國內外主流生物脫氮理論的匯總

1. 引言

汙水處理行業從業者對汙水脫氮又熟悉又頭疼。說熟悉，是因為現階段絕大多數的汙水處理設施中都會加入具有氨氮及總氮去除的功能單元;說頭疼，則是因為很多現有設施的氮素去除效果無法滿足各地區愈發嚴格的排放標準限制。考慮到易行性、經濟性等因素，國內外汙水處理中對於氮素汙染物的去除普遍採用基於生物法的處理工藝。除了傳統的硝化-反硝化理論外，近年來突破常規認知的生物脫氮新理論也不斷出現，在環保展會中，硫自養反硝化、厭氧氨氧化等脫氮新技術都非常吸引眼球。本文主要介紹傳統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. 傳統生物脫氮過程

2.1 傳統生物脫氮過程簡介

目前在工程實踐中應用最廣泛的傳統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。進水中蛋白質等有機氮經過氨化細菌的脫氨作用轉化為氨氮，隨後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，並繼續還原為一氧化氮、一氧化二氮及氮氣等氣體離開系統完成脫氮。

由圖1可知，進水中氮素在生物處理過程中經歷了由多種不同細菌參與的轉化過程，由於細菌是生物轉化的「執行者」，假如環境條件對於負責某項功能的細菌不利，那麼這一部分轉化過程就可能出現問題。在工程中為改善生化系統脫氮性能，調試人員大多會從溶解氧含量、有機物含量、鹼度及環境條件衝擊等幾方面入手。其實，在這些宏觀參數的調節背後，技術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，借鑑這一微生物視角對汙水處理生化系統進行分析，為執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高效脫氮。

2.2 傳統生物脫氮細菌特點

本文簡單總結傳統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，大家可根據針對對象及功能菌群菌的特點，通過參數調節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並進行生長代謝，且其在好氧和缺氧環境都可生長，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中氨氮被氧化為亞硝酸鹽的過程，是生化系統中氨氮去除的主要功能菌。從微生物學角度來看，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(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，在生化系統中所佔總量較小，因此其對於外界環境影響較為敏感，低溫環境、負荷衝擊、毒物流入、汙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;針對能量來源和溶氧要求，亞硝化菌通過在好氧環境下氧化氨氮獲取化學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，由於亞硝化過程會導致系統鹼度下降，而亞硝化菌的最適pH值範圍約為在7.0-7.5，因此應注意曝氣池pH值，避免pH值過低導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中亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽的過程，其與亞硝化細菌經常出現在相近區域，特點也較為相似。從微生物學角度來看，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(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致其生長緩慢，在生化系統中所佔總量較小，因此其對於外界環境影響較為敏感，低溫環境、負荷衝擊、毒物流入、汙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;針對能量來源和溶氧要求，硝化菌通過在好氧環境下氧化亞硝酸鹽獲取化學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(主要來自於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，由於硝化過程會導致系統鹼度下降，而硝化菌的最適pH值範圍約為在7.0-8.0，因此應注意曝氣池pH值，避免pH值過低導致硝化菌活性下降。

2.2.3 反硝化菌

反硝化菌主要參與系統中硝酸鹽及亞硝酸鹽被還原的過程，是生化系統中硝酸鹽氮去除的主要功能菌。從微生物學角度來看，常規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，化學能被釋放用於微生物的合成及其他生命活動。

由於反硝化菌可以利用有機碳源，其生長較快，汙水處理中生化系統汙泥普遍存在大量反硝化細菌，佔據較大的生物量比例。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)多用於判斷有機物碳源是否適宜並足夠系統用於脫氮去除。溶解氧方面，由於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，導致反硝化無法順利進行，同時好氧下反硝化細菌用於反硝化的硝酸鹽還原酶及相關酶系會受到抑制，也導致反硝化無法進行。

編輯：王媛媛