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1生物脫氮新理論與技術(shù)

1.1短程硝化反硝化理論與工藝

相對(duì)于傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮理論只有NO3－為反硝化過(guò)程的電子受體，短程硝化反硝化利用NO2－作為反硝化過(guò)程的電子受體，整個(gè)生物脫氮過(guò)程可以通過(guò)NH4＋-N—NO2－-N—N2的途徑完成。短程硝化反硝化反應(yīng)步驟得到簡(jiǎn)化，不僅可以降低運(yùn)行費(fèi)用或在污水中碳源不足的情況下能獲得較高的脫氮效率，減少污泥產(chǎn)量，還可以大大減少基建費(fèi)［5］。目前所有分離的亞硝化細(xì)菌都?xì)w入β-Proteobacteria綱或γ-Proteobacteria綱。所有分離的硝化細(xì)菌都?xì)w于α-Proteobacteria綱，γ-Proteobacteria綱，δ-Proteobac－teria綱或Nitrospira門，除了γ-Proteobacteria綱中Ni－trosococcus與Nitrococcus的少數(shù)菌株具有相對(duì)較近的親緣關(guān)系外，從進(jìn)化譜系上看，亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌之間的親緣關(guān)系并不密切，它們完全可以獨(dú)立存在于處理系統(tǒng)中［6］。具體代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，它是利用在高溫下（30~36℃）亞硝酸菌的最小泥齡小于硝酸菌最小泥齡的特性，將硝酸菌淘汰，維持了亞硝酸鹽的積累，從而將氨的氧化控制在NO2－階段，然后進(jìn)行反硝化。溫度、DO和pH值及游離氨（FA）是實(shí)現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵控制因素［4］。

1.2厭氧氨氧化理論與工藝

在厭氧條件下，以亞硝酸鹽、硝酸鹽作為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的這一過(guò)程稱之為厭氧氨氧化。由于厭氧氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)非常緩慢，代增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11~20d，現(xiàn)有的微生物分離技術(shù)很難獲得它的純系菌株。目前多是通過(guò)反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間富集培養(yǎng)，獲得比例較高的菌株混合物?，F(xiàn)在在不同的反應(yīng)器和環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化細(xì)菌共有5個(gè)屬，9個(gè)種［7］，均屬于浮霉?fàn)罹≒lanctomycetales），其中CandidatusKueneniastuttgartiensis的全基因組測(cè)序工作也已完成［8］。但Hu等發(fā)現(xiàn)了一株門多薩假單胞菌屬的細(xì)菌也具有一定的厭氧氨氧化活性［9］，這表明除浮霉?fàn)罹?，還有其他厭氧氨氧化細(xì)菌屬存在。基于厭氧氨氧化原理開(kāi)發(fā)的工藝有OLAND工藝，SHARON-ANAMMOX工藝，CANON工藝。OLAND工藝由比利時(shí)Gent大學(xué)微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)研制，Wyffels等成功利用OLAND工藝處理污泥消化液［10］，另外，Windey等的研究結(jié)果表明，OLAND工藝處理高鹽廢水也具有一定的可行性［11］。SHARON-ANAM-MOX工藝是荷蘭Delft大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新型脫氮工藝，與傳統(tǒng)的硝化反硝化過(guò)程相比，SHARON-ANAM-MOX耗氧量節(jié)約50％，同時(shí)減少CO2的排放，無(wú)需有機(jī)物，不產(chǎn)生剩余污泥，節(jié)省占地，具有良好的應(yīng)用前景［12］。目前，該工藝已成功應(yīng)用于工程實(shí)際，如荷蘭鹿特丹的Dokhaven廢水處理廠。CANON工藝是荷蘭Delft大學(xué)在SHARON-ANAMMOX基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種全新的工藝，目前在國(guó)外該工藝已成功應(yīng)用于處理垃圾滲濾液的高濃度氨氮。

1.3同步硝化反硝化理論與工藝

同步硝化反硝化技術(shù)指的是硝化和反硝化過(guò)程在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生，系統(tǒng)不需要明顯的缺氧時(shí)間段或缺氧分區(qū)而能將總氮脫除的技術(shù)。目前已知的好氧反硝化現(xiàn)象僅存在細(xì)菌中，多見(jiàn)于假單胞菌屬（Pseudomonas）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、副球菌屬（Paracoccus）和芽孢桿菌屬（Bacillus）中［13］。這類能在有氧條件下進(jìn)行反硝化作用的微生物的發(fā)現(xiàn)為同步硝化反硝化理論提供了有力證據(jù)。利用固定化微生物技術(shù)進(jìn)行同步硝化反硝化已有工程實(shí)踐，如屈佳玉用包埋有硝化細(xì)菌的微生物載體投入某生活污水廠的好氧池中［14］，結(jié)果表明在添加硝化細(xì)菌載體的工程，氨氮去除率達(dá)到90%以上，明顯高于不添加的處理效果。在實(shí)際工程運(yùn)用中，硝化細(xì)菌載體的投加較方便、抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，運(yùn)行管理方便，成本較低，處理效果好，具有良好的應(yīng)用前景。

2生物除磷新理論和新技術(shù)

2.1反硝化除磷機(jī)理

硝化除磷的機(jī)理和傳統(tǒng)的厭氧—好氧除磷的機(jī)理極為相似，其優(yōu)勢(shì)菌種為反硝化除磷菌（DPAO），該類微生物能夠利用O2或NO3-作為電子受體進(jìn)行吸磷，并以聚合磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)NO3-被還原為N2。這樣在厭氧—缺氧交替運(yùn)行的條件下，通過(guò)DPAO的新陳代謝活動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)同步的反硝化和除磷的效果。反硝化除磷機(jī)理的研究，主要是圍繞反硝化聚磷菌的微生物行為特征和種類。Hu認(rèn)為大部分聚磷菌都能以NO3－，NO2－，O2作為電子受體［15］，超過(guò)聚磷菌總數(shù)量的50％，因此可以充分利用這些細(xì)菌進(jìn)行反硝化除磷。焦中志分離出15株菌［16］，分別屬于腸桿菌科、假單胞菌屬、氣單胞菌屬、弧菌科、微球菌屬、鏈球菌屬和產(chǎn)堿菌屬。周康群認(rèn)為假單胞菌屬的聚磷作用很強(qiáng)［17］，利用硝酸鹽較徹底，腸桿菌科聚磷作用次之，副球菌聚磷作用最弱，腸桿菌科和副球菌聚磷過(guò)程中硝酸鹽利用不完全。

2.2反硝化除磷脫氮工藝

2.2.1BCFS工藝

BCFS工藝是在UCT工藝基礎(chǔ)之上增加了2個(gè)反應(yīng)池。由厭氧池、接觸池、缺氧池、混合池及好氧池這5個(gè)功能相對(duì)專一的反應(yīng)器組成。通過(guò)反應(yīng)器之間的3個(gè)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)DPB富集和氮、磷的最佳去除。BCFS工藝的主要特點(diǎn)有［18］：對(duì)氮、磷的去除率高；抑制污泥膨脹；控制簡(jiǎn)單，通過(guò)氧化還原電位與溶解氧可有效地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器穩(wěn)定的運(yùn)行；充分利用DPB倍增時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，污泥量減少10％左右；利用DPB實(shí)現(xiàn)生物除磷，使碳源能被有效地利用，使該工藝在COD（/N+P）值相對(duì)低的情況下仍能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2Dephanox工藝

Dephanox工藝在厭氧池和缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應(yīng)池。污水在厭氧池中釋磷，在沉淀池中進(jìn)行泥水分離，含氨較多的上清液進(jìn)入固定膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化，污泥則跨越固定膜反應(yīng)池進(jìn)入缺氧段，完成反硝化除磷。該工藝具有能耗低、污泥產(chǎn)量低且COD消耗量低的特點(diǎn)，但該工藝中磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當(dāng)缺氧段硝酸鹽不充足時(shí)，磷的過(guò)量攝取受到限制，反之硝酸鹽又會(huì)隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵?，干擾磷的釋放和聚磷菌體的PHB的合成。

3研究展望

在生物脫氮方面，我國(guó)對(duì)生物脫氮微生物學(xué)機(jī)制的研究較少，尤其是對(duì)生物脫氮限速步驟硝化作用的研究還停留在菌種的分離、純化和生理生化特性的研究，很少涉及分子生物學(xué)方面的研究，因此與國(guó)外研究水平的差距還很大。為此，需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：（1）高效硝化細(xì)菌的分離和篩選，特別是耐受高濃度氨氮和對(duì)極低濃度氨氮具有高效親和力菌株的分離篩選，以及低溫或高溫下高效硝化菌株的分離篩選。（2）開(kāi)展特殊脫氮微生物（如異養(yǎng)硝化菌、好氧反硝化菌）分離篩選及應(yīng)用和生理生化條件與機(jī)制、酶學(xué)機(jī)理等研究，具有重要的意義。（3）開(kāi)展硝化作用微生物的分子生態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)方面的研究。在生物除磷方面，應(yīng)加強(qiáng)不同水質(zhì)條件下的優(yōu)勢(shì)聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）種群結(jié)構(gòu)及其生態(tài)位關(guān)系解析，進(jìn)一步研究可能影響PAOs和GAOs競(jìng)爭(zhēng)的各種環(huán)境因素及其作用規(guī)律，促進(jìn)EBPR系統(tǒng)中PAOs的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。另外，充分利用現(xiàn)代分析檢測(cè)技術(shù)深入研究除磷微生物的生物化學(xué)代謝機(jī)制，闡明生物除磷（EBPR）機(jī)制，推動(dòng)EBPR的不斷發(fā)展。

作者：康樂(lè)單位：廣東聯(lián)泰環(huán)保股份有限公司