淺談污水中脫氮的途徑

張新洋 楊忠濱 陳祥東

摘 要：介紹了亞硝酸鹽硝化/反硝化、同時硝化/反硝化、好氧反硝化等提高生物脫氮效率的可能途徑。

關鍵詞：生物脫氮； 好氧反硝化

1、脫氮途徑

1.1傳統生物脫氮原理

硝化反應是由一類自養好氧微生物完成的，它包括兩個步驟：第一步稱為亞硝化過程，是由亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽，亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和硝化球菌屬；第二步稱為硝化過程，由硝酸菌（包括硝酸桿菌屬、螺菌屬和球菌屬）將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽。

反硝化反應是由一群異養型微生物完成的，它的主要作用是將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態氮或N2O，反應在無分子態氧的條件下進行。反硝化反應一般以有機物為碳源和電子供體。當環境中缺乏有機物時，無機物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應的電子供體，微生物還可以消耗自身的原生質進行所謂的內源反硝化。

C5H7O2N+4NO3-→5CO2+NH3+2N2↑+ 4OH-ˉ （1）

可見內源反硝化的結果是細胞物質的減少，并會有NH3的生成，因此廢水處理中均不希望此種反應占主導地位，而應提供必要的碳源。

硝化和反硝化反應的進行是受到一定制約的，一方面，自養硝化菌在大量有機物存在的條件下，對氧氣和營養物的競爭不如好氧異養菌，從而導致異養菌占優勢；另一方面，反硝化需要提供適當的電子供體，通常為有機物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求導致了生物脫氮反應器的不同組合，如硝化與反硝化由同一污泥完成的單一污泥工藝和由不同污泥完成的雙污泥工藝。前者通過交替的好氧區與厭氧區來實現，后者則通過使用分離的硝化和反硝化反應器來完成。如果硝化在后，需要將硝化廢水進行回流；如果硝化在前，需要外加電子供體，這就是傳統脫氮工藝存在的問題和困難所在。

1.2亞硝酸硝化/反硝化工藝

在硝化反應中，一般認為硝酸鹽是反應的主產物，而從氨向亞硝酸鹽的轉化一般認為是硝化過程的速度控制步驟，但是出現亞硝酸鹽積累也是很多的。

人們認為，出現亞硝酸積累是有害的。為了減少亞硝酸的積累，許多研究人員進行了控制其積累的工藝條件的研究工作，并得到了有關自由氨可抑制亞硝酸積累的結論，其結果也得到了證實并被廣泛接受。隨后，開始把注意力放在通過亞硝酸硝化—反硝化縮短脫氮過程上，這種工藝的潛在優勢在于：①節省硝化曝氣量。②節省一定量的反硝化碳源。③節省反硝化反應器容積。

在硝化系統中，與亞硝酸積累有關的因素包括：①自由氨的存在，②較高的pH值，③溶解氧濃度低，④溫度的變化，⑤氨氮負荷高，⑥污泥齡長，⑦硝酸鹽的還原。大多數研究人員認為自由氨濃度高（高pH值條件下）和溶解氧濃度低是亞硝酸鹽積累的主要原因，指出亞硝酸積累的內在原因在于自由羥氨（NH2OH）的積累。根據對前人試驗結果的分析，表明自由羥氨不應是亞硝酸積累的最終原因，自由羥氨積累主要受溶解氧、pH的控制。

然而，實現亞硝酸反硝化的成功報道并不多見。該工藝須在30～40 ℃的溫度下進行，只對溫度較高的污水如厭氧消化排水的脫氮處理有實際意義。

1.3同時硝化/反硝化（SND）

當好氧環境與缺氧環境在一個反應器中同時存在，硝化和反硝化在同一反應器中同時進行時則稱為同時硝化/反硝化。同時硝化/反硝化不僅可以發生在生物膜反應器中，如流化床、曝氣生物濾池、生物轉盤；也可以發生在活性污泥系統中，如曝氣池、氧化溝。

同時硝化/反硝化的活性污泥系統為今后簡化生物脫氮技術并降低投資提供了可能性。但目前對反消化現象的機理還沒有一致的解釋，一般認為三個主要機理是：①混合形態。②菌膠團或生物膜。③生物化學作用。

在生產規模的生物反應器中，完全均勻的混合狀態并不存在。菌膠團內部的溶解氧梯度目前也已被廣泛認同，使實現SND的缺氧/厭氧環境可在菌膠團內部形成。由于生物化學作用而產生的SND更具實質意義，它能使異養硝化和好氧反硝化同時進行，從而實現低碳源條件下的高效脫氮。

1.4好氧反硝化

最初，反硝化被認為是一個嚴格的厭氧過程，因為反硝化菌作為兼性菌優先使用溶解氧呼吸，甚至在濃度低達0.1 mg/L時也是如此，這樣就阻止了使用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為最終電子受體，不過這種限制只是對專性厭氧反硝化菌起作用。20世紀80年代后期以來，在生物脫氮生物學方面有了很大進展。人們曾多次觀察到在沒有明顯缺氧段的活性污泥法中存在脫氮現象，發現了好氧反硝化菌：Pseudomonas spp，Alcaligenes faecalis，Thiosphaera Pantotropha，這些好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌，而傳統上的硝化菌是化學自養型的。這樣，這類細菌就可將氨在好氧條件下直接轉化成氣態產物。

生物學研究表明，在好氧和缺氧條件下Nitrosmonas spp能夠通過硝酸鹽的生物還原形成氧化氮和氧化亞氮。有人認為，在好氧條件下氧化氮和氧化亞氮產生速率依賴于亞硝酸鹽濃度，而大多數人則認為這一速率與溶解氧濃度成反比[8]。眾多研究表明，Nitrosmonas spp的反硝化活動在低溶解氧條件下是明顯的，但對Nitrobacter spp的反硝化能力研究得比較少。有人認為在好氧條件下，Nitrobacter菌株不能進行反硝化，某些菌株可以在無氧的丙酮酸、氨和硝酸鹽的培養物中生長，丙酮酸和硝酸鹽被消耗，在低溶解氧條件下生產的氧化氮可能參與到NADH的形成。

Muller等證明了好氧反硝化是與硝化相伴發生的。他們得到的在不同溶解氧壓力下好氧反硝化特征參數如表1所示。