污水生物脫氮技術
摘要：短程硝化－反硝化工藝、好氧反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝以及全程自養脫氮工藝是近年來迅速發展的幾種新型節能生物脫氮技術。新型工藝的目標是實現高濃度廢水( 如厭氧消化液等) 中氮元素的生物法高效低耗去除。本文對厭氧和低溶氧條件下的新型生物脫氮技術進行了總結和對比，并對各項工藝的運行工況、微生物種群、特性和未來的應用前景進行了展望。
關鍵詞：污水,生物脫氧技術
污水中的氮元素可引起接納水體中溶解氧( DO) 的過度消耗和水體富營養化、降低氯氣消毒效率等問題，因此，水體中氮元素的去除必須引起高度重視。水體中的含氮化合物可通過一系列的物理、化學和生物方法去除。
傳統生物脫氮工藝( 硝化－ 反硝化技術) 因為較低的微生物活性導致脫氮效率低下，且此工藝一般用于處理含氮量較低的污水。近年來，幾種新型的高效生物脫氮工藝被深入研究和發展，如: 短程硝化－ 反硝化工藝、好氧反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝以及全程自養脫氮工藝( 如 Canon 工藝) 。它們與傳統生物脫氮工藝相比具有以下一系列優點: 無需外加碳源、較低的污泥產率、較低的能耗和較低的曝氣量等［1］。
一、好氧反硝化
傳統觀點認為好氧條件下不存在反硝化，但近年來有研究表明好氧條件下亦可發生反硝化作用。高濃度溶解氧( DO) 條件下的完全反硝化過程首先是在Paracoccus 菌屬中發現的。
在處理豬場養殖廢水的SBR 反應器的活性污泥中分離出的菌屬 Pseudomonas stutzeri SU2 可在好氧條件下迅速將硝酸鹽還原為N2，其間并未檢測到亞硝酸鹽的積累。大部分的好氧反硝化菌屬于異養菌，可進行硝酸鹽和氧氣共呼吸的菌種廣泛的存在于環境中。好氧反硝化的優勢在于它直接可發生于含有大量易于微生物降解有機物的好氧反應器中，然而，好氧反硝化的反應機理有待于進一步深入研究。
二、自養反硝化
不同種類的化能異養菌、自養菌和光合細菌以及一部分真菌都具有反硝化功能。自養反硝化菌可利用無機硫化物、氫、氨氮和亞硝酸鹽做為電子受體［2］。
1． 硫－ 氧化型和氫－ 氧化型自養反硝化菌。在自養反硝化過程中，自養反硝化菌以無機的氧化還原反應獲取能量，以氫或不同的還原態硫化物( HS － ，H2 S，S，S2O3 2 － ，等) 為電子供體，以無機碳化合物( 如 CO2 或者HCO3 － ) 為碳源。Baalsruud 較早的研究了硫－ 氧化型細菌的生理生化特性，T． pantotropha 是一種專型厭氧自養硫化細菌，Thiobacillus denitrificans 是一類分布廣泛具有明顯特征的化能自養型細菌。它可利用無機硫化物( 如硫化氫和硫代硫酸鹽) 氧化進行反硝化作用，近年來，硫－ 氧化型自養反硝化由于較氫－ 氧化型自養反硝化由于其高效低耗的特點引起了越來越多的關注。
2． 反硝化硝化細菌。不同種類的氨化細菌通常被認為是好氧化能自養菌，它廣泛的存在于各種污水處理廠和生態系統中。Nitrosomonas 菌屬微生物可以在完全好氧或缺氧條件下同時進行硝化和反硝化反應并以N2 為最終產物。
Nitrosomonas eutropha 是一類專型自養硝化細菌，它也可以利用氫為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體進行反硝化作用。
將好氧和厭氧氨氧化生物反應器組合，出現了一系列新型生物脫氮工藝，如: Sharon 工藝、Canon 工藝、NOx 工藝、OLAND 工藝和好氧反氨化工藝。
三、厭氧氨氧化
厭氧氨氧化是一個由Planctomycete 菌屬參與的自養生物脫氮過程，分子生物學手段揭示了厭氧氨氧化菌種類的多樣性。這類細菌具有特殊的生理特性，可在無分子氧條件下消耗氨氮。厭氧氨氧化反應是一個釋能反應，反應過程中伴隨著有機物的能量代謝。此反應是將氨氮氧化并以亞硝氮為電子受體最終產物為N2。
厭氧氨氧化微生物以CO2 為唯一碳源、利用亞硝酸鹽為電子供體合成細胞物質。涉及厭氧氨氧化的整個反應是此類微生物的釋能反應，盡管亞硝酸單胞菌屬也能在厭氧條件下將氨氮氧化，厭氧氨氧化是 Planctomycete 菌屬脫氮的獨有反應。
四、全程自養型生物脫氮工藝
1． 兩級串聯短程硝化－ 厭氧氨氧化工藝。高氨氮廢水中的含氮化合物可通過厭氧氨氧化工藝去除。然而，進入厭氧氨氧化工藝之前污水中的氨氮必須部分氧化為亞硝酸鹽( 55 － 60% 氨氮) ，因此，厭氧氨氧化工藝必須結合短程硝化工藝如部分Sharon( 短程硝化－ 反硝化反應器) 工藝串聯運行。
Sharon 工藝又稱為短程硝化－ 反硝化工藝，通過將NH4 + 氧化成 NO2 － 從而將污水中的氨氮去除。這一工藝采用好氧－ 缺氧交替運行的操作方式，在單個反應器內即可實現短程硝化－ 反硝化脫氮。硝化產生的酸度可部分地由反硝化產生的堿度中和，以減少化學試劑用量。盡管Sharon 工藝因為其較高的溫度依賴性限制了其在污水處理中的應用，但是對于溫度較高的高氨氮含量( ＞ 0． 5g /L) 污水來說， Sharon 工藝可實現污水中氮素的高效去除。
2． Canon 工藝。在厭氧氨氧化菌富集培養物中存在有一定數量的好氧氨氧化菌，通過控制DO 濃度可在單一反應器中實現兩類細菌的協調生長從而構成單相Canon 工藝．硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽，消耗溶解氧為厭氧氨氧化過程創造條件，Canon 工藝對外界環境條件要求十分苛刻，如DO 濃度、氮表面負荷、生物膜厚度和溫度等。
3． NOx 工藝。NOx 工藝是通過向污水中通入痕量N2O 氣體( 氨氮/ N2O = 1000 － 5000: 1) 以控制和促進Nitrosomonas 菌屬的反硝化活性來實現的。在完全缺氧條件下，NOx 的通入對Nitrosomonas 菌屬的硝化/ 反硝化活性的誘導起調節作用［3］。
此新工藝已在實驗室和中試硝化系統中進行了試驗。容積為3． 5m3 的中試系統處理高濃度污泥消化液( 大約2kgNH4 － N/m3 ) 時，通入濃度為200ppm 的NO2 氣體，N2 的平均轉化率為67%。實驗證明氨氧化菌在脫氮過程中起主要作用。試驗運行過程中也證明硝化污泥的反硝化活性對NO2 的通入十分敏感。
五、結論
傳統的生物脫氮工藝( 硝化－ 反硝化技術) 廣泛用于污水中氮素的去除，由于此工藝有較高的能耗和碳源需求，更為經濟的新型生物脫氮工藝得到了越來越多的關注和研究。
厭氧氨氧化的發現增進了人們對氮素循環的理解，厭氧氨氧化在污水處理( 特別是高氨氮廢水) 方面具有十分誘人的應用前景。好氧氨氧化菌在反硝化過程中的功能多樣性推動了Canon、Sharon、OLAND 和 NOx 生物脫氮工藝的發展。不同脫氮微生物的共同作用以及工藝的優化使脫氮效率進一步提高，盡管上述新型工藝在中試中依然存在一些問題，它們仍為污水中氮元素的低耗高效去除提供了新的思路。總之，自養型生物脫氮技術因其經濟節能等優勢將在為未來廣泛應用于實際廢水的處理。
參考文獻:
［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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