摘要：探討了亞硝酸型生物脫氮技術的原理、特點及實現(xiàn)亞硝酸型生物脫氮的途徑，并結合典型工藝討論了亞硝酸型生物脫氮控制中存在的 問題 及今后著重 研究 的方向。

關鍵詞：亞硝酸型硝化 生物脫氮 氨氮 亞硝酸 硝酸 硝化 反硝化

0　引言

生活污水及某些 工業(yè) 廢水中都含有一定的氮，特別是某些工業(yè)廢水，如煤加壓氣化廢水、焦化廢水、氮肥廢水等。大量的氮排入水體后易造成水體富營養(yǎng)化。由于常規(guī)活性污泥法是以除碳為目的，通過微生物同化去除生活污水中的氮量很少，通常只有10%～13%。因此，對生活污水和含氮的工業(yè)廢水，采用常規(guī)的活性污泥法處理，出水中仍含有大量的氮和磷。這就促使人們對常規(guī)活性污泥工藝流程進行改造，以提高氮、磷的去除率。最具有代表性的就是A/O法、A2/O法等工藝，這些工藝在廢水除磷脫氮方面起到了一定的作用，但仍然存在著許多問題，如硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代長，難以維持較高生物濃度，因此造成系統(tǒng)總水力停留時間較長，有機負荷較低，增加了基建投資和運行費用。另外，為中和硝化過程產(chǎn)生的酸度，需要加堿中和，增加了處理費;氨氮完全硝化，需要大量的氧，使動力費用增加等。最近的一些研究表明，生物脫氮過程中出現(xiàn)了一些超出人們傳統(tǒng)認識的新現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為水處理工作者設計處理工藝提供了新的 理論 和思路，其中亞硝酸型生物脫氮技術頗受重視，具有較高的 應用 價值。

1　亞硝酸型生物脫氮原理

長期以來，無論是在廢水生物脫氮理論上還是在工程實踐中，都一直認為要實現(xiàn)廢水生物脫氮就必須使NH3-N經(jīng)歷典型的硝化和反硝化過程才能完全被除去。傳統(tǒng)生物脫氮之所以要將氨氮完全氧化成硝酸后再進行反硝化，主要基于以下幾個方面原因：①如果硝化不完全，形成的亞硝化產(chǎn)物HNO2是"三致"物質(zhì)，對受納水體和人是不安全的，所以盡量避免出現(xiàn)HNO2;②HNO2具有一定耗氧性， 影響 出水COD和受納水體DO;③氨在 自然 生物氧化過程中，NH3-N→NO2--N，可釋放242.8～351.7kJ/mol的能量，亞硝酸菌從中獲取5%～14%能量;氧化NO2--N→NO3--N釋放能量為64.5～87.5kJ/mol，硝酸菌可利用其中5% ～10%，硝酸菌氧化NO2-的量必須達到亞硝酸菌氧化NH3-N量的4～5倍，因而在穩(wěn)態(tài)下，一般不會有HNO2積累，氨會被氧化成硝酸;④亞硝酸菌和硝酸菌是兩類獨立細菌，但在開放體系中，這兩類菌普遍存在，并生活在一起，彼此有利，因此難以單獨存在;⑤氨氧化為亞硝酸的速率較亞硝酸氧化為硝酸速率快，在NH3-N→NO3--N中，亞硝酸的形成是限速步驟，所以通常硝化產(chǎn)物為硝酸，亞硝酸濃度很低。

實際上從氮的微生物轉(zhuǎn)化過程來看，氨被氧化成硝酸是由兩類獨立的細菌催化完成的兩個不同反應，應該可以分開。這兩類細菌的特征也有明顯的差異。對于反硝化菌，無論是NO2--N 還是NO3--N均可以作為最終受氫體，因而整個生物脫氮過程可以通過 NH3-N→NO2--N→N2這樣的途徑完成。所謂亞硝酸型生物脫氮就是將硝化過程控制在HNO2階段而終止，隨后進行反硝化。亞硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，泥齡也短，控制在亞硝酸型階段易提高微生物濃度和硝化反應速度，縮短硝化反應時間，從而可以減小反應器容積，節(jié)省基建投資。另一方面，從亞硝酸菌的生物氧化反應可以看到，控制在亞硝酸型階段可節(jié)省氧化NO2--N為NO3--N的氧量1]。此外，從反硝化的角度來看，從NO3--N還原到N2比從NO2--N 還原到N2需要的氫供體多[1]。因此，亞硝酸型生物脫氮的技術與傳統(tǒng)的生物脫氮技術相比具有以下特點。

(1)在NH3-N→NO2--N→NO3--N的一連串的硝化反應中，限制因子是亞硝化單胞菌屬增長速度，而且為了維持亞硝酸型的硝化方式所需要的pH值范圍大致是7.8～8.8。在這一范圍內(nèi)，亞硝化單胞菌屬的增長速度較維持硝酸化方式所必須的pH值6.8～7.8范圍內(nèi)的增長速度大。為完成硝化作用所需要的極限污泥負荷范圍也大。

(2)對流入硝化反應器的NH3-N進行生物氧化時，把NH3-N氧化到NO2--N為止，較氧化成NO3-N為止更能節(jié)省能源。

(3)亞硝酸型脫氮方式中，在脫氮反應初期便存在著來自NO2--N的阻礙作用的一段停滯期，但盡管包括這個停滯期在內(nèi)，NO2--N的還原速度仍然較NO3--N的還原速度大。

(4)在亞硝酸型脫氮方式中，作為脫氮菌所必須的氫供體，即有機碳源的需要量較硝酸型脫氮減少50%左右。

2　實現(xiàn)亞硝酸型生物脫氮的途徑

控制硝化停止在HNO2階段是實現(xiàn)亞硝酸型生物脫氮技術的關鍵，硝化反應的控制在一定程度上取決于對兩種硝化細菌的控制，亞硝酸細菌和硝酸細菌在生理機制及動力學特征上存在固有的差異，導致某些影響因素對其存在不同程度的抑制作用，從而影響硝化形式。由此可以看到，實現(xiàn)亞硝酸型生物脫氮的途徑就是控制那些能對硝酸菌和亞硝酸菌兩種不同的硝化細菌產(chǎn)生不同影響作用的微生物生命活動影響因素。

2.1　控制溫度

生物硝化反應在4～45℃內(nèi)均可進行，適宜溫度為20～30℃，一般低于15℃硝化速率降低。12～14℃下活性污泥中硝酸菌活性受到嚴重的抑制，出現(xiàn)HNO2積累。15～30℃范圍內(nèi)，硝化過程形成的亞硝酸可完全被氧化成硝酸。溫度超過30℃后又出現(xiàn)HNO2積累。因此，控制硝化階段溫度在低溫或較高溫度時，硝化產(chǎn)物主要是亞硝酸。

2.2　控制溶解氧濃度

亞硝酸菌和硝酸菌均是絕對好氧菌，在生物膜和活性污泥反應器中，當膜的厚度和污泥顆粒的尺度較大時，形成對氧擴散梯度。一般認為至少應使溶解氧濃度在0.5mg/L以上時才能很好地進行硝化作用，否則硝化作用會受到抑制。降低硝化階段溶解氧濃度對氨氧化影響不大，筆者在采用低氧、好氧曝氣接觸氧化三級生物法處理煤加壓氣化廢水研究中，在低氧曝氣池中，氨的氧化率達85%以上;降低溶解氧濃度，對亞硝酸進一步氧化成硝酸有明顯的阻礙，并產(chǎn)生亞硝酸積累。

2.3　控制pH值

pH是亞硝酸硝化的一個決定因素，最近研究表明，當pH值為7.4～8.3時，亞硝酸鹽積累速率達到很高;NO2--N生成速度在pH值8.0附近達到最大;而NO3--N生成速度在 pH值7.0附近達到最大。所以在混合體系中亞硝酸菌和硝酸菌的最適宜pH值分別為8和7附近。利用亞硝酸菌和硝酸菌的最適宜pH值的不同，控制混合液中pH值就能控制硝化類型及硝化產(chǎn)物。試驗表明，pH值>7.4時亞硝酸鹽氮所占比率高于90%，亞硝酸型硝化要求pH值必須控制在7.4～8.3之間[2]。

2.4　控制NH3濃度與氮負荷

廢水中氨隨pH值不同分別以分子態(tài)和離子態(tài)形式存在。分子態(tài)游離氨(FA)對硝化作用有明顯的抑制作用，硝化桿菌屬比亞硝化單胞菌屬更易受到FA的抑制，0.6mg/L的FA幾乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，從而使HNO2氧化受阻，出現(xiàn)HNO2積累。只有當FA達到5mg/L以上才會對亞硝酸菌活性產(chǎn)生影響，當達到40mg/L，才會嚴重抑制亞硝酸的形成。所以，當廢水中NH3濃度較高，pH值偏于堿性時，易形成亞硝酸型硝化，在相反的條件下，則形成硝酸型硝化的傾向很大。另外氨氮負荷過高時，在系統(tǒng)進行初期有利于繁殖較快的亞硝酸菌增長，使亞硝酸產(chǎn)生量大于氧化量而出現(xiàn)積累。

2.5　控制泥齡

泥齡是表示活性污泥在曝氣池內(nèi)平均停留時間，也反映了曝氣池中污泥全部更新一次需要的時間。由于亞硝酸菌的世代周期比硝酸菌世代周期短，在懸浮處理系統(tǒng)中，若泥齡介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小停留時間之間時，系統(tǒng)中硝酸菌會逐漸被沖洗掉，使亞硝酸菌成為系統(tǒng)優(yōu)勢硝化菌，形成亞硝酸型硝化。

3　亞硝酸型生物脫氮典型工藝

3.1　SHARON工藝

SHARON工藝是由荷蘭Delft技術大學開發(fā)的脫氮新工藝[3]。其基本原理是將氨氧化控制在亞硝化階段，然后進行反硝化。用SHARON工藝來處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥消化上清液和垃圾濾出液等高氨廢水，可使硝化系統(tǒng)中亞硝酸積累達100%。該工藝的核心是 應用 了硝酸菌和亞硝酸菌的不同生長速率，即在高溫(30～35℃)下，亞硝酸菌的生長速率明顯高于硝酸菌的生長速率，亞硝酸菌的最小停留時間小于硝酸菌這一固有特性控制系統(tǒng)的水力停留時間，使其介于硝酸菌和亞硝酸菌最小停留時間之間，從而使亞硝酸菌具有較高的濃度而硝酸菌被 自然 淘汰，從而維持了穩(wěn)定的亞硝酸積累。在SHARON工藝中，溫度和pH值受到嚴格控制。利用此專利工藝的兩座廢水生物脫氮處理廠已在荷蘭建成，并證明了亞硝酸型生物脫氮技術的可行性。

3.2　OLAND工藝

OLAND工藝是由比利時Gent微生物生態(tài)實驗室開發(fā)。該工藝的技術關鍵是控制溶解氧濃度，使硝化過程僅進行到NH3-N氧化為NO2--N階段。溶解氧濃度是硝化與反硝化過程中的重要因素， 研究 表明低溶解氧下亞硝酸菌增殖速率加快，補償了由于低氧所造成的代謝活動下降，使得整個硝化階段中氨氧化未受到明顯 影響 。低氧下亞硝酸大量積累是由于亞硝酸菌對溶解氧的親合力較硝酸菌強。亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4mg/L，硝酸菌的為1.2～1.5mg/L。OLAND工藝就是利用這兩類菌動力學特性的差異，實現(xiàn)了淘汰硝酸菌，使亞硝酸大量積累。

4　結語

氮污染對水體危害的嚴重性被越來越多的人們所認識，發(fā)達國家很早就在污水處理中考慮了除氮功能。我國由于 經(jīng)濟 原因，起步較晚，在1998年實施的污水排放標準中，對氮的排放量提出了更嚴格的要求。亞硝酸型生物脫氮技術，由于具有降低能耗、節(jié)省碳源、減少污泥生成量、反應器容積小及占地面積省等優(yōu)點，受到了人們普遍關注。亞硝酸型生物脫氮技術的核心是將硝化過程控制在亞硝酸階段，隨后進行反硝化。通常利用亞硝酸菌和硝酸菌動力學特性固有差異，采用控制溫度、溶解氧濃度、pH值、氨負荷及泥齡等對兩類菌生長產(chǎn)生不同影響的微生物生命影響因素來實現(xiàn)。從上述兩個工藝來看，實現(xiàn)亞硝酸型生物脫氮技術是可行的。但是由于廢水的復雜性和污染物質(zhì)的多樣性，以及各個控制因素之間的相互關聯(lián)等原因，作者認為以后仍然需要著重進行如下幾個方面的研究。

(1)SHARON工藝主要用來處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥硝化上清液和垃圾濾出液等廢水，由于這些廢水本身溫度較高，屬高氨高溫水。但對于大量的城市污水來說，一般屬于低溫低氨污水，要使大量水升溫、保溫在30～35℃難以實現(xiàn)。因此，對低溫低氨的城市污水如何實現(xiàn)亞硝酸型硝化值得進一步的研究。

(2)OLAND工藝是在低氧濃度下實現(xiàn)維持亞硝酸積累，但是對懸浮系統(tǒng)低氧下活性污泥易解體和發(fā)生絲狀膨脹。因此低氧對活性污泥的沉降性、污泥膨脹、以及對除氮以外的其它污染物質(zhì)去除效果的影響等仍值得進一步的研究。

(3)雖然很多因素會導致硝化過程中亞硝酸積累，但 目前 對此現(xiàn)象的 理論 的解釋還不充分。各種控制因素之間都是相互關聯(lián)的，如溫度、pH值、DO、氨濃度等的變化都會引起亞硝酸菌和硝酸菌增長速度的變化，進而引起其最小停留時間的改變。因此，根據(jù)各種廢水的水質(zhì)特點尋找其主要控制因素，或者如何綜合考慮各種控制因素，綜合控制硝化過程，使亞硝酸的積累能長久穩(wěn)定地維持還需要進一步的研究與探索。

參考 文獻

1　井山哲夫，等編著. 水處理工程理論與應用. 張自杰，等譯. 北京： 中國 建筑 工業(yè) 出版社，1986. 232～245

2　徐冬梅，等. 亞硝酸型硝化的試驗研究. 給水排水，1999，25(7)：37～39

3　Milke S M Jetten,et al. Towards a more sustainable municipal wastewater treatment system. Wat Sci Tech,1997,35(9):171～180

4　C Collivignarelli, et al. Simultaneous nitrification-denitrification process es in activated sludge plants:performance and applicability. Wat Sci Tech,1999,4 0(4～5):187～184

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”