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上海師范大學環境工程系，2003級，0313552

摘要：自然界中包括土壤、水體、污水、及工業廢水都含有硝酸鹽。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菌及一些好氧細菌將硝酸鹽、氨氮還原為氮氣即反硝化作用[1]

關鍵詞：反硝化作用、氨氮、短程硝化反硝化、好氧反硝化、厭氧氨氧化

在現代污水處理工藝當中，降解污水當中的有機物的技術已經相當成熟了，但是除去污水當中的氮工藝還不夠成熟，現在大多數污水處理廠的出水都很清澈，對其出水進行監測分析發現其中COD很低，但是氨氮卻很高，還有如果我們對城市中小河流進行監測分析，我們會發現同樣的結果：COD很低，氨氮很高。所以降解水中的氨氮已經成為我們急待解決的問題。如果用傳統的加化學藥劑的方法，會產生二次污染，而且處理成本很高。利用細菌的反硝化作用降解污水當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，更重要的不會產生二次污染。

據統計，從上世紀60年代至今，全國有環境監測的432條河流，80%受到不同程度的污染，全國2800多座湖泊大多出現富營養化現象。隨著水體氮磷的積累，“赤潮”“水華”現象更加頻繁，雖經治理，效果并不理想。上述治理形勢之所以嚴峻，關鍵是缺乏有效、經濟的治理技術和方法。而處理高難度有機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展，

亞硝酸鹽硝化反硝化受到重視，發現了厭氧氨氧化和好氧反硝化微生物的生物化學作用，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]。細菌的反硝化作用應用在水處理當中的研究是很有前景的。細菌的反硝化作用是通過微生物的活動，將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氣態分子氮或氣態氮氧化物的過程。

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

反硝化作用是指經脫氮假單胞菌（Pseudomonasdenitrificans）、脫氮微球菌（Micrococcus denitri-ficans）等反硝化細菌把硝酸或亞硝酸轉變成氮氣而釋放的作用。氮氣全部是來源于無機態硝酸或亞硝酸，按NO3ˉ—→NO2ˉ—→NO—→N2O—→N2的順序進行還原[4]。除生成N2以外，有時也附帶生成N2O、NO等。一般認為在呼吸中是以硝酸中的氧來作為電子受體的氧進行能量調節的。通常高等植物或其他細菌類進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速率的關系

生物硝化反硝化是應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，曝氣費用成為這種脫氮方式的主要開支（反硝化反應速率與溶氧的關系見圖2[5]）。反硝化反應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行反硝化），不僅可以節省氨氧化需氧量而且可以節省反硝化所需炭源。[6]

圖3 反應速率還受溫度影響

Ruiza等[7]用合成廢水（模擬含高濃度氨氮的工業廢水）試驗確定實現亞硝酸鹽積累的最佳條件。要想實現亞硝酸鹽積累，pH不是一個關鍵的控制參數，因為pH在6.45～8.95時，全部硝化生成硝酸鹽，在pH<6.45或pH>8.95時發生硝化受抑，氨氮積累。當DO=0.7 mg/L時，可以實現65%的氨氮以亞硝酸鹽的形式積累并且氨氮轉化率在98%以上。DO<0.5 mg/L時發生氨氮積累，DO>1.7 mg/L時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行了對比分析。試驗結果表明，亞硝酸型脫氮可明顯提高總氮去除效率，氨氮和硝態氮負荷可提高近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果表明，進水COD、氨氮、TN 和酚的濃度分別為1201.6、510.4、540.1、110.4 mg/L時，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，相應的去除率分別為83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。與常規生物脫氮工藝相比，該工藝氨氮負荷高，在較低的C/N值條件下可使TN去除率提高。

現在一些好氧反硝化菌已經被分離出來，有些可以同時進行好氧反硝化和異養硝化（如Robertson等分離、篩選出的Tpantotropha.LMD82.5）。這樣就可以在同一個反應器中實現真正意義上的同步硝化反硝化，簡化了工藝流程，節省了能量。華中師范大學生命科學學院的李平、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菌HS-03，并期的反硝化能力進行了研究。結果表明：細菌HS-03在好氧的條件下能有效去除模擬廢水當中的NO3ˉ(10mol/L),去除率達90%以上，并且在反應過程中沒有NO3ˉ積累。見圖4、圖5 [10]

每100ml培養基中接種量去出率的關系

圖4 培養基中NO3濃度與累積時間?????????? 圖5培養基中NO3濃度與累積時間

耗氧反硝化細菌HS-03不僅氨氮的去除率高而且反應時間很短。在很短的時間里培養基中的NO3ˉ剩余量很少。

賈劍暉等[11]用序批式反應器處理氨氮廢水，試驗結果驗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，當溶解氧濃度為0.5 mg/L時，總氮去除率可達到66.0%。趙宗勝等[12]連續動態試驗研究表明，對于高濃度氨氮滲濾液，普通活性污泥達的好氧反硝化工藝的總氮去除串可達10%以上。硝化反應速率隨著溶解氧濃度的降低而下降；反硝化反應速率隨著溶解氧濃度的降低而上升。硝化及反硝化的動力學分析表明，在溶解氧為0.14 mg/L左右時會出現硝化速率和反硝化速率相等的同步硝化反硝化現象。其速率為4.7 mg/(L·h)，硝化反應KN=0.37 mg/L；反硝化反應KD=0.48 mg/L。[13]

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

好氧反硝化菌是好氧細菌同時又是異養硝化菌，能夠直接把氮轉化成最終氣態產物，所以稱為好氧反硝化和異養硝化菌。與厭氧反硝化細菌相比，它的反硝化速率慢一些，但能較好適應缺氧好氧周期的變化。厭氧反硝化脫氮工藝已經成熟，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格的反應條件及較高的反應速率而優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，好氧反硝化的發現可使處理周期縮短、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濟地講解污水中的氮，但是在反硝化過程中會產生N2O是一種溫室氣體。另外，還有諸如全程自養脫氮工藝、同步硝化反硝化等工藝仍處在試驗研究階段，都有很好的應用前景。現在好氧現在一些好氧反硝化菌已經被分離出來，好氧反硝化有好的前景。

參考文獻：

[1]周群英,高廷耀編著,環境工程微生物(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,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處理高氨氮廢水,捷暉生物網, http://www.jeff-bio.com/b/b1.doc

[6]常功法,畢學軍,生物脫氮污水處理技術處理高氨氮廢水,水利工程網 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,工業用水與廢水,2002, 33(3):1-4

[9]劉超翔，胡洪營，彭黨聰等,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,一株好氧反硝化細菌的鑒定及其在廢水處理中的應用,華中科技大學學報, 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,南平師專學報,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,中國環境科學, 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新概念——可持續生物除磷脫氮工藝,給水排水,2002,7:6-8