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城市污水处理厂中传统的脱氮工艺是在生反池中通过充足曝气将氨氮和亚硝酸盐氮尽量多地转化为硝酸盐氮，然后在反硝化构筑物中投加一定量碳源，将硝酸盐氮转化为氮气。近年来基于实验和实践中发现的某些新现象，国内外学者提出了一些新型生物脱氮工艺并形成了生物脱氮新理论，其中主要包括亚硝化和厌氧氨氧化等。
1 新型生物脱氮理论
1.1 亚硝化
相比于全程硝化反硝化工艺，短程硝化反硝化可节约 1/4 的曝气量，降低污泥产量，并减少碱度和碳源投加量，具有很高的应用价值。
在常规的生态系统中，亚硝酸菌和硝酸菌处于共生状态，亚硝酸菌产生的亚硝酸盐氮会被硝酸菌迅速地转化为硝酸盐氮，这个过程中很难形成亚硝酸盐氮的积累，因此短程硝化工艺的控制难点在于，如何提高亚硝酸菌的活性和抑制硝酸菌的活性，将硝化反应产物停留在亚硝酸盐氮形式，而阻止亚硝酸盐氮被继续氧化，进而可以将亚硝酸盐氮直接进行反硝化反应或厌氧氨氧化反应。这就需要控制硝化反应的影响因素，根据 2 种硝化细菌对环境因素耐受能力的不同来尽量抑制硝酸菌的活性和/或减少硝酸菌在反应器中的数量，从而达到亚硝酸盐氮大量积累的目的。
影响亚硝化工艺的主要因素有：
(1)温度
常温下硝化反应产生的亚硝酸盐氮可以迅速地被氧化，但在 30oC 以上时会产生亚硝酸盐氮的明显积累。作为比较简单的控制条件，研究人员可以将反应器温度控制在低温(≤15℃)或高温阶段(30~40℃)，这样硝化反应中获得的产物大部分是亚硝酸盐氮。但对于城市污水处理厂，控制污水低温或高温的措施显然不宜进行。
(2)pH 值
一般认为，亚硝酸菌的适 pH 值为 7.9~8.2，硝酸菌的适 pH 值为 7.2~7.6，当 pH 值小于 6.5 时，亚硝酸菌和硝酸菌的生长都会受到抑制，而当 pH 值大于 8 时，硝酸菌的生长受到抑制，故工艺出水中的亚硝酸盐氮浓度较高。
(3)溶解氧
亚硝酸菌和硝酸菌对于溶解氧的亲和力不同，可以利用这种差异来实现亚硝化。而且根据笔者的实验结果，控制适宜的溶
解氧浓度是实现稳定的亚硝化必须要采取的手段之一。溶解氧浓度过高会使亚硝酸盐氮迅速被氧化，不利于其积累，但溶解氧浓度也不能过低，如供氧不足也会降低亚硝酸菌的活性。
(4)游离氨
较高浓度的游离氨对 2 种硝化细菌的活性都有一定的抑制，但对硝酸菌来说其敏感度更强，也就是说稍高浓度的游离氨就可达到抑制硝酸菌活性的目的。Anthonisen发现，游离氨对亚硝酸菌的抑制浓度为 10~150mg/L，而对硝酸菌的抑制浓度为0.1~1.0mg/L。
(5)污泥龄
由于在中高温条件下，亚硝酸菌的世代周期较硝酸菌短，可以通过控制污泥龄，使其介于亚硝酸菌和硝酸菌的小停留时间之间，逐渐地将硝酸菌从生反池中淘汰掉，而亚硝酸菌则越来越富集于生反池中，从而实现亚硝酸盐氮的积累。这种现象在部分污水处理厂实际运行过程中也有发现
1.2 厌氧氨氧化
厌氧氨氧化是指在缺氧条件下，微生物以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐氮为电子受体，将它们同时转化为氮气的过程。相比与传统脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺不需外加碳源，减少药剂消耗，污泥产量低，无需供氧，节省动力消耗，具有明显的优势。
影响厌氧氨氧化工艺的主要因素有：
(1)基质浓度
适量的氨氮和亚硝酸盐氮作为底物为厌氧氨氧化菌提供营养和能源。但是，当氨氮和亚硝酸盐氮的浓度超过一定值，也会对厌氧氨氧化菌的活性产生抑制。郑平等[3]的研究结果表明，氨氮对亚硝酸盐氮的抑制常数为 5.4~12.0mmol/L，对厌氧氨氧化菌的抑制常数为 38.0~98.5mmol/L。
(2)pH 值
氨氮和亚硝酸盐氮在水中都存在着电离平衡，pH 值可通过影响游离氨和游离亚硝酸的浓度来影响厌氧氨氧化过程。vaDongen认为，当 pH 值为 6.7~8.3 时，厌氧氨氧化反应可以较好地进行，其适 pH 值约为 8.0。
(3)溶解氧
水中高浓度的溶解氧会对厌氧氨氧化菌的活性产生明显的影响。虽然氧气对厌氧氨氧化菌的活性有明显的抑制，但解除氧毒时，厌氧氨氧化菌的活性又可以得到恢复。
(4)温度
厌氧氨氧化菌对温度的变化较为敏感。一般认为，厌氧氨氧化菌的适宜温度为 33~40℃。近年来，研究人员开始转向中低温条件下厌氧氨氧化工艺的研究，笔者采用生物陶粒滤柱，在 20±2℃、15±1℃、10±1℃时，平均总氮去除负荷分别达到 1.00g/(L·d)、0.89g/(L·d)、0.74g/(L·d)，平均总氮去除率分别为 87.6%、82.5%、73.0%。
(5)光
厌氧氨氧化菌属于光敏性细菌，光照作用下会降低其 30~50%的氨氮去除率。污水处理厂构筑物一般为钢筋混凝土结构，如在其顶板开孔处覆以不透明盖板，基本可以避免光照对构筑物脱氮效果的影响。
(6)有机物
厌氧氨氧化菌是化能自养厌氧菌，其倍增速率缓慢，在水中存在有机碳源情况下，异养菌倍增速率较快，就会导致厌氧氨氧化菌的生长受到影响。因此，厌氧氨氧化工艺比较适合置于微曝气的生反池流程后端，生反池出水中含有较低浓度的有机物和相对较高浓度的没有被氧化的氨氮，这样可以达到较好的脱氮效果。
2 亚硝化-厌氧氨氧化工艺特点
亚硝化工艺中，亚硝酸菌只是将氨氮转化为亚硝酸盐氮，并不能继续将其转化为氮气。要实现污水的高效脱氮，亚硝化还需结合其他工艺，而厌氧氨氧化就是其的搭配。目前有两种新型脱氮工艺受到较多研究者的青睐：一种是单级反应，以 CANON 为代表;另一种是两级反应，以 SHARON-ANAMMOX 为代表。
CANON 工艺的特点是，亚硝酸菌与厌氧氨氧化菌共存于同一反应器中，位于生物膜外层的亚硝酸菌，先将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后通过传质作用，位于生物膜内层的厌氧氨氧化菌，将亚硝酸盐氮和剩余的氨氮转化为氮气。
SHARON 工艺的特点是，在 30~35℃下，控制反应器污泥龄，使其介于亚硝酸菌和硝酸菌小停留时间之间，逐步将硝酸菌从反应器中淘汰。随后又开发出了SHARON-ANAMMOX 工艺，在前段反应器中，将一半左右的氨氮转化为亚硝酸盐氮，然后在后段反应器中，将亚硝酸盐氮和剩余一半的氨氮转化成氮气。
目前适合厌氧氨氧化工艺的反应器类型主要包括 EGSB、生物转盘、SBR、固定床等，它们都具有较好的微生物截留作用。
3 亚硝化-厌氧氨氧化工艺应用于生活污水处理的可能性
两级亚硝化-厌氧氨氧化工艺中，亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌可分别在自己利的环境中生长，相比单级工艺来说，其操作可靠性高，启动时间较短，脱氮效率高，具有一定的优势。但是，在我国污水排放量逐年增长的形势下，将亚硝化-厌氧氨氧化工艺应用于生活污水处理还存在着一定的限制。一方面，厌氧氨氧化反应需要前段亚硝化反应出水保持稳定的NH4+/NO2-，另一方面，在以往研究成果中，亚硝化-厌氧氨氧化工艺进水普遍采取很高的氨氮浓度(>500mg/L)，且反应器温度也很高(30~40℃)，这二者对于常温低基质的生活污水来说很难维持，也需要消耗巨大的能量。近年来研究人员开始在常温条件下研究厌氧氨氧化工艺的进行。
采用上向流高负荷生物滤池-CSTR 亚硝化反应器-上向流厌氧氨氧化滤柱处理实际生活污水。系统稳定后，出水氨氮平均浓度为 0.02mg/L，出水 COD 浓度为 41.4±2.3mg/L，出水总氮浓度为 11.9 ±2.7mg/L， 优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级 A 标准。
结语
基于亚硝酸菌和硝酸菌对各种基质或因素的耐受力不同，通过控制这些反应参数可以实现较稳定的亚硝化。但是目前对于某些反应参数的合理调控范围，不同研究人员得出的结论也不尽相同。
另外虽然目前将亚硝化-厌氧氨氧化工艺应用于实际生活污水处理中，仍有许多问题亟待解决，但其应用前景和效益也是巨大的，可积极促进城市生态系统的良性循环，实现可持续发展的目标，值得广大科研人员去深入研究。(来源：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司)
