浅谈污水中脱氮的途径

张新洋 杨忠滨 陈祥东

摘 要：介绍了亚硝酸盐硝化/反硝化、同时硝化/反硝化、好氧反硝化等提高生物脱氮效率的可能途径。

关键词：生物脱氮； 好氧反硝化

1、脱氮途径

1.1传统生物脱氮原理

硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步称为亚硝化过程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属；第二步称为硝化过程，由硝酸菌（包括硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。

反硝化反应是由一群异养型微生物完成的，它的主要作用是将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮或N2O，反应在无分子态氧的条件下进行。反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体。当环境中缺乏有机物时，无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化。

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

可见内源反硝化的结果是细胞物质的减少，并会有NH3的生成，因此废水处理中均不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。

硝化和反硝化反应的进行是受到一定制约的，一方面，自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；另一方面，反硝化需要提供适当的电子供体，通常为有机物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求导致了生物脱氮反应器的不同组合，如硝化与反硝化由同一污泥完成的单一污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前者通过交替的好氧区与厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。如果硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前，需要外加电子供体，这就是传统脱氮工艺存在的问题和困难所在。

1.2亚硝酸硝化/反硝化工艺

在硝化反应中，一般认为硝酸盐是反应的主产物，而从氨向亚硝酸盐的转化一般认为是硝化过程的速度控制步骤，但是出现亚硝酸盐积累也是很多的。

人们认为，出现亚硝酸积累是有害的。为了减少亚硝酸的积累，许多研究人员进行了控制其积累的工艺条件的研究工作，并得到了有关自由氨可抑制亚硝酸积累的结论，其结果也得到了证实并被广泛接受。随后，开始把注意力放在通过亚硝酸硝化—反硝化缩短脱氮过程上，这种工艺的潜在优势在于：①节省硝化曝气量。②节省一定量的反硝化碳源。③节省反硝化反应器容积。

在硝化系统中，与亚硝酸积累有关的因素包括：①自由氨的存在，②较高的pH值，③溶解氧浓度低，④温度的变化，⑤氨氮负荷高，⑥污泥龄长，⑦硝酸盐的还原。大多数研究人员认为自由氨浓度高（高pH值条件下）和溶解氧浓度低是亚硝酸盐积累的主要原因，指出亚硝酸积累的内在原因在于自由羟氨（NH2OH）的积累。根据对前人试验结果的分析，表明自由羟氨不应是亚硝酸积累的最终原因，自由羟氨积累主要受溶解氧、pH的控制。

然而，实现亚硝酸反硝化的成功报道并不多见。该工艺须在30～40 ℃的温度下进行，只对温度较高的污水如厌氧消化排水的脱氮处理有实际意义。

1.3同时硝化/反硝化（SND）

当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化/反硝化。同时硝化/反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生物滤池、生物转盘；也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化沟。

同时硝化/反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。但目前对反消化现象的机理还没有一致的解释，一般认为三个主要机理是：①混合形态。②菌胶团或生物膜。③生物化学作用。

在生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前也已被广泛认同，使实现SND的缺氧/厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而产生的SND更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件下的高效脱氮。

1.4好氧反硝化

最初，反硝化被认为是一个严格的厌氧过程，因为反硝化菌作为兼性菌优先使用溶解氧呼吸，甚至在浓度低达0.1 mg/L时也是如此，这样就阻止了使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。20世纪80年代后期以来，在生物脱氮生物学方面有了很大进展。人们曾多次观察到在没有明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氮现象，发现了好氧反硝化菌：Pseudomonas spp，Alcaligenes faecalis，Thiosphaera Pantotropha，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，而传统上的硝化菌是化学自养型的。这样，这类细菌就可将氨在好氧条件下直接转化成气态产物。

生物学研究表明，在好氧和缺氧条件下Nitrosmonas spp能够通过硝酸盐的生物还原形成氧化氮和氧化亚氮。有人认为，在好氧条件下氧化氮和氧化亚氮产生速率依赖于亚硝酸盐浓度，而大多数人则认为这一速率与溶解氧浓度成反比[8]。众多研究表明，Nitrosmonas spp的反硝化活动在低溶解氧条件下是明显的，但对Nitrobacter spp的反硝化能力研究得比较少。有人认为在好氧条件下，Nitrobacter菌株不能进行反硝化，某些菌株可以在无氧的丙酮酸、氨和硝酸盐的培养物中生长，丙酮酸和硝酸盐被消耗，在低溶解氧條件下生产的氧化氮可能参与到NADH的形成。

Muller等证明了好氧反硝化是与硝化相伴发生的。他们得到的在不同溶解氧压力下好氧反硝化特征参数如表1所示。