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【上海純水設(shè)備行業(yè)新聞】

污水處置行業(yè)從業(yè)者對(duì)污水脫氮又熟悉又頭疼。說(shuō)熟悉，因?yàn)楝F(xiàn)階段絕大多數(shù)的污水處置設(shè)施中都會(huì)加入具有氨氮及總氮去除的功能單元；說(shuō)頭疼，則是因?yàn)楹芏喱F(xiàn)有設(shè)施的氮素去除效果無(wú)法滿足各地區(qū)愈發(fā)嚴(yán)格的排放規(guī)范限制?？紤]到易行性、經(jīng)濟(jì)性等因素，國(guó)內(nèi)外污水處置中對(duì)于氮素污染物的去除普遍采用基于生物法的處置工藝。除了保守的硝化-反硝化理論外，上海純水設(shè)備近年來(lái)突破慣例認(rèn)知的生物脫氮新理論也不斷出現(xiàn)，環(huán)保展會(huì)中，硫自養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化等脫氮新技術(shù)都非常吸引眼球。本文主要介紹激進(jìn)生物脫氮過(guò)程及新型生物脫氮過(guò)程的基本理論，旨在協(xié)助大家更好地理解生物脫氮過(guò)程。

2.激進(jìn)生物脫氮過(guò)程

2.1激進(jìn)生物脫氮過(guò)程簡(jiǎn)介

目前在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛的激進(jìn)生物脫氮過(guò)程主要包括好氧硝化-缺氧反硝化兩部分組成，其過(guò)程如圖1所示。進(jìn)水中蛋白質(zhì)等有機(jī)氮經(jīng)過(guò)氨化細(xì)菌的脫氨作用轉(zhuǎn)化為氨氮，隨后氨氮在好氧條件下由自養(yǎng)型的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌逐漸氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，硝酸鹽氮在缺氧條件下由異養(yǎng)型的反硝化細(xì)菌還原為亞硝酸鹽氮，并繼續(xù)還原為一氧化氮、一氧化二氮及氮?dú)獾葰怏w離開(kāi)系統(tǒng)完成脫氮。

由圖1可知，進(jìn)水中氮素在生物處置過(guò)程中經(jīng)歷了由多種不同細(xì)菌參與的轉(zhuǎn)化過(guò)程，由于細(xì)菌是生物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者”假如環(huán)境條件對(duì)于負(fù)責(zé)某項(xiàng)功能的細(xì)菌有利，那么這一局部轉(zhuǎn)化過(guò)程就可能出現(xiàn)問(wèn)題。工程中為改善生化系統(tǒng)脫氮性能，調(diào)試人員大多會(huì)從溶解氧含量、有機(jī)物含量、堿度及環(huán)境條件沖擊等幾方面入手。其實(shí)，這些宏觀參數(shù)的調(diào)節(jié)面前，技術(shù)人員所做的一切都是為了更好地滿足脫氮過(guò)程中不同微生物的生長(zhǎng)代謝特點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是投其所好”因此，借鑒這一微生物視角對(duì)污水處置生化系統(tǒng)進(jìn)行分析，為執(zhí)行特定功能的微生物提供更好的生長(zhǎng)代謝條件，就可以幫助我更好地實(shí)現(xiàn)高效脫氮。

2.2激進(jìn)生物脫氮細(xì)菌特點(diǎn)

本文簡(jiǎn)單總結(jié)激進(jìn)生物脫氮不同功能微生物的特點(diǎn)如圖2所示，供大家參考。實(shí)踐中，大家可根據(jù)針對(duì)對(duì)象及功能菌群菌的特點(diǎn)，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)促進(jìn)那些我所需要的微生物的良好生長(zhǎng)代謝。

由圖2可知，氨化細(xì)菌可以利用有機(jī)物獲取能量并進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，且其在好氧和缺氧環(huán)境都可生長(zhǎng)，這些特點(diǎn)使得氨化細(xì)菌生長(zhǎng)迅速、分布廣泛，生化系統(tǒng)中很少成為問(wèn)題所在因此，主要探討亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌。

2.2.1亞硝化菌

亞硝化菌主要參與系統(tǒng)中氨氮被氧化為亞硝酸鹽的過(guò)程，生化系統(tǒng)中氨氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來(lái)看， 常州純水設(shè)備亞硝化細(xì)菌是一類(lèi)在好氧條件利用無(wú)機(jī)碳源合成自身菌體、利用氧化氨氮釋放能量的化能（能量來(lái)源）-好氧（溶氧要求）-自養(yǎng)（碳源類(lèi)型）細(xì)菌。

針對(duì)碳源類(lèi)型，亞硝化菌需要利用無(wú)機(jī)碳源進(jìn)行合成代謝，亞硝化細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，生化系統(tǒng)中所占總量較小，因此其對(duì)于外界環(huán)境影響較為敏感，低溫環(huán)境、負(fù)荷沖擊、毒物流入、污泥流失等不良條件均可能導(dǎo)致亞硝化菌活性下降，使得系統(tǒng)出現(xiàn)氨氮去除率低，出水氨氮偏高的現(xiàn)象；針對(duì)能量來(lái)源和溶氧要求，亞硝化菌通過(guò)在好氧環(huán)境下氧化氨氮獲取化學(xué)能供給自身的生長(zhǎng)代謝，因此充分的溶解氧以及適宜的氨氮濃度是維持亞硝化菌良好生長(zhǎng)的必需條件。此外，由于亞硝化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)堿度下降，而亞硝化菌的最適pH值范圍約為在7.0-7.5因此應(yīng)注意曝氣池pH值，防止pH值過(guò)低導(dǎo)致亞硝化菌活性下降，氨氮去除不佳。

2.2.2硝化菌

硝化菌主要參與系統(tǒng)中亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽的過(guò)程，其與亞硝化細(xì)菌經(jīng)常呈現(xiàn)在相近區(qū)域，特點(diǎn)也較為相似。從微生物學(xué)角度來(lái)看，硝化細(xì)菌是一類(lèi)在好氧條件利用無(wú)機(jī)碳源合成自身菌體、利用氧化亞硝酸鹽釋放能量的化能（能量來(lái)源）-好氧（溶氧要求）-自養(yǎng)（碳源類(lèi)型）細(xì)菌。

針對(duì)碳源類(lèi)型，硝化菌需要利用無(wú)機(jī)碳源進(jìn)行合成導(dǎo)致其生長(zhǎng)緩慢，生化系統(tǒng)中所占總量較小，因此其對(duì)于外界環(huán)境影響較為敏感，低溫環(huán)境、負(fù)荷沖擊、毒物流入、污泥流失等不良條件均可能導(dǎo)致硝化菌活性下降，使得好氧池中出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象；針對(duì)能量來(lái)源和溶氧要求，硝化菌通過(guò)在好氧環(huán)境下氧化亞硝酸鹽獲取化學(xué)能供給自身的生長(zhǎng)代謝，因此充分的溶解氧以及適宜的亞硝酸鹽濃度（主要來(lái)自于氨氮被氧化生成的亞硝酸鹽）維持硝化菌良好生長(zhǎng)的必需條件。此外，由于硝化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)堿度下降，而硝化菌的最適pH值范圍約為在7.0-8.0因此應(yīng)注意曝氣池pH值，防止pH值過(guò)低導(dǎo)致硝化菌活性下降。

2.2.3反硝化菌

反硝化菌主要參與系統(tǒng)中硝酸鹽及亞硝酸鹽被還原的過(guò)程，生化系統(tǒng)中硝酸鹽氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來(lái)看，慣例的反硝化細(xì)菌是一類(lèi)在缺氧條件利用有機(jī)碳源合成自身菌體、利用氧化有機(jī)物釋放能量的化能-缺氧-異養(yǎng)細(xì)菌。反硝化過(guò)程中，有機(jī)物充任電子供體，硝酸鹽充任電子受體，電子傳送過(guò)程中，有機(jī)物失去電子被氧化，硝酸鹽得到電子被還原，化學(xué)能被釋放用于微生物的合成及其他生命活動(dòng)。

由于反硝化菌可以利用有機(jī)碳源，其生長(zhǎng)較快，污水處置中生化系統(tǒng)污泥普遍存在大量反硝化細(xì)菌，上海水處理設(shè)備占據(jù)較大的生物量比例。因此，為了促進(jìn)硝酸鹽在反硝化過(guò)程中被去除，充分的有機(jī)碳源、良好的缺氧環(huán)境是必不可少的有機(jī)碳源方面，進(jìn)水提供的有機(jī)物的可生化性（BOD/COD比例）和含量（BOD/TN比例）多用于判斷有機(jī)物碳源是否適宜并足夠系統(tǒng)用于脫氮去除。溶解氧方面，由于好氧條件下氧氣會(huì)取代硝酸鹽充任細(xì)菌電子傳送中的電子受體，導(dǎo)致反硝化無(wú)法順利進(jìn)行，同時(shí)好氧下反硝化細(xì)菌用于反硝化的硝酸鹽還原酶及相關(guān)酶系會(huì)受到抑制，也導(dǎo)致反硝化無(wú)法進(jìn)行。

3新型生物脫氮過(guò)程

激進(jìn)生物脫氮理論積累多年，并在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，但也存在一些不足。由于激進(jìn)脫氮中硝化與反硝化過(guò)程對(duì)于溶解氧與有機(jī)物需求不同，這導(dǎo)致硝化與反硝化很難在時(shí)間與空間上完全同步發(fā)生在同一環(huán)境內(nèi)，如何能夠減少外加碳源的投加、縮短脫氮過(guò)程流程、降低構(gòu)筑物占地一直是研究熱門(mén)。研究人員對(duì)生物脫氮中物料守恒、能量代謝等方面的繼續(xù)關(guān)注下，一些相對(duì)新穎的生物脫氮過(guò)程逐漸被提出并完善，接下來(lái)本文將對(duì)幾種罕見(jiàn)新型生物脫氮過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

3.1新型生物脫氮匯總

近年來(lái)，短程硝化、厭氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脫氮過(guò)程逐漸引起人們注意，圖3匯總了近年來(lái)罕見(jiàn)新型生物脫氮理論。標(biāo)紅處是該項(xiàng)新型生物脫氮過(guò)程與激進(jìn)生物脫氮過(guò)程的區(qū)別所在

3.2厭氧氨氧化VS好氧氨氧化

激進(jìn)生物脫氮中，氨氧化（即亞硝化）過(guò)程為好氧過(guò)程，細(xì)菌需要溶解氧作為電子受體實(shí)現(xiàn)氨氮的氧化。從1989年歐洲科學(xué)家在厭氧反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化現(xiàn)象起，越來(lái)越多的厭氧氨氧化研究演講拓展了對(duì)于生物脫氮的認(rèn)知范圍。除了污水處置，厭氧氨氧化還被發(fā)現(xiàn)存在于地球上的多種自然環(huán)境，其對(duì)于地球范圍內(nèi)氮素循環(huán)的貢獻(xiàn)不容忽視。

厭氧氨氧化細(xì)菌可以在厭氧環(huán)境下以氨氮為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體，發(fā)生氮?dú)夂蜕倭肯跛猁}。由于厭氧氨氧化菌一般呈現(xiàn)紅色，因此也經(jīng)常被稱(chēng)為“紅菌”厭氧氨氧化菌是自養(yǎng)微生物，以二氧化碳等無(wú)機(jī)物為碳源進(jìn)行自身生長(zhǎng)合成。由于厭氧氨氧化無(wú)需好氧曝氣條件與有機(jī)碳源，其在曝氣能耗削減與有機(jī)碳源節(jié)約方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，常州水處理設(shè)備因此近年來(lái)厭氧氨氧化成為發(fā)展最迅猛的新型脫氮理論之一。由于需要亞硝酸鹽作為電子受體，厭氧氨氧化常與短程硝化結(jié)合，通過(guò)短程硝化將局部氨氮氧化為亞硝酸鹽，并與剩余氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)。

工藝設(shè)計(jì)中，短程硝化與厭氧氨氧化過(guò)程可在同一工段進(jìn)行，也可分為兩段進(jìn)行。目前厭氧氨氧化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有中試乃至實(shí)際規(guī)模運(yùn)行案例，相比于主流厭氧氨氧化（污水處置的主線流程）污水處置廠的側(cè)流（污泥處置中的消解液）厭氧氨氧化處置發(fā)展較快，這是由于側(cè)流厭氧氨氧化過(guò)程中有機(jī)物濃度、氨氮濃度、溫度等相關(guān)因素較為理想，而主流過(guò)程中則存在較多有利于厭氧氨氧化的條件，因此主流厭氧氨氧化的擴(kuò)大與推廣仍存在不少技術(shù)問(wèn)題有待解決。此外，基于顆粒污泥技術(shù)的短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)也是研究熱門(mén)。

3.3短程硝化VS全程硝化

激進(jìn)硝化過(guò)程是從氨氮到亞硝酸鹽再到硝酸鹽的全程硝化，而短程硝化一般指代從氨氮到亞硝酸鹽這一過(guò)程。由于氨氮和亞硝酸鹽的好氧轉(zhuǎn)化都需要消耗溶解氧，短程硝化相比于全程硝化可以節(jié)約曝氣的電能消耗。目前，短程硝化主要存在兩種主要研究方向，其一是與厭氧氨氧化偶聯(lián)，由短程硝化為厭氧氨氧化中提供亞硝酸鹽來(lái)源，其二是與短程反硝化偶聯(lián)，實(shí)現(xiàn)氮素的最終去除。短程硝化的實(shí)現(xiàn)主要依靠選擇性抑制硝化菌活性，技術(shù)原理在于亞硝化菌與硝化菌對(duì)于一些環(huán)境因素的耐受能力不同，溶解氧、pH值、溫度、游離氨等因素都已被研究用以選擇性抑制硝化菌，以實(shí)現(xiàn)短程硝化?，F(xiàn)階段短程硝化的主要技術(shù)問(wèn)題在于：如何在不同環(huán)境下（溫度、有機(jī)物含量等因素）實(shí)現(xiàn)對(duì)于氨氮到亞硝酸鹽這一轉(zhuǎn)化過(guò)程的臨時(shí)穩(wěn)定維持。

3.4好氧反硝化VS缺氧反硝化

激進(jìn)生物脫氮理論中，反硝化過(guò)程需要在缺氧環(huán)境下進(jìn)行，而近年來(lái)不時(shí)有新菌株被發(fā)現(xiàn)具有在好氧環(huán)境下進(jìn)行硝酸鹽還原的能力，這類(lèi)菌株被稱(chēng)為好氧反硝化菌，可以在好氧條件下同步去除硝酸鹽與有機(jī)物，并可通過(guò)同化或異養(yǎng)硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的呈現(xiàn)，使得在好氧環(huán)境下進(jìn)行同步硝化-反硝化過(guò)程成為可能。

好氧反硝化細(xì)菌之所以能在好氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化，可能是由于細(xì)菌內(nèi)部含有在有氧環(huán)境下能夠正常表達(dá)的與脫氮相關(guān)的酶系統(tǒng)（酶是微生物轉(zhuǎn)化氮素的實(shí)際“執(zhí)行者”微生物體內(nèi)酶的活性決定了相對(duì)應(yīng)的功能發(fā)揮情況）如周質(zhì)硝酸鹽還原酶等；此外在污泥絮體或生物膜中溶解氧的梯度變化也可能促進(jìn)了好氧反硝化的進(jìn)行。目前已有大量好氧反硝化細(xì)菌被篩選鑒定并考察相關(guān)脫氮性能，采用好氧反硝化細(xì)菌作為菌種來(lái)源的微生物菌劑也逐漸出現(xiàn)，然而好氧反硝化理論仍需不斷完善，其準(zhǔn)確機(jī)理仍在探索中，同時(shí)，關(guān)于好氧條件的準(zhǔn)確界定也需要進(jìn)一步探討。

3.5自養(yǎng)反硝化VS異養(yǎng)反硝化

激進(jìn)反硝化過(guò)程需要以有機(jī)物作為電子供體及碳源以供細(xì)菌獲取能量并合成自身菌體，這些反硝化細(xì)菌屬于異養(yǎng)型細(xì)菌。其實(shí)，反硝化的實(shí)質(zhì)在于細(xì)菌在還原硝酸鹽的過(guò)程中獲取能量，細(xì)菌并不在意這個(gè)過(guò)程叫什么，想要獲取的只是反應(yīng)過(guò)程中釋放的化學(xué)能，至于硝酸鹽變?yōu)榈獨(dú)庵皇谦@取能量中的副產(chǎn)物。因此，自養(yǎng)反硝化過(guò)程中，自養(yǎng)細(xì)菌采用無(wú)機(jī)物作為電子供體，將硝酸鹽還原并從中獲取化學(xué)能量用于合成及其他生命活動(dòng)。

相比于異養(yǎng)反硝化，自養(yǎng)反硝化不需要有機(jī)物作為碳源和能源，因此較為適合用于低碳氮比廢水或低有機(jī)物濃度廢水的脫氮過(guò)程。目前，已發(fā)現(xiàn)可以作為自養(yǎng)反硝化電子供體的物質(zhì)包括氫氣、硫、硫離子、硫化氫、硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫氰酸鹽、二價(jià)鐵、零價(jià)鐵、二價(jià)錳等?？紤]到自養(yǎng)反硝化菌的功能菌為自養(yǎng)菌，如何快速高效地獲得大量自養(yǎng)反硝化菌，并將其臨時(shí)穩(wěn)定存留于生化系統(tǒng)中是自養(yǎng)反硝化能否進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.6短程反硝化VS全程反硝化

激進(jìn)生物脫氮中反硝化一般包括從硝酸鹽到氮?dú)獾娜谭聪趸^(guò)程，而短程反硝化則可理解為全程反硝化過(guò)程中的一部分，具體囊括過(guò)程則根據(jù)需要而定。由于反硝化過(guò)程是電子供體，考慮到罕見(jiàn)異養(yǎng)反硝化的電子供體為有機(jī)物，短程反硝化相比于全程反硝化所需要的電子供體更少，因此可以有效減少碳源消耗。目前，短程反硝化主要存在兩種主要研究方向，其一是與厭氧氨氧化偶聯(lián)，通過(guò)堅(jiān)持硝酸鹽還原到亞硝酸鹽為厭氧氨氧化提供亞硝酸鹽來(lái)源，其二是與短程硝化偶聯(lián)，將短程硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽還原至氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)短程硝化反硝化?，F(xiàn)階段短程反硝化的主要技術(shù)問(wèn)題包括：南京純水設(shè)備如何臨時(shí)穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)反硝化過(guò)程的針對(duì)性控制，以及如何降低反硝化過(guò)程中一氧化二氮等溫室氣體的排放量。

4總結(jié)與展望

1污水生化處置的核心是微生物，一線技術(shù)人員對(duì)工藝參數(shù)與環(huán)境條件的調(diào)試應(yīng)在考慮本錢(qián)的前提下盡量實(shí)現(xiàn)對(duì)特定微生物的針對(duì)富集，為特定微生物的生長(zhǎng)代謝提供良好條件是關(guān)鍵。

2激進(jìn)生物脫氮理論與新型生物脫氮理論的發(fā)展建立在特定微生物的特定功能這一基礎(chǔ)上。針對(duì)不同類(lèi)型污水，不同的脫氮理論與工藝可能存在自身優(yōu)勢(shì)與限制，無(wú)法進(jìn)行的一概而論。

3生物脫氮理論的探討與工程實(shí)際并不矛盾，充沛了解生物脫氮過(guò)程及其功能細(xì)菌的特點(diǎn)可以更科學(xué)高效地指導(dǎo)我運(yùn)行與調(diào)試工作，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作中的第一手資料則為理論分析提供依據(jù)。

4盡管新型生物脫氮理論的發(fā)展大多仍處于小試與中試規(guī)模，其在實(shí)際規(guī)模與環(huán)境條件下的擴(kuò)大與應(yīng)用尚需解決大量技術(shù)細(xì)節(jié)與實(shí)踐限制，這些理論在未來(lái)污水處置過(guò)程中的珍貴價(jià)值不容忽視。