曹國民， 趙慶祥， 張 彤
?（華東理工大學 環(huán)境工程系， 上海 200237）

　　摘　要：綜述了在一個反應(yīng)器中同時進行硝化和反硝化的單級生物脫 氮技術(shù)的進展，對活性污泥、生物膜和固定化細胞等單級生物脫氮工藝進行了評述。
　　關(guān)鍵詞：單級生物脫氮；硝化；反硝化；活性污泥；生物膜 ；固定化細胞?
　　中圖分類號： X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)02-0020-05

　　廢水生物脫氮目前主要采用活性污泥法。但由于硝化菌生長緩慢，為避免其流失，取得較好的脫氮效果，往往要求污泥在反應(yīng)器中停留很長時間，即需要很大的曝氣池，從而限制了活性污泥系統(tǒng)的處理能力。最近幾十年研究人員開發(fā)了許多新的生物脫氮技術(shù)，需要強調(diào)指出的是，盡管在生物脫氮技術(shù)上有了很多改進，但硝化和反硝化仍是在兩個獨立的或分隔的反應(yīng)器中進行，一個過程分兩個系統(tǒng)，條件控制復雜，兩者難以在時間和空間上統(tǒng)一，脫氮效果差，設(shè)備龐大，投資高。很明顯，如果兩個過程能在一個反應(yīng)器中進行，則可節(jié)省更多的占地面積和投資，還可避免亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽及硝酸鹽再還原成亞硝酸 鹽這兩個多余的反應(yīng)，從而可節(jié)省約25%的氧氣和40%的有機碳。?

1 活性污泥單級生物脫氮 ?

　　在一個反應(yīng)器中同時實現(xiàn)硝化、反硝化和除碳，具有以下優(yōu)點：①完全脫氮，②強化磷的去除，③降低曝氣需求，節(jié)省能耗并增加設(shè)備的處理負荷，④減少堿度的消耗，⑤簡化系統(tǒng)的設(shè)計和操作?；钚晕勰鄦渭壣锩摰饕抢梦勰嘈躞w內(nèi)存在溶解氧的濃度梯 度實現(xiàn)同時硝化和反硝化，圖1表示了生物絮體內(nèi)的反應(yīng)區(qū)分布及底物濃度的變化。?
　　由圖1可見，在活性污泥絮體表層，由于氧的存在而進行氨的氧化反應(yīng)，從外向里，溶解氧濃度逐漸下降，內(nèi)層因缺氧而進行反硝化反應(yīng)。

?

　　1985年Rittmaun和Langelaud在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功實現(xiàn)了同時硝化和反硝化，并且通過實驗證實：反硝化反應(yīng)可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)內(nèi)連續(xù)進行。氧化溝的操作非常簡單，只要控制好充氧速率，就可以達到在一個反應(yīng)器中同時進行硝化、反硝化及除碳的目的。但由于系統(tǒng)內(nèi)DO較低(＜1.0 mg/L)，因此硝化及BOD去除速率均不高。?
　　1992年Hauo等人^［1］構(gòu)建了一個能同時進行硝化—反硝化、除碳及除磷的小型氣提式反應(yīng)器。反應(yīng)器筒體與中央導管間的環(huán)隙為缺氧區(qū)，導管內(nèi)為好氧區(qū)(見圖 2)。廢水從環(huán)隙的上部引入，與由中央導管中溢出的硝化液一起，自上而下通過環(huán)隙，在其中進行反硝化反應(yīng)，然后與活性污泥絮體及氣泡一起自下而上通過中央導管，在其中進行硝化反應(yīng)。廢水中的有機物主要用作反硝化的碳源。因此，導管中的硝化作用幾乎不受異養(yǎng)菌生長的影響。中央導管的大小、上升氣體的流速和水力停留時間對硝化和反硝化作用影響很大，所能達到的 最大脫氮效率約為90%。這一系統(tǒng)的主要缺點是液體循環(huán)比高，液體循環(huán)時在每個區(qū)的停留時間僅幾分鐘，從而使兩區(qū)內(nèi)的流態(tài)從平推流轉(zhuǎn)變成完全混合流，導致不完全脫氮。由于液體的停留及混合時間隨反應(yīng)器容積的增大而增大，他們建議采用深井曝氣法去除廢水中的 含氮化合物，但用深井曝氣法脫氮在技術(shù)及經(jīng)濟上的可行性有待進一步研究。?

2 生物膜單級生物脫氮

2.1 生物轉(zhuǎn)盤(RBC)
　　硝化菌的世代時間長，比增殖速度較小，如亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化桿菌屬(Nitrobater)的比增殖速度分別為0.21和1.2d^-1［2］，在一般生物固體平均停留 時間較短的活性污泥處理系統(tǒng)中，這類細菌難以占優(yōu)。在生物膜處理法中，生物固體的平均停留時間與污水的停留時間無關(guān)，使硝化菌和亞硝化菌能得以繁殖。因此，生物膜處理法的各種處理工藝都具有一定的硝化功能，采用適當?shù)倪\行方式，還可能具有反硝化脫氮的功能。
　　1978年Ishiguro等人在用單一的RBC處理垃圾衛(wèi)生填埋滲濾液時，發(fā)現(xiàn)氮的減少，且在夏季氮的減少尤為明顯。隨后Masuda等人從加蓋的RBC中檢測出有N₂產(chǎn)生，證實了反硝化作用的存在。為了更加科學地解釋氮減少的原因，他們又對RBC中所形成的生物膜的性質(zhì)，如：生物膜的密度及其在空間的分布、細菌種類、特征生化反應(yīng)速率等進行了研究，發(fā)現(xiàn)在生物膜中同時存在著硝化細菌和反硝化細菌，當氧向生物膜內(nèi)傳遞的速率下降到足以在其中形成一個微氧(Micro-aerobic)環(huán)境時，反硝化菌即具有反硝化活力，也就是 說能否在生物膜內(nèi)為硝化菌和反硝化菌創(chuàng)造各自適宜的生長條件，成為能否在單一的RBC中同時進行硝化和反硝化的關(guān)鍵。為此，他們又采用降低加蓋RBC上方氧分壓的方法，實現(xiàn)了同時硝化和反硝化。結(jié)果表明，在好氧的RBC中氮的去除效率除了與氣相中氧分壓有關(guān)外，還取決于水溫、水力停留時間和進水中有機物與氨氮的比例。Watanabe等人^［3］認為在單一的RBC中有兩種方式 可以實現(xiàn)同時硝化和反硝化：①通過降低氣相中氧分壓控制氧的傳遞速率，如當C/N為6、氧分壓為10kPa時，可取得大于90%的脫氮效率，這與Masuda等人的方法是一樣的；②采用部分沉浸式和全部沉浸式相結(jié)合的RBC反應(yīng)器(Combined Partially and Fully Submerged RBC)研究了有機物類型、進水碳氮比等因素對同時硝化和反硝化效率的影響。試驗所用的四種碳源： 醋酸、乙二醇、苯酚和聚乙烯醇(PVA)均能被降解，并可作為反硝化碳源，脫氮效果良好，顯示了CPFSR反應(yīng)器具有同時硝化、反硝化和去除難降解有機物的巨大潛力。一般來說，RBC工藝具有操作簡單和操作費用相對低的優(yōu)點，但RBC對環(huán)境條件的變化相對敏感，不夠穩(wěn)定，因此需要連續(xù)調(diào)節(jié)操作條件(如轉(zhuǎn)速、碳負荷等)。此外，由于受機械強度的限制，RBC反應(yīng)器不可能做得太大，因此其處理容量仍很有限。
2.2 生物流化床
　　流化床是以砂、活性炭一類較小的顆粒為載體填充在床內(nèi)，載體表面覆蓋著生物膜。小的載體顆粒比表面積高達3000～5000m²/m³，以MLSS計的生物量高于任何一種生物處理工藝。載體處于流化狀態(tài)，污水從其下部、左、右側(cè)流過，廣泛而頻繁地與生物膜相接觸，載體顆?；ハ嗄Σ僚鲎?，生物膜更新快、活性高，強化了傳質(zhì)過程。流化床的效率是 普通活性污泥法的10倍，而占地面積僅為其10%。將流化床分別用于硝化和反硝化的報道很 多 ，硝化速率和反硝化速率均較高，分別為1～2和2～4 kg/(m³·d) ，但僅有個別報道介紹了硝化 和反硝化流化床在工業(yè)上的應(yīng)用^［4］，至于在一個流化床內(nèi)同時進行硝化和反硝 化的研 究并不多。Fermandez-Polanco等人^［5］采用中試規(guī)模的厭氧/好氧流化床同時脫氮 和除碳(見圖3)。?

　　 由圖3可見，置于流化床中部的氣體分布器將一個反應(yīng)器分成兩部分：分布器以下為缺氧區(qū),主要進行反硝化和有機物的厭氧分解；分布器以上為好氧區(qū),主要進行硝化和有機物的氧化。反應(yīng)器的部分出水經(jīng)氣—液—固三相分離器后，循環(huán)到流化床底部,與進水一起使缺氧區(qū)呈流化態(tài)。改變氣體分布器在流化床中的高度,可以調(diào)節(jié)好氧區(qū)和厭氧區(qū)體積的大小,提高脫氮效率。盡管這一反應(yīng)器的脫氮速率屬于中等［0.2 kgN/(m³·d)］,但這一結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的反應(yīng)器似乎有望用于實際廢水的處理。Sen等人開發(fā)了一個類似的同時硝化和反硝 化的流化床，但他們不是在流化床內(nèi)使用氣體分布器，而是將溶氧飽和的廢水直接從流化 床的底部送入反應(yīng)器，廢水進入流化床后即進行硝化作用和有機碳的氧化分解。由于進水COD較高，故耗氧量大，從而在床層上部形成了缺氧區(qū)，發(fā)生反硝化作用，反硝化率高達100% ，硝化率為40%～90%，COD去除率為90%～97%。
　　如上所述，流化床反應(yīng)器有許多優(yōu)點，但由于對床層膨脹率、生物膜厚度、布水器等的控制比較困難，并且還有放大效應(yīng)問題，因此用于生物脫氮的流化床大多限于實驗室規(guī)?；蛑性囈?guī)模。?
2.3 新型生物纖維膜反應(yīng)器?
　　為了把膜技術(shù)的優(yōu)點(從處理水中截留與分離微生物)和細胞固定化技術(shù)的優(yōu)點(高濃度微生物、傳質(zhì)比表面積大)結(jié)合在一起，一些研究人員開發(fā)了一類新型生物纖維膜反應(yīng)器，反應(yīng)器中的膜不僅具有生物降解功能，同時還具有分離功能，其中Timbarlake等人設(shè)計 的PSB(Permeable-Support biofilm)具有代表性。在PSB反應(yīng)器中，生物膜附著生長在具滲透性的纖維 膜載體上，空氣或氧氣通過此載體滲透進入生物膜層(圖4)。生物膜中的微生物自然分層， 緊貼在滲透性膜載體上的是硝化菌群，而反硝化菌和其他異養(yǎng)菌則附著在硝化菌群上，與缺氧、含碳的介質(zhì)密切接觸。因此，碳氧化、硝化和反硝化分別在生物膜的不同部位進行。這樣不同類型微生物之間無干擾，還可避免微生物間的互相競爭或可能存在的抑制作用。 ?

　　雖然PSB反應(yīng)器的脫氮速率［約為0.05 kgN/(m³·d)］和比表面積(20m²/m³)都很低，但是這一膜反應(yīng)器的思路具有創(chuàng)新性，并且如果能增加其比表面積，該反應(yīng)器仍具有很大的應(yīng)用價值。

3 固定化微生物單級生物脫氮?

　　利用固定化微生物技術(shù)強化生物脫氮過程是近十多年來生物脫氮領(lǐng)域研究的熱點之一，國內(nèi)外學者對硝化細菌和反硝化細菌單獨固定及固定化細胞的脫氮特性作了詳細的研究，在日本已有將固定化硝化菌用于處理能力為11300m³/d的工業(yè)裝置^[6]。但由于硝化菌和反硝化菌具有不同的生理特性，硝化和反硝化作用難以在時間和空間上統(tǒng)一，脫氮效果差，因此，開發(fā)了將硝化菌和反硝化菌混合固定的單級生物脫氮技術(shù)。根據(jù)包埋方式和碳源供給方式不同有三種工藝。?
3.1 硝化菌和反硝化菌分層包埋
　　Dos Santos等人以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌。他們先將反硝化菌與海藻酸鈉、KCl溶液混合，然后將其滴入攪拌的含硝化菌、K角叉菜膠和CaCl₂的溶液中，制成內(nèi)層為海藻酸鈉包埋反硝化菌、外層為K角叉菜膠包埋硝化菌的復合小球。他們認為分層包埋的主要優(yōu)點是：兩類微生物的機械分層為硝化提供了有利的條件,避免了好 氧條件下反硝化菌與硝化菌爭奪溶解氧；另一方面，也避免了反硝化菌在有機碳源存在下的過度增殖。該法類似于傳統(tǒng)先硝化后反硝化脫氮工藝，但它使兩個反應(yīng)在一個微單元中同時進行。反硝化菌直接還原硝化反應(yīng)產(chǎn)生的亞硝酸鹽，避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個多余步驟，降低了對氧及有機物的需求。在好氧條件下，連續(xù)運行時氮的去除 速率高達5.1mmol N/(m³·s)，但該法固定化過程比較復雜,可供選擇的載體較少，不便于大規(guī)模制備固定化細胞。另外,根據(jù)Uemoto和Saiki^[7]對混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究發(fā)現(xiàn)，運行一段時間后其在載體內(nèi)的分布自然會發(fā)生變化，硝化菌集中于外層，反硝化菌集中于內(nèi)層，中間過渡層兩者共存，因此，沒有將硝化菌和反硝化菌分層包埋的必要。
3.2 硝化菌和反硝化菌混合包埋
　　 最早從事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人，他們用聚電解質(zhì)固定亞硝化菌和反硝化菌的混合細胞，并與單獨固定的亞硝化菌作了比較，結(jié)果前者能實現(xiàn)完全脫氮，并且系統(tǒng)中未檢測到NO₂^--N的存在，而后者最終只能將NH₃-N氧化成NO₂^--N，無脫氮效果。?
　　本文作者利用兩種常用的固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)混合固定硝化菌和反硝化菌 ，研究了好氧條件下同時硝化和反硝化的可行性及其脫氮特性。結(jié)果表明，硝化菌和反硝化菌混合固定時，由于載體內(nèi)部形成了適合硝化和反硝化的環(huán)境，可以在好氧條件下同時進行 硝化和反硝化，實現(xiàn)單級生物脫氮。混合固定時的氨氧化速率約為硝化菌單獨固定時的1.4倍，總無機氮的去除速率達0.13kgN/(m³·d)，約為PSB脫氮速率的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后對溫度的敏感性減小，并且在較寬的溶解氧范圍內(nèi)(2～6 mg/L)保持穩(wěn)定的脫 氮速率，具有良好的應(yīng)用前景。
3.3 碳源循環(huán)單級生物脫氮
　　日本的Uemoto和Saiki^[7.8]將亞硝化菌(N.europaea)和反硝化菌(P.denitrificans)與光硬化樹脂(PVA—SBQ)混合后注入玻璃模型管中,經(jīng)紫外光照射,硬化后制成固定化細胞管。然后將其組裝成圖5所示的碳源循環(huán)單級生物脫氮反應(yīng)器。在曝氣的條件下，固定化細胞管 外側(cè)硝化菌將NH₃-N氧化成NO₂^--N；內(nèi)側(cè)反硝化菌從管內(nèi)攝取乙醇作碳源將NO₂^--N還原成N₂。與上述其他單級生物脫氮工藝不同，碳源(乙醇)不是直接添加到廢水中，而是在細胞管內(nèi)循環(huán)流動時被反硝化菌按需攝取，處理水中不殘留多余的乙醇，既節(jié)省了碳源，又避免了脫氮后除碳的工藝過程。此外，這種方法還使生物脫氮過程的律速過程—硝化速率大大提高(為亞硝化菌單獨固定時的3倍)，這為生物處理裝置的小型化和降低處理成本開辟了新方向。此反應(yīng)器的缺點是比表面積較低(約為47m²/m³)。為了在實際工程中推廣應(yīng)用碳源循環(huán)單級生物脫氮反應(yīng)器，目前正在研制由多根細胞管組成的裝置。

4 結(jié)語

?　單級生物脫氮技術(shù)因其能縮短脫氮歷程、節(jié)省碳源、降低動力消耗、提高處理能力等優(yōu)點而 倍受關(guān)注，尤其是在利用生物膜或固定化細胞進行單級生物脫氮方面取得了很大的進展，開發(fā)出許多新型生物反應(yīng)器或新的固定化方法，但無論是生物膜還是固定化細胞所構(gòu)成的單級生物脫氮系統(tǒng)，目前均處于實驗室或中試規(guī)模的研究階段。一些新型反應(yīng)器如：碳源循環(huán)單級生物脫氮反應(yīng)器和新型生物纖維膜反應(yīng)器已顯示出了巨大的潛在應(yīng)用價值，將是未來單級生物脫氮領(lǐng)域研究的主要方向之一。某些經(jīng)濟技術(shù)方面的研究表明，硝化菌和反硝化菌混合固定的單級生物脫氮技術(shù)具有良好的工作應(yīng)用前景，今后應(yīng)進一步完善傳質(zhì)和反應(yīng)動力 學方面的研究，以便為工程設(shè)計提供相適應(yīng)的參數(shù)。

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收稿日期：1999-09-23?