短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展

[收稿日期]2010-01-13[作者简介]冯灵芝（1981-），女，硕士，讲师，主要从事环境工程领域的科研及教学工作。短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展冯灵芝（上海农林职业技术学院，上海松江：201600）摘要：短程硝化反硝化是一种新型生物脱氮技术，具有降低能耗、节省碳源和减少污泥产量等优点。本文简要介绍了短程硝化反硝化脱氮技术的原理，对亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的研究现状进行了综述，讨论了温度、DO、pH值、泥龄等参数对实现短程硝化的影响，并提出了今后的研究方向。关键词：短程硝化反硝化；生物脱氮；亚硝酸盐生物脱氮是去除水中氨氮的一种较为经济的方法，其原理就是模拟自然生态环境中氮的循环，利用硝化菌和反硝化菌的联合作用，将水中氨氮转化为氮气以达到脱氮目的。目前应用广泛的A/O、SBR、氧化沟等脱氮工艺就是在此理论基础上开发的，但这些脱氮工艺普遍存在氨氮负荷过高而引起的出水不达标、消耗有机物，产生剩余污泥多，消耗能源多等问题。自1975年Voet[1]发现在硝化过程中HNO2积累的现象并首次提出短程硝化反硝化脱氮以来，短程硝化反硝化作为一种新型脱氮技术得到广泛的关注。1短程硝化反硝化的脱氮机理及优势生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，主要涉及亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌三类微生物。传统生物脱氮途径如图1所示。图1传统生物脱氮途径短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节。该技术具有很大的优势[2]：①节省25%氧供应量，降低能耗；②减少40%的碳源，在Ｃ／Ｎ较低的情况下实现反硝化脱氮；③缩短反应历程，节省50%的反硝化池容积；④降低污泥产量，硝化过程可少产污泥33%~35%左右，反硝化阶段少产污泥55%左右。2短程硝化反硝化技术的研究进展亚硝酸盐很不稳定，硝化菌的作用下很快氧化成硝酸盐，一般条件下实现短程硝化反硝化是比较困难的。短程硝化反硝化技术的关键是将硝化控制在亚硝化阶段，也即是对亚硝化菌和硝化菌的控制。因此，如何实现短程硝化成为国内外学者对短程硝化反硝化技术的研究重点，研究方向可概括为两方面：一方面从微生物学角度，筛选培养出高效亚硝化菌和硝化菌，研究其生化特征；另一方面从脱氮工艺的运行效果来研究运行参数对短程硝化的影响。氨（NH3、NH4+）硝酸盐（NO3—）亚硝酸盐（NO2—）氮气（N2）亚硝化硝化反硝化反硝化22.1微生物种类及特性研究进展目前的研究发现，亚硝化菌为硝化杆菌科的5个属：亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）、亚硝化叶状菌属（Nitrosolobus），总共有15个种的亚硝化细菌[3]。廖雪义等[4]从土壤中分离到一株亚硝化速率较高的菌株，鉴定为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonassp），发现该菌株能同时进行硝化和反硝化作用。硝化菌主要由硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化球菌属（Nitrococcus）、硝化螺菌属（Nitrospira）和硝化刺菌属（Nitrospina）4个属组成。近年来，通过对硝化菌16SrRNA的核酸探针测试表明：完成亚硝态氮氧化的优势菌种为硝化螺菌属而非硝化杆菌属[5]。亚硝化菌和硝化菌生化特性比较见表1。表1亚硝化菌和硝化菌主要生化特征比较亚硝化菌硝化菌自养性专性兼性需氧性严格好氧，在低氧下能生长严格好氧世代时间/h8-12（Nitrosococcus）8-24（Nitrosospira）8h-几天产率系数Y/（mg细胞/mg基质）0.04-0.130.02-0.07氧饱和常数K/（mg/L）0.2-0.41.2-1.5最适温度/℃25-30℃25-30℃最适pH值7.5-8.07.5-8.0有毒物质敏感较为敏感反硝化菌大多数为兼性异养菌，最适pH范围为6.5-7.5，适宜温度20-40℃。到目前为止，已分离出60多种反硝化菌，主要分布于3个属：假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱菌属（Alcaligenes）和芽孢杆菌（Bacillus）。有研究发现部分异养反硝化菌由于酶系统的缺乏，只能将3NON还原成2NON[6]；也有人[7]通过定向筛选法驯化得到了以亚硝酸盐为电子受体的反硝化菌。2.2短程硝化运行参数的研究进展2.2.1温度亚硝酸菌和硝酸菌对温度变化的敏感性不同，由不同温度下两种菌群的增长速率（见图2）可知，高温条件下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌，利用该动力学特征可实现短程硝化。但目前，对于影响短程硝化的具体温度说法不一致：郑平等[8]认为，温度高于20℃，亚硝化菌的最大比生长速率就会超过硝化菌，而且温度3越高，相差越大。因此，将温度控制在20℃以上，就会出现亚硝酸盐的积累。袁林江等[9]认为，12℃~14℃下活性污泥中的亚硝酸盐氧化菌活性受到严重抑制，出现HNO2的积累；15℃~30℃内，亚硝酸盐可完全被氧化为硝酸盐；温度超过30℃时又出现HNO2的积累。高大文等[10]认为，28℃是控制温度实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺的临界温度，即如果反应器温度低于此临界温度，则短程硝化会逐渐转变为全程硝化。图2不同温度下亚硝化菌和硝化菌的增长速率2.2.2pH值pH值对短程硝化的影响主要表现在两方面：一方面亚硝化菌对于pH值有一个最佳生长环境；另一方面pH值对游离氨浓度有很大影响，高pH值下，废水中游离氨所占比例增加，而分子态游离氨氮对硝化菌的抑制要强于亚硝化菌[11]。于徳爽等[12]在中温（20-30℃）条件下，通过控制进水的PH值为7.5-8.8来实现亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率达到95%以上。很多研究者发现虽然调节pH值能够一定程度上抑制硝化菌以实现短程硝化，但对于长期运行的短程硝化反应器，把pH值作为关键参数可能无法达到稳定的亚硝酸盐积累[13]。2.2.3溶解氧DOBernet[14]认为亚硝化菌和硝化菌对氧的亲和力不同，在低DO（1.0mg/L）时，亚硝化菌和硝化菌的增长速率都会由于溶解氧的下降而下降，但是硝化菌的下降要比亚硝化菌快（当DO为0.5mg/L时，亚硝化菌增值速率为正常值的60%，而硝化菌不超过正常值的30%[15]），使亚硝化菌成为主体，实现亚硝态氮的累积。为了证明DO作为短程硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反应器进行试验，结果表明，在DO0.5mg/L的条件下可以实现短程硝化，出水NO2-N累积率90%以上。低溶解氧的情况下，有利于亚硝化反应的进行，也有利于反硝化的进行。张朝升等[16]采用SBR处理模拟城市污水，在常温（20-25℃），DO=0.5-1mg/L条件下，实现了短程同步硝化反硝化，氨氮的去除率达到95%~97%，总氮的去除率达到82%~85%。4OLAND工艺就是先在限氧条件下（0.1-0.3mg/L），实现氨氮的部分亚硝化并实现亚硝酸盐氮的浓度积累，接着进行厌氧氨氧化反应，从而达到去除含氮污染物的目的。该工艺的关键是控制溶解氧浓度。低溶解氧虽能实现亚硝酸盐的积累，但易引起活性污泥易发生解体和丝状菌膨胀[17-18]，其对氨氧化细菌和亚硝化细菌活性减低的影响还需进一步研究。2.2.4泥龄控制泥龄实现短程硝化的前提是亚硝化菌的生长速率明显高于硝化菌的生长速率，亚硝化菌的最小停留时间小于硝化菌的最小停留时间。通过控制系统的泥龄处于亚硝化菌和硝化菌最小停留时间之间，使亚硝化菌具有较高的浓度而硝化菌被自然淘汰，维持稳定的亚硝酸氮的积累。荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺就是利用高温（30-35℃）高pH值下，亚硝化菌的增长速率高于硝化菌，控制短泥龄（1-1.5d）使硝化菌逐渐被“淘洗”掉，实现亚硝酸积累[19]。2.2.5有机物浓度有机物对短程硝化的影响主要表现在异养菌与硝化菌对DO的争夺。当温度和pH适合，DO和氨供给充足，有机物浓度对硝化作用不造成影响；但当DO不足，有机物浓度高时，由于异养菌对水中DO的争夺强于硝化菌，硝化菌的生长繁殖会受到抑制，硝化作用受到影响。傅金祥等[19]研究发现C/N=6.1时，可实现较高的亚硝酸盐积累。2.2.6投加抑制剂抑制剂是一种对敏感的细菌产生选择性抑制的化学物质，在短程硝化影响因素中研究较多是游离氨FA、高浓度盐、氧化剂。Anthonisen等[20]研究认为游离氨浓度在0.1~1.0mg/L时就会抑制硝化菌活性，而当浓度达到10~150mg/L时才会抑制亚硝化菌活性。于徳爽等[12]在采用SBR工艺处理城市污水中发现，增加水中盐度对硝化菌的增殖有明显的抑制而对亚硝化菌没有影响。Hynens等发现，在废水中加入5mmol/L的氯酸钠可抑制硝化菌的活性，而对亚硝化菌无影响[21]。但也有学者认为，硝化菌对抑制剂有一定的适应能力，仅依靠投加抑制剂不能实现短程硝化的持久稳定运行。3结语短程硝化-反硝化脱氮技术应用于高温高氨废水（污泥消化上清液和垃圾渗滤液等）的处理是可行的，温度、DO、pH值、泥龄是工艺运行的重要控制参数。但将短程硝化反硝化技术应用于城市污水处理，并取得较好的脱氮效果，还存在一定的局限性。在实际应用中，如何针对各种废水的水质特点，找到重要影响因子，或综合考虑水温、DO、pH值、泥龄等运行参数，使短程硝化稳定地持续，且不会对环境产生二次污染等，还有待进一步的研究和探索。5参考文献[1]VotesJP．Removalofnitrogenfromhighlynitrogenouswastewater[J]．JW-PCF,1975,47(4)，pp．394-398[2]孙锦宜．含氮废水处理技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，2004年[3]布坎南（Buchanan,R.E.）．伯杰细菌鉴定手册[M]．北京：科学出版社，1984.[4]廖雪义，蓝荣．亚硝化细菌的分离及初步鉴定[J]．生物技术，2008，18（6）：50-52[5]叶建锋．废水生物脱氮处理新技术[M]．北京：化学工业出版社，2006[6]徐亚同．废水中氮磷的处理[M]．上海：华东师范大学出版社，1996[7]张云霞，周集体，袁守志．高效亚硝酸型反硝化菌生长特性及脱氮研究[J]．大连理工大学学报，2009，49（2）：180-185[8]郑平，徐向阳，胡宝兰．新型生物脱氮理论与技术[M]．北京：科学出版社，2004[9]袁林江，彭党聪，王志盈．短程硝化-反硝化生物脱氮[J]．中国给水排水，2000，16（2）:29-31[10]高大文，彭永臻，王淑莹．短程硝化生物脱氮工艺的稳定性[J]．环境科学，2005，26（1）：63-67[11]刘秀红，王淑莹，高大文等．短程硝化的实现、维持与过程控制的研究现状[J]．环境污染治理技术与设备，2004，5（12）：7-11[12]于徳爽，彭永臻，张相忠等．中温短程硝化反硝化的影响因素研究[J]．中国给水排水，2003，19（1）：40-42[13]GRuiz，DJeison，RChamy．Nitrificationwithhighnitriteaccumulationforthetreatmentofwastewaterwithhighammoniaconcentration[J]．WaterResearch,2003,37:1371-1377[14]BERNETN,PENGDC,DELGENESJ-P,etal．Nitrificationatlowoxygenconcentrationinbiofilmreactor[J]．JEnvironEngASCE,2001,127(3):266-271[15]LAANBROEKHJ,GERARDSS．CompetitionforlimitingamountsofoxygenbetweennitrosomanasEuropeanandNitrobacteriawinogradskyigrowninmixedcontinuouscultures[J]．Archiveso