摘要：如今在脫氮領(lǐng)域里，發(fā)現(xiàn)了同步硝化反硝化的脫氮除方法。同步硝化反硝化是一種經(jīng)濟節(jié)能的脫氮工藝。傳統(tǒng)理念，硝化反硝化過程必須分開，但是事實上，在一定范圍內(nèi)同步硝化反硝化能實現(xiàn)分開后的效果。這里我將對同步硝化反硝化做一下介紹。

關(guān)鍵詞：同步硝化反硝化 碳氮比 DO濃度

現(xiàn)已知在傳統(tǒng)生物脫氮過程中，N2O和NO等多種氮氧化物氣體既能產(chǎn)生于硝化階段又能產(chǎn)生于反硝化階段，但主要產(chǎn)生于硝化過程[1-4]。文獻[5]報道，當硝化鹽在缺氧的密閉容器內(nèi)被反硝化時，水體中的N2O必須積累到一定濃度才能還原為氣體N2逸出，N2O最大積累量可達到硝酸鹽還原量的50%到80%[6]。這就給生物脫氮提出了新的問題：減少氮氧化物的產(chǎn)生，以減少對大氣的污染。

同步硝化反硝化脫氮過程是一種新的廢水生物脫氮處理工藝，在好氧狀態(tài)下硝化和反硝化在一個反應(yīng)器內(nèi)同時進行。在敞口和曝氣的環(huán)境中，水體中的N2O很難有效積累達到還原為N2，目前好氧反硝化的代謝機理和脫氮反應(yīng)模式尚不十分清楚，因此不能肯定脫氮產(chǎn)物和發(fā)生量與傳統(tǒng)反硝化是相同的。

1? ?同步硝化反硝化的理論

傳統(tǒng)的廢水生物脫氮是由兩個階段完成的，即好氧條件下的硝化階段和厭氧條件下的反硝化階段。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化作為兩個獨立的階段分別在不同反應(yīng)器中進行，如A/A/O、A/O等；或者用來間歇的好氧和厭氧條件來運行，如SBR、氧化溝等。

自從20世紀80年代初科學家在純菌種和混合菌種的培養(yǎng)中相繼發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化[7-8]和好氧反硝化[3、7、9]現(xiàn)象以來，在以后的二十年里，越來越多的學者發(fā)現(xiàn)了同時硝化反硝化的機理，目前主要有微生物絮體的微環(huán)境理異養(yǎng)硝化、好氧反硝化、短程硝化和反硝化等理論[10]。

關(guān)于同步硝化反硝化機理的研究目前國內(nèi)外比較一致認同的理論有：(1) 微環(huán)境理論。微生物的體積非常小，因此微生物個體所處的環(huán)境也微小的，微生物直接決定微生物個體的活動狀態(tài)，但是由于微生物的代謝活動和相互間的作用，微環(huán)境所處的狀態(tài)是可變的[11]；宏觀環(huán)境的變化往往導致微環(huán)境的急劇變化和不均勻分布，從而影響微生物群體的活動狀態(tài)，并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一的現(xiàn)象[12]。氧傳遞和硝態(tài)氮傳遞的不均勻性，曝氣狀態(tài)下菌膠團內(nèi)也可存在一定比例的缺氧微環(huán)境，因此在曝氣狀態(tài)下也可以出現(xiàn)某種程度的反硝化，也就是所謂的同步硝化反硝化現(xiàn)象[13]。(2) 好氧反硝化菌理論。近年來，硝化反硝化的理論有了新的重要發(fā)現(xiàn)，即許多異氧菌也能完成有機氮和無機氮（氨氮）的硝化過程。而且在很多的生態(tài)系統(tǒng)中，還比自氧菌占優(yōu)勢[14-15]；異氧硝化菌同時也是好氧反硝化，因而能在好氧條件下把氨氮直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)最終產(chǎn)物；另外，還發(fā)現(xiàn)一些其他細菌也能耗氧反硝化，如生絲微菌屬[16]。(3) 中間產(chǎn)物理論。關(guān)于硝化作用的生物化學機制，目前已初步搞清楚是按以下途徑進行：NH3?H2N?OH?N2?N2O(HNO) ?NO?NO2?NO3-。因為好氧硝化或好氧反硝化產(chǎn)生了中間產(chǎn)物NO2作為氣體逸出，構(gòu)成了好氧條件一部分總氮的損失[17]。

與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，同時硝化和反硝化具有不可比擬的優(yōu)越性：可以減少反應(yīng)設(shè)備的數(shù)量和尺寸；降低氧氣的供給，從而節(jié)省能耗；減少甚至不需要碳源的投加，節(jié)省藥劑費用等。

2?? 同步硝化反硝化的影響因素

2.1碳氮比的影響

反硝化需要消耗一定量的有機碳源，而廢水成分不同，其可生化性不同，從而導致反硝化速率和最佳碳氮比不同。COD濃度太高對脫氮不利，當碳氮比太大時，系統(tǒng)將發(fā)生“碳穿透”現(xiàn)象(Carbon Breakthrough)，即過多的碳源阻礙了硝化作用的進行。胡宇華[18]得出的同步硝化反硝化C:N:P的最佳范圍是(60~140):5:1，保證99.5%的氨氮去除率的有機碳源濃度為400～1000mg/L。實驗者還研究了碳源投加方式對SND的影響，發(fā)現(xiàn)采用多次分批補料相對于一次性給料更為合理。

高景峰[19]通過在線模糊控制，捕捉PH和ORP的特征點，實現(xiàn)了反硝化時間的實時控制。同時，通過檢測PH斜率的變化可以判斷碳源是否充足，從而調(diào)控碳源的投加。促進反硝化過程的結(jié)束。并通過比較不同碳源的pH和ORP變化曲線，可以優(yōu)選出適合某一系統(tǒng)的碳源。

對C/N較低的廢水，如某些工業(yè)廢水和垃圾滲濾液，實現(xiàn)高效同步硝化反硝化的條件之一是使流入的碳源盡量少地被好氧氧化。因為好氧條件下碳源首先被異養(yǎng)菌大量消耗，使系統(tǒng)中碳源處于較低水平，反硝化菌只能利用內(nèi)源碳進行反硝化，而內(nèi)源反硝化化反應(yīng)速度慢，僅為5.4 mgNO3-/(L·h)[20]，因而SND效率就低。改進的方法是采取非連續(xù)進液方式，使入流的碳源在短時間內(nèi)被微生物體吸附和吸收，這樣生物體可以利用預(yù)先儲存的碳源來完成反硝化。

石利軍[21]等人同時認為，在循環(huán)流生物膜反應(yīng)器中，隨著C/N的增大，COD去除率、硝化率、反硝化率都增加。當C/N大于20：1時，COD去除效果較好，去除率達到60%以上。當C/N降低到10：1時，COD去除效果持續(xù)下降，懸浮物增多。C/N為30：1時，COD去除率、硝化率、反硝化率分別達到90%、80%、70%以上。

2.2? DO的影響

王志盈[12]發(fā)現(xiàn)控制DO濃度為0.5～1.0mg/L時，由于亞硝酸菌對有限溶解氧的競力強于硝酸菌，可實現(xiàn)亞硝酸80%以上的穩(wěn)定積累。

Hyungseok[22]在一個間歇曝氣連續(xù)進液的反應(yīng)器(IDEA)中，使得好氧缺氧和厭氧過程交替出現(xiàn)，又利用硝酸菌對外界環(huán)境變化的適應(yīng)性較亞硝酸菌更慢的特點，逐步淘汰前者，實現(xiàn)亞硝酸鹽型同步硝化反硝化。試驗者得出一個周期內(nèi)理想DO濃度曲線，和保證出水NH4+和NOX-值都較低的最佳平均DO值(1.0到1.5mg/L)，同時指出采用從底部連續(xù)進液方式對于實現(xiàn)亞硝酸鹽型同步硝化反硝化具有顯著意義。

石利軍[21]等人認為，在循環(huán)流生物膜反應(yīng)器中，隨著DO濃度的降低，COD去除率、硝化率、反硝化都降低。當濃度降低到0.5mg/L時，COD去除率、硝化率、反硝化率分別為60%、40%、10%，硝化菌是好氧菌，反硝化菌是兼性缺氧菌。由于受到膜內(nèi)擴散阻力的影響，生物膜法比活性污泥法所需的DO濃度要高。

3? ?結(jié)語

我認為同步硝化反硝化去除氮的效果與單純的硝化或者反硝化差不多，但是它在經(jīng)濟上的有時卻顯而易見。它不僅實現(xiàn)了硝化與反硝化在同一個密閉容器中同步進行，而且可以節(jié)省大量能耗，節(jié)省藥劑費用，使投資成本大大降低。而C/N和DO作為影響同步硝化反硝化的兩大因素，如果控制好，可是使同步硝化反硝化效果達到最佳。將C/N和DO分別控制在5：1和0.5～1.0mg/L左右，能更好的達到同步硝化反硝化的最佳效果。

這種同步硝化反硝化的新技術(shù)的開發(fā)對于脫氮領(lǐng)域而言意義是非常重大的，是一個新的起點，新的變革！

參考文獻

[1] Anderson I C, Poth M, A comparison of NO and N2O production by the autotrophic nitrifier nitrosomonas europaea and the heterotophic nitrifier alcaligenes faecalis [J], Appl Environ Microbiol, 1993 59(11):3525-3533

[2] Papen H, von Berg R, Heterotrophic nitrification by alcaligenes faecalis: NO2-,NO3-.N2O and NO production in exponentially growing cultures[J]. Appl Environ Microbiol, 1989, 55(8):2068-2072

[3] 呂錫武,李鋒,稻森悠平等,氨氮廢水處理過程中的好氧反硝化研究[J],給水排水,2000, 26(4):17-20.

[4]劉軍,王斌,潘登等,好氧脫氮過程中脫氮途徑的初探[J].工業(yè)水處理, 2003, 23(11):53-56.

[5] 張光亞,閔航,陳美慈等,氧化亞氮形成的微生物學分子機制研究發(fā)展[J],應(yīng)用與環(huán)境生物學報, 2001,7(5):507-510.

[6]Marshall Spector, Production and decomposition of nitrous oxide during biological denitrification [J]. Water Environ Res, 1998, (70):1096-1098.

[7]Lesley A Robertson, Ed W J Van Niel, Rob A M Torremans etal. Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic chemostat cultures of Thiosphaera pantotropha [J]. Appl. Environ.Microbiol, 1998, 54(11): 2812-2818.

[8]Domenic Castignetti, Thomas C Hollocher, Heterotrophic nitrification among denitrifiers[J]. Appl. Environ. Microbiol, 1984, 47(4):620-623.

[9]Christine Helmer, Sabine Kunst, Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system [J]. Wat. Sci. Tech., 1998,37(4-5):183-187.

[10] 張鵬,周琪,宋樂平等,同時硝化反硝化研究進展[J],重慶環(huán)境科學,2001,23(6):20-24.

[11] 嚴煦世,水和廢水技術(shù)研究,北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

[12]鄭興燦,李亞新,污水除磷脫氮技術(shù),北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[13]李叢娜,呂錫武,吳華明,溶解氧及活性污泥濃度對同步硝化反硝化的影響,華東給水排水, 2002,(3):12.

[14] Robertson L A ,Van Neil E W J ,Torremans R A M etal. Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic chemostat cultures of thiosphaera. Appl Environ Microbiol, 1998, 54(11): 2812 -2818.

[15] Zhao H W, Donalds M.Controlling factors for simultaneous nitrification and denitrification in a two-stage intermittent aeration process treating domestic sewage. Water Research, 1999, 33(4): 961-978.

[16]Meiberg J B M, Bruinenberg P M, Harder W, Effect of dissolved oxygen tension on the metabolism of methylated amines in hyphomicrobium X in the absence and presence of nitrate:aerobic denitrification. J. Gen. Microbiol. 1980, 120:453-463.

[17] 呂錫武, 同時硝化反硝化的理論和實踐, 環(huán)境化學, 2002,21(6):564-570.

[18] 胡宇華,丁富新,范軼等,有機碳源對同時硝化/反硝化過程的影響[J],環(huán)境工程, 2001, 19(4):17-20.

[19] 高景峰,彭永臻,王淑瑩,SBR法反硝化模糊控制參數(shù)pH和ORP的變化規(guī)律[J],環(huán)境科學,2002, 23(1):39-44.

[20] 王志盈,劉超翔,袁林江等,低溶氧下生物流化床內(nèi)亞硝化過程的選擇特性研究[J],西安建筑科技大學學報,2000,32(1):4-7.

[21] 石利軍,王旭江,楊鳳林,王炳鈞,張興文等,循環(huán)流生物膜反應(yīng)器同時硝化反硝化實驗研究[J],環(huán)境科學與技術(shù),2005,28(6):93-115.

[22] Hyungseik Y, Ahn K-H, Lee H-J, etal. Nitrogen removal from synthetic wastewater by simultaneous nitrification and denitrification (snd) via nitrite in an intermittently-aerared reactor[J]. Wat. Res., 1999, 33(1):145-154.