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上海师范大学环境工程系，2003级，0313552

摘要：自然界中包括土壤、水体、污水、及工业废水都含有硝酸盐。植物及其他微生物把硝酸盐作为氮源。兼性厌氧的硝酸盐还原细菌及一些好氧细菌将硝酸盐、氨氮还原为氮气即反硝化作用[1]

关键词：反硝化作用、氨氮、短程硝化反硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化

在现代污水处理工艺当中，降解污水当中的有机物的技术已经相当成熟了，但是除去污水当中的氮工艺还不够成熟，现在大多数污水处理厂的出水都很清澈，对其出水进行监测分析发现其中COD很低，但是氨氮却很高，还有如果我们对城市中小河流进行监测分析，我们会发现同样的结果：COD很低，氨氮很高。所以降解水中的氨氮已经成为我们急待解决的问题。如果用传统的加化学药剂的方法，会产生二次污染，而且处理成本很高。利用细菌的反硝化作用降解污水当中的氨氮是一种很好的生物处理方法。这种生物处理方法成本较低，更重要的不会产生二次污染。

据统计，从上世纪60年代至今，全国有环境监测的432条河流，80%受到不同程度的污染，全国2800多座湖泊大多出现富营养化现象。随着水体氮磷的积累，“赤潮”“水华”现象更加频繁，虽经治理，效果并不理想。上述治理形势之所以严峻，关键是缺乏有效、经济的治理技术和方法。而处理高难度有机废水中的氮磷等污染物，本身就是一道世界性难题[2]，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[3]。细菌的反硝化作用应用在水处理当中的研究是很有前景的。细菌的反硝化作用是通过微生物的活动，将硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态分子氮或气态氮氧化物的过程。

废水中氮的去除通常有离子交换、反渗透、氨的吹脱、化学反硝化、化学沉淀、生物反硝化、同化等物理、化学和生物处理方法。但是这些方法中生物反硝化效果最好，处理成本较低。

反硝化作用是指经脱氮假单胞菌（Pseudomonasdenitrificans）、脱氮微球菌（Micrococcus denitri-ficans）等反硝化细菌把硝酸或亚硝酸转变成氮气而释放的作用。氮气全部是来源于无机态硝酸或亚硝酸，按NO3ˉ—→NO2ˉ—→NO—→N2O—→N2的顺序进行还原[4]。除生成N2以外，有时也附带生成N2O、NO等。一般认为在呼吸中是以硝酸中的氧来作为电子受体的氧进行能量调节的。通常高等植物或其他细菌类进行的硝酸或亚硝酸的还原过程都是同化过程。相反，反硝化作用则是异化过程，两者是有区别的。生物反硝化可分为有短程硝化反硝化、好氧反硝化和厌氧氨氧化(如图1)。

图2  溶解氧与反硝化反应速率的关系

生物硝化反硝化是应用最广泛的脱氮方式。由于氨氮氧化过程中需要大量的氧气，曝气费用成为这种脱氮方式的主要开支（反硝化反应速率与溶氧的关系见图2[5]）。反硝化反应速率还受温度影响见图3[5]。短程硝化反硝化（将氨氮氧化至亚硝酸盐氮即进行反硝化），不仅可以节省氨氧化需氧量而且可以节省反硝化所需炭源。[6]

图3 反应速率还受温度影响

Ruiza等[7]用合成废水（模拟含高浓度氨氮的工业废水）试验确定实现亚硝酸盐积累的最佳条件。要想实现亚硝酸盐积累，pH不是一个关键的控制参数，因为pH在6.45～8.95时，全部硝化生成硝酸盐，在pH<6.45或pH>8.95时发生硝化受抑，氨氮积累。当DO=0.7 mg/L时，可以实现65%的氨氮以亚硝酸盐的形式积累并且氨氮转化率在98%以上。DO<0.5 mg/L时发生氨氮积累，DO>1.7 mg/L时全部硝化生成硝酸盐。刘俊新等[8]对低碳氮比的高浓度氨氮废水采用亚硝玻型和硝酸型脱氮的效果进行了对比分析。试验结果表明，亚硝酸型脱氮可明显提高总氮去除效率，氨氮和硝态氮负荷可提高近1倍。此外，温度、pH和氨氮浓度等因素对脱氮类型具有重要影响。刘超翔等[9]短程硝化反硝化处理焦化废水的中试结果表明，进水COD、氨氮、TN 和酚的浓度分别为1201.6、510.4、540.1、110.4 mg/L时，出水COD、氨氮、TN和酚的平均浓度分别为197.1、14.2、181.5、0.4 mg/L，相应的去除率分别为83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。与常规生物脱氮工艺相比，该工艺氨氮负荷高，在较低的C/N值条件下可使TN去除率提高。

现在一些好氧反硝化菌已经被分离出来，有些可以同时进行好氧反硝化和异养硝化（如Robertson等分离、筛选出的Tpantotropha.LMD82.5）。这样就可以在同一个反应器中实现真正意义上的同步硝化反硝化，简化了工艺流程，节省了能量。华中师范大学生命科学学院的李平、郑永良等教授从武汉市郊的稻田中分离得到一株耗氧反硝化细菌HS-03，并期的反硝化能力进行了研究。结果表明：细菌HS-03在好氧的条件下能有效去除模拟废水当中的NO3ˉ(10mol/L),去除率达90%以上，并且在反应过程中没有NO3ˉ积累。见图4、图5 [10]

每100ml培养基中接种量去出率的关系

图4 培养基中NO3浓度与累积时间           图5培养基中NO3浓度与累积时间

耗氧反硝化细菌HS-03不仅氨氮的去除率高而且反应时间很短。在很短的时间里培养基中的NO3ˉ剩余量很少。

贾剑晖等[11]用序批式反应器处理氨氮废水，试验结果验证了好氧反硝化的存在，好氧反硝化脱氮能力随混合液溶解氧浓度的提高而降低，当溶解氧浓度为0.5 mg/L时，总氮去除率可达到66.0%。赵宗胜等[12]连续动态试验研究表明，对于高浓度氨氮渗滤液，普通活性污泥达的好氧反硝化工艺的总氮去除串可达10%以上。硝化反应速率随着溶解氧浓度的降低而下降；反硝化反应速率随着溶解氧浓度的降低而上升。硝化及反硝化的动力学分析表明，在溶解氧为0.14 mg/L左右时会出现硝化速率和反硝化速率相等的同步硝化反硝化现象。其速率为4.7 mg/(L·h)，硝化反应KN=0.37 mg/L；反硝化反应KD=0.48 mg/L。[13]

厌氧反硝化作用有第一种是大多数细菌放线菌及真菌利用硝酸盐为氮元素为营养，通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原成氨，进而合成氨基酸、蛋白质和其它物质；第二种是反硝化细菌（兼性厌氧菌）在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气；硝酸盐还原为亚硝酸。

好氧反硝化菌是好氧细菌同时又是异养硝化菌，能够直接把氮转化成最终气态产物，所以称为好氧反硝化和异养硝化菌。与厌氧反硝化细菌相比，它的反硝化速率慢一些，但能较好适应缺氧好氧周期的变化。厌氧反硝化脱氮工艺已经成熟，而好氧反硝化作用刚刚开始，好氧反硝化作用以不需要很严格的反应条件及较高的反应速率而优于厌氧反硝化脱氮工艺。好氧反硝化作用不需要在厌氧的条件下反应，好氧反硝化的发现可使处理周期缩短、处理空间缩小、处理能耗降低，排出水的NOx--N很低反硝化过程能有效地经济地讲解污水中的氮，但是在反硝化过程中会产生N2O是一种温室气体。另外，还有诸如全程自养脱氮工艺、同步硝化反硝化等工艺仍处在试验研究阶段，都有很好的应用前景。现在好氧现在一些好氧反硝化菌已经被分离出来，好氧反硝化有好的前景。

参考文献：

[1]周群英,高廷耀编著,环境工程微生物(第二版),高等教育出版社出版,北京,2000

[2]齐柳明等,采用生物脱氮清除氮氨污染物,光明日报,2003-9-24,第三版

[3]赵宗升,刘鸿亮,李炳伟,袁光钰等编著,高浓度氨氮废水的高效生物脱氮途径,中国给水排水, 2001(5):24-27

[4]赵晓航译著,反硝化作用定义,土壤科学名词小辞典,人民出版社,北京,1979

[5]安作兴等,生物脱氮污水处理技术处理高氨氮废水,捷晖生物网, http://www.jeff-bio.com/b/b1.doc

[6]常功法,毕学军,生物脱氮污水处理技术处理高氨氮废水,水利工程网 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]刘俊新,王秀蘅,高浓度氨氮废水亚硝酸型与硝酸型脱氮的比较研究,工业用水与废水,2002, 33(3):1-4

[9]刘超翔，胡洪营，彭党聪等,短程硝化反硝化工艺处理焦化高氨废水,中国给水排水,2003, 19 (8):11

[10]李平,郑永良,陈舒丽等,一株好氧反硝化细菌的鉴定及其在废水处理中的应用,华中科技大学学报, 2002,14(2):11-15

[11]贾剑晖,氨氮废水处理过程中的好氧反硝化研究,南平师专学报,2004,2:10-12

[12]赵宗升,李炳伟,刘鸿亮,高氨氮渗滤液处理的好氧反硝化工艺研究,中国环境科学, 2002, 22(5):412-415

[13]郝晓地,汪慧贞,钱易,Mark van Loosdrecht,欧洲城市污水处理技术新概念——可持续生物除磷脱氮工艺,给水排水,2002,7:6-8