同步硝化反硝化脫氮在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用

許育新，孫 鸝 ，喻 曼 ，安貞煜，沈阿林

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江杭州 3 10021;2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙 4 10007)

水產(chǎn)品作為人類攝取蛋白質(zhì)的重要來源，目前各種水產(chǎn)品的養(yǎng)殖技術(shù)已被大力開發(fā)并廣泛應(yīng)用，全球的水產(chǎn)養(yǎng)殖在過去的50年經(jīng)歷巨大的增長，從1950年產(chǎn)量不足100萬t，到現(xiàn)在已經(jīng)超過了5 000萬t［1］。與此同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖的集約化發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境問題。水產(chǎn)養(yǎng)殖所排放的廢水中包含了高濃度的含氮化合物 (氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽)、磷和溶解性有機碳，這些物質(zhì)都會造成環(huán)境污染［2］。其中氨 (NH3)作為魚類呼吸和有機物分解的產(chǎn)物，會提高養(yǎng)殖水體中的氨含量，并主要以NH3和-N存在于水體中，會對水中的生物造成很強的毒性。由于養(yǎng)殖水體中都會有一定的溶解氧以保證魚類的正常生長繁殖，水體中的化能自養(yǎng)的細(xì)菌 (亞硝化單胞菌和硝化菌屬)便可利用水中的銨)氧化成亞硝態(tài)氮 ()和硝態(tài)氮 ()，而這些含氮化合物富集在水體中會造成水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，使得藍(lán)藻和藍(lán)綠藻過度繁殖，發(fā)生水華。導(dǎo)致大量藻類在死亡同時也會耗去水中大量的氧，引起魚類死亡，并嚴(yán)重破壞水生生態(tài)系統(tǒng)［3-4］。因此，對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水進(jìn)行脫氮處理是一個急需解決的環(huán)境問題。

1 同步硝化反硝化技術(shù)概述

傳統(tǒng)的廢水脫氮方法有很多，目前普遍被使用的物理法或化學(xué)法包括折點加氯法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、吹脫法、液膜法等，但無論采用化學(xué)還是物理方法都有其局限性和不確定性，并且容易對環(huán)境造成二次污染［5］。因此目前廢水的脫氮處理大多采用生物法，傳統(tǒng)的生物方法有藻類養(yǎng)殖、生物硝化和反硝化法等［6］。在傳統(tǒng)的生物脫氮過程中，硝化和反硝化作為2個單獨分開的過程，通常在2個不同的反應(yīng)器內(nèi)完成，但硝化和反硝化過程都出現(xiàn)亞硝酸鹽)作為反應(yīng)中間體［7］。直到Voets等［8-9］對高濃度氨氮廢水的處理過程進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在硝化過程中亞硝態(tài)氮會逐漸積累，并由此提出同步硝化反硝化反應(yīng)的理論。研究表明，硝化和反硝化作用在有氧條件下可以在一個反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行，這個過程通常被稱為同步硝化和反硝化 (SND)［7］。因此，同步硝化和反硝化(SND)是指在有氧條件下，在同一生物反應(yīng)器內(nèi)同時發(fā)生硝化和反硝化的過程［10］，直接把硝化反應(yīng)控制在亞硝酸階段，阻止亞硝酸的進(jìn)一步硝化，然后直接進(jìn)行反硝化，將水體中的含氮化合物直接以氮氧化物或氮氣的形式排出去。

2 同步硝化反硝化脫氮的優(yōu)點

這種同步硝化反硝化處理技術(shù)要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的硝化和反硝化分離過程。第一，同步硝化反硝化將原先串聯(lián)反應(yīng)的2個反應(yīng)器合并，將原本2個分開的反應(yīng)放在一個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，中間免去了污泥回流過程，有效減小了反應(yīng)器體積和占地面積，降低了工藝成本。第二，相比傳統(tǒng)處理技術(shù)，同步硝化反硝化工藝可以減少30%污泥使用量，減少了排泥消耗的成本［11］。第三，相比傳統(tǒng)的活性污泥法，可以減少約25%的溶解氧，降低反應(yīng)能耗［12-13］。第四，相對于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，短程反硝化可以節(jié)省22%～40%的碳源，在C/N比相同的情況下提高了脫氮效率［11］。第五，由于硝化反應(yīng)會產(chǎn)生一定的酸度，而反硝化過程產(chǎn)生堿度，酸堿可以部分中和，所以同步硝化反硝化反應(yīng)體系一定程度上可以自行調(diào)節(jié)pH值，減少堿的投入量，有利于將反應(yīng)系統(tǒng)中的pH值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。綜上，越來越多的研究者把目光投向了同步硝化反硝化處理技術(shù)，希望用這一技術(shù)實現(xiàn)廢水的脫氮處理。

3 同步硝化反硝化微生物的發(fā)現(xiàn)

在同步硝化反硝化工藝流程中，為保證氨態(tài)氮到亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化并使反應(yīng)終止在亞硝態(tài)氮狀態(tài)下，需要對亞硝酸鹽氧化細(xì)菌 (NOB)實現(xiàn)特定的抑制或去除，并保留氨氧化細(xì)菌 (AOB)［7］。最近，一些能夠在有氧條件下進(jìn)行反硝化的好氧反硝化細(xì)菌已經(jīng)被分離出來并作為潛在應(yīng)用的微生物，在生物脫氮系統(tǒng)中得到了深入的研究［14-16］。目前，Robertson［17］已從水中分離出了能夠進(jìn)行好氧反硝化的細(xì)菌，包括了假單胞菌的一種 (Pseudomonas spp.)、泛養(yǎng)副球菌 (Paracoccus pantotropha)和糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes faecalis)。好氧反硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)使得氨化，硝化和反硝化這些過程能夠同時在有氧條件下進(jìn)行，是同步硝化反硝化脫氮工藝的關(guān)鍵技術(shù)。

4 同步硝化反硝化的影響因素

4.1 COD/-N比的影響

在廢水脫氮過程中，有機碳源作為反硝化過程中的電子受體，是該工藝的一個重要反應(yīng)要素，同時作為細(xì)菌代謝必需的物質(zhì)和能量來源，起著重要作用。已知的研究結(jié)果顯示，反應(yīng)體系中的碳源濃度過高會使得異養(yǎng)細(xì)菌活動旺盛，硝化反應(yīng)受到抑制，而硝化反應(yīng)進(jìn)程受阻必然會影響反硝化，但若碳源缺乏，不能滿足反硝化所需，也會導(dǎo)致反硝化過程受阻［18］。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)COD/NH+4-N比例達(dá)到11∶1時，通過同步硝化反硝化反應(yīng)，所有的有機碳和NH+4-N可以被完全降解，不會有中間副產(chǎn)物如NO2-N的積累。而當(dāng)保持碳含量不變時，逐漸增加NH+4-N含量，氮素的去除效率會隨之降低［12］。因此，在一定程度上，水中碳氮比越高，出水總氮越低，其去除率也相應(yīng)越高，同步硝化反硝化現(xiàn)象也越明顯［19］。

4.2 污泥齡的影響

有研究顯示污泥齡對同步硝化反硝化脫氮有著重要的影響［20］。由于氨氮硝化速率比亞硝態(tài)氮的氧化速率快，同時亞硝酸菌的世代周期比硝酸菌短，且繁殖速率更快。因此選取合適的污泥齡，有利于獲得良好的同步硝化反硝化現(xiàn)象。實要現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累，需要讓污泥齡介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小世代之間［21］。

4.3 溫度的影響

通常硝化和反硝化反應(yīng)的適宜溫度為20～30℃，當(dāng)?shù)陀?5℃時，反應(yīng)速度下降，到5℃時反應(yīng)幾乎完全停止。研究結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在20～30℃時，水中總氮和氨氮的去除率隨溫度升高而升高，當(dāng)溫度到達(dá)30℃時，總氮和氨氮的去除率達(dá)到最高，分別為99.8%和95.7%［22-23］。這是因為當(dāng)溫度升高，細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)和酶反應(yīng)加快，因此代謝活力增強。但也有新的好氧反硝化細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)，可以在很低的溫度下 (＜10℃)依然保持較高的脫氮活性［24］，這將有利于增加該工藝的適應(yīng)性，有利于同步硝化反硝化技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

4.4 溶解氧的影響

溶解氧是同步硝化反硝化過程的關(guān)鍵因素。若溶解氧濃度過高，會導(dǎo)致氧的穿透能力變強，使得污泥絮體內(nèi)難以形成缺氧區(qū)，同時，溶解氧濃度的升高容易造成異養(yǎng)好氧型細(xì)菌活性增強，加快有機物的氧化，使反硝化菌因無碳源或碳源不足而活力減弱［25］。根據(jù)目前對已知的好氧反硝化菌株的研究，當(dāng)溶解氧濃度低于3 mg·L-1，好氧反硝化細(xì)菌具有反硝化活性，但也有個別菌種的溶解氧耐受性較強，Pseudomonas sp.在溶解氧濃度為4 mg·L-1時仍具有活性，當(dāng)溶解氧低于2 mg·L-1時，其反硝化活性反而減弱［26］，甚至在一個較低的溶解氧濃度范圍時 (＜0.5 mg·L-1)，硝化速率仍然能約等于反硝化速率，使得同步硝化反硝化反應(yīng)完全，保證了較高的脫氮效率［20］。

5 小結(jié)

隨著環(huán)境污染和水資源短缺的問題日益嚴(yán)峻，水產(chǎn)養(yǎng)殖采用封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖模式勢在必行。因此水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的綜合利用和無害化排放有著極大的開發(fā)價值和廣泛的應(yīng)用前景。而同步硝化反硝化脫氮技術(shù)實現(xiàn)了在同一空間內(nèi)同時除碳、硝化和反硝化，其脫氮歷程節(jié)約了碳源，降低了動能消耗和處理費用，這必將成為未來生物脫氮的重要途徑之一。但由于目前同步硝化反硝化的具體作用機理和控制參數(shù)尚存疑問，因而還需要在以下諸多方面對同步硝化反硝化進(jìn)行深入的研究:首先，需要通過對同步硝化反硝化機理的深入研究，特別需要展開對于好氧反硝化菌的各種生長特性和脫氮生物學(xué)機理的探索，建立同步硝化和反硝化的動力學(xué)模型。其次，由于同步硝化反硝化是一個復(fù)雜的過程，受到很多因素的影響，因此如何根據(jù)脫氮處理的主要控制因素，并結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的特點，確立能夠在各個養(yǎng)殖條件下普遍適用的穩(wěn)定高效的方法，還需要進(jìn)一步的研究和探索。最后，由于污泥絮凝體缺氧區(qū)往往不夠穩(wěn)定，會導(dǎo)致脫氮效果出現(xiàn)波動，因而需要進(jìn)一步研究活性污泥的培養(yǎng)方法，穩(wěn)定污泥控制手段，為同步硝化反硝化脫氮技術(shù)的推廣提供完善合理的技術(shù)。

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