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【www.hokkaido-dancers.com南京純水設備】污水處理行業(yè)從業(yè)者對污水脫氮又熟悉又頭疼。說(shuō)熟悉，是因為現階段絕大多數的污水處理設施中都會(huì )加入具有氨氮及總氮去除的功能單元；說(shuō)頭疼，則是因為很多現有設施的氮素去除效果無(wú)法滿(mǎn)足各地區愈發(fā)嚴格的排放標準限制。考慮到易行性、經(jīng)濟性等因素，國內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。除了傳統的硝化-反硝化理論外，近年來(lái)突破常規認知的生物脫氮新理論也不斷出現，在環(huán)保展會(huì )中，硫自養反硝化、厭氧氨氧化等脫氮新技術(shù)都非常吸引眼球。本文主要介紹傳統生物脫氮過(guò)程及新型生物脫氮過(guò)程的基本理論，旨在幫助大家更好地理解生物脫氮過(guò)程。

1. 傳統生物脫氮過(guò)程

1.1 傳統生物脫氮過(guò)程簡(jiǎn)介

目前在工程實(shí)踐中應用廣泛的傳統生物脫氮過(guò)程主要包含好氧硝化-缺氧反硝化兩部分組成。進(jìn)水中蛋白質(zhì)等有機氮經(jīng)過(guò)氨化細菌的脫氨作用轉化為氨氮，隨后氨氮在好氧條件下由自養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型的反硝化細菌還原為亞硝酸鹽氮，并繼續還原為一氧化氮、一氧化二氮及氮氣等氣體離開(kāi)系統完成脫氮。南京純水設備

進(jìn)水中氮素在生物處理過(guò)程中經(jīng)歷了由多種不同細菌參與的轉化過(guò)程，由于細菌是生物轉化的“執行者”，假如環(huán)境條件對于負責某項功能的細菌不利，那么這一部分轉化過(guò)程就可能出現問(wèn)題。在工程中為改善生化系統脫氮性能，調試人員大多會(huì )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(shí)，在這些宏觀(guān)參數的調節背后，技術(shù)人員所做的一切都是為了更好地滿(mǎn)足脫氮過(guò)程中不同微生物的生長(cháng)代謝特點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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進(jìn)行分析，為執行特定功能的微生物提供更好的生長(cháng)代謝條件，就可以幫助我們更好地實(shí)現高效脫氮。

1.2 傳統生物脫氮細菌特點(diǎn)

氨化細菌可以利用有機物獲取能量并進(jìn)行生長(cháng)代謝，且其在好氧和缺氧環(huán)境都可生長(cháng)，這些特點(diǎn)使得氨化細菌生長(cháng)迅速、分布廣泛，在生化系統中很少成為問(wèn)題所在。因此，我們主要探討亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌。南京實(shí)驗室純水設備

1.2.1反硝化菌

反硝化菌主要參與系統中硝酸鹽及亞硝酸鹽被還原的過(guò)程，是生化系統中硝酸鹽氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來(lái)看，常規的反硝化細菌是一類(lèi)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-異養細菌。在反硝化過(guò)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(guò)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(dòng)。

由于反硝化菌可以利用有機碳源，其生長(cháng)較快，污水處理中生化系統污泥普遍存在大量反硝化細菌，占據較大的生物量比例。因此，為了促進(jìn)硝酸鹽在反硝化過(guò)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(jìn)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用于脫氮去除。溶解氧方面，由于好氧條件下氧氣會(huì )取代硝酸鹽充當細菌電子傳遞中的電子受體，導致反硝化無(wú)法順利進(jìn)行，同時(shí)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(huì )受到抑制，也導致反硝化無(wú)法進(jìn)行。南京純水設備

1.2.2硝化菌

硝化菌主要參與系統中亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽的過(guò)程，其與亞硝化細菌經(jīng)常出現在相近區域，特點(diǎn)也較為相似。從微生物學(xué)角度來(lái)看，硝化細菌是一類(lèi)在好氧條件利用無(wú)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(lái)源）-好氧（溶氧要求）-自養（碳源類(lèi)型）細菌。

針對碳源類(lèi)型，硝化菌需要利用無(wú)機碳源進(jìn)行合成導致其生長(cháng)緩慢，在生化系統中所占總量較小，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致硝化菌活性下降，使得好氧池中出現亞硝酸鹽積累的現象；針對能量來(lái)源和溶氧要求，硝化菌通過(guò)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(cháng)代謝，因此充足的溶解氧以及適宜的亞硝酸鹽濃度（主要來(lái)自于氨氮被氧化生成的亞硝酸鹽）是維持硝化菌良好生長(cháng)的必需條件。此外，由于硝化過(guò)程會(huì )導致系統堿度下降，而硝化菌的最適pH值范圍約為在7.0-8.0，因此應注意曝氣池pH值，避免pH值過(guò)低導致硝化菌活性下降。南京實(shí)驗室純水設備

1.2.3亞硝化菌

亞硝化菌主要參與系統中氨氮被氧化為亞硝酸鹽的過(guò)程，是生化系統中氨氮去除的主要功能菌。從微生物學(xué)角度來(lái)看，亞硝化細菌是一類(lèi)在好氧條件利用無(wú)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(lái)源）-好氧（溶氧要求）-自養（碳源類(lèi)型）細菌。

針對碳源類(lèi)型，亞硝化菌需要利用無(wú)機碳源進(jìn)行合成代謝，亞硝化細菌生長(cháng)緩慢，在生化系統中所占總量較小，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致亞硝化菌活性下降，使得系統出現氨氮去除率低，出水氨氮偏高的現象；針對能量來(lái)源和溶氧要求，亞硝化菌通過(guò)在好氧環(huán)境下氧化氨氮獲取化學(xué)能供給自身的生長(cháng)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(cháng)的必需條件。此外，由于亞硝化過(guò)程會(huì )導致系統堿度下降，而亞硝化菌的最適pH值范圍約為在7.0-7.5，因此應注意曝氣池pH值，避免pH值過(guò)低導致亞硝化菌活性下降，氨氮去除不佳。南京純水設備

2 新型生物脫氮過(guò)程

傳統生物脫氮理論積累多年，并在工程實(shí)踐中廣泛應用，但也存在一些不足。由于傳統脫氮中硝化與反硝化過(guò)程對于溶解氧與有機物需求不同，這導致硝化與反硝化很難在時(shí)間與空間上完全同步發(fā)生在同一環(huán)境內，如何能夠減少外加碳源的投加、縮短脫氮過(guò)程流程、降低構筑物占地一直是研究熱門(mén)。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關(guān)注下，一些相對新穎的生物脫氮過(guò)程逐漸被提出并完善，接下來(lái)本文將對幾種常見(jiàn)新型生物脫氮過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 新型生物脫氮

近年來(lái)，新型生物脫氮包括短程硝化、厭氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脫氮過(guò)程。

2.2 短程反硝化VS全程反硝化

傳統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(guò)程，而短程反硝化則可理解為全程反硝化過(guò)程中的一部分，具體囊括過(guò)程則根據需要而定。由于反硝化過(guò)程是電子供體，考慮到常見(jiàn)異養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(guò)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(lái)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(shí)現短程硝化反硝化。現階段短程反硝化的主要技術(shù)問(wèn)題包括：如何長(cháng)期穩定高效地實(shí)現反硝化過(guò)程的針對性控制，以及如何降低反硝化過(guò)程中一氧化二氮等溫室氣體的排放量。南京實(shí)驗室純水設備

2.3 厭氧氨氧化VS好氧氨氧化

傳統生物脫氮中，氨氧化（即亞硝化）過(guò)程為好氧過(guò)程，細菌需要溶解氧作為電子受體實(shí)現氨氮的氧化。從1989年歐洲科學(xué)家在厭氧反應器中發(fā)現了厭氧氨氧化現象起，越來(lái)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)現存在于地球上的多種自然環(huán)境，其對于地球范圍內氮素循環(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紅色，因此也常常被稱(chēng)為“紅菌”。厭氧氨氧化菌是自養微生物，以二氧化碳等無(wú)機物為碳源進(jìn)行自身生長(cháng)合成。由于厭氧氨氧化無(wú)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約方面有著(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢，因此近年來(lái)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合，通過(guò)短程硝化將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽，并與剩余氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應。南京純水設備

在工藝設計中，短程硝化與厭氧氨氧化過(guò)程可在同一工段進(jìn)行，也可分為兩段進(jìn)行。目前厭氧氨氧化技術(shù)在國內外已有中試乃至實(shí)際規模運行案例，相比于主流厭氧氨氧化（污水處理的主線(xiàn)流程），污水處理廠(chǎng)的側流（污泥處理中的消解液）厭氧氨氧化處理發(fā)展較快，這是由于側流厭氧氨氧化過(guò)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(guò)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(wèn)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(mén)。

2.4 好氧反硝化VS缺氧反硝化

傳統生物脫氮理論中，反硝化過(guò)程需要在缺氧環(huán)境下進(jìn)行，而近年來(lái)不斷有新菌株被發(fā)現具有在好氧環(huán)境下進(jìn)行硝酸鹽還原的能力，這類(lèi)菌株被稱(chēng)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(guò)同化或異養硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的出現，使得在好氧環(huán)境下進(jìn)行同步硝化-反硝化過(guò)程成為可能。南京實(shí)驗室純水設備

好氧反硝化細菌之所以能在好氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化，可能是由于細菌內部含有在有氧環(huán)境下能夠正常表達的與脫氮相關(guān)的酶系統（酶是微生物轉化氮素的實(shí)際“執行者”，微生物體內酶的活性決定了相對應的功能發(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(jìn)了好氧反硝化的進(jìn)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(lái)源的微生物菌劑也逐漸出現，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(shí)，關(guān)于好氧條件的準確界定也需要進(jìn)一步探討。

2.5 短程硝化VS全程硝化

傳統硝化過(guò)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(guò)程。由于氨氮和亞硝酸鹽的好氧轉化都需要消耗溶解氧，短程硝化相比于全程硝化可以節約曝氣的電能消耗。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(lái)源，其二是與短程反硝化偶聯(lián)，實(shí)現氮素的最終去除。短程硝化的實(shí)現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(shí)現短程硝化。現階段短程硝化的主要技術(shù)問(wèn)題在于：如何在不同環(huán)境下（溫度、有機物含量等因素）實(shí)現對于氨氮到亞硝酸鹽這一轉化過(guò)程的長(cháng)期穩定維持。南京純水設備

2.6 自養反硝化VS異養反硝化

傳統反硝化過(guò)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型細菌。其實(shí)，反硝化的本質(zhì)在于細菌在還原硝酸鹽的過(guò)程中獲取能量，細菌并不在意這個(gè)過(guò)程叫什么，他們想要獲取的只是反應過(guò)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，在自養反硝化過(guò)程中，自養細菌采用無(wú)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(dòng)。

相比于異養反硝化，自養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(guò)程。目前，已發(fā)現可以作為自養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(jià)鐵、零價(jià)鐵、二價(jià)錳等。考慮到自養反硝化菌的功能菌為自養菌，如何快速高效地獲得大量自養反硝化菌，并將其長(cháng)期穩定存留于生化系統中是自養反硝化能否進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

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