，加快了系统反应速度，缩短了反应水力停留时间，反应器设计容积得以减小；(2)与完全硝化反应相比，亚硝化反应具有较低的耗氧量，减少曝气量，有效降低能源消耗；(3)硝化产生的氢离子可以与反硝化产生的氢氧根离子发生中和反应，平衡稳定反应液体的pH值，同时加快两种反应的正向进行速度，反应效率得到较大的提高；(4)碳源在反应中对硝化阶段有正向推动作用，同时也作为反应物参与反硝化反应，因此碳源有利于推进整个系统的反应进程。正是由于同步硝化反硝化具有上列特征，常被用于处理碳氮比较低、氨氮浓度较高的污水。

3 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化主要用于处理污泥硝化上清液、垃圾滤出液、制革废水此类具有高浓度氨氮的废水。与传统生物脱氮技术相比，厌氧氨氧化脱氮具有以下特点[23-25]：(1)工艺可以实现传统生物脱氮工艺不能处理的低碳氮比、高浓度氨氮废水的脱氮；(2)工艺属于自养缺氧型脱氮，可减少系统曝气量，工艺动力消耗低，节省反硝化碳源，且不需要调节反应系统的pH值，较大降低了相关的投资运行费用；(3)污泥产量少，有效减少二次污染；(4)ANAMMOX菌属于专性厌氧化学无机自养型细菌，具有生长缓慢、世代周期长、对外部环境非常敏感的生物特性，因此工艺启动周期相当漫长，而且往往由于其稳定性只作为一种末端的处理技术[21]。

应用到厌氧氨氧化技术的典型工艺有：SHARON-ANAMMOX工艺( Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite-Anaerobic Ammonium Oxidation，一段式短程硝化-厌氧氨氧化)、CANON工艺(Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite，基于亚硝酸盐的完全自养生物脱氮)。

3.1 SHARON-ANAMMOX工艺

两种自养型细菌(氨氧化细菌、厌氧氨氧化菌)在这项技术中发挥主要作用，故反应过程中无需外加碳源，且整个系统的耗氧量可节约50%，能源可节约90%以上,污泥产量较低，二氧化碳排放量很小，有利于环境保护。工艺运行过程中，需要严格控制反应系统的温度、碱度、水力停留时间(HRT)及污泥停留时间(SRT)等，尤其要保证ANAMMOX反应器中不可出现溶解氧[27]。该工艺可运行于城市污水二级处理系统中污泥硝化的上清液、高浓度氨氮及低C/N工业污废水的脱氮处理。目前，众多学者对SHARON-ANAMOX工艺进行了深入研究，但对其作用的具体途径和微生物的生物特性的研究还不够了解，仍然需要进一步研究。

3.2 CANON工艺

亚硝化细菌、厌氧氨氧化菌、硝化细菌在CANON工艺中起主要作用。根据相关的发现：在控制溶解氧在适宜的浓度的条件下，厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌能够形成稳定的相互作用的协同关系。CANON工艺属于全程完全自养脱氮技术，反应菌群的生物特性决定了其不需要外加碳源的特点，且能够比传统脱氮工艺节省一半以上的供氧量，污泥产量也低，因此能够有效减少能源消耗和占地面积的使用。CANON工艺脱氮流程简短，大大降低了相应的建设、运行管理费用，给污水处理厂处理高氨氮、低有机碳废水提供了一个经济高效的选择[28-29]。

4 反硝化聚磷菌强化脱氮

反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms，DNPAOs)最早于1996年由荷兰 Delft大学研究员在改良UCT(University of Cape town)工艺时在反应池的活性污泥中被发现。DNPAOs的发现为解决碳源利用与泥龄差异之间的矛盾提供了可行性研究方案，脱氮除磷可实现同步进行[31-33]。反硝化聚磷菌与聚磷菌有着相似的脱氮除磷机理，都是在厌氧条件下释放磷，缺氧条件下以亚硝酸盐氮和硝酸盐氮作为电子受体从外界吸收过量的磷同时达到脱氮除磷的效果。厌氧条件下：DNPAOs从外界吸收挥发性低分子脂肪酸(VFA)，并在细胞体内将VFA活化成乙酰辅酶A并合成聚β-羟基烷酸(PHA)储存于体内，与此同时细胞体内储存的聚磷酸盐(Poly-P)分解为磷酸根离子，发生磷的释放；缺氧条件下：DNPAOs以亚硝酸根离子或硝酸根离子为电子受体氧化分解菌体内储存的PHA，产生的能量用于糖原合成维持生命活动和吸收外界过量的无机磷酸盐合成Poly-P储存于菌体内；好氧条件下：O2作为DNPAOs的电子受体分解体内储存的 PHA，产生从外界摄取无机磷酸盐和提供微生物生长的能量，并以Poly-P的形式储存于菌体内。

反硝化聚磷菌生长代谢具有下列影响因素：(1)温度：反硝化聚磷菌属于中温生长菌，在20～30 ℃时最适宜其生长繁殖。高温(高于35 ℃)可破坏菌种酶系统导致生物体活性降低，温度低于10 ℃时，DNPAOs的生长速度放缓影响脱氮除磷效率，但序批式活性污泥法(SBR)系统中DNPAOs脱氮性能受低温条件的负面影响并不大[34]；(2)pH值：较高的pH值(pH>10)或较低的pH值(pH<6)都会降低反硝化聚磷菌酶反应活性，抑制对营养物质的吸收利用，影响菌体的新陈代谢。DNPAOs具有较宽的pH 生长范围(7～10)，且研究表明菌株在中性偏碱的件下具有最好脱氮除磷效果；(3)氮源：反硝化聚磷菌能以亚硝酸根离子或硝酸根离子作为电子受体进行反硝化脱氮除磷。氮源的种类及浓度都会影响DNPAOs的脱氮性能，其中硝酸盐最适宜DNPAOs的吸收，高浓度的硝酸盐可以促进DNPAOs的生长繁殖，以N/P比为4时最适宜DNPAOs的生长富集[35]；(4)碳源：反硝化聚磷菌能够利用的碳源只有挥发性低分子脂肪酸 (VFA)，其他种类的有机碳源只能通过水解酸化成 VFA才能被反硝化聚磷菌吸收。葡萄糖相比其他碳源最容易被DNPAOs利用，而利用乙酸作为DNPAOs碳源时可获得更好的脱氮除磷效果，DNPAOs在混合碳源下最先利用乙酸钠为其生物碳源[36]。

5 结论与展望

本论文系统介绍了污水处理中新型生物脱氮强化技术的研究进展，详细阐述了各项新型技术的脱氮机理，简单讨论了在实际污水处理中各氮素间的联系与转化。短程硝化反硝技术在污水C/N较高时，脱氮效果较为明显，并且该项技术可节约大量能源、碳源及减少底泥产量。同步硝化反硝化技术对碳源需求较高(COD/N>10)，但反应速率较低，在实际应用中需要更进一步的研究。厌氧氨氧化通常发生在污泥停留时间较长的自养体系或生物膜系统中，脱氮速率高效且无需外加碳源，在各脱氮工艺中具有较为明显的优势，但菌群富集且敏感、工艺前期启动比较困难。反硝化聚磷菌生物强化可实现同步脱氮除磷效果，N/P比为4时最适宜DNPAOs的繁殖生长，脱氮效果最为明显。

短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化及反硝化聚磷菌强化生物脱氮技术都是在传统生物脱氮技术的基础上研究并取得了一系列的突破，都可以较大程度上节省脱氮处理投资运营费用，使工艺运行更加高效、稳定。这些新型技术都还处于在发展应用的起步阶段，通过对新型强化生物脱氮技术的研究分析，强化生物脱氮技术在水处理领域的研究应用还可以从以下几个方面加强：

(1)生物脱氮强化技术通常对环境条件要求较高，导致耗费较大的代价以获得较高脱氮效率，故应加强在实际应用中温度、pH值、溶解氧浓度DO和硝酸盐等各个反应条件的关联问题，使生物脱氮系统的运行效率可得到有效的提高。

(2)生物脱氮强化技术目前大部分围绕着强化脱氮技术的传质机理与反应动力学进行研究，很少有研究将强化生物脱氮技术与分子生物学技术相结合，而且没能掌握对工艺使用菌株的收集与储存方式，从而限制了脱氮菌剂的开发，不利于强化生物脱氮技术在日常大型污水处理系统中的应用。因此可深入探索研究新型填料，加强各反应菌种的研究，研究各反应菌种的分子生物学性质并利用其生物特性加以基因重组和基因改组以构建新型的工程菌种，深究菌种的生理学特征和生物化学特征，筛选、驯化、培育良种菌株，采取这一系列措施来提高脱氮效率。

(3)大多数生物脱氮强化工艺启动周期漫长，总氮的去除负荷较低，且研究成果大多应用在规模较小试验工程中，大规模应用于实际工程的案例不多。应重点研究如何调控反应条件以保持稳定持久的亚硝酸盐积累，提高工艺的抗冲负荷，开发更多的新型脱氮工艺及工艺组合，并加快实验室小试成果向大规模工程应用的转化。