摘要：回顾了传统生物脱氮的一般原理，介绍了亚硝酸盐硝化/反硝化、同时硝化/反硝化、好氧反硝化和厌氧氨氧化等提高生物脱氮效率的可能途径，并分析了他们各自的原理、实现条件和应用前景。

关键词：氨氮 生物脱氮 好氧反硝化 厌氧氨氧化

　　垃圾填埋场的渗滤液属高浓度氨氮废水，后期渗滤液的氨氮浓度达2000mg/L以上，如利用生物法脱氮，反硝化需7500mg/L以上的碳源，而渗滤液本身所能提供的碳源明显不足，外加碳源则会增加处理成本。因此，研究高效脱氮工艺具有重要意义。近些年来在生物脱氮理论方面有了许多进展，亚硝酸盐硝化反硝化受到重视，发现了厌氧氨氧化和好氧反硝化微生物的生物化学作用，从而为高浓度氨氮废水的高效生物脱氮提供了可能的途径。

1　传统生物脱氮原理

　　硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步称为亚硝化过程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属；第二步称为硝化过程，由硝酸菌(包括硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属)将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，都利用无机碳化合物如CO₃2^-、HCO₃-和CO₂作为碳源，从NH₃、NH₄+或NO₂-的氧化反应中获取能量。
　　亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期较短，生长率较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件；当硝酸菌受到抑制时，有可能出现NO-2积累的情况。
　　反硝化反应是由一群异养型微生物完成的，它的主要作用是将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮或N2O，反应在无分子态氧的条件下进行。反硝化细菌在自然界很普遍，多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并被氧化稳定。
　　 由于从反硝化获得的能量低于氧气还原所获取的能量，所以反硝化被认为仅在缺氧条件下发生。
　　 从NH₄+至NO₂-的转化，经历了3个步骤、6个电子的转移，可见亚硝酸菌的酶系统十分复杂，而硝化过程则相对简单些，只经历了一步反应、2个电子的变化。因此也有人认为，亚硝酸菌往往比硝酸菌更易受到抑制。
　　 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体。当环境中缺乏有机物时，无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化。

C₅H₇O₂N+4NO₃-→5CO₂+NH₃+2N₂^↑+ 4OH^-

　　 可见内源反硝化的结果是细胞物质的减少，并会有NH3的生成，因此废水处理中均不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。
　　 硝化和反硝化反应的进行是受到一定制约的，一方面，自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；另一方面，反硝化需要提供适当的电子供体，通常为有机物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求导致了生物脱氮反应器的不同组合，如硝化与反硝化由同一污泥完成的单一污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前者通过交替的好氧区与厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。如果硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前，需要外加电子供体，这就是传统脱氮工艺存在的问题和困难所在。
　　 这种两难处境在氨氮浓度低的城市污水处理中表现得还不很明显，在高浓度氨氮废水生物脱氮处理中则表现得很突出。近些年来，人们试图从各个方面突破生物脱氮的困境，如开发亚硝酸硝化/反硝化脱氮工艺；与传统生物脱氮理论相反的一些生物过程被发现，例如发现了氨与亚硝酸盐/硝酸盐在缺氧条件下被同时转化为氮气的生物化学过程，这一过程被称为厌氧氨氧化(Anammox)；好氧反硝化和异养硝化作用也被发现，好氧反硝化往往与异养硝化同时发生；在有氧条件下能够反硝化的细菌也被分离出来，其中有异养菌(Thiosphaera pantotropha和Alcaligenes sp)及自养硝化菌。

2　亚硝酸硝化/反硝化工艺

　　在硝化反应中，一般认为硝酸盐是反应的主产物，而从氨向亚硝酸盐的转化一般认为是硝化过程(Nitrification)的速度控制步骤，但是出现亚硝酸盐积累的报道也很多。
　　 人们认为，出现亚硝酸积累是有害的。为了减少亚硝酸的积累，许多研究人员进行了控制其积累的工艺条件的研究工作，并得到了有关自由氨可抑制亚硝酸积累的结论，其结果也得到了证实并被广泛接受。随后，开始把注意力放在通过亚硝酸硝化—反硝化缩短脱氮过程上，这种工艺的潜在优势在于：①节省25%的硝化曝气量。②节省40%的反硝化碳源。③节省50%的反硝化反应器容积。
　　 这些对于高浓度氨氮废水的脱氮处理具有非常大的经济效益，特别是对于诸如垃圾渗滤液等碳源不足的废水更是如此。
　　 在硝化系统中，与亚硝酸积累有关的因素包括：①自由氨的存在，②较高的pH值，③溶解氧浓度低，④温度的变化，⑤氨氮负荷高，⑥污泥龄长，⑦硝酸盐的还原。大多数研究人员认为自由氨浓度高(高pH值条件下)和溶解氧浓度低是亚硝酸盐积累的主要原因，指出亚硝酸积累的内在原因在于自由羟氨(NH2OH)的积累［1］。根据对前人试验结果的分析，表明自由羟氨不应是亚硝酸积累的最终原因，自由羟氨积累主要受溶解氧、pH的控制。
　　 然而，实现亚硝酸反硝化的成功报道并不多见。Jetten等人利用硝酸菌和亚硝酸菌在较高温度下生长速度的显著差异，通过控制温度和污泥停留时间，将在高温下生长速度较慢的硝酸菌从反应器中冲洗出去，使亚硝酸菌在反应器中占优势，从而将氨氧化控制在亚硝化阶段，这种工艺叫作SHARON工艺(Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite)^［2］。但该工艺须在30～40 ℃的温度下进行，只对温度较高的污水如厌氧消化排水的脱氮处理有实际意义。对于垃圾渗滤液等废水，必须从控制溶解氧及pH值来实现稳定的亚硝酸反硝化脱氮。

3　同时硝化/反硝化(SND)

　　 当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化/反硝化。同时硝化/反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生物滤池、生物转盘^［3～5］；也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化沟^［6、7］。
　　 同时硝化/反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。但目前对SND现象的机理还没有一致的解释，一般认为三个主要机理是：①混合形态。由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应器形态不均，在反应器内形成缺氧/厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境，即宏观环境。②菌胶团或生物膜。缺氧/厌氧段可在活性污泥菌胶团或生物膜内部形成，即微观环境。③生物化学作用。在过去几年中，许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，其中包括部分菌种以组团形式对SND起作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌及起硝化作用的异养菌。
　　 在生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前也已被广泛认同，使实现SND的缺氧/厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而产生的SND更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件下的高效脱氮。