1、高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮途徑                        摘要：回顧了傳統生物脫氮的一般原理，介紹了亞硝酸鹽硝化/反硝化、同時硝化/反硝化、好氧反硝化和厭氧氨氧化等提高生物脫氮效率的可能途徑，并分析了他們各自的原理、實現條件和應用前景。 關鍵詞：氨氮 生物脫氮 好氧反硝化 厭氧氨氧化 垃圾填埋場的滲濾液屬高濃度氨氮廢水，后期滲濾液的氨氮

2、濃度達2000mg/L以上，如利用生物法脫氮，反硝化需7500mg/L以上的碳源，而滲濾液本身所能提供的碳源明顯不足，外加碳源則會增加處理成本。因此，研究高效脫氮工藝具有重要意義。近些年來在生物脫氮理論方面有了許多進展，亞硝酸鹽硝化反硝化受到重視，發現了厭氧氨氧化和好氧反硝化微生物的生物化學作用，從而為高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮提供了可能的途徑。 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)

3、將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽。亞硝酸菌和硝酸菌統稱為硝化菌，都利用無機碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作為碳源，從NH3、NH4+或NO2-的氧化反應中獲取能量。亞硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期較短，生長率較快，因此較能適應沖擊負荷和不利的環境條件；當硝酸菌受到抑制時，有可能出現NO-2積累的情況。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。反硝化細菌在自然界很普遍，多數是兼性的，在溶解氧濃度極低的環境中可利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機物則作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩定。 由于從反硝

4、化獲得的能量低于氧氣還原所獲取的能量，所以反硝化被認為僅在缺氧條件下發生。 從NH4+至NO2-的轉化，經歷了3個步驟、6個電子的轉移，可見亞硝酸菌的酶系統十分復雜，而硝化過程則相對簡單些，只經歷了一步反應、2個電子的變化。因此也有人認為，亞硝酸菌往往比硝酸菌更易受到抑制。 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- 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

5、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。 這種兩難處境在氨氮濃度低的城市污水處理中表現得還

6、不很明顯，在高濃度氨氮廢水生物脫氮處理中則表現得很突出。近些年來，人們試圖從各個方面突破生物脫氮的困境，如開發亞硝酸硝化/反硝化脫氮工藝；與傳統生物脫氮理論相反的一些生物過程被發現，例如發現了氨與亞硝酸鹽/硝酸鹽在缺氧條件下被同時轉化為氮氣的生物化學過程，這一過程被稱為厭氧氨氧化(Anammox)；好氧反硝化和異養硝化作用也被發現，好氧反硝化往往與異養硝化同時發生；在有氧條件下能夠反硝化的細菌也被分離出來，其中有異養菌(Thiosphaera pantotropha和Alcaligenes sp)及自養硝化菌。 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

7、酸鹽的轉化一般認為是硝化過程(Nitrification)的速度控制步驟，但是出現亞硝酸鹽積累的報道也很多。 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：節省25%的硝化曝氣量。節省40%的反硝化碳源。節省50%的反硝化反應器容積。 這些對于高濃度氨氮廢水的脫氮處理具有非常大的經濟效益，特別是對于諸如垃圾滲濾液等碳源不足的廢水更是如此。 在硝化系統中，與亞硝酸積累有關的因素包括：

8、自由氨的存在，較高的pH值，溶解氧濃度低，溫度的變化，氨氮負荷高，污泥齡長，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1。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。Jetten等人利用硝酸菌和亞硝酸菌在較高溫度下生長速度的顯著差異，通過控制溫度和污泥停留時間，將在高溫下生長速度較慢的硝酸菌從反應器中沖洗出去，使亞硝酸菌在反應器中占優勢，從而將氨氧化控制在亞硝化階段，這種工藝叫

9、作SHARON工藝(Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite)2。但該工藝須在3040 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。對于垃圾滲濾液等廢水，必須從控制溶解氧及pH值來實現穩定的亞硝酸反硝化脫氮。 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35；也可以發生在活性污泥系統中，如曝氣池、氧化溝6、7。 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SND現象的機理還沒有一致的解釋，一般認為三個主要機理是：混合形態。由于充氧裝置的充氧不均和反應器的構造原因，造成生物反應器形態不均，在反應器內形成缺氧/厭氧段。此種情況稱為生物反應的大環境，即宏觀環境。菌膠團或生物膜。缺氧/厭氧段可在活性污泥菌膠團或生物膜內部形成，即微觀環境。生物化學作用。在過去幾年中，許多新的氮生物化學菌族被鑒定出來，其中包括部分菌種以組團形式對SND起作用，包括起反硝化作用的自養硝化菌及起硝化作用的異養菌