呂 錫 武
(東南大學環境工程系，南京，210096)

　　摘 要:綜合國內外研究成果，結合筆者的研究心得，對同時硝化反硝化的理論與實踐進行了總結。從物理學、微生物學和生物化學的角度，對同時硝化反硝化現象做了理論分析，并對亞硝酸鹽氮的同時硝化反硝化過程的影響因素進行了探討，提出了今后的研究方向。
　　關鍵詞 同時硝化反硝化；亞硝酸鹽；氨氮，中間產物

THE THEORY AND PRACTICE OF SIMULTANEOUS NITRIFICATION AND DENITRIFICATION

LU Xi-wu

(Department of Environmental Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)

　　ABSTRACT：The paper made a survey on current research status of simultaneous nitrification and denitrification (SND) in wastewater treatment, and made a theoretical explanation for the phenomenon of nitrification and denitrification from the angles of physics, microbiology and biochemistry. The author also summarized the practice and influencing facts of SND process and put forward some suggestions for further study of SND.
　　Keywords: simultaneous nitrification and denitrification, nitrite, ammonia, byproducts

　　關于硝化和反硝化，經典的水處理理論認為：硝化過程是氨通過亞硝酸鹽向硝酸鹽的自養型轉換，主要是由化能無機營養菌——硝化細菌所完成的；反硝化過程則被認為是在嚴格的厭氧條件下完成的^[1]。
　　近年來，許多異養微生物被發現也能硝化有機氮和無機氮化合物，異養硝化過程對自然界中氨的硝化能起很大貢獻，甚至在許多微生態系統中異氧菌作用超過自氧菌^[2]。與自氧菌相比，異氧硝化菌通常傾向于快速增長且有較高的產率，可容忍低一些的溶解氧(DO)濃度和酸性環境，喜歡較高的C／N比^[3]。
　　一般來講，在反硝化過程中，硝酸鹽和亞硝酸鹽在呼吸電子傳遞鏈中被用作為電子受體，其方式與氧相同，只是對代謝系統（如對酶）稍有不同。最初，反硝化被認為是嚴格的厭氧過程，因為反硝化菌作為兼性需氧菌，優先使用溶解氧(DO)呼吸（甚至在DO濃度低達0.1mg/L時也如此）。這一特點阻止了使用硝酸鹽和亞硝酸鹽在有氧作為最終電子受體。然而，20世紀80年代后發現某些種類的細菌能夠好氧反硝化^[4]。與厭氧反硝化細菌相比，好氧反硝化菌傾向于（1）反硝化速率慢一些；（2）隨著好氧/厭氧周期的變化，其小生態環境的優點好一些；（3）喜好某些特定基質如甲醇^[2]。
　　近十余年來，在不少污水處理工藝的實際運行中發現了同時硝化反硝化（也稱同步硝化反硝化）現象。例如，間歇曝氣反應器 ^[3]，SBR反應器^[5]，Orbal氧化溝^[6]，單溝氧化渠^[7]等反應器中均發現了好氧狀態下高達30%的總氮損失，這些氮的去除是在氧、亞硝酸鹽和硝酸鹽同時存在條件下發生的。所謂同時硝化反硝化現象（SND），就是硝化反應和反硝化反應在同一反應器中、相同操作條件下同時發生。這一現象與傳統脫氮理論明顯有所違背。根據傳統理論，首先含氮有機物被異養微生物分解轉化為氨，然后通過自養型硝化細菌將其氧化為硝酸鹽，最后再由反硝化細菌將硝酸鹽還原為氮氣，完成脫氮過程。由于硝化菌和反硝化菌各自適宜的生長環境不同，故傳統理論對硝化過程與反硝化過程有嚴格區分，前者是好氧條件，后者是厭氧條件。
　　同時硝化反硝化現象的發現，是水處理理論的一項重要成果。十余年來，國內外學者對這一現象進行了大量研究。本文在分析總結國內外研究經驗的基礎上，結合筆者的研究心得，從微生物學、生物化學和物理學的多重角度，對同時硝化反硝化機理進行一些有意義的探討。

1 同時硝化反硝化的理論

　　同時硝化反硝化的現象可以從物理學(微環境理論)、微生物學(異養硝化和好氧反硝化菌種理論)和生物化學（中間產物理論）三個方面予以闡述和解釋。
　　(1) 微環境理論：微環境理論側重從物理學觀點，研究活性污泥和生物膜的微環境中各種物質（如DO、有機物等）傳遞的變化，各類微生物的代謝活動及其相互作用，從而導致微環境中的物理、化學和生物條件或狀態的改變。
　　微環境理論認為：由于微生物個體形態非常微小，一般屬µm級，影響生物的生存環境也是微小的。而宏觀環境的變化往往導致微環境的變化或不均勻分布，從而影響微生物群體或類型的活動狀態，并在某種程度上出現所謂的表里不一（即宏觀環境與微觀環境不一致）的現象。事實上，由于微生物種群結構、基質分布代謝活動和生物化學反應的不均勻性，以及物質傳遞的變化等因素的相互作用，在活性污泥菌膠團和生物膜內部會存在多種多樣的微環境類型。而每一種微環境往往只適合于某一類型微生物的活動，而不適合其它微生物的活動^[8]。
　　在活性污泥中，決定各類微環境狀況的因素包括有機物和電子受體，如：DO、硝態氮的濃度及物質傳遞特性、菌膠團的結構特征、各類微生物的分布和活動狀況等。在好氧性微環境中,由于好氧菌的劇烈活動,當耗氧速率高于氧傳遞速率時,可變成厭氧性微環境；同樣厭氧微環境在某些條件下，也能轉化成好氧微環境。如DO濃度增高，攪拌加劇，使氧傳遞能力增強時，就會使菌膠團內部原來的微環境由厭氧型轉為好氧型。一般而論，即使在好氧性微環境占主導地位的活性污泥系統中，也常常同時存在少量的微氧、缺氧、厭氧等狀態的微環境。厭氧微環境理論是以自氧硝化和厭氧反硝化的相互專有概念為基礎的；也即是說，硝化可發生在絮體的表面，而反硝化由于活性污泥絮體內的DO梯度，會發生在內層。而采用點源性曝氣裝置或曝氣不均勻時，則易出現較大比例的局部缺氧微環境。因此曝氣階段會出現某種程度的反硝化，或稱同時硝化反硝化的現象。在生物膜法的工藝中，基質濃度和膜厚的變化對厭氧微環境的產生尤其有重大影響。
　　對同時去除有機物和進行硝化反硝化的工藝，硝化菌在活性污泥中約占5%左右，大部分硝化菌、反硝化菌處于生物絮體內部。在這種情況下，DO濃度增高將提高其對生物絮體的穿透力，因此可以提高硝化反應速率，但會降低反硝化速率。生物絮體內部的微環境狀態，除了受DO影響外，還和有機負荷（F/M）、絮體大小和攪拌程度有關。高F/M、低DO或無攪拌時，生物絮體內微環境傾向于向缺氧或厭氧發展。反之，低F/M、高DO或有攪拌時，微環境向好氧狀態發展。
　　由于好氧工藝中厭氧性微環境的存在，使得對于好氧反硝化的現象，即使從傳統硝化反硝化理論的角度解釋，也可以理解了。
　　(2) 異養硝化和好氧反硝化菌的作用理論：對于好氧反硝化的現象，近年來微生物學上的發現已經可以給出令人較為滿意的答案。由于80年代好氧反硝化菌的重要發現，使得好氧反硝化的解釋有了生物學的依據。已知的好氧反硝化菌有Pseudomonas Spp、Alcaligenes faecalis、Thiosphaera Pantotropho，這些好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌^[9～10]。正因為如此，能夠直接把氨轉化成最終氣態產物^[10]。Robertson等人還提出了好氧反硝化和異養硝化的工作模型，即Thiosphaera Pantotropha和其它好氧反硝化菌使用硝酸鹽/亞硝酸鹽呼吸（好氧反硝化），氨氧化（這里指的是異養硝化，而不是傳統意義上的自養硝化），以及在最后一步作為過量還原能量的累積過程形成Poly-P-hydroxybuty-rate(PHB)。關于好氧反硝化和異養硝化菌，其反應速率隨著DO 增加而減少的規律，也有類似的報道^[9]。然而，有研究發現，在DO濃度從10%到2倍的空氣飽和度的均質懸浮細菌培養試驗中，也明顯發現了好氧反硝化^[4]。與厭氧反硝化細菌相比，好氧反硝化菌的一般特征為反硝化速率慢一些，但能較好適應厭氧（或缺氧）好氧周期變化^[10]。
　　(3) 中間產物理論：好氧反硝化所呈現出的最大特征是好氧階段總氮的損失。一方面這一現象可由存在的好氧反硝化菌的微生物學理論予以解釋；另一方面從生物化學途徑中產生的中間產物，也能解釋一部分總氮損失的原因。
　　關于硝化作用的生物化學機制的研究，目前已初步搞清楚是按以下途徑進行：

　　NH₃ → H₂N-NH₂ → NH₂-OH → N₂ → N₂O(HNO) 　→ 　NO → NO₂^- → NO₃^-

　　氨　　　聯胺　　　　羥胺　　氮氣 氧化亞氮(硝酰基) 氧化氮 亞硝酸　 硝酸

　　在這個過程中，至少有三個中間產物N₂、N₂O和NO能以氣體形式產生。其中硝化、反硝化過程均可以產生中間產物NO、N₂O，而且其比例可高達氮去除率的10%以上^[11]，而Marshall Spector甚至發現過硝酸鹽反硝化過程中N₂O最大積累量可達到總氮去除率50%～80%^[12]。較多的研究報道表明，在好氧硝化過程中，如果碳氮比值較低，DO較低或SRT較小，都能導致N₂O釋放量增大^[13]；而且還有人發現，好氧反硝化會產生比厭氧反硝化時更多的N₂O中間產物^[14]。
　　因為好氧硝化或好氧反硝化產生了中間產物N₂O作為氣體逸出，構成了好氧條件下一部分總氮損失。在此，應著重指出的是，因為好氧硝化產生了中間產物N₂O的逸出而導致的一部分總氮損失，實際上不是反硝化脫氮，但人們往往卻將其歸功于反硝化作用。

2 同時硝化反硝化的實踐

　　氧化溝、SBR反應器、間歇曝氣、生物膜等多種工藝中均出現同時硝化反硝化現象。
　　氧化溝工藝的主要控制參數為氧傳遞速率。典型的三溝式Orbal氧化溝，外溝道溶解氧在0-0.5mg/L左右，供氧量通常只為需氧量的50-70%，處于虧氧狀態，這就有利于異養微生物利用硝酸鹽氮進行反硝化。Bruce等人研究的兩個單溝氧化渠操作較為簡單，平均溶解氧濃度為0.1-0.5mg/L之間，脫氮率分別達到的97.6%和76%^[7]。
　　Munch等人^[5]觀察了SBR反應器中DO對硝化率和反硝化率的影響。發現曝氣階段DO對硝化率的影響可用Monod方程表示，反硝化菌與DO的關系可用數學轉換方程表示，且轉換常數比預期值要高，這意味著好氧反硝化的程度也高于預期值，運行過程中硝化菌的活動受到抑制，同時好氧反硝化速率隨曝氣時間的延長而降低，完全硝化反硝化時DO濃度大約為0.5mg/L。
　　東南大學環境工程系分別采用ORP儀和DO儀控制SBR反應器的SND現象。ORP儀設置70mV、50mV、20mV三個最大值，DO儀設置0.5mg/L、1 mg/L、2mg/L三個最大值。實驗獲得了SND工藝20-60%的除氮率，且曝氣初期1.5h內除氮率急劇增加。ORP控制有效的實現了高低溶解氧條件的交替，保證充分硝化反應的同時創造了SND的最佳環境。結果表明：不同最大ORP值控制的SND，其除氮率由小到大的順序為70mV，50mV，20mV，且50mV和20mV時，反應后期亦出現顯著的SND現象。而低氧條件下，DO儀控制的SND除氮率和硝化速度都明顯低于ORP儀控制。
　　間歇曝氣工藝 ^[3,15]的氮去除率可達90%，溶解氧濃度、曝氣循環的設置方式、碳源形式及投加量均是其重要的影響因素。Hyung Yoo等人^[15]的研究結果表明：最佳的最大DO濃度（曝氣階段末期）在2.0-2.5mg/L時，運行良好。Hong W 等人^[3]通過總氮平衡的計算發現，總氮去除中歸功于同時硝化反硝化的占10-50%，此外由于ORP對低溶解氧濃度的響應靈敏，因此可用其作為SND的實時控制參數。另外，較短的曝氣循環周期有利于SND的發生，厭氧段加入碳源可以同時增強硝化和反硝化作用。
　　溶解氧的變化對生物膜反應器的影響很大。Watanabe Y.等人^[16]采用了部分淹沒式旋轉生物接觸反應器控制。實驗發現：氧流入量越低，硝化率越低，反硝化率越高。氣相氧分壓在0.1大氣壓時（氧流量=0.35g/m²/h），脫氮率達到最高。根據Masuda等人^[17]的研究，生物膜密度、單位體積生物膜中異養生物和硝化菌反硝化菌的數量隨生物膜厚度的增加而增加，而膜內的反應速率并未明顯受到膜厚的影響。真正有效的控制參數是氣相氧分壓、水溫、水力停留時間和進水C/N比。
　　K. Pochana^[18]等人認為生物易降解碳源的投加和活性污泥絮體體積的增加均可引起SND效率的顯著加強。其實驗結果表明：活性污泥絮體平均粒徑由40μm變為80μm時，SND貢獻率由21%增為52%。此外，反應器液相主體的DO濃度在一定范圍內增加會呈線性關系抑制SND，但DO濃度增至0.8mg/L時，其線性關系不明顯。
　　從上述各種工藝的運行情況可以看出, 同時硝化反硝化必須嚴格控制溶解氧。一般適宜DO濃度在2.5mg/L以下，在較低DO條件下，ORP可作為可靠的控制手段。另外補充適量碳源也能提高SND的脫氮率。

3 經亞硝酸鹽氮完成的同時硝化反硝化

　　（1）經過亞硝酸鹽氮完成的同時硝化反硝化的優點
　　如果抑制硝化反應的第二步（即亞硝酸鹽氮被氧化為硝酸鹽氮），則反硝化菌可利用亞硝酸鹽氮作為最終電子受體，完成同時硝化反硝化。經亞硝酸鹽氮完成的SND具有很多優點^[19]，如：反硝化時COD需求量減少40%、反硝化效率提高、厭氧生長期產生的生物量顯著減少等。U. Abeling和 C. F. Seyfried的實驗證實了碳源消耗的減少，后來又發現與完全硝化反應相比，亞硝化反應僅需75%的氧，因此節省運行費用 ^[20]。
　　（2） 經過亞硝酸鹽氮完成的同時硝化反硝化的影響因素
　　1) 高游離氨（FA）濃度：根據Anthonisen的研究^[21]，氨（NH₃）和亞硝酸（HNO₂）對亞硝酸菌和硝酸菌均有抑制作用，但硝酸菌對氨反應更為靈敏。氨濃度在1-5mg/L時就能抑制硝酸菌的活動^[20]。但由于硝酸菌能逐步適應高氨濃度，亞硝酸鹽氮的積累不能持久。據報道，適應后的硝酸菌可忍受的氨濃度高達40mg/L。但氨濃度過高會抑制整個硝化反應過程。氨濃度達到7mg/L時就可觀察到亞硝化反應被抑制，達到20mg/L時硝化反應很微弱。Abeling等人^[20]發現在pH=8.5和T=20℃時，最佳的氨濃度在5mg/L左右。
　　2) 溫度：10～20℃時硝酸菌較為活躍^[22]；20～25℃時，硝酸菌活動減弱，而亞硝化反應加快，25℃時達到最大。高于25℃后，游離氨對亞硝酸菌的抑制較為明顯^[23]。
　　3) 曝氣時的低溶解氧濃度：溶解氧濃度是同時硝化反硝化的關鍵因素。控制溶解氧濃度須注意以下兩點：(a)曝氣階段最大DO值，(b)好氧階段DO增加速度不宜過快或過慢。低溶解氧濃度會抑制硝酸菌的活動，據Cecen和Gonenc報道^[24]，DO/FA低于5時，硝酸鹽氮的形成受到抑制；當溶解氧濃度提高時，好氧反硝化率和異養硝化率會降低。Elisabeth V等人^[5]研究了DO對SBR反應器中同時硝化反硝化的影響，發現低DO濃度時出現了亞硝酸鹽氮的積累，而當DO濃度高于硝化菌的氧半飽和系數時，積累消失。這證實了較低DO對硝化菌的抑制作用。
　　4) 缺氧、好氧環境變換時反應的滯后時間：Turk和Mavinic（1986）^[19]觀察了硝酸菌反應的滯后時間。即使微生物群體中硝酸菌已適應高濃度氨，流出缺氧池進入好氧池時，好氧池中仍然有短暫但又很明顯的亞硝酸鹽氮積累，持續時間可長達數小時。而曝氣時間的延長則提高了硝酸菌的活性，積累消失。M.O’Neill（1995）等人^[25]研究的Orbal氧化溝采用缺氧/好氧循環獲得同時硝化反硝化。運行時發現，曝氣停止后，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度2h后開始降低，3～4h后已檢測不出。一些學者還認為，當硝酸鹽氮還原劑的活性受溶解氧的抑制時，反硝化作用會停止，但同樣需要一定的滯后時間。例如，微生物Azospirillum Brasilence就需要兩小時的滯后時間。筆者認為，可利用缺氧/好氧環境轉換時硝酸菌反應的滯后時間，通過投加碳源等方式，改善反硝化菌的生長環境，使反硝化菌利用亞硝酸鹽氮作為電子受體，迅速完成反硝化。
　　5) 循環周期和每周期曝氣時間的設置：Hyungseok Yoo等^[15]運用間歇曝氣—排出工藝成功實現了經過亞硝酸鹽氮的同時硝化反硝化。其循環周期的設置采用72min曝氣，48min沉降，24min排水，氮去除率達到90%以上。M.O’Neill（1995）^[25]將曝氣時間延長至14h，硝化反應徹底完成，接著結束曝氣至反硝化進行完全。結果表明，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的去除率均不到50%。作者推測，可能長時間曝氣抑制了反硝化菌的反硝化能力。因此每循環的曝氣周期不宜過長，但如果污泥已適應了硝化反應受抑制的環境，則曝氣時間可相應延長。
　　6) 游離羥氨(FH，NH₂OH)濃度、亞硝酸（HNO₂）濃度和pH值：L Yang等人^[23]認為溶解氧濃度并不是抑制硝酸鹽氮生成的最主要因素，游離羥氨(FH)濃度、亞硝酸（HNO₂）濃度和pH值等對硝化反應都起著非常重要的作用。羥氨（NH₂OH/NH₃OH⁺）是硝化過程中亞硝酸化反應的中間產物，在高濃度NH₃/NH₄⁺、缺氧和高pH值條件下較易積累。研究表明FH對硝酸菌活動有一定的抑制作用。HNO₂濃度對硝化和反硝化反應均有影響。HNO₂濃度大于0.2mg/L就能抑制整個硝化過程。而pH=6.8時，反硝化的抑制濃度為0.13mgHNO₂/L^[20]。又由于系統pH值決定著FH和離子態羥氨（NH₃OH⁺）、HNO₂和NO₂^-的平衡，所以pH值也是一個重要參數。
　　7) 碳源：Hong W等人^[3]在實驗中投加了乙酸，整個投加過程中硝化反應均有提高，反硝化反應在稍低的劑量范圍內有所提高。李叢娜等^[26，27]通過碳源投加實驗發現，曝氣階段投加碳源，總氮去除率顯著提高。

4 同時硝化反硝化技術展望

　　在應用上，同時硝化反硝化具有能耗低、投資省、池容小以及容易保持穩定的pH值等諸多優勢，有相當的實用價值。
　　目前國外學者對同時硝化反硝化工藝的研究尚處于實驗室階段，對其作用機理及動力學模型正在做進一步的研究工作。國內學者對生物脫氮研究的重點放在兩階段硝化—反硝化工藝上，尚未對硝化反硝化一體化工藝進行足夠的研究。但同時硝化反硝化在節省資金、能源等方面的優勢將會成為脫氮工藝中的熱點。例如，硝化過程中堿度被消耗，而反硝化過程會產生堿度，因而能有效保持反應器中性。在連續運行的污水處理廠，SND則具有節省缺氧池的費用，或減少其體積的潛力。對于僅由一個反應池組成的序批式反應器來講，SND能夠降低實現完全硝化反硝化的時間。同時由于SND不需要加導流板去形成缺氧或厭氧段，不需要單獨設置缺氧及缺氧段裝置，不需要內循環，因此SND系統提供了今后降低投資并簡化生物除氮技術的可能性。而經過亞硝酸鹽氮完成的同時硝化反硝化則更具有節省有機碳源和曝氣量等優點。但同時硝化反硝化的影響因素較多，相對較難控制。回顧已有的研究成果，將SND應用于工程實踐仍然有大量工作要做。筆者認為，今后的研究方向可放在如下幾個方面：
　　1）硝酸鹽氨氧化（異氧硝化型氨氧化：NH₄⁺+ NO₃^—→ N₂）和亞硝酸鹽氨氧化（異氧亞硝化型氨氧化：NH₄⁺+ NO₂^—→ N₂）技術的研究。
　　2）ORP信號對低溶解氧條件的控制比溶解氧信號更為精確有效，而缺氧條件時ORP信號控制是唯一的選擇。ORP控制易于較好維護同時硝化反硝化微生物所需的低氧環境，而ORP的信號折點則能控制反硝化的進行程度。
　　3）一些SND工藝在除氮的同時觀察到明顯的生物除磷現象，除磷菌和反硝化菌存在相互作用^[3]。同時硝化反硝化過程的除磷特性研究是一個有待深化的方向。
　　4）從微生物學的角度擴大對好氧反硝化菌的分類研究，進一步發掘好氧反硝化菌的種屬資源，研究好氧反硝化菌的生長特性，提高和改善水處理過程同步硝化反硝化作用。

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