污水生物脱氮技术
摘要：短程硝化－反硝化工艺、好氧反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺以及全程自养脱氮工艺是近年来迅速发展的几种新型节能生物脱氮技术。新型工艺的目标是实现高浓度废水( 如厌氧消化液等) 中氮元素的生物法高效低耗去除。本文对厌氧和低溶氧条件下的新型生物脱氮技术进行了总结和对比，并对各项工艺的运行工况、微生物种群、特性和未来的应用前景进行了展望。
关键词：污水,生物脱氧技术
污水中的氮元素可引起接纳水体中溶解氧( DO) 的过度消耗和水体富营养化、降低氯气消毒效率等问题，因此，水体中氮元素的去除必须引起高度重视。水体中的含氮化合物可通过一系列的物理、化学和生物方法去除。
传统生物脱氮工艺( 硝化－ 反硝化技术) 因为较低的微生物活性导致脱氮效率低下，且此工艺一般用于处理含氮量较低的污水。近年来，几种新型的高效生物脱氮工艺被深入研究和发展，如: 短程硝化－ 反硝化工艺、好氧反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺以及全程自养脱氮工艺( 如 Canon 工艺) 。它们与传统生物脱氮工艺相比具有以下一系列优点: 无需外加碳源、较低的污泥产率、较低的能耗和较低的曝气量等［1］。
一、好氧反硝化
传统观点认为好氧条件下不存在反硝化，但近年来有研究表明好氧条件下亦可发生反硝化作用。高浓度溶解氧( DO) 条件下的完全反硝化过程首先是在Paracoccus 菌属中发现的。
在处理猪场养殖废水的SBR 反应器的活性污泥中分离出的菌属 Pseudomonas stutzeri SU2 可在好氧条件下迅速将硝酸盐还原为N2，其间并未检测到亚硝酸盐的积累。大部分的好氧反硝化菌属于异养菌，可进行硝酸盐和氧气共呼吸的菌种广泛的存在于环境中。好氧反硝化的优势在于它直接可发生于含有大量易于微生物降解有机物的好氧反应器中，然而，好氧反硝化的反应机理有待于进一步深入研究。
二、自养反硝化
不同种类的化能异养菌、自养菌和光合细菌以及一部分真菌都具有反硝化功能。自养反硝化菌可利用无机硫化物、氢、氨氮和亚硝酸盐做为电子受体［2］。
1． 硫－ 氧化型和氢－ 氧化型自养反硝化菌。在自养反硝化过程中，自养反硝化菌以无机的氧化还原反应获取能量，以氢或不同的还原态硫化物( HS － ，H2 S，S，S2O3 2 － ，等) 为电子供体，以无机碳化合物( 如 CO2 或者HCO3 － ) 为碳源。Baalsruud 较早的研究了硫－ 氧化型细菌的生理生化特性，T． pantotropha 是一种专型厌氧自养硫化细菌，Thiobacillus denitrificans 是一类分布广泛具有明显特征的化能自养型细菌。它可利用无机硫化物( 如硫化氢和硫代硫酸盐) 氧化进行反硝化作用，近年来，硫－ 氧化型自养反硝化由于较氢－ 氧化型自养反硝化由于其高效低耗的特点引起了越来越多的关注。
2． 反硝化硝化细菌。不同种类的氨化细菌通常被认为是好氧化能自养菌，它广泛的存在于各种污水处理厂和生态系统中。Nitrosomonas 菌属微生物可以在完全好氧或缺氧条件下同时进行硝化和反硝化反应并以N2 为最终产物。
Nitrosomonas eutropha 是一类专型自养硝化细菌，它也可以利用氢为电子供体、亚硝酸盐为电子受体进行反硝化作用。
将好氧和厌氧氨氧化生物反应器组合，出现了一系列新型生物脱氮工艺，如: Sharon 工艺、Canon 工艺、NOx 工艺、OLAND 工艺和好氧反氨化工艺。
三、厌氧氨氧化
厌氧氨氧化是一个由Planctomycete 菌属参与的自养生物脱氮过程，分子生物学手段揭示了厌氧氨氧化菌种类的多样性。这类细菌具有特殊的生理特性，可在无分子氧条件下消耗氨氮。厌氧氨氧化反应是一个释能反应，反应过程中伴随着有机物的能量代谢。此反应是将氨氮氧化并以亚硝氮为电子受体最终产物为N2。
厌氧氨氧化微生物以CO2 为唯一碳源、利用亚硝酸盐为电子供体合成细胞物质。涉及厌氧氨氧化的整个反应是此类微生物的释能反应，尽管亚硝酸单胞菌属也能在厌氧条件下将氨氮氧化，厌氧氨氧化是 Planctomycete 菌属脱氮的独有反应。
四、全程自养型生物脱氮工艺
1． 两级串联短程硝化－ 厌氧氨氧化工艺。高氨氮废水中的含氮化合物可通过厌氧氨氧化工艺去除。然而，进入厌氧氨氧化工艺之前污水中的氨氮必须部分氧化为亚硝酸盐( 55 － 60% 氨氮) ，因此，厌氧氨氧化工艺必须结合短程硝化工艺如部分Sharon( 短程硝化－ 反硝化反应器) 工艺串联运行。
Sharon 工艺又称为短程硝化－ 反硝化工艺，通过将NH4 + 氧化成 NO2 － 从而将污水中的氨氮去除。这一工艺采用好氧－ 缺氧交替运行的操作方式，在单个反应器内即可实现短程硝化－ 反硝化脱氮。硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，以减少化学试剂用量。尽管Sharon 工艺因为其较高的温度依赖性限制了其在污水处理中的应用，但是对于温度较高的高氨氮含量( ＞ 0． 5g /L) 污水来说， Sharon 工艺可实现污水中氮素的高效去除。
2． Canon 工艺。在厌氧氨氧化菌富集培养物中存在有一定数量的好氧氨氧化菌，通过控制DO 浓度可在单一反应器中实现两类细菌的协调生长从而构成单相Canon 工艺．硝化细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，消耗溶解氧为厌氧氨氧化过程创造条件，Canon 工艺对外界环境条件要求十分苛刻，如DO 浓度、氮表面负荷、生物膜厚度和温度等。
3． NOx 工艺。NOx 工艺是通过向污水中通入痕量N2O 气体( 氨氮/ N2O = 1000 － 5000: 1) 以控制和促进Nitrosomonas 菌属的反硝化活性来实现的。在完全缺氧条件下，NOx 的通入对Nitrosomonas 菌属的硝化/ 反硝化活性的诱导起调节作用［3］。
此新工艺已在实验室和中试硝化系统中进行了试验。容积为3． 5m3 的中试系统处理高浓度污泥消化液( 大约2kgNH4 － N/m3 ) 时，通入浓度为200ppm 的NO2 气体，N2 的平均转化率为67%。实验证明氨氧化菌在脱氮过程中起主要作用。试验运行过程中也证明硝化污泥的反硝化活性对NO2 的通入十分敏感。
五、结论
传统的生物脱氮工艺( 硝化－ 反硝化技术) 广泛用于污水中氮素的去除，由于此工艺有较高的能耗和碳源需求，更为经济的新型生物脱氮工艺得到了越来越多的关注和研究。
厌氧氨氧化的发现增进了人们对氮素循环的理解，厌氧氨氧化在污水处理( 特别是高氨氮废水) 方面具有十分诱人的应用前景。好氧氨氧化菌在反硝化过程中的功能多样性推动了Canon、Sharon、OLAND 和 NOx 生物脱氮工艺的发展。不同脱氮微生物的共同作用以及工艺的优化使脱氮效率进一步提高，尽管上述新型工艺在中试中依然存在一些问题，它们仍为污水中氮元素的低耗高效去除提供了新的思路。总之，自养型生物脱氮技术因其经济节能等优势将在为未来广泛应用于实际废水的处理。
参考文献:
［1］Metcalf and Eddy，Wastewater engineering － treatment and reuses． 4th ed． ，McGraw － Hill; 2003．
［2］US EPA． Process design manual of nitrogen control． EPA 625 /r － 93 /010，Cincinnati，Ohio; 1993．
［3］Van Loosdrecht MCM． Recent development on biological wastewater nitrogen removal technologies． In: Proceedings of the presentation in international conference on wastewater treatment for nutrient removal and reuse ( ICWNR’ 04) ; 2004．
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