城市垃圾填埋场渗滤液生物脱氮新技术研究进展
现行的城市垃圾处理方式主要有三种：卫生填埋、焚烧和堆肥。卫生填埋是目前国内外普遍应用的主要垃圾处理方法，如美国的垃圾填埋率为75%，英国为88%[1-2]，我国城市垃圾填埋处理量约占全部处理量的70%以上。
渗滤液是垃圾填埋场微生态系统的主要输出，它是一种高浓度污水，有机污染物和无机污染污的含量均很高[3]，而且随着石化、食品和制药等工业的发展，以及人民生活水平的不断提高，城市污水和垃圾渗滤液中氨氮化合物的含量急剧上升，因此，如何去除废水中的氨氮已成为环境工作者研究的热点之一。废水中氨氮的去除方法有物理法、化学法和生物法三种，其中生物法脱氮又被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法之一。废水生物脱氮技术经过几十年的发展无论是在理论认识上还是在工程实践方面，都取得了很大进步，并且走向成熟，但在实践中仍表现出许多不足，人们仍在不断致力于更加高效、低耗的新生物脱氮技术的开发和研究，关于这方面的技术研究不断有新的成果报道[4-10]。
一、传统的生物脱氮工艺
传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成，由于两菌对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应在好氧条件下，反硝化反应在缺氧或厌氧条件下[11]。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区和好氧区分开，形成分级硝化和反硝化工艺，或在两个分离的反应器中进行，或在时间上成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，以便硝化和反硝化能够独立进行。典型的分容器分级硝化反硝化工艺[12]充分发挥了各自的优势，在废水脱氮方面起了相当重要的作用。
二、生物脱氮技术的新进展
一些现象的发现突破了传统理论的认识，为水处理工作者研究新技术提供了新的理论和思路。近年来的许多研究表明[13-23]：硝化反应不仅由自氧菌完成，某些异氧菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌(如Thiosphaera pantot ropha 菌)，并能把NH4+ 氧化成NO2- 后直接进行反硝化反应。目前研究较热的生物脱氮技术主要有:短程硝化反硝化(shortcut nitrification-denitrification)、同时硝化反硝化(simultaneous nitrification-denitrification-SND) 和厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation-ANAMMOX)。
1.短程硝化反硝化
生物脱氨氮需经过硝化和反硝化两个过程。当反硝化反应以NO3-为电子受体时，生物脱氮过程经过NO3-途径；当反硝化反应以NO2-为电子受体时，生物脱氮过程则经过NO2-途径[24-25]。前者可称为全程硝化反硝化，后者可称为短程硝化反硝化。过去人们一直认为HNO2具有一定耗氧性及毒性，影响受纳水体的溶解氧且对受纳水体和人是不安全的，所以应尽量避免HNO2的出现，这样要实现污水生物脱氮就必须使氨氯经历典型的硝化和反硝化过程。
早在1975年，Voets等[26] 就进行了经NO2-途径处理高浓度氨氮废水的研究，发现了硝化过程中NO2-积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。实现短程硝化反硝化的关键在于将NH4+氧化控制在NO2-阶段，阻止NO2-的进一步氧化，然后直接进行反硝化。因此，如何持久稳定地维持较高浓度NO2-的积累及影响 NO2-积累的因素便成为研究的重点和热点所在。影响NO2-积累的主要因素有温度、pH、游离氨(FA)、溶解氧(DO)、游离羟胺(FH)以及水力负荷、有害物质和污泥泥龄等，国内外一些学者在这些方面做过很好的研究[27～33]。很显然，与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的优点 [34.28，31] 。①硝化阶段可减少25 %左右的需氧量，降低了能耗。 ②反硝化阶段可减少40%左右的有机碳源，降低了运行费用。③反应时间缩短，反应器容积可减小30%～40%左右。④具有较高的反硝化速率(NO2-的反硝化速率通常比NO3-的高63%左右)。⑤污泥产量降低(硝化过程可少产污泥33%～35%左右，反硝化过程中可少产污泥55 %左右)。⑥减少了投碱量等。因此，对许多低COD/ NH4+比废水(如焦化和石化废水及垃圾填埋渗滤水等) 的生物脱氮处理，短程硝化反硝化显然具有重要的现实意义。老龄垃圾填埋场垃圾渗滤液成分极其复杂，氨氮浓度高达几千，但是可被反硝化细菌利用的碳源却很少。所以这么高的氨氮浓度如果要用传统的硝化反硝化工艺，就要加大量的碳源,这在经济上是不合算的，短程硝化—反硝化则解决了这个难题。
2.同时硝化反硝化
近几十年来，尽管生物脱氮技术有了很大的发展，但是硝化和反硝化两个过程仍然需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行。传统的生物脱氮工艺，主要有前置反硝化和后置反硝化两种。前置反硝化能够利用废水中部分快速易降解有机物作碳源，虽然可节约反硝化阶段外加碳源的费用，但是，前置反硝化工艺对氮的去除不完全，废水和污泥循环比也较高，若想获得较高的氮去除率，则必须加大循环比，能耗相应也增加。而后置反硝化则有赖于外加快速易降解有机碳源的投加，同时还会产生大量污泥，并且出水中的COD 和低水平的DO 也影响出水水质[13 ] 。
有此可见，传统生物脱氮工艺存在不少问题[35] 。①工艺流程较长，占地面积大，基建投资高。②由于硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季，造成系统的HRT较长，需要较大的曝气池，增加了投资和运行费用。③系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用。④系统抗冲击能力较弱，高浓度NH3—N和NO2-废水会抑制硝化菌生长。⑤硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，不仅增加了处理费用，而且还有可能造成二次污染等等。然而，近年来发展的同时硝化反硝化(SND)工艺就有可能克服上述一些缺点，是一种新型的生物脱氮工艺。
传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发生，而近年来的新发现[13-23]却突破了这一认识，使得同时硝化反硝化成为可能。近年来好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了SND生物脱氮的理论基础。在SND工艺中，硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成，所以，与传统生物脱氮工艺相比，SND 工艺具有明显的优越性，主要表现在: ①节省反应器体积。②缩短反应时间。③无需酸碱中和(微生物硝化过程中好氧、耗碱度、无需COD，而反硝化过程这则与之相反并互补：厌氧、产生碱度、需消耗大量的COD)。其技术的关键就是硝化与反硝化的反应动力学平衡控制。
目前，对同时硝化反硝化生物脱氮的机理虽然还需有待进一步的了解与认识，但纵观如今的各大观点，可以从物理学(微环境理论)、微生物学(异养硝化和好氧反硝化菌种理论)两方面予以阐述和解释。
微环境理论主要考虑了活性污泥和生物膜微环境中各种物质(如溶解氧、有机物等)的传递与变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用，以及微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变等，该理论认[36.23，33]：微生物个体形态非常微小(一般属μm级)，因此影响其生存的环境也很微小，由于外部氧的大量消耗及氧扩散的限制，在微生物絮体及生物膜内产生溶解氧梯度，絮体或膜的外表面溶解氧较高，以好氧硝化菌为主，深入絮体或膜的内部，氧传递受阻产生缺氧区，反硝化菌占优势，从而导致微环境的SND。
异养硝化和好氧反硝化菌种的发现，打破了认为硝化反应只能由自养菌完成、反硝化只能在厌氧条件下进行的传统观点，为同时硝化反硝化提供了微生物的理论依据。因许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能直接把NH4+转化为最终气态产物而逸出，使同时硝化反硝化生物脱氮技术成为可能。
3.厌氧氨氧化
厌氧氨氧化(ANMMOX)是指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程[21,37,38 ] 。
早在1977年，Broda[39 ]就作出了自然界应该存在反硝化氨氧化
(denitrifying ammonia oxidizers)的预言。1994年，Kuenen等[13 ]发现某些细菌在硝化反硝化反应中能用NO2-或NO3-作电子受体将NH4+氧化成N2和气态氮化物。1995年，Mulder和Vandegraaf 等[21]用流化床反应器研究生物反硝化时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了Broda的预言。我国学者郑平等[40-42] 对厌氧氨氧化菌的基质特性、厌氧氨氧化的电子受体及流化床反应器的性能等进行深入的研究。王建龙[35，38]对厌氧氨氧化反应及工艺也给予了较多的关注和探讨。周少奇等[43]从生化反应电子流守衡原理出发，推导了厌氧氨氧化反应的生化反应计量程式，从理论上证明并指出: ①厌氧氨氧化需一定量的CO2作碳源，这说明ANAMMOX过程是在自养微生物作用下完成的。②ANAMMOX反应以NH4+作为细胞合成的氮源时，需要消耗一定量的碱度。 ③所有ANAMMOX反应都有H+产生，所以，反应过程会出现pH降低的现象。④微生物可以氨氮或硝态氮作为细胞合成的氮源两种可能。
在厌氧氨氧化反应的基础上，正在开发的有关脱氮工艺有ANAMMOX 工艺和OLAND 工艺两种。与传统的硝化反硝化工艺或同时硝化反硝化工艺相比，氨的厌氧氧化具有不少突出的优点。主要表现在: ①无需外加有机物作电子供体，既可节省费用，又可防止二次污染。②硝化反应每氧化1molNH4+耗氧2mol，而在厌氧氨氧化反应中， 每氧化1molNH4+只需要0.75mol氧，耗氧下降62.5 %(不考虑细胞合成时)，所以，可使耗氧能耗大为降低。③传统的硝化反应氧化1molNH4+可产生2molH+，反硝化还原1molNO3-将产生 1molOH-，而氨厌氧氧化的生物产酸量大为下降，产碱量降至为零，可以节省可观的中和试剂。故厌氧氨氧化及其工艺技术很有研究价值和开发前景。但因厌氧氨氧化是在高浓度条件下研究开发的，因此低氨浓度条件下的有待进一步研究。
厌氧氨氧化工艺的提出至今已十余年了，但还未能在生物脱氮工程实践中得到广泛应用，主要存在以下原因[44]。①厌氧氨氧化菌增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，因此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用。②系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，要同时进行硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。③厌氧氨氧化菌对操作条件的变化敏感抗冲击能力弱。④在厌氧氨氧化反应中，如氨和亚硝酸盐同时存在，对厌氧氨氧化菌具有抑制作用。⑤厌氧氨氧化菌容易被洗出。
参考文献略
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