低C/N比条件下生物脱氮工艺研究进展

蒙小俊，郭楠楠

（1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.安康学院 数学与统计学院，陕西 安康 725000）

随着工农业发展，大量氮素排入水体，对水生态环境构成了严重威胁。氮素污染源中的主要污染物是NH3-N，加强NH3-N废水处理对防治水体富营养化至关重要，随着水体氮素污染问题的日趋严重，生物脱氮工艺成为了废水处理研究领域的热点[1-2]。传统生物脱氮工艺主要有A2/O、各种氧化沟以及SBR各种变形工艺等，而废水低C/N比制约着传统工艺脱氮效率。在生物脱氮系统中，39%的有机物被氧化消耗，脱氮所需m(COD)/m(N)至少为7.1，进水C/N比低于7时属于低碳氮比废水[3-4]。50%的污水处理厂生物脱氮工艺反硝化碳源不足，焦化废水、味精废水、养殖废水以及垃圾渗滤液C/N比等均无法满足脱氮要求[5-6]。为实现低C/N比废水达标排放，需投加外碳源，其在一定程度上增加了运行成本[7]。已有研究对传统脱氮工艺进行了改进或复合，可对低C/N比废水进行有效处理[8-10]。随着脱氮理论认识的不断提高，陆续出现了异养硝化-好氧反硝化、同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND）、短程硝化反硝化（Short-cut Nitrification and Denitrification）、自养反硝化、铁型反硝化、聚磷菌反硝化和厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX）等新型生物脱氮技术。有研究表明，SND、短程硝化反硝化和ANAMMOX脱氮技术可运用于处理低C/N 比废水[11-12]。

本文对生物脱氮机理进行分析，对低C/N比条件下生物脱氮工艺进行解析并做比较，旨在为更有效地处理低C/N比废水提供指导。

1 生物脱氮机理分析

地球上有106～108种微生物，之间存在着有利关系（互生和共生）、不利关系（拮抗、竞争、寄生、捕食等）和中性关系（如种间共处）[13-14]，以细菌为主的微生物群落结构在废水处理过程中起至关重要的作用，生物群落决定废水的处理效率，废水处理系统功能的稳定性主要依靠优势微生物的活性和多样化的群落结构间的相互关系[15-17]。脱氮就是在适宜的环境、水质和工艺条件下依靠多样化的微生物间的相互关系通过新陈代谢作用完成，过程需要多种酶系参与，编码这些酶的基因可作为相应的功能基因，生物脱氮过程及功能基因如图1所示[18]。

图1 生物脱氮过程及功能基因

表1 AOB和NOB的特性差异

SND生物脱氮机理解释主要包括3个方面，即反应器DO分布不均匀理论、缺氧微环境理论和微生物学解释[24]。反应器DO分布不均匀理论和缺氧微环境理论与传统的生物脱氮机理相同，在同一反应器内同时产生硝化、反硝化和除碳反应，它突破了传统观点认为的硝化和反硝化不能同时发生的认识；好氧反硝化菌和异养硝化菌的存在构成了SND生物脱氮的微生物学解释，这不同于传统的硝化反应只能由自养菌完成，反硝化只能在缺氧条件下发生。常见的异养硝化-好氧反硝化菌有副球菌属（Paracoccus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属 （Pseudomonas）、产碱杆菌属 （Alcaligenes）、不动杆菌属（Acinetobacter）以及红球菌属 （Rhodococcus）等[25-26]。

ANAMMOX则为厌氧条件下厌氧氨氧化菌（Anaerobic ammonium oxidizing bacteria，AAOB）以为电子受体，以为电子供体在AAOB细胞内反应生成N2。已发现的AAOB有6属27种，分属于浮霉菌门中的Brocadia、Kuenenia、Jettenia、Anammoxoglobus、Scalindua 与 Anammoximicrobium属，不同属间存在巨大差异，但新陈代谢和细胞结构相似，细胞内含有一种密集的透过性低的有膜细胞器厌氧氨氧化体[27-28]。通过同位素标记示踪实验得出ANAMMOX可能的代谢途径如图2所示[29]，而新的理论认为的代谢中间产物为NO和N2H4，由N2H4在联氨氧化还原酶作用下转化为N2。

2 生物脱氮工艺

图2 ANAMMOX可能代谢途径

基于生物脱氮机理开发出的不同脱氮工艺对保护生态环境质量、维持生态氮素平衡发挥了关键作用。传统脱氮工艺对低C/N比废水处理效果有限，碳源缺乏成为氮素去除的限制因素。为提高脱氮效率，在充分利用废水碳源的条件下可对传统工艺进行改进或复合。新型生物脱氮工艺因节省碳源和能耗而成为处理低C/N比废水研究的热点。

2.1 改进型传统脱氮工艺

根据传统生物脱氮理论发展起来的生物脱氮通常是将硝化反应和反硝化反应作为两个独立的阶段分别在不同反应器中或在时空上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行[30]，进水高C/N比（C/N比＞8）适合传统硝化反硝化。传统脱氮工艺应用于处理低C/N比废水，TN满足不了排放要求，大多情况下需添加甲醇、葡萄糖、乙酸和乙酸钠等以弥补反硝化的碳源不足[31]。对此问题，可通过改变传统工艺流程（分段进水）和改变工艺结构（如UCT工艺、MSBR工艺和SBBR工艺等）进行碳源优化分配对低C/N比废水进行有效处理。好氧-缺氧分段进水工艺的原污水分批进入各段缺氧区，系统中每一段好氧区产生的硝化液直接进入下一段缺氧区，利用原污水中的碳源进行反硝化；而脉冲式SBR法通过时间上的分段进水运行方式，使得每段进水中的可生物降解COD被前次进水产生的硝酸盐的反硝化作用充分利用，达到高效脱氮目的[32]。研究表明，SBR反应器中分段进水处理白酒废水使和COD均显著降低，其平均去除率分别提高16.9%、43.2%、49.7%和8%[33]；MSBR工艺通过设置污泥浓缩区，增加缺氧与好氧工况次数和回流系统的个数，强化氮磷去除效果[34]；A2/O分段进水工艺可强化系统对原水中碳源的利用，去除率分别能稳定维持在86.25%、95%和66%以上，出水满足一级A排放标准（GB18918—2002）[35]；UCT分段进水工艺结合了UCT与A/O分段进水两种工艺，具有反硝化除磷的功能和高效利用城市污水中有机碳源脱氮的优势[36]。增大连续流分段进水生物脱氮工艺的分段数量、污泥回流比和容积比可提高脱氮效率，适宜的分段数、容积比和污泥回流比分别是2～4、1∶4～1∶1和75%～100%，优化后处理C/N低至5的污水可达到一级A排放标准[37]；其他影响因素包括流量分配比、溶解氧、温度、水力停留时间、搅拌和内回流比等[38]。

2.2 复合型传统脱氮工艺

有研究表明，复合型传统脱氮工艺A2/O-BAF（anaerobic anoxic oxic-biological aerated filter）、A2/O-BCO（anaerobic anoxic oxic-biological contact oxidation）、ABR-BCO（anaerolic baffled reactor-biological contact oxidation）、 A/O-HD（anoxic oxic-hydrolytic denitrification）和 A/O-MBR（anoxic oxic-membrane biological reactor）等均能用于处理低C/N比废水[39-42]，目前的研究重点是以A2/O-BAF和A/O-MBR及其变形工艺为主。A2/O-BAF的主要影响因素有硝化液回流体积比、好氧区泥龄等。研究表明，A2/O-BAF处理低C/N废水，回流体积比为250%，A2/O段泥龄为10d，COD、TN、TP的去除率分别为85.8%、76.9%、98.3%，DPAOs占PAOs的比例达到40.5%[43]。A2/O-BAF处理低C/N比生活污水时存在反硝化除磷现象，脱氮效率高，可节省50%的碳源和30%的曝气量，但易堵塞、运行周期短、需定期反冲洗、对风压要求高、运行管理复杂等问题限制了其进一步推广应用[9,40]。A/O-MBR可富集硝化菌，在低C/N比污水处理中具有应用前景，推广其应用必须解决好膜组件价格昂贵和膜污染难控制两大难题。

2.3 新型生物脱氮工艺

改进型和复合型传统生物脱氮工艺在处理低C/N比废水过程中发挥了重要作用，但传统脱氮方式仍存在耗能、耗碱和产生温室气体CH4和N2O等问题，而新型生物脱氮工艺可节省曝气量，节省运行费用，脱氮效率高、能耗低且低污染，在处理低C/N比废水中越来越受到青睐。

2.3.1 SND

SND存在于SBR、A/O和好氧颗粒污泥等各种生物脱氮工艺中[44-46]，被认为是废水脱氮中具有推广潜力的技术[47]。影响SND的因素主要包括DO、碳源、污泥浓度、pH、温度等，生物膜内部发生SND的效果与多种因素有关，非生物方面因素主要包括温度、DO、pH和C/N比等，生物方面因素则主要是生物膜中脱氮功能菌群的分布，这些因素有的从宏观或微观上单独影响整个过程，有的是几个因子相互耦合影响整个过程[48-49]。研究表明，低DO含量连续曝气的SBR内TN去除率低的原因是反硝化反应受到了C/N的影响，尤其是较低的C/N，不平衡的硝化和反硝化反应导致了低的同步硝化反硝化效率[50]。SND用于低C/N比废水处理除受环境条件影响外，还需要控制硝化与反硝化的反应动力学平衡，刻意追求SND效果、推广其应用还需进一步研究与开发。

2.3.2 短程硝化反硝化

2.3.3 ANAMMOX

ANAMMOX作为一种污水处理领域新兴起的脱氮工艺，其运行费用比传统脱氮工艺节省近40%，无需外加有机碳源，曝气充氧量低，低耗高效的脱氮方式成为人们研究的焦点[57-58]。ANAMMOX反应易受温度、pH、基质浓度、反应器类型、DO、HRT、SRT、污泥种类、盐度、磷酸盐、醇酸和金属离子等的影响[59-60]，如何实现ANAMMOX工艺的快速启动和稳定运行成为该工艺工业化广泛应用需要克服的重要难题。ANAMMOX因亚硝态氮不稳定，废水处理中常将ANAMMOX与其他工艺耦合，如全程自养脱氮（CANON）[61]、短程硝化-ANAMMOX[62]和部分亚硝化-ANAMMOX（CPNA）[63]等。而实际工程应用中有80%以上的工艺采用了CPNA工艺[64]，CPNA生物脱氮首先在反应器中富集AOB，筛除NOB，将硝化过程控制在亚硝化阶段，其次，在AAOB的作用下发生ANAMMOX反应。ANAMMOX已在市政污泥液、半导体生产废水、制革生产废水、污泥消化液和垃圾渗滤液等方面得到工程应用。Miao等[65]利用CPNA串联SBR反应器处理垃圾渗滤液，总氮可以稳定在90%左右，ANAMMOX区的总氮去除速率达1.1kg/m3·d。ANAMMOX工艺的关键是获得足够量的AAOB，将其有效地持留在反应器内，以发挥其ANAMMOX效能，但AAOB倍增时间长，生长缓慢，细胞产率低，易受环境条件影响和总氮难以达标等缺点阻碍了其工业化应用。

3 生物脱氮工艺比较

低C/N比生物脱氮工艺比较见详表2。表2显示，传统/改进型生物脱氮工艺设计成熟、工程设计经验丰富，在污水处理过程中被广泛应用，但过程耗氧量高，需投加碱，需污泥和硝化液回流；SND反应器体积小，设计和操作简化，缩短反应时间，无需加碱，曝气量低，降低处理成本；短程硝化反硝化脱氮效率高，节省碳源40%，污泥产生量少，投加碱量减少，节省成本；相比传统工艺，ANAMMOX节省碳源100%，脱氮过程在厌氧条件下发生，能耗节省62.5%。脱氮过程中，传统工艺和SND涉及的主要菌种为硝化菌和异养菌，而短程硝化反硝化为氨氧化菌和异养菌，ANAMMOX则为厌氧氨氧化菌，4种脱氮技术都涉及NO2--N参与。而如何利用工程手段调控群落结构和NO2--N浓度、构建优化控制的高效脱氮工艺尚值得继续深入研究。

表2 生物脱氮工艺比较

4 结论与展望

生物脱氮是氮素酶促的过程，在多种酶系的参与下通过微生物的新陈代谢作用完成，微生物组成和多样性决定了脱氮的过程和效率，正是多样化的脱氮微生物才出现了多样化的脱氮理论，而基于脱氮理论已开发出了不同的脱氮工艺。传统脱氮工艺在处理高C/N比污水方面发挥了重要作用，但处理低C/N比污水往往需要添加碳源促进反硝化以提高总氮去除效率，这样会加重企业处理成本，有时还会加重水体污染。低C/N比条件下可通过改进/复合型传统生物脱氮工艺和新型生物脱氮工艺3条途径提高脱氮效率。改进型传统生物脱氮工艺技术成熟、但需降耗，复合型传统生物脱氮工艺需解决技术和经济上的某些难题，如MBR膜污染；新型生物脱氮工艺需突破技术瓶颈加快工业化应用，如优化短程硝化反硝化反应条件，快速启动ANAMMOX反应器并提高AAOB活性等。实际应用中应针对所处理的不同低C/N比的水质特征和现有处理设施，结合主要影响因素，选择和确定适宜的脱氮技术，优化工艺组合实现优势互补。未来可进一步开展以下几个方面研究：一是新型生物脱氮效率与影响因素间的相互作用机制研究；二是新型生物脱氮工艺工程应用研究；三是开发低C/N比废水处理的简洁、高效、经济的复合新工艺。