金澜达环境--污水处理脱氮之生物脱氮技术应用

四川金澜达环境--污水处理脱氮之生物脱氮技术应用：

2.1 传统生物脱氮过程简介

目前在工程实践中应用最广泛的传统生物脱氮过程主要包含好氧硝化-缺氧反硝化两部分组成，其过程如图1所示。进水中蛋白质等有机氮经过氨化细菌的脱氨作用转化为氨氮，随后氨氮在好氧条件下由自养型的亚硝化细菌和硝化细菌逐渐氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，硝酸盐氮在缺氧条件下由异养型的反硝化细菌还原为亚硝酸盐氮，并继续还原为一氧化氮、一氧化二氮及氮气等气体离开系统完成脱氮。

由图1可知，进水中氮素在生物处理过程中经历了由多种不同细菌参与的转化过程，由于细菌是生物转化的“执行者”，假如环境条件对于负责某项功能的细菌不利，那么这一部分转化过程就可能出现问题。在工程中为改善生化系统脱氮性能，调试人员大多会从溶解氧含量、有机物含量、碱度及环境条件冲击等几方面入手。其实，在这些宏观参数的调节背后，技术人员所做的一切都是为了更好地满足脱氮过程中不同微生物的生长代谢特点，简单来说就是“投其所好”。因此，借鉴这一微生物视角对污水处理生化系统进行分析，为执行特定功能的微生物提供更好的生长代谢条件，就可以帮助我们更好地实现高效脱氮。

2.2 传统生物脱氮细菌特点

由图2可知，氨化细菌可以利用有机物获取能量并进行生长代谢，且其在好氧和缺氧环境都可生长，这些特点使得氨化细菌生长迅速、分布广泛，在生化系统中很少成为问题所在。因此，我们主要探讨亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌。

2.2.1 亚硝化菌

2.2.2 硝化菌

2.2.3 反硝化菌

反硝化菌主要参与系统中硝酸盐及亚硝酸盐被还原的过程，是生化系统中硝酸盐氮去除的主要功能菌。从微生物学角度来看，常规的反硝化细菌是一类在缺氧条件利用有机碳源合成自身菌体、利用氧化有机物释放能量的化能-缺氧-异养细菌。在反硝化过程中，有机物充当电子供体，硝酸盐充当电子受体，在电子传递过程中，有机物失去电子被氧化，硝酸盐得到电子被还原，化学能被释放用于微生物的合成及其他生命活动。

由于反硝化菌可以利用有机碳源，其生长较快，污水处理中生化系统污泥普遍存在大量反硝化细菌，占据较大的生物量比例。因此，为了促进硝酸盐在反硝化过程中被去除，充足的有机碳源、良好的缺氧环境是必不可少的。有机碳源方面，进水提供的有机物的可生化性（BOD/COD比例）和含量（BOD/TN比例）多用于判断有机物碳源是否适宜并足够系统用于脱氮去除。溶解氧方面，由于好氧条件下氧气会取代硝酸盐充当细菌电子传递中的电子受体，导致反硝化无法顺利进行，同时好氧下反硝化细菌用于反硝化的硝酸盐还原酶及相关酶系会受到抑制，也导致反硝化无法进行。

3 新型生物脱氮过程

3.1 新型生物脱氮汇总

近年来，短程硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脱氮过程逐渐引起人们注意，图3汇总了近年来常见新型生物脱氮理论。标红处是该项新型生物脱氮过程与传统生物脱氮过程的区别所在。

3.2 厌氧氨氧化VS好氧氨氧化

传统生物脱氮中，氨氧化（即亚硝化）过程为好氧过程，细菌需要溶解氧作为电子受体实现氨氮的氧化。从1989年欧洲科学家在厌氧反应器中发现了厌氧氨氧化现象起，越来越多的厌氧氨氧化研究 告拓展了我们对于生物脱氮的认知范围。除了污水处理，厌氧氨氧化还被发现存在于地球上的多种自然环境，其对于地球范围内氮素循环的贡献不容忽视。

厌氧氨氧化细菌可以在厌氧环境下以氨氮为电子供体、以亚硝酸盐为电子受体，产生氮气和少量硝酸盐。由于厌氧氨氧化菌一般呈现红色，因此也常常被称为“红菌”。厌氧氨氧化菌是自养微生物，以二氧化碳等无机物为碳源进行自身生长合成。由于厌氧氨氧化无需好氧曝气条件与有机碳源，其在曝气能耗削减与有机碳源节约方面有着显著优势，因此近年来厌氧氨氧化成为发展最迅猛的新型脱氮理论之一。由于需要亚硝酸盐作为电子受体，厌氧氨氧化常与短程硝化结合，通过短程硝化将部分氨氮氧化为亚硝酸盐，并与剩余氨氮进行厌氧氨氧化反应。

在工艺设计中，短程硝化与厌氧氨氧化过程可在同一工段进行，也可分为两段进行。目前厌氧氨氧化技术在国内外已有中试乃至实际规模运行案例，相比于主流厌氧氨氧化（污水处理的主线流程），污水处理厂的侧流（污泥处理中的消解液）厌氧氨氧化处理发展较快，这是由于侧流厌氧氨氧化过程中有机物浓度、氨氮浓度、温度等相关因素较为理想，而主流过程中则存在较多不利于厌氧氨氧化的条件，因此主流厌氧氨氧化的扩大与推广仍存在不少技术问题有待解决。此外，基于颗粒污泥技术的短程硝化-厌氧氨氧化技术也是研究热门。

3.3 短程硝化VS全程硝化

3.4 好氧反硝化VS缺氧反硝化

传统生物脱氮理论中，反硝化过程需要在缺氧环境下进行，而近年来不断有新菌株被发现具有在好氧环境下进行硝酸盐还原的能力，这类菌株被称为好氧反硝化菌，它们可以在好氧条件下同步去除硝酸盐与有机物，并可通过同化或异养硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的出现，使得在好氧环境下进行同步硝化-反硝化过程成为可能。

3.5 自养反硝化VS异养反硝化

传统反硝化过程需要以有机物作为电子供体及碳源以供细菌获取能量并合成自身菌体，这些反硝化细菌属于异养型细菌。其实，反硝化的本质在于细菌在还原硝酸盐的过程中获取能量，细菌并不在意这个过程叫什么，他们想要获取的只是反应过程中释放的化学能，至于硝酸盐变为氮气只是获取能量中的副产物。因此，在自养反硝化过程中，自养细菌采用无机物作为电子供体，将硝酸盐还原并从中获取化学能量用于合成及其他生命活动。

相比于异养反硝化，自养反硝化不需要有机物作为碳源和能源，因此较为适合用于低碳氮比废水或低有机物浓度废水的脱氮过程。目前，已发现可以作为自养反硝化电子供体的物质包括氢气、硫、硫离子、硫化氢、硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫氰酸盐、二价铁、零价铁、二价锰等。考虑到自养反硝化菌的功能菌为自养菌，如何快速高效地获得大量自养反硝化菌，并将其长期稳定存留于生化系统中是自养反硝化能否进一步发展的关键技术问题。

3.6 短程反硝化VS全程反硝化