短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展_冯灵芝

河南科技2010.1上生物脱氮是去除水中氨氮的一种较为经济的方法，其原理就是模拟自然生态环境中氮的循环，利用硝化菌和反硝化菌的联合作用，将水中氨氮转化为氮气以达到脱氮目的。目前，应用广泛的A/O、SBR、氧化沟等脱氮工艺就是在此理论基础上开发的，但这些脱氮工艺普遍存在氨氮负荷过高而引起的出水不达标、消耗有机物、产生剩余污泥多、消耗能源多等问题。自1975年VoetJ.P在JW-PCE上报道发现在硝化过程中HNO2积累的现象并首次提出短程硝化反硝化脱氮以来，短程硝化反硝化作为一种新型脱氮技术得到广泛的关注。一、短程硝化反硝化的脱氮机理及优势生物脱氮包括硝化和反硝化2个阶段，主要涉及亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌3类微生物。传统生物脱氮途径如图1所示。图1传统生物脱氮途径短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节。该技术具有很大的优势：1.节省25%氧供应量，降低能耗；2.减少40%的碳源，在Ｃ/Ｎ较低的情况下实现反硝化脱氮；3.缩短反应历程，节省50%的反硝化池容积；4.降低污泥产量，硝化过程可少产污泥33%~35%左右，反硝化阶段少产污泥55%左右。二、短程硝化反硝化技术的研究进展亚硝酸盐很不稳定，硝化菌的作用下很快氧化成硝酸盐，一般条件下实现短程硝化反硝化是比较困难的。短程硝化反硝化技术的关键是将硝化控制在亚硝化阶段，也即是对亚硝化菌和硝化菌的控制。因此，如何实现短程硝化成为国内外学者对短程硝化反硝化技术的研究重点，研究方向可概括为2方面：一方面，从微生物学角度，筛选培养出高效亚硝化菌和硝化菌，研究其生化特征；另一方面，从脱氮工艺的运行效果来研究运行参数对短程硝化的影响。1.微生物种类及特性研究进展。参与短程硝化反硝化的微生物主要有亚硝化菌、硝化菌及反硝化菌，明确亚硝化菌、硝化菌和反硝化的生理特性，筛选培养高效的亚硝化菌和以亚硝酸盐为电子受体的反硝化菌对有效控制短程硝化反硝化的脱氮效果有重要作用。目前的研究发现，亚硝化菌为硝化杆菌科的5个属：亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），亚硝化螺菌属（Nitrosospira），亚硝化球菌属（Nitrosococcus），亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio），亚硝化叶状菌属（Nitrosolobus），总共有15种亚硝化细菌。廖雪义等从土壤中分离到一株亚硝化速率较高的菌株，鉴定为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonassp），发现该菌株能同时进行硝化和反硝化作用。硝化菌主要由硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化球菌属（Nitrococcus）、硝化螺菌属（Nitrospira）和硝化刺菌属（Nitrospina）4个属组成。近年来，通过对硝化菌16SrRNA的核酸探针测试表明：完成亚硝态氮氧化的优势菌种为硝化螺菌属而非硝化杆菌属。亚硝化菌和硝化菌生化特性比较见表1。上海农林职业技术学院冯灵芝表1亚硝化菌和硝化菌主要生化特征比较自养性需氧性世代时间/h产率系数Y/（mg细胞/mg基质）氧饱和常数K/（mg/L）最适温度/℃最适pH值有毒物质亚硝化菌专性严格好氧，在低氧下能生长8～12（Nitrosococcus）8～24（Nitrosospira）0.04～0.130.2～0.425～30℃7.5～8.0敏感硝化菌兼性严格好氧8h～几天0.02-0.071.2～1.525～30℃7.5～8.0较为敏感氮气（N2）反硝化反硝化亚硝化亚硝酸盐硝酸盐（NH3、NH4+）氨（NO2-）（NO3-）短程硝化反硝化脱氮技术的研究进展79河南科技2010.1上反硝化菌大多数为兼性异养菌，最适pH范围为6.5～7.5，适宜温度20℃～40℃。到目前为止，已分离出60多种反硝化菌，主要分布于3个属：假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱菌属（Alcaligenes）和芽孢杆菌（Bacillus）。有研究发现部分异养反硝化菌由于酶系统的缺乏，只能将NO3--N还原成NO2--N；也有人通过定向筛选法驯化得到了以亚硝酸盐为电子受体的反硝化菌。2.短程硝化运行参数的研究进展。在短程硝化过程中，亚硝化菌和硝化菌的生长速率均受基质、温度、pH值、氧浓度控制、游离氨FA等的影响，基于此，许多学者对短程硝化反应器的运行参数进行了大量研究。（1）温度。亚硝酸菌和硝酸菌对温度变化的敏感性不同，由不同温度下两种菌群的增长速率（见图2）可知，高温条件下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌，利用该动力学特征可实现短程硝化。但目前，对于影响短程硝化的具体温度说法不一致：郑平等认为，温度高于20℃，亚硝化菌的最大比生长速率就会超过硝化菌，而且温度越高，相差越大。因此，将温度控制在20℃以上，就会出现亚硝酸盐的积累。袁林江等认为，1