亚硝酸型硝化的控制途径

孙英杰1，张隽超2，胡跃城2
(1.同济大学 环境科学与工程学院，上海200092；2.青岛市环保局，山东青岛 266003)

　　摘　要：亚硝酸型硝化的稳定控制是实现简捷硝化反硝化的技术关键。对实现亚硝酸型硝化的纯种分离固定化途径、SHARON途径、游离NH₃抑制途径和氧基质缺乏竞争途径进行了综述与评介，并提出了探讨亚硝酸型硝化控制途径的思路。?
　　关键词：亚硝酸型硝化；控制途径；控制机理；SHARON工艺；FA；DO
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)06-0029-03

　　在简捷硝化反硝化的两个主要反应步骤中，反硝化技术容易控制实现，因此硝化过程中稳定持久的获得NO₂-N成为技术关键，实现硝化出水NO₂-N高比例的控制技术也成为研究重点。目前能在一定时间内控制硝化处于亚硝酸阶段的途径有四种：①亚硝酸细菌 的纯种分离与固定化技术；②控制温度造成不同增长速率形成“分选压力”的SHARON途径；③游离氨抑制硝酸细菌增长的选择性抑制途径；④控制硝化细菌基质造成两类细菌增长速率 不同的氧缺乏竞争途径。

1 纯种分离与固定化技术途径

　　该途径的机理是利用纯种分离后富集培养的亚硝酸细菌固定化，从而维持反应器内菌群为纯亚硝酸细菌或以亚硝酸细菌为主体，从而实现硝化出水中NO₂-N的高比例。
　　利用固定化微生物技术强化生物脱氮是近10年来生物脱氮领域研究的热点之一，利用固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇(PVA)等将亚硝酸细菌包埋后固定化，装于特别设计的反应器内，可以实现稳定的亚硝酸型硝化，在与反硝化细菌混合包埋固定化的条件下可以实现同步硝化反硝化，日本已出现了处理能力为11300m³/d的工业化装置^［1］。
　　亚硝酸细菌纯种分离后固定化可以获得稳定的NO₂-N积累，在技术实践中取得了一定成功，但该技术存在因固定化细菌退化使硝化能力下降的问题，固定化细菌反应器经过一定时间的运行后需进行固定化细菌的替换或活化。针对复杂的废水体系，解决经纯种分离后富集培养的亚硝酸细菌对实际高氨废水的适应性问题的关键是对采用混合菌还是单一高效菌分级处理进行优化，同时降低固定化载体的成本并提高其使用寿命。

2 SHARON 工艺途径

　　SHARON工艺^［2］的理论基础是在高温条件下(＞25℃)，亚硝酸细菌的增长速率高于硝酸细菌，完全混合反应器不进行污泥回流，因而污泥停留时间(SRT)等同于水力停 留时间(HRT)，控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间，小于硝酸细菌的世代时间，实现硝酸细菌的“淘洗”，使反应器内主要为亚硝酸细菌。该工艺的本质是通过控制环境温度造成 两类细菌不同的增长速率，利用该动力学参数的不同造成“分选压力”。此外，文献中也强调了pH值对两类细菌竞争的影响，认为除了温度外，pH值对于亚硝酸细菌与硝酸细菌的竞争 以及获得出水中较低的NH₄⁺-N浓度也非常重要。?
　　SHARON工艺的成功在于：①利用了温度这一重要因素，提高了亚硝酸细菌的竞争能力；②利用完全混合反应器在无污泥回流条件下SRT与HRT的同一性，控制HRT实现硝酸细菌的“淘洗”；③实现对pH值的成功控制，较高的pH值不仅抑制了硝酸细菌，也消除了自由亚硝酸(FNA)对亚硝酸细菌的抑制。该工艺的成功运行表明，亚硝酸型硝化控制因子的探讨是一个系统工程，任何一个控制因子的确定除了要明确它本身会对两类硝化细菌的动力学特性产生何种影响外，还要将其他影响因素控制在有利于亚硝酸细菌的范围内。如考察温度的影响时应同时考虑因温度变化导致的游离氨浓度与pH值的变化对亚硝酸型硝化的影响。?

3 游离氨的选择性抑制途径

　　抑制途径的机理是利用特定的抑制因子抑制硝酸细菌而对亚硝酸细菌不抑制或抑制作用较轻，从而使反应器内亚硝酸细菌占优势，实现出水NO₂-N高比例。选择性抑制途径从根本上 讲是硝化基质(FA)浓度超过硝酸细菌的转化利用阈值，而低于亚硝酸细菌的转化利用阈值。其代表性理论是Anthonisen的选择性抑制学说。?
　　Anthonisen及后来国内外许多亚硝酸盐氮积累研究者发现［3、4］：游离氨对两类硝化细菌的抑制作用(毒性)不同，硝酸细菌对游离氨的敏感性要高于亚硝酸细菌，并就FA对两类细菌的抑制浓度阈值进行了研究，通过试验发现0.6mg/L的FA几乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，从而使NO₂-N的氧化受阻，出现NO₂-N积累；而对亚硝酸菌只有当FA浓度＞5mg/L时才会对其活性产生影响，达到40mg/L才会严重抑制亚硝酸氮的形成。从这个结果出发的抑制选择性学说认为，通过调整pH值控制反应器内FA的浓度在抑制硝酸细 菌而不抑制亚硝酸细菌的阈值内，可以抑制硝酸细菌的增长而使亚硝酸细菌成为反应器内硝化反应主体，实现亚硝酸型硝化。?
　　为了阐明FA抑制的机理，Turk与Mavinic^［5］精心设计了一套试验系统，该系统由5个串联的完全混合反应器构成以使系统内形成推流流态。第一个反应器的控制处于反硝化运行，pH值较高，FA浓度控制在抑制硝酸细菌而不抑制亚硝酸细菌的范围内；通过第一个反应器的活性污泥，其中硝酸细菌被认为受到抑制，因此在后续的反应器内应出现亚硝酸氮积累，试验结果却表明亚硝酸氮的积累并不稳定，分析原因是由于硝酸细菌能够逐渐适应不断升高的FA造成的。Alleman等也在试验中发现了试验时间超过150d后出现硝化出水中NO₂-N比例下降的问题。?
　　由于对FA抑制选择学说的机理比较清楚，目前比较统一的认识是，对于高FA浓度，于变异与适应性的原因，硝酸细菌会逐渐适应高浓度FA，因而许多研究者在试验中发 现出水中NO₂-N比例不稳定的情况，而这是作为控制因素必须避免的。

4 Bernet的基质缺乏竞争途径

　　Kuai［6］、Hanaki［7］、王志盈［8］等在研究中发现了在低DO的条件下反应器出水中NO₂-N浓度上升的现象。许多研究者进行了利用控制DO实现亚 硝酸型硝化的研究。Bernet提出了基质缺乏竞争学说［9］，该学说的理论基础是两类硝化细菌对氧的亲和力不同，从亚硝酸细菌氧饱和常数低于硝酸细菌这一假设出发，证明了降低DO尤其是在DO＜1.0mg/L条件下对提高亚硝酸细菌的竞争力有利；受DO下降的影响，亚硝酸细菌与硝酸细菌的增长速率均下降，然而硝酸细菌的下降比亚硝酸细菌要快，导致亚硝酸细菌的增长速率超过硝酸细菌，使生物膜上的细菌以亚硝酸细菌为主体，出现亚硝酸盐氮积累。?
　　为了证明所提学说的正确性和DO作为亚硝酸型硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反应器进行了试验，试验过程分为完全硝化挂膜、一次降低DO、提高DO浓度、二次降低DO浓度等步骤，证明了在DO＜0.5mg/L条件下可以实现亚硝酸型硝化，出水中NO₂-N的比例在90%以上；并且在受到冲击后(DO浓度升高)能迅速恢复，但应该注意的是，试验系统在经过DO浓度升高冲击后，出水中NO₂-N比例下降了10% 。?
　　低DO条件下亚硝酸型硝化的机理目前研究尚不十分透彻，因而存在不同观点，多数研究人员认为DO可以作为亚硝酸型硝化的控制因素，然而亚硝酸细菌和硝酸细菌的不同属在 氧亲和力即氧饱和常数方面是有交叉的，亚硝酸细菌的氧饱和常数为0.6～3.6，硝酸细菌的氧饱和常数为0.3～1.7，不同条件下可能出现不同属的硝化细菌占优势，因而Bernet进行理 论推导的假设是需要探讨的。另外，在经过一次DO升高冲击后出水中NO2-N的比例下降了10%，这是否是硝酸细菌对低DO适应性增强造成的(因为氧饱和常数较低的硝酸细菌在反应器内也是存在的)?其下降的原因需要进一步研究。

5 结语

　　在工程实践中，由于废水的复杂性以及两类细菌在各方面的相似性，亚硝酸细菌与硝酸细菌会同时存在于反应器内；由于微生物的变异性，采用抑制途径实现亚硝酸型硝化必然会导致微生物对不良环境的适应性，致使系统在运行过程中不耐冲击负荷，并且每次冲击都会使硝酸细菌因适应性增强而竞争性增强，导致系统运行失效。?
　　SHARON工艺的成功运行表明，亚硝酸型硝化的稳定运行是各个影响因素共同作用的结果，控制因素的确定应从两类细菌不同的动力学特性出发并结合工程控制来实现；控制因素的确定应在考虑该因素对亚硝酸型硝化影响的同时，考察该因素变化对其他影响因素的影响以及这些影响因素的变化对亚硝酸型硝化的影响。?
　　对于亚硝酸型硝化的影响因素应进行深入研究，特别是弄清楚其影响机理;同时研究不同的反应器形式与控制因素的合理结合，通过控制并辅以有利的反应器形式或运行方式实现稳定的亚硝酸型硝化。

参考文献：

　　［1］Tanaka K.Application of nitrification by cells immobilized in polyethy lene glycol［J］.Prog Biotech，1996,11(immobilized):622-632.
　　［2］Hellinga C.The SHARON process:an innovative method for nitrogen remova l from ammonium-rich wastewater［J］.Water Sci &Tech，1998,37(9):135-142.
　　［3］Abeling U，Seyfrid C F.Anaerobic-aerobic treatment of high strengt h ammonium was tewater-nitrogen removal via nitrite［J］.Wat Sci&Tech，1992,26(5/6):1007-1015.
　　［4］ 方士,李筱焕.高NH3-N味精废水的亚硝化/反硝化脱氮研究［J］.环境科学学报，2001,21(1):79-83.
　　［5］Turk O，Mavinic D S.Maintaining nitrite build-up in a system acclimated to free ammonia［J］.Wat Res，1989,23(11):1383-1388.
　　［6］Hanaki K，Waantawin C，Ohgaki S. Nitrification at low level s of DO with and wit hout organic loading in a suspended-growth reactor［J］.Wat Res，1990,24(3):297- 302.
　　［7］Kuai L P，Verstraete W. Ammonium removal by oxygen-limited autotrophic nitrifica tion and denitrification system［J］.Appli Environ Mocrobiology，1999,64(11):450 0-4506.
　　［8］ 王志盈,袁林江,彭党聪.内循环生物流化床硝化过程的选择特性研究［J］.中国给水排水，2000,16(4):1-4.
　　［9］Bernet N,Peng D C,Delgenes J-P，et al?.Nitrification at low oxygen concentrat ion in biofilm reactor［J］.J Environ Eng ASCE，2001,127(3):266-271.

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　　收稿日期：001-11-13