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上海師范大學(xué)環(huán)境工程系，2003級，0313552

摘要：自然界中包括土壤、水體、污水、及工業(yè)廢水都含有硝酸鹽。植物及其他微生物把硝酸鹽作為氮源。兼性厭氧的硝酸鹽還原細(xì)菌及一些好氧細(xì)菌將硝酸鹽、氨氮還原為氮?dú)饧捶聪趸饔肹1]

關(guān)鍵詞：反硝化作用、氨氮、短程硝化反硝化、好氧反硝化、厭氧氨氧化

在現(xiàn)代污水處理工藝當(dāng)中，降解污水當(dāng)中的有機(jī)物的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，但是除去污水當(dāng)中的氮工藝還不夠成熟，現(xiàn)在大多數(shù)污水處理廠的出水都很清澈，對其出水進(jìn)行監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)其中COD很低，但是氨氮卻很高，還有如果我們對城市中小河流進(jìn)行監(jiān)測分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果：COD很低，氨氮很高。所以降解水中的氨氮已經(jīng)成為我們急待解決的問題。如果用傳統(tǒng)的加化學(xué)藥劑的方法，會(huì)產(chǎn)生二次污染，而且處理成本很高。利用細(xì)菌的反硝化作用降解污水當(dāng)中的氨氮是一種很好的生物處理方法。這種生物處理方法成本較低，更重要的不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從上世紀(jì)60年代至今，全國有環(huán)境監(jiān)測的432條河流，80%受到不同程度的污染，全國2800多座湖泊大多出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象。隨著水體氮磷的積累，“赤潮”“水華”現(xiàn)象更加頻繁，雖經(jīng)治理，效果并不理想。上述治理形勢之所以嚴(yán)峻，關(guān)鍵是缺乏有效、經(jīng)濟(jì)的治理技術(shù)和方法。而處理高難度有機(jī)廢水中的氮磷等污染物，本身就是一道世界性難題[2]，垃圾填埋場的滲濾液屬高濃度氨氮廢水，后期滲濾液的氨氮濃度達(dá)2000mg/L以上，如利用生物法脫氮，反硝化需7500mg/L以上的碳源，而滲濾液本身所能提供的碳源明顯不足，外加碳源則會(huì)增加處理成本。因此，研究高效脫氮工藝具有重要意義。近些年來在生物脫氮理論方面有了許多進(jìn)展，

亞硝酸鹽硝化反硝化受到重視，發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化和好氧反硝化微生物的生物化學(xué)作用，從而為高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮提供了可能的途徑[3]。細(xì)菌的反硝化作用應(yīng)用在水處理當(dāng)中的研究是很有前景的。細(xì)菌的反硝化作用是通過微生物的活動(dòng)，將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氣態(tài)分子氮或氣態(tài)氮氧化物的過程。

廢水中氮的去除通常有離子交換、反滲透、氨的吹脫、化學(xué)反硝化、化學(xué)沉淀、生物反硝化、同化等物理、化學(xué)和生物處理方法。但是這些方法中生物反硝化效果最好，處理成本較低。

反硝化作用是指經(jīng)脫氮假單胞菌（Pseudomonasdenitrificans）、脫氮微球菌（Micrococcus denitri-ficans）等反硝化細(xì)菌把硝酸或亞硝酸轉(zhuǎn)變成氮?dú)舛尫诺淖饔谩５獨(dú)馊渴莵碓从跓o機(jī)態(tài)硝酸或亞硝酸，按NO3ˉ—→NO2ˉ—→NO—→N2O—→N2的順序進(jìn)行還原[4]。除生成N2以外，有時(shí)也附帶生成N2O、NO等。一般認(rèn)為在呼吸中是以硝酸中的氧來作為電子受體的氧進(jìn)行能量調(diào)節(jié)的。通常高等植物或其他細(xì)菌類進(jìn)行的硝酸或亞硝酸的還原過程都是同化過程。相反，反硝化作用則是異化過程，兩者是有區(qū)別的。生物反硝化可分為有短程硝化反硝化、好氧反硝化和厭氧氨氧化(如圖1)。

圖2? 溶解氧與反硝化反應(yīng)速率的關(guān)系

生物硝化反硝化是應(yīng)用最廣泛的脫氮方式。由于氨氮氧化過程中需要大量的氧氣，曝氣費(fèi)用成為這種脫氮方式的主要開支（反硝化反應(yīng)速率與溶氧的關(guān)系見圖2[5]）。反硝化反應(yīng)速率還受溫度影響見圖3[5]。短程硝化反硝化（將氨氮氧化至亞硝酸鹽氮即進(jìn)行反硝化），不僅可以節(jié)省氨氧化需氧量而且可以節(jié)省反硝化所需炭源。[6]

圖3 反應(yīng)速率還受溫度影響

Ruiza等[7]用合成廢水（模擬含高濃度氨氮的工業(yè)廢水）試驗(yàn)確定實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累的最佳條件。要想實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累，pH不是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)，因?yàn)閜H在6.45～8.95時(shí)，全部硝化生成硝酸鹽，在pH<6.45或pH>8.95時(shí)發(fā)生硝化受抑，氨氮積累。當(dāng)DO=0.7 mg/L時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)65%的氨氮以亞硝酸鹽的形式積累并且氨氮轉(zhuǎn)化率在98%以上。DO<0.5 mg/L時(shí)發(fā)生氨氮積累，DO>1.7 mg/L時(shí)全部硝化生成硝酸鹽。劉俊新等[8]對低碳氮比的高濃度氨氮廢水采用亞硝玻型和硝酸型脫氮的效果進(jìn)行了對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，亞硝酸型脫氮可明顯提高總氮去除效率，氨氮和硝態(tài)氮負(fù)荷可提高近1倍。此外，溫度、pH和氨氮濃度等因素對脫氮類型具有重要影響。劉超翔等[9]短程硝化反硝化處理焦化廢水的中試結(jié)果表明，進(jìn)水COD、氨氮、TN 和酚的濃度分別為1201.6、510.4、540.1、110.4 mg/L時(shí)，出水COD、氨氮、TN和酚的平均濃度分別為197.1、14.2、181.5、0.4 mg/L，相應(yīng)的去除率分別為83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。與常規(guī)生物脫氮工藝相比，該工藝氨氮負(fù)荷高，在較低的C/N值條件下可使TN去除率提高。

現(xiàn)在一些好氧反硝化菌已經(jīng)被分離出來，有些可以同時(shí)進(jìn)行好氧反硝化和異養(yǎng)硝化（如Robertson等分離、篩選出的Tpantotropha.LMD82.5）。這樣就可以在同一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步硝化反硝化，簡化了工藝流程，節(jié)省了能量。華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的李平、鄭永良等教授從武漢市郊的稻田中分離得到一株耗氧反硝化細(xì)菌HS-03，并期的反硝化能力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：細(xì)菌HS-03在好氧的條件下能有效去除模擬廢水當(dāng)中的NO3ˉ(10mol/L),去除率達(dá)90%以上，并且在反應(yīng)過程中沒有NO3ˉ積累。見圖4、圖5 [10]

每100ml培養(yǎng)基中接種量去出率的關(guān)系

圖4 培養(yǎng)基中NO3濃度與累積時(shí)間?????????? 圖5培養(yǎng)基中NO3濃度與累積時(shí)間

耗氧反硝化細(xì)菌HS-03不僅氨氮的去除率高而且反應(yīng)時(shí)間很短。在很短的時(shí)間里培養(yǎng)基中的NO3ˉ剩余量很少。

賈劍暉等[11]用序批式反應(yīng)器處理氨氮廢水，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了好氧反硝化的存在，好氧反硝化脫氮能力隨混合液溶解氧濃度的提高而降低，當(dāng)溶解氧濃度為0.5 mg/L時(shí)，總氮去除率可達(dá)到66.0%。趙宗勝等[12]連續(xù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究表明，對于高濃度氨氮滲濾液，普通活性污泥達(dá)的好氧反硝化工藝的總氮去除串可達(dá)10%以上。硝化反應(yīng)速率隨著溶解氧濃度的降低而下降；反硝化反應(yīng)速率隨著溶解氧濃度的降低而上升。硝化及反硝化的動(dòng)力學(xué)分析表明，在溶解氧為0.14 mg/L左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)硝化速率和反硝化速率相等的同步硝化反硝化現(xiàn)象。其速率為4.7 mg/(L·h)，硝化反應(yīng)KN=0.37 mg/L；反硝化反應(yīng)KD=0.48 mg/L。[13]

厭氧反硝化作用有第一種是大多數(shù)細(xì)菌放線菌及真菌利用硝酸鹽為氮元素為營養(yǎng)，通過硝酸還原酶的作用將硝酸還原成氨，進(jìn)而合成氨基酸、蛋白質(zhì)和其它物質(zhì)；第二種是反硝化細(xì)菌（兼性厭氧菌）在厭氧條件下，將硝酸還原為氮?dú)?；硝酸鹽還原為亞硝酸。

好氧反硝化菌是好氧細(xì)菌同時(shí)又是異養(yǎng)硝化菌，能夠直接把氮轉(zhuǎn)化成最終氣態(tài)產(chǎn)物，所以稱為好氧反硝化和異養(yǎng)硝化菌。與厭氧反硝化細(xì)菌相比，它的反硝化速率慢一些，但能較好適應(yīng)缺氧好氧周期的變化。厭氧反硝化脫氮工藝已經(jīng)成熟，而好氧反硝化作用剛剛開始，好氧反硝化作用以不需要很嚴(yán)格的反應(yīng)條件及較高的反應(yīng)速率而優(yōu)于厭氧反硝化脫氮工藝。好氧反硝化作用不需要在厭氧的條件下反應(yīng)，好氧反硝化的發(fā)現(xiàn)可使處理周期縮短、處理空間縮小、處理能耗降低，排出水的NOx--N很低反硝化過程能有效地經(jīng)濟(jì)地講解污水中的氮，但是在反硝化過程中會(huì)產(chǎn)生N2O是一種溫室氣體。另外，還有諸如全程自養(yǎng)脫氮工藝、同步硝化反硝化等工藝仍處在試驗(yàn)研究階段，都有很好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在好氧現(xiàn)在一些好氧反硝化菌已經(jīng)被分離出來，好氧反硝化有好的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]周群英,高廷耀編著,環(huán)境工程微生物(第二版),高等教育出版社出版,北京,2000

[2]齊柳明等,采用生物脫氮清除氮氨污染物,光明日報(bào),2003-9-24,第三版

[3]趙宗升,劉鴻亮,李炳偉,袁光鈺等編著,高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮途徑,中國給水排水, 2001(5):24-27

[4]趙曉航譯著,反硝化作用定義,土壤科學(xué)名詞小辭典,人民出版社,北京,1979

[5]安作興等,生物脫氮污水處理技術(shù)處理高氨氮廢水,捷暉生物網(wǎng), http://www.jeff-bio.com/b/b1.doc

[6]常功法,畢學(xué)軍,生物脫氮污水處理技術(shù)處理高氨氮廢水,水利工程網(wǎng) http://www.shuigong.com/papers/oprof/20060224/papers17481.shtml

[7]Ruiza G，Jeisonb D，Chamya R. Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration. Water Research, 2003,37:1371-1377

[8]劉俊新,王秀蘅,高濃度氨氮廢水亞硝酸型與硝酸型脫氮的比較研究,工業(yè)用水與廢水,2002, 33(3):1-4

[9]劉超翔，胡洪營，彭黨聰?shù)?短程硝化反硝化工藝處理焦化高氨廢水,中國給水排水,2003, 19 (8):11

[10]李平,鄭永良,陳舒麗等,一株好氧反硝化細(xì)菌的鑒定及其在廢水處理中的應(yīng)用,華中科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,14(2):11-15

[11]賈劍暉,氨氮廢水處理過程中的好氧反硝化研究,南平師專學(xué)報(bào),2004,2:10-12

[12]趙宗升,李炳偉,劉鴻亮,高氨氮滲濾液處理的好氧反硝化工藝研究,中國環(huán)境科學(xué), 2002, 22(5):412-415

[13]郝曉地,汪慧貞,錢易,Mark van Loosdrecht,歐洲城市污水處理技術(shù)新概念——可持續(xù)生物除磷脫氮工藝,給水排水,2002,7:6-8