一、短程脱氮工艺原理
传统生物脱氮理论认为生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，其中硝化阶段分为氨氧化和亚硝态氮氧化两步，即 NH4+→NO2¯→NO3¯；反硝化过程是在低氧条件下硝态氮以有机物作为电子供体，将硝态氮转化为氮气或者有机氮，具体途径分别为：NO3¯→ NO2¯ → NO → N2O → N2和 NO3¯→ NH2OH → NH3→有机氮，后者也称作异化还原胺。以上每个阶段的反应需在特定的微生物在适宜的外界条件下从某种特定的无机碳源中获取能量来完成。例如，不同的氮氧化物还原途径分别在不同还原酶的作用下完成，每个还原步骤都有一种特定的还原酶。
为了达到最佳的硝化反硝化效率，需运行多个反应器，调节时间空间配比，保证反应的时空同步性。这往往导致反应器数量增加，曝气量也增加。实际上，
从微生物转化过程来看，氨被氧化为硝态氮和亚硝态氮的反应过程是由亚硝酸
菌和硝酸菌两类独立的细菌催化完成的，是可以分开的。1997 年，荷兰 Delft
工业大学提出了一种新型废水生物脱氮工艺，即短程硝化反硝化工艺-SHARON（Single reactor high activity ammonia removal over nitrite），也就是 SBNR 工艺。
该工艺使氮的转化过程比传统生物脱氮过程减少两步，在理念和技术上突破了
传统硝化反硝化的框架。
通过对比反应式可以看出，SBNR 工艺比全程脱氮工艺曝气量降低 25%，碳源需求量降低 40%。SBNR 工艺的其他优势还包括：污泥产量低，占地面积小，处理费用低廉，不会产生明显的亚硝酸盐中毒等等。因此，SBNR 工艺具有良好的应用前景。
1.1 亚硝化过程机理
SBNR 工艺的脱氮过程包括亚硝化过程和反硝化过程。亚硝化过程由亚硝
酸菌来完成。亚硝酸菌主要为氨氧化菌（Ammonia oxidation bacteria，AOB）。AOB 属于化能自养菌，将氨氮氧化为氮的氧化物，通过 Calvin 循环来固碳。这是它们最重要的产能代谢方式。亚硝化过程的第一步是 AOB 在单加氧酶 （Ammonia Monooxygenase，AMO ）的催化下将氨氧化为羟胺；第二步是 AOB 在羟胺氧化还原酶（Hydroxylamine Oxi-doreductase，HAO）的催化下将羟胺氧化成 NO2¯-N。自然界中，由于 AOB 氧化率较低，与异养菌和植物等其他摄取氨氮的种群相比，对氨氮的利用率比较有限。污水处理厂中生物处理单元中发现的 AOB 通常为亚硝化单胞菌、亚硝化细菌。某些污水处理厂含有单一的 AOB，其他污水处理厂也可能含有多种 AOB，也有研究发现工业废水处理厂中仅含有一种 AOB（与 Nitrosomonas nitrosa 类似）。
从进化谱系上看, 亚硝酸细菌与硝酸细菌之间的亲缘关系并不密切。它们
彼此为邻但并无进化谱系上的必然性。进化谱系中的亚硝酸细菌与硝酸细菌，除了 γ- Proteobacteria 纲中亚硝酸菌 Nitrosococcus 与硝酸菌 Nitrococcus 等少数具有相对较近的亲缘关系外，其他绝大多数菌株的亲缘关系都非常远。亚硝酸菌与硝酸菌完全可以独立生活。相比之下，AOB 与亚硝态氮氧化菌（Nitrite oxidation bacteria，NOB）毗邻而居，在生物学上属于“互生（共生关系）”。在它们的共同作用下，氨氮转化为硝态氮。因此，应利用 AOB 和 NOB 在世代
时间、温度等生理生化特性的差异，控制反应器运行条件，从而确保所需微生
物的成为优势菌。
1.2反硝化过程机理
反硝化是氮氧化物转化为气体终产物的过程，是反硝化菌通过无氧或者缺
氧状态下的呼吸作用来完成的，产物为氮气或者 N2O。这些微生物通常也被
称为亚硝态氮还原菌。反硝化过程的每个步骤分别需要不同催化作用的还原酶：硝态氮还原酶、亚硝态氮还原酶、二氧化氮还原酶以及一氧化氮还原酶。这 4 种酶分别为 nar、nir、nor 和 nos 基因表达的产物。不同形态氮的转化关系以及相关的还原酶及氧化酶如下图所示。这 4 种酶对应的基因，需要满足两个前提条件才可完成转录、翻译。第一个条件是氧气浓度低。因为此时有氧呼吸不再是一种有效或者经济的获取能量的方式。反硝化菌倾向于选择无氧呼吸来获取能量。第二个条件是有氮氧化物等底物的存在。当这两个条件同时满足时，有编码还原酶的基因就可以表达。许多真菌和古菌都具有反硝化的能力，尤其是 α-proteobacteria。对于厌氧氨氧化菌而言，负责编码关键酶的基因也包括亚硝态氮还原酶基因（nir）。除此之外还有联氨水解酶基因（hh）、联氨氧化还原酶基因（hzo）等。关于某厌氧氨氧化菌-Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 的研究表明其细胞色素 cd1 中含有 nir S，属于 nir 中的一种；在环境中提取的厌氧氨氧化菌 Scalindua 也含有有效基因 nir S，nir S 表达后产生的酶可在亚硝态氮转化为一氧化氮的过程中发挥催化作用。另外，所有 AOB的基因包括了可控制反硝化的基因，例如亚硝酸还原酶基因 nir K 以及氮氧化物还原酶基因 nor B，但
AOB 的基因组基因不包括 N2O 的还原酶基因 nos Z。不同形态氮的转化关系以及相关的还原酶及氧化酶如图所示。
二、 短程脱氮工艺调控策略
短程脱氮工艺调控的基本思想是：将硝化过程控制在亚硝态氮阶段，避免
亚硝态氮向硝态氮转化，之后直接利用亚硝态氮作为电子受体进行反硝化生物
脱氮作用。在处理不同的含氮废水的过程中，实现该过程的基本策略是利用AOB
与 NOB 在生理生化条件上的差异，使 NOB 的生长速率明显低于 AOB 的生长速率，逐步使 NOB 随水冲出，实现稳定的亚硝态氮积累。AOB 对环境因素，例如底物浓度、pH、温度、氧气浓度以及其他有机物的存在较为敏感。因此如何控制运行条件，保证 AOB 的生长优势，抑制 NOB 活性是短程脱氮工艺调控的关键。
2.1 溶解氧（DO）
DO 是影响脱氮工艺硝化过程的关键因素。AOB 在低 DO 浓度下比 NOB
有更强的适应能力。例如，Hanaki 等人控制温度为 25℃，p H 为 7.5，HRT 为
8d，DO 为 6.7mg/L 时，发现 N. europaea（AOB 的一种）的生长速率明显小于 N. winogradskyi（NOB 的一种），两者的细胞数量之比为 0.37；之后，维持温度和 p H 不变，HRT 为 1.8d，DO 浓度降低到接近零时，N. europaea 的生长速率远远超过 N. winogradskyi，两者的细胞数量之比为 170。换句话说，
NOB 对 DO浓度的要求比 AOB 高。Huni 等人发现 N. europaea 与 NOB 中的 Nitrobacter agilis对 DO 的半速率常数分别为 0.16mg O2/L 和 0.54mg O2/L，说明 AOB 对低 DO 浓度有更好的适应能力。与 NOB 相比，AOB 消耗单位氧气的量释放的能量更多。由于 AOB 和 NOB 在 DO 半饱和常数和产生能量方面的差异，AOB 更适宜在低氧状态下生存，从而使亚硝态氮得到积累。吴丹提出了短程硝化过程中的“梯级渐减式曝气”曝气策略，并验证该曝气方式在短程硝化反硝化中的应用。研究表明：在曝气初期采用大曝气量，可快速消耗污水中的 COD，维持反应器内较高的 DO 浓度，促进氨氮快速转化；在曝气末期选择小曝气量，可使反应器中 DO 浓度保持较低水平，从而增强系统短程硝化反硝化脱氮效果，有效抑制亚硝酸盐的氧化。
2.2 p H
控制 p H 值是实现短程脱氮过程的重要手段之一。在短程脱氮最佳 p H 值这个问题上，学术界存在争论。大多数研究表明，p H 为 8 左右才能获得稳定的亚硝酸盐积累。这是因为，AOB 摄取的底物为游离氨，他们喜好偏碱性的环境
。在其他 p H 下，氨氮的存在形式对微生物本身产生毒害作用。Hellinga等人认为 p H 为 8 时 NOB 的生长速率在比 p H 为 7 时明显降低，AOB 的生长速率则变化不大。在 p H 低于 7 时，一部分碱度以 CO2的形式逸出，亚硝化速率下降。硝化过程是一个消耗碱度的过程，产生的 H+会不断中和废水中的碱
度，使废水的 p H 值逐渐降低。当 p H 值降至 NOB 的最适 p H 值时，NOB
就会增殖，硝化类型就会由短程向全程转化。此时，必须向废水中投加碳酸钠或者碳酸氢钠等物质来恢复短程脱氮过程。
2.3 碳源
碳源，尤其是碳氮比对短程硝化反硝化的影响同样十分显著。若碳氮比过高，异养菌相比 AOB 及 NOB 更容易成为优势菌群；若进水碳氮比低于 4，亚硝化过程可顺利进行，但碳源缺乏会致使反硝化过程受阻，总氮去除率低。李凌云采用续批式反应器反应器处理低碳氮比的实际生活污水，实现了短程硝化的快速启动。荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization，FISH）检测表明，经过 32 个周期的种群优化，污泥中 AOB 含量提高了 38.9%，NOB含量降低了53.2%，亚硝态氮积累率（NO2¯-N/NOx-N）大于 90%。通过投加适量的碳源，最终获得了 95%以上的总氮去除率。碳源种类的不同对亚硝态氮积累率也有一定的影响。底物不同，亚硝态氮还原酶和硝态氮还原酶对电子竞争速率不同，从而引起亚硝态氮积累率上的差异。例如，以葡萄糖为碳源时，亚硝态氮积累率比乙酸盐和甲醇做碳源时高很多。表中列举了在不同碳源供给及控制条件下，部分反硝化菌株在亚硝化过程所积累的底物。
2.4 污泥龄
由于 AOB 和 NOB 的世代时间存在明显差异，因此可通过控制污泥龄逐渐“淘洗”掉 NOB，从而实现短程硝化反硝化。在确保“淘洗”掉 NOB 的前提下，应尽可能延长 HRT，使生物脱氮达到较高的程度，并使反应器稳定运行。彭永臻等人运行续批式反应器时控制污泥龄仅 1.5 天，并对 DO、p H 和 ORP 等参数进行实时控制，逐渐将 NOB“淘洗”出系统，实现了短程硝化反硝化过程。大多数研究认为，短程硝化反硝化工艺的污泥龄应控制为 5～15d。
2.5 温度
温度影响 AOB 和 NOB 的比生长速率，因此短程脱氮工艺的另一特征温度较高。一般情况下，温度控制为 10～20℃时，NOB 的生长速率大于 AOB，此时亚硝态氮的积累率很低。若污水温度为 5～15 °C，如冬天的市政污水，NOB比 AOB 更容易占据生长优势，就很难使脱氮工艺获得成功的短程硝化反硝化。Vilar 和 Gonzalez-Martinez 通过恒温器将 SBNR 反应器的温度控制为 35℃，获得了 100%的氨氮去除率。研究表明，即使存在其他限制因素，如高游离氨
浓度、低 DO 浓度时，短程硝化反硝化的最低温度也应控制在 20°C 以上。
三、短程脱氮工艺处理高浓度废水的研究进展
短程脱氮工艺常常被用于氨氮浓度高但碳氮比较低的食品废水、垃圾渗滤
液、冲厕废水等等。为了保证脱氮工艺进水的有机负荷更适于 AOB 的生长，高
浓度废水通常经 UASB 等厌氧工艺处理后，再进入脱氮工艺进行氨氮和总氮的
去除。
垃圾渗滤液属于典型的高浓度废水，COD 浓度高达 2000～4500mg/L，氨氮浓度为 1200～1800mg/L，p H 为 8.0～8.3，总碱度为 10000mg/L，碳氮比仅为
1.5～2.5。彭永臻采用厌氧耦合 A/O 工艺处理垃圾堆肥后产生的渗滤液，控
制反应器温度为 17～29°C，氨氮负荷率为 0.28～0.60kg/(m3·d)，最终短程硝化
率为90%～99%，氨氮去除率为 90%～100%。当氨氮负荷率小于 0.45 kg/(m3·d)，
氨氮去除率98%，出水氨氮小于 15mg/L。Cui 等人将两级厌氧工艺与短程脱氮工艺相结合处理食品废水，无需提供外加碳源或者碱度，最终 COD、总氮和总磷的去除率分别为 99%、88%和 97%。在碳氮比为 2 时，短程脱氮工艺的总氮去除率约为 74%。de Graaff 采用厌氧工艺与短程脱氮工艺相结合处理冲厕废水，以便出水符合后端厌氧氨氧化工艺的进水要求。控制温度为 25～40℃，其他条件没有进行严格的控制，运行400d 时，出水中 NO2¯-N/NH3-N 比例为 1.3。控制污泥龄小于 17d，p H 为 6.3～7.7 时，NOB 完全被“淘洗”掉。
在工业废水处理中，有毒有害污染物对硝化作用的抑制是脱氮工艺面临的最为棘手的问题。制革废水、石化废水、焦化废水都不同程度地受到有毒有害物质给脱氮带来的困扰。
您当前的位置：