短程硝化反硝化工艺简析

张云 田猛

短程硝化反硝化工艺是目前国内外生物脱氮技术研究应用的热点。在生物脱氮硝化过程中，氨氧化细菌(Ammonia Oxidation Bacteria，AOB)将氨氮氧化为亚硝态氮，亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite Oxidation Bacteria，NOB)将亚硝态氮氧化为硝态氮。控制硝化反应条件，使硝化反应只进行到亚硝态氮阶段并实现稳定的亚硝态氮积累，是各种短程硝化反硝化工艺稳定运行的关键。短程硝化反硝化工艺主要包括SHARON，OLAND和CANON工艺，同时国内外专家学者也对SBR，A/O，MBR，曝气生物滤池等工艺的短程硝化反硝化进行了深入研究。

SHARON工艺是1997年由荷兰Delft技术大学Mulder等研发的新型脱氮工艺，用来处理城市污水二级处理系统中污泥硝化上清液和垃圾滤出液等高氨氮废水[2]。该工艺的核心是利用高温30℃～35℃下，AOB的生长速率明显高于NOB的生长速率，AOB的HRT小于NOB的HRT等特性来控制工艺污泥龄，使其介于AOB和NOB的HRT之间，从而使AOB得到积累而NOB被自然淘汰，从而维持稳定的NO-2-N积累，然后进行反硝化。

OLAND工艺是1998年由比利时Gent大学开发的一种限制性自养型亚硝化工艺[3]，在限制供氧的条件下，自养型的亚硝酸细菌将以氧为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸盐，然后，再以氨作为电子供体，把亚硝酸盐还原为N2。该工艺的技术核心是控制 DO浓度，由AOB和NOB的氧饱和常数分别为0.3 mg/L和1.1 mg/L[4]，在低DO浓度下NOB的活性会显著减弱，使AOB生长速率大于NOB，从而逐步淘汰 NOB，使NO-2-N大量积累。

CANON工艺是2002年首先由荷兰Delft工业大学提出的在限氧条件下通过利用好氧和厌氧氨氧化菌的共生系统实现一体化完全自养脱氮的新工艺[5]。该工艺是在单个反应器或生物膜内通过控制溶解氧同时实现短程硝化和厌氧氨氧化的脱氮过程。首先在限氧条件下(＜0.5%空气饱和度)，得到了好氧和厌氧氨氧化菌的混培物，好氧氨氧化菌先将氨氮氧化为亚硝酸盐，然后厌氧氨氧化菌再将亚硝酸盐转化为氮气。CANON工艺中，NH+4-N与DO浓度是两个关键性因素[6]。

SBR工艺的短程硝化成为国内学者的研究焦点。当温度为21℃～35℃、进水氨氮浓度为300 mg/L左右，控制曝气量使DO浓度为0 mg/L～1.0 mg/L的条件下可实现SBR工艺的短程硝化，亚硝态氮稳定积累且积累率大于90%的关键是控制高、低DO浓度交替进行[7]。在pH值变化不大的情况下，增加进水氨氮浓度会提高亚硝态氮的积累率，但将导致反应时间延长，而采用pH值实时控制短程硝化反硝化过程不仅可以合理分配曝气和搅拌时间，且可提高硝化速率，缩短反应时间[8]。

A/O工艺是生物脱氮常规工艺。主要应用于生活污水的处理，由于生活污水自身低氨氮(＜100 mg/L)的特点，一般不会出现高FA浓度和高pH值情况，且平均水温在20℃左右，因此，在处理生活污水时DO浓度是A/O工艺实现短程硝化反硝化的主要控制因子，控制好氧区DO浓度在0.5 mg/L，则亚硝酸氮平均积累率可达85%或更高[9]。在UASB-A/O工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的研究中，FA和FNA协同作用是实现并维持A/O工艺稳定短程硝化的决定因素[10]。此外，以pH值和DO浓度作为A/O硝化反应进行的过程控制参数，可准确把握亚硝化终点，避免过度曝气破坏短程硝化，为AOB的生长创造有利条件，尽可能使“氨谷”或“DO突跃点”出现在好氧区后段，可以有效抑制NOB的生长并逐渐从系统中淘洗出去，实现了硝化菌种群的优化[11]。

膜生物反应器(MBR)是一种新型、高效的污水处理技术，MLSS和DO是MBR实现短程硝化反硝化的重要影响因素。研究表明，当MLSS=20 g/L～ 25 g/L，控制DO=0.5 mg/L～ 1.0mg/L，C/N=4～6时，膜生物反应器能形成良好的短程硝化反硝化[12]。MBR实现短程硝化反硝化的另一条件是污泥絮体中能形成缺氧微环境，缺氧微环境的形成与水中DO浓度的高低、污泥负荷、污泥的絮体结构及反应中的水力状态等有关;根据MBR的自身特点，通过控制DO浓度，在絮体表面形成AOB为主的优势菌群，而在内部缺氧部分为反硝化菌创造条件[13]。

曝气生物滤池能够实现短程硝化反硝化取决于其独特的结构特征和运行方式[14]。填料为异养菌、自养菌和反硝化细菌分别占据不同生态位，形成合理微环境体系提供有效的载体，较低的曝气量和定期反冲洗又使得竞争能力较弱的NOB不能在反应器内成为优势群体而被自然淘汰，因而氨氧化产生的NO-2-N可直接被反硝化去除。低氨氮负荷时，影响NO-2-N积累的主要因素是DO(1.0 mg/L～1.5 mg/L);高氨氮负荷时，影响NO-2-N积累的主要因素是FA。低氨氮负荷时，沿滤层高度NO-2-N的积累速度相对慢些，积累率却比较高;高氨负荷时，沿滤层高度NO-2-N的积累速度增快，但积累率并不是最高;pH值在8～8.5时反应器内有较高NO-2-N积累率，达到70%左右，同时NH+4-N的去除率也有70%;pH=9时，虽然NO-2-N也有积累，但NH+4-N的去除率却很低[15]。

短程硝化反硝化工艺具有降低能耗、节约碳源、减少污泥产量和占地面积少等优点，是公认的高效生物脱氮途径。但大多短程硝化反硝化工艺目前还处于研究阶段，实际应用工程较少。由于短程硝化阶段温度、pH值等因素的控制难度较大，需要研发更加完善的在线检测和模糊控制技术，以实现稳定的短程硝化反硝化，从而不断扩大短程硝化反硝化工艺的应用。

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