隨著我國經濟的快速發展以及人民生活水平的不斷提高，大量的生活污水、工業廢水和農業面源污染攜帶含氮物質排入水體，導致河流、湖泊等水體富營養化嚴重，生態系統退化，生態服務功能下降，甚至完全喪失，并呈進一步惡化趨勢。2012年中國環境公報顯示，在全國198個地市級行政區開展的地下水監測中，水質呈較差級和極差級監測點的分別占40.5％和16.8％，主要污染指標為“三氮”（亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨氮）、總硬度、硫酸鹽等。
生物脫氮是目前污水脫氮處理中最為經濟有效的技術，包括硝化和反硝化2個過程。傳統的硝化反硝化只有在碳源充足和大曝氣量條件下才能實現完全反硝化脫氮過程〔1〕；在前置反硝化中，進水COD/TKN＜15時發生不完全反硝化，而我國水質特點為低碳氮比，碳氮比約為3.3～8.5〔2〕，由此需投加碳源，不但增加了處理費用，而且會有CO2氣體排出，污染環境。另外研究表明，投加碳源的量會影響硝化反硝化過程，當碳氮比低于完全反硝化所需的最小值時，可造成亞硝氮積累，發生不完全硝化〔3〕，而當碳源過量時，硝化作用會受到抑制，導致出水中有機物含量增加〔3〕，降低出水水質。因此，針對低碳氮比污水尋求經濟有效的處理技術具有重要意義。筆者針對上述生物脫氮技術中的問題，并結合國內外低碳氮比污水脫氮的最新研究成果，論述了內源反硝化、厭氧氨氧化和氫自養型反硝化等技術在低碳氮比污水處理中的研究進展，分析了各項技術的優缺點和適應條件，以期對我國日益嚴峻的水污染的治理提供參考。
1 內源反硝化
生物反硝化需要有機碳源作為電子受體，用于產能和細胞合成。可用碳源一般有3類：外加碳源、原污水碳源和內部碳源。研究表明，利用原污水碳源的前置反硝化工藝，在進水SCOD/TKN為6∶7時，氮去除率不高〔4〕。而內部碳源與外部碳源相比，內部碳源既可以節省費用，又可以減少剩余污泥產量和降低污泥處置費用。污泥中的有機質也可作為碳源〔5〕，藉此同步實現污泥的減量化、穩定化和資源化。
在活性污泥中，有3種微生物儲存物質可以作為內源反硝化物質，包括多糖（糖原等）、聚羥基脂肪酸PHAs（PHB等）和多磷酸鹽〔6〕，其中以PHB為內源的反硝化研究居多。以下主要論述以PHB為主的內源反硝化研究進展。
1.1 反應機理
當環境中缺乏有機物時，微生物會在厭氧條件下通過消耗本身的原生質進行內源反硝化，生成NH3和N2。隨著內源反硝化的不斷進行，pH連續上升，這是因為反應過程中產生了堿度。反應按式（1）、式（2）進行：
當反硝化進行到終點時，系統內堿度不再增加，同時部分兼性菌開始產酸，pH開始下降。一種化合物作為能源儲存物質需具備以下3個條件：（1）當微生物生長環境中營養物質過量時，剩余化合物可存儲在微生物細胞內；（2）在外部能源量不足用以細胞生長時，存儲的化合物可被利用；（3）在脫氮過程中，化合物可被降解用于提供能量并且作為電子供體〔6〕。
1.2 應用進展
E. A. Dawes等〔8〕研究發現，活性污泥微生物在處于耗氧速率高環境/耗氧速率低環境下，會儲存和降解各種聚合物，如糖原和PHB等。M. Beccari等〔9〕研究發現，在耗氧速率高階段下微生物會儲存更多聚合物用于生物脫氮，儲存的聚合物會在一定時間內聚集起來，不會立即被降解。Lei Qin等〔10〕采用SBR工藝，通過投加不同濃度的碳源（CH3CH2OH）和硝氮（KNO3）形成5個平行池樣，考察了不同條件下顆粒污泥的脫氮效果。結果顯示，只有在硝氮充足而無過量外部碳源的環境下，內源反硝化才會發生；投加碳源和硝氮的池中，會發生PHB積累，當外部碳源不足時，PHB會被降解作為內部碳源。F. Carta等〔11〕通過實驗在SBR反應器中加入醋酸鹽和葡萄糖形成碳氮比相對較高的環境，以刺激PHB和糖原發生積累。實驗表明，糖原的積累和消耗速率均大于PHB，并且兩者互不相影響；當碳源不足時，污泥會利用糖原和PHB進行內源反硝化，但反硝化速率很低。上述研究都是投加一定有機碳源刺激PHB積累。K. Bernat等〔6〕采用SBR工藝，在進水COD/TN為3.5的條件下，通過調整曝氣時間，在無投加碳源刺激的條件下，實現了PHB積累，進而實現了內源反硝化。研究表明，曝氣時間分別為23、11 h時的反應器中反硝化作用去除的氮的質量濃度最高分別為20.13、41.6 mg/L。
1.3 優勢及問題
優勢：內源反硝化避免了外加碳源所造成的不完全硝化反硝化而影響出水水質的問題，充分利用了自身的物質，是一種經濟可行的方法。
存在的問題：對于內源反硝化，在碳氮比相對較高的環境下PHB和糖原才會積累，因此對低碳氮比廢水需加入一定的有機碳源或者改變工藝條件等使碳氮比達到一定范圍，從而刺激PHB和糖原積累。對于碳氮比的最佳取值范圍還需進一步研究。
2 厭氧氨氧化與氫自養型反硝化
研究發現，存在2種能進行脫氮的自養菌：厭氧氨氧化菌〔12〕和氫自養型反硝化菌〔13〕，它們在缺氧條件下進行一系列反應，能夠實現經濟高效脫氮。
2.1 厭氧氨氧化
2.1.1 反應機理
A. A. van de Graaf等〔14〕通過N示蹤實驗，提出了厭氧氨氧化的可能代謝途徑，如圖 1所示。
圖 1 Anammox的可能代謝途徑
他們認為在厭氧氨氧化過程中，NH2OH是最有可能的電子受體。NO2-首先還原成NH2OH，然后厭氧氨氧化菌以NH2OH為電子受體將NH4+氧化成N2H4，N2H4進一步還原為N2，同時產生2H+。當反應中有過量的羥胺和氨時，將發生暫時的N2H4的積累。反應式可寫成：
根據熱力學理論，此反應可自發進行。厭氧氨氧化是一個產能反應，理論上可以提供微生物生長所需要的能量。
2.1.2 應用進展
溶解氧會抑制厭氧氨氧化菌的活性〔15〕，因此反應需在嚴格的厭氧條件下進行，并且硝化作用要控制在亞硝化階段，為厭氧氨氧化提供充足的電子受體。Fan Gao等〔16〕對A/O/A工藝進行了改裝，見圖 2。
圖 2 改裝的A/O/A生物反應器
進水（COD/NH4+-N為1.38～5.01）首先通過水解池去除大部分COD，過剩的COD（VFA）則作為部分非自養反硝化菌的電子供體，硝化池提供充足的亞硝氮，最終在反硝化-厭氧氨氧化池進行脫氮。此反應器啟動階段維持了63 d。運行結果表明，不同的COD/NH4+-N會影響脫氮效率，當COD/NH4+-N為 2.03時，厭氧反硝化速率達到最高，為75％，COD和TN去除率平均分別為91.5％和89.9％；反硝化-厭氧氨氧化中，當COD/NO3--N為0.94～1.01時，非自養菌與厭氧氨氧化菌達到平衡穩定階段。此反應器不需要內部循環，一半的進水進行硝化提供電子受體，COD主要通過厭氧水解去除，與傳統硝化反硝化工藝比較，理論上節省了54.2％的能源，減少了80.1％的CO2的釋放。Jianlong Wang等〔17〕通過實驗采用膨脹顆粒污泥床反應工藝培養出顆粒污泥，利用顆粒污泥在同一反應器中實現了厭氧氨氧化和反硝化。實驗中采用活性污泥做平行樣，進水COD/NH4+-N為2～7.14，COD為500 mg/L。結果表明，顆粒污泥的NH4+-N、TN平均去除率分別為21.7％、54.5％，而好氧活性污泥的NH4+-N、TN平均去除率分別為13.4％、45.5％。
2.1.3 優勢與問題
優勢：厭氧氨氧化由于硝化作用控制在亞硝化階段，可節省62.5％的耗氧量，供氧能耗大幅下降；同時厭氧氨氧化菌是自養菌，直接以NH4+為電子供體，無需投加有機碳源，既節省了運行成本，又減少了二次污染；厭氧氨氧化菌增長率和產率低，降低了污泥產量。
存在的問題：對于厭氧氨氧化菌與反硝化菌共存的研究甚少，反硝化菌相對厭氧氨氧化菌更具有競爭優勢，其產率遠遠大于厭氧氨氧化菌，因此明確適宜上述2種細菌共存的最佳環境，有助于更好地實現反硝化-厭氧氨氧化。Fan Gao等〔16〕在研究中發現，COD/NO3--N控制在1.06～1.61為厭氧氨氧化菌與反硝化菌共存的最佳穩定環境。
2.2 氫自養型反硝化
2.2.1 反應機理
氫自養脫氮微生物為兼性厭氧細菌，利用無機碳（如CO32-、HCO3-）為碳源，以氫氣作為硝酸鹽還原的電子供體進行新陳代謝，最終將硝酸鹽還原為氮氣，并從中獲取能量〔18〕。氫自養脫氮微生物通過反應式（4）、（5）的途徑最終將氫氣還原為氮氣〔19〕。
在反硝化過程中，會消耗H+，造成pH升高，這可能會影響生物代謝或者引起礦物質元素沉淀，降低反硝化速率。在pH＞8.6時，亞硝氮會積累，脫氮速率會明顯下降〔19〕。為避免pH上升，很多研究者通過投加磷酸鹽緩沖劑降低pH，以提高反硝化速率〔20〕。
2.2.2 應用進展
在氫自養型反硝化中，由于氫氣的溶解性低，會造成傳遞效率低，且氫氣在密閉區域累積會引發爆炸，因此，高效率并安全地提供氫氣是氫自養型反硝化得以實現工程應用的關鍵。目前，氫氣的傳遞有氣體滲透膜技術、電化學技術及過飽和氫氣釋放等，其中氣體滲透膜技術能夠更好地傳遞氫氣，不僅可提高氫氣利用率，而且通過較少氣泡的擴散可避免氫氣爆炸。有研究證實〔21〕，通過氣體滲透膜技術，氫氣的利用率可達到近100％。由于氫自養型反硝化菌生物產量較低，因此大多數研究者采用附著生長系統，常用的工藝有固定床〔22〕、膜生物反應器〔23, 24〕、流化床〔25〕。
Peng Li等〔22〕利用固定床工藝處理市政污水處理廠二級出水，供氫方式采用氣體滲透膜技術。結果顯示，在不同的氮負荷下，脫氮率都在96％以上；另外，當出水DO達到4.11、6.74 mg/L時，反硝化速率仍然很高，表明高溶解氧濃度不影響氫自養型反硝化。反應過程中，DO只降低了1.2 mg/L 左右，說明大部分氫都用來硝氮還原了，氫利用率較高。Caixia Lu等〔23〕采用膜生物反應器，以氣體滲透膜技術為供氫方式，分別考察了氮負荷為（96.78±5.05）、（163.16±16.01）、（342.58±31.93） mg/（L·d）時的脫氮效果。研究中發現，隨著氮負荷的增加，脫氮效率升高，都在50％以上；而在氮負荷為（96.78±5.05） mg/（L·d）時，出現了硫酸鹽還原現象，降低了出水質量。B. Rezania等〔24〕同樣利用生物膜反應器，采用過飽和氫氣釋放的供氫方式，對氮負荷為0.11 kg/（m3·d）的進水進行脫氮研究，該反應器SRT為20 d，HRT為3 h。結果顯示，出水硝氮濃度已達到無法檢測到的程度。采用流化床進行低碳氮比廢水脫氮的研究較少，有研究表明〔25〕，為了維持流化床流態化狀態，上向流速度必須高，以致水力停留時間很短，造成不完全脫氮。
2.2.3 優勢及問題
優勢：氫氣來源廣泛，無毒無害，利用其作為電子受體進行反硝化，是一種能源有效利用的脫氮方式，可降低處理費用；氫自養型反硝化菌利用無機物進行新陳代謝，無需任何有機碳源，生物產量低，以致污泥產率低。
存在的問題：氫氣易燃，在密閉區域達到一定量會引發爆炸，因此，需確保安全用氣。在氫自養型反硝化過程中，由于生物的繁殖和無機物的沉淀，會引起膜污染〔26〕，而化學清洗會對生物產生不利影響，并造成大量微生物損失；在低氮負荷處理下，會引起硫酸鹽還原，降低出水質量，對此需進一步深入研究。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結束語
針對低碳氮比污水的脫氮處理，內源反硝化、厭氧氨氧化、氫自養型反硝化均可解決碳源不足的問題。內源反硝化利用微生物自身的物質，可為異養反硝化菌提供有機碳源，但脫氮效率較低，因此，從宏觀上優化工藝運行條件，結合廢水的實際情況進行相應的工藝改造以提高其脫氮速率，是內源反硝化未來研究的主要方向。
厭氧氨氧化與氫自養型反硝化技術是通過利用無機碳源的厭氧氨氧化菌和氫自養菌，來實現脫氮的過程。如前所述，此2種技術對低碳氮比污水均有穩定高效的脫氮效果。但如何控制COD/NH4+-N/NO2--N，使厭氧氨氧化菌與反硝化菌互不影響，還需進一步研究。2種自養細菌，倍增時間長，如何提高其擴增速度，促進大量繁殖，并加以有效持留，對厭氧氨氧化和氫自養型反硝化在低碳氮比廢水處理中的實際應用具有重要的現實意義。
