1. 引言
污水處理行業(yè)從業(yè)者對污水脫氮又熟悉又頭疼。說熟悉，是因為現(xiàn)階段絕大多數(shù)的污水處理設(shè)施中都會加入具有氨氮及總氮去除的功能單元;說頭疼，則是因為很多現(xiàn)有設(shè)施的氮素去除效果無法滿足各地區(qū)愈發(fā)嚴格的排放標準限制�？紤]到易行性、經(jīng)濟性等因素，國內(nèi)外污水處理中對于氮素污染物的去除普遍采用基于生物法的處理工藝。除了傳統(tǒng)的硝化-反硝化理論外，近年來突破常規(guī)認知的生物脫氮新理論也不斷出現(xiàn)，在環(huán)保展會中，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。本文主要介紹傳統(tǒng)生物脫氮過程及新型生物脫氮過程的基本理論，旨在幫助大家更好地理解生物脫氮過程。
2. 傳統(tǒng)生物脫氮過程
2.1 傳統(tǒng)生物脫氮過程簡介
目前在工程實踐中應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)生物脫氮過程主要包含好氧硝化-缺氧反硝化兩部分組成，其過程如圖1所示。進水中蛋白質(zhì)等有機氮經(jīng)過氨化細菌的脫氨作用轉(zhuǎn)化為氨氮，隨后氨氮在好氧條件下由自養(yǎng)型的亞硝化細菌和硝化細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、一氧化二氮及氮氣等氣體離開系統(tǒng)完成脫氮。
由圖1可知，進水中氮素在生物處理過程中經(jīng)歷了由多種不同細菌參與的轉(zhuǎn)化過程，由于細菌是生物轉(zhuǎn)化的“執(zhí)行者”，假如環(huán)境條件對于負責(zé)某項功能的細菌不利，那么這一部分轉(zhuǎn)化過程就可能出現(xiàn)問題。在工程中為改善生化系統(tǒng)脫氮性能，調(diào)試人員大多會從溶解氧含量、有機物含量、堿度及環(huán)境條件沖擊等幾方面入手。其實，在這些宏觀參數(shù)的調(diào)節(jié)背后，技術(shù)人員所做的一切都是為了更好地滿足脫氮過程中不同微生物的生長代謝特點，簡單來說就是“投其所好”。因此，借鑒這一微生物視角對污水處理生化系統(tǒng)進行分析，為執(zhí)行特定功能的微生物提供更好的生長代謝條件，就可以幫助我們更好地實現(xiàn)高效脫氮。
2.2 傳統(tǒng)生物脫氮細菌特點
本文簡單總結(jié)傳統(tǒng)生物脫氮不同功能微生物的特點如圖2所示，供大家參考。在實踐中，大家可根據(jù)針對對象及功能菌群菌的特點，通過參數(shù)調(diào)節(jié)促進那些我們所需要的微生物的良好生長代謝。
由圖2可知，氨化細菌可以利用有機物獲取能量并進行生長代謝，且其在好氧和缺氧環(huán)境都可生長，這些特點使得氨化細菌生長迅速、分布廣泛，在生化系統(tǒng)中很少成為問題所在。因此，我們主要探討亞硝化菌、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程，是生化系統(tǒng)中氨氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來看，亞硝化細菌是一類在好氧條件利用無機碳源合成自身菌體、利用氧化氨氮釋放能量的化能(能量來源)-好氧(溶氧要求)-自養(yǎng)(碳源類型)細菌。
針對碳源類型，亞硝化菌需要利用無機碳源進行合成代謝，亞硝化細菌生長緩慢，在生化系統(tǒng)中所占總量較小，因此其對于外界環(huán)境影響較為敏感，低溫環(huán)境、負荷沖擊、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;針對能量來源和溶氧要求，亞硝化菌通過在好氧環(huán)境下氧化氨氮獲取化學(xué)能供給自身的生長代謝，因此充足的溶解氧以及適宜的氨氮濃度是維持亞硝化菌良好生長的必需條件。此外，由于亞硝化過程會導(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，避免pH值過低導(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程，其與亞硝化細菌經(jīng)常出現(xiàn)在相近區(qū)域，特點也較為相似。從微生物學(xué)角度來看，硝化細菌是一類在好氧條件利用無機碳源合成自身菌體、利用氧化亞硝酸鹽釋放能量的化能(能量來源)-好氧(溶氧要求)-自養(yǎng)(碳源類型)細菌。
針對碳源類型，硝化菌需要利用無機碳源進行合成導(dǎo)致其生長緩慢，在生化系統(tǒng)中所占總量較小，因此其對于外界環(huán)境影響較為敏感，低溫環(huán)境、負荷沖擊、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;針對能量來源和溶氧要求，硝化菌通過在好氧環(huán)境下氧化亞硝酸鹽獲取化學(xué)能供給自身的生長代謝，因此充足的溶解氧以及適宜的亞硝酸鹽濃度(主要來自于氨氮被氧化生成的亞硝酸鹽)是維持硝化菌良好生長的必需條件。此外，由于硝化過程會導(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，避免pH值過低導(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程，是生化系統(tǒng)中硝酸鹽氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來看，常規(guī)的反硝化細菌是一類在缺氧條件利用有機碳源合成自身菌體、利用氧化有機物釋放能量的化能-缺氧-異養(yǎng)細菌。在反硝化過程中，有機物充當電子供體，硝酸鹽充當電子受體，在電子傳遞過程中，有機物失去電子被氧化，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。
由于反硝化菌可以利用有機碳源，其生長較快，污水處理中生化系統(tǒng)污泥普遍存在大量反硝化細菌，占據(jù)較大的生物量比例。因此，為了促進硝酸鹽在反硝化過程中被去除，充足的有機碳源、良好的缺氧環(huán)境是必不可少的。有機碳源方面，進水提供的有機物的可生化性(BOD/COD比例)和含量(BOD/TN比例)多用于判斷有機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取代硝酸鹽充當細菌電子傳遞中的電子受體，導(dǎo)致反硝化無法順利進行，同時好氧下反硝化細菌用于反硝化的硝酸鹽還原酶及相關(guān)酶系會受到抑制，也導(dǎo)致反硝化無法進行。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 新型生物脫氮過程
傳統(tǒng)生物脫氮理論積累多年，并在工程實踐中廣泛應(yīng)用，但也存在一些不足。由于傳統(tǒng)脫氮中硝化與反硝化過程對于溶解氧與有機物需求不同，這導(dǎo)致硝化與反硝化很難在時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、縮短脫氮過程流程、降低構(gòu)筑物占地一直是研究熱門。在研究人員對生物脫氮中物料守恒、能量代謝等方面的持續(xù)關(guān)注下，一些相對新穎的生物脫氮過程逐漸被提出并完善，接下來本文將對幾種常見新型生物脫氮過程進行簡單介紹。
3.1 新型生物脫氮匯總
近年來，短程硝化、厭氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脫氮過程逐漸引起人們注意，圖3匯總了近年來常見新型生物脫氮理論。標紅處是該項新型生物脫氮過程與傳統(tǒng)生物脫氮過程的區(qū)別所在。
3.2 厭氧氨氧化VS好氧氨氧化
傳統(tǒng)生物脫氮中，氨氧化(即亞硝化)過程為好氧過程，細菌需要溶解氧作為電子受體實現(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，越來越多的厭氧氨氧化研究報告拓展了我們對于生物脫氮的認知范圍。除了污水處理，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，其對于地球范圍內(nèi)氮素循環(huán)的貢獻不容忽視。
厭氧氨氧化細菌可以在厭氧環(huán)境下以氨氮為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體，產(chǎn)生氮氣和少量硝酸鹽。由于厭氧氨氧化菌一般呈現(xiàn)紅色，因此也常常被稱為“紅菌”。厭氧氨氧化菌是自養(yǎng)微生物，以二氧化碳等無機物為碳源進行自身生長合成。由于厭氧氨氧化無需好氧曝氣條件與有機碳源，其在曝氣能耗削減與有機碳源節(jié)約方面有著顯著優(yōu)勢，因此近年來厭氧氨氧化成為發(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，通過短程硝化將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽，并與剩余氨氮進行厭氧氨氧化反應(yīng)。
在工藝設(shè)計中，短程硝化與厭氧氨氧化過程可在同一工段進行，也可分為兩段進行。目前厭氧氨氧化技術(shù)在國內(nèi)外已有中試乃至實際規(guī)模運行案例，相比于主流厭氧氨氧化(污水處理的主線流程)，污水處理廠的側(cè)流(污泥處理中的消解液)厭氧氨氧化處理發(fā)展較快，這是由于側(cè)流厭氧氨氧化過程中有機物濃度、氨氮濃度、溫度等相關(guān)因素較為理想，而主流過程中則存在較多不利于厭氧氨氧化的條件，因此主流厭氧氨氧化的擴大與推廣仍存在不少技術(shù)問題有待解決。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。
3.3 短程硝化VS全程硝化
傳統(tǒng)硝化過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源，其二是與短程反硝化偶聯(lián)，實現(xiàn)氮素的最終去除。短程硝化的實現(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，以實現(xiàn)短程硝化�，F(xiàn)階段短程硝化的主要技術(shù)問題在于：如何在不同環(huán)境下(溫度、有機物含量等因素)實現(xiàn)對于氨氮到亞硝酸鹽這一轉(zhuǎn)化過程的長期穩(wěn)定維持。
3.4 好氧反硝化VS缺氧反硝化
傳統(tǒng)生物脫氮理論中，反硝化過程需要在缺氧環(huán)境下進行，而近年來不斷有新菌株被發(fā)現(xiàn)具有在好氧環(huán)境下進行硝酸鹽還原的能力，這類菌株被稱為好氧反硝化菌，它們可以在好氧條件下同步去除硝酸鹽與有機物，并可通過同化或異養(yǎng)硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的出現(xiàn)，使得在好氧環(huán)境下進行同步硝化-反硝化過程成為可能。
好氧反硝化細菌之所以能在好氧環(huán)境下進行反硝化，可能是由于細菌內(nèi)部含有在有氧環(huán)境下能夠正常表達的與脫氮相關(guān)的酶系統(tǒng)(酶是微生物轉(zhuǎn)化氮素的實際“執(zhí)行者”，微生物體內(nèi)酶的活性決定了相對應(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了好氧反硝化的進行。目前已有大量好氧反硝化細菌被篩選鑒定并考察相關(guān)脫氮性能，采用好氧反硝化細菌作為菌種來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，其準確機理仍在探索中，同時，關(guān)于好氧條件的準確界定也需要進一步探討。
3.5 自養(yǎng)反硝化VS異養(yǎng)反硝化
傳統(tǒng)反硝化過程需要以有機物作為電子供體及碳源以供細菌獲取能量并合成自身菌體，這些反硝化細菌屬于異養(yǎng)型細菌。其實，反硝化的本質(zhì)在于細菌在還原硝酸鹽的過程中獲取能量，細菌并不在意這個過程叫什么，他們想要獲取的只是反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能，至于硝酸鹽變?yōu)榈獨庵皇谦@取能量中的副產(chǎn)物。因此，在自養(yǎng)反硝化過程中，自養(yǎng)細菌采用無機物作為電子供體，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。
相比于異養(yǎng)反硝化，自養(yǎng)反硝化不需要有機物作為碳源和能源，因此較為適合用于低碳氮比廢水或低有機物濃度廢水的脫氮過程。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、二價鐵、零價鐵、二價錳等�？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，并將其長期穩(wěn)定存留于生化系統(tǒng)中是自養(yǎng)反硝化能否進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。
3.6 短程反硝化VS全程反硝化
傳統(tǒng)生物脫氮中反硝化一般包括從硝酸鹽到氮氣的全程反硝化過程，而短程反硝化則可理解為全程反硝化過程中的一部分，具體囊括過程則根據(jù)需要而定。由于反硝化過程是電子供體，考慮到常見異養(yǎng)反硝化的電子供體為有機物，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)，通過保持硝酸鹽還原到亞硝酸鹽為厭氧氨氧化提供亞硝酸鹽來源，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氣實現(xiàn)短程硝化反硝化�，F(xiàn)階段短程反硝化的主要技術(shù)問題包括：如何長期穩(wěn)定高效地實現(xiàn)反硝化過程的針對性控制，以及如何降低反硝化過程中一氧化二氮等溫室氣體的排放量。
4 總結(jié)與展望
(1)污水生化處理的核心是微生物，一線技術(shù)人員對工藝參數(shù)與環(huán)境條件的調(diào)試應(yīng)在考慮成本的前提下盡量實現(xiàn)對特定微生物的針對富集，為特定微生物的生長代謝提供良好條件是關(guān)鍵。
(2)傳統(tǒng)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。針對不同類型污水，不同的脫氮理論與工藝可能存在自身優(yōu)勢與限制，無法進行絕對化的一概而論。
(3)生物脫氮理論的探討與工程實際并不矛盾，充分了解生物脫氮過程及其功能細菌的特點可以更科學(xué)高效地指導(dǎo)我們的運行與調(diào)試工作，同時現(xiàn)場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，其在實際規(guī)模與環(huán)境條件下的擴大與應(yīng)用尚需解決大量技術(shù)細節(jié)與實踐限制，這些理論在未來污水處理過程中的寶貴價值不容忽視。(來源：環(huán)保工程師 作者：水環(huán)境大T)
