短程硝化反硝化生物脱氮机理及应用

（一）基本原理

Voets等[43]于1975年在进行高氨氮废水处理时，发现了硝化过程中NO-2-N的积累和经NO-2-N途径的反硝化脱氮，并依此提出了短程硝化反硝化（Shortcut nitrification-denitrification）的脱氮理念。Sutherson等[44]于1986年通过小试试验证明了经NO2--N途径进行反硝化脱氮的可行性。在随后的几十年里，短程硝化反硝化技术逐渐被认可，以北京工业大学彭永臻教授团队为代表的国内学者对短程硝化反硝化的实现方法、过程控制、作用机理等进行了大量研究[45-47]，推动了该技术在污水脱氮领域的发展与应用。

传统生物脱氮理念认为，NH4+-N需完全氧化成NO3--N后再进行反硝化（图1-4），这一过程不仅延长了生物脱氮反应的历程，还将造成氧耗和有机碳源的浪费。

图1-4　传统硝化反硝化的脱氮历程

污水生物脱氮的硝化过程是由两类独立的菌群（AOB和NOB）催化完成的两个不同反应阶段，阶段一是由AOB将NH4+-N氧化成NO2--N，阶段二是由NOB将NO2--N进一步氧化成NO3--N，这两类菌在生理结构和特性上有明显差异（表1-1）。

表1-1　AOB和NOB的主要特征[48]

对于反硝化细菌，无论是NO2--N还是NO3--N都可以作为其电子受体，当反硝化过程以NO3--N作为电子受体时，称为全程硝化反硝化脱氮；当反硝化过程以NO2--N作为电子受体时，称为短程硝化反硝化脱氮，其脱氮途径如图1-5所示。

由图1-5可知，短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在阶段一，而阻止其进一步发生阶段二的反应，然后直接利用积累的NO-2-N进行反硝化脱氮。

图1-5　短程硝化反硝化的脱氮历程(www.xing528.com)

（二）技术优势

短程硝化反硝化的反应方程式可以表示为：

相比全程硝化反硝化脱氮工艺，短程硝化反硝化脱氮具有以下技术优势：

（1）从耗氧量来看，氧化1 mol NH4+-N到NO3--N需要消耗2.0 mol O2，而氧化1 mol NH4+-N到NO2--N仅需消耗1.5 mol O2，因此短程硝化过程将节省25%的耗氧量。

（2）从反硝化碳源需求来看，还原1 g NO3--N为N2的过程需要2.86 g有机物（COD），而还原1 g NO2--N仅需1.72 g有机物（COD），所以短程反硝化过程可节约40%的碳源。

（3）从反应装置容积来看，由于AOB的世代周期比NOB短，将硝化过程控制在亚硝化阶段，能够缩短反应历程。张小玲等[49]通过试验测得硝化过程中NH4+-N和NO2--N的氧化速率分别为　0.64、0.59 kg N·（kg MLSS·d）-1，反硝化过程中NO2--N和NO3--N的还原速率分别为0.79、0.53 kg N·（kg MLSS·d）-1，说明短程硝化反硝化的反应速率有了明显提高。反应速率的大小将直接影响污水在反应装置内的水力停留时间，反应速率越大，反应装置的容积就越小，因而可以减少占地面积，节约基建投资。

（4）从剩余污泥量来看，AOB和NOB的表观产率系数分别为0.04～0.13、0.02～0.07 g VSS·g-1 N，而NO2--N和NO3--N还原菌的表观产率系数分别为0.345、0.765 g VSS·g-1 N。与全程硝化反硝化相比，短程硝化过程可减少24%～33%的产泥量，短程反硝化过程可减少约50%的产泥量，从而减少了剩余污泥的排放。

（三）控制途径

控制硝化过程终止在亚硝化阶段是实现短程硝化反硝化生物脱氮的关键，因此，要成功实现短程脱氮，就必须持久稳定地维持较高浓度的NO2--N积累。目前，最常见的短程硝化控制途径就是利用AOB和NOB在生理特性上的差异，通过溶解氧（DO）、温度（T）、pH、水力停留时间（HRT）、游离氨（FA）、污泥龄（SRT）、抑制剂等因素的单独或联合控制来实现对NOB的选择性抑制，从而获得AOB的优势生长，实现NO2--N在反应器内的高效积累。例如，钱光磊等[50]在固定供氧模式下研究了DO对SBR系统脱氮性能的影响，结果表明当DO浓度低于1.0 mg·L-1时出现NO2--N积累，短程硝化启动后，NO2--N积累率超过90%；Chen等[51]采用缺氧-好氧-好氧-缺氧工艺处理垃圾渗滤液，通过控制DO浓度为0.1～0.5 mg·L-1，可实现90%以上的NO2--N积累；尚会来等[52]采用SBR法处理生活污水，在（28　±　1） °C条件下通过实时控制SRT在10 d左右，成功启动短程硝化反硝化；Li等[53]采用SBR法处理腈纶废水，在28 °C条件下实现了短程硝化，当pH为8.5时NO2--N积累率达到82%，HRT为20 h时有利于短程硝化的稳定运行；闫立龙等[54]采用SBR工艺处理猪场养殖废水，在常温、非限制DO条件下，控制pH为7.0～9.5，NO2--N积累率可保持在75%～80%；曾薇等[55]采用连续流MUCT工艺进行实际生活污水处理，通过降低DO浓度至0.5 mg·L-1、缩短HRT至6 h后成功启动短程硝化，NO2--N积累率达到90%；何清明等[56]处理低C/N畜禽粪水厌氧消化液，在（29±1） °C、DO浓度0.6～0.9 mg·L-1条件下实现了短程硝化反硝化的快速启动，当pH为8.0、FA浓度为18 mg·L-1时有利于AOB的优势竞争，NO2--N积累率达到94.25%以上；Xu等[57]采用好氧颗粒污泥处理低C/N污水，在pH为7.8～8.2、DO为5.0 mg·L-1、温度为25 °C左右时，投加10 mg·L-1的羟胺抑制剂，出水NO2--N积累率达到99.8%。为实现稳定高效的短程硝化，应根据污水水质特点、反应器结构特征、运行条件的可操控性等因素综合考虑调控方法。