工业水处理, 2019, 39(5): 1-4 doi: 10.11894/iwt.2018-0448

• 专论与综述 •

生物脱氮的研究进展

娄宏伟,1, 雷鑫2, 陈元彩,2

Research progress in biological nitrogen removal

Lou Hongwei,1, Lei Xin2, Chen Yuancai,2

通讯作者: 陈元彩,研究员,博士生导师。E-mail:chenyc@scut.edu.cn

收稿日期: 2019-02-20  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  21677052
广东省水利科技创新项目.  2017-25
湛江中粤能源有限公司.  ZY-KJ-JX-2016X085F

Received: 2019-02-20  

Fund supported: 国家自然科学基金项目.  21677052
广东省水利科技创新项目.  2017-25
湛江中粤能源有限公司.  ZY-KJ-JX-2016X085F

作者简介 About authors

娄宏伟(1981-),工程师E-mail:13902576558@139.com , E-mail：13902576558@139.com

摘要

脱氮是大部分废水处理系统中不可缺少的一环。与物理化学法相比，生物脱氮具有经济有效、操作方便以及无二次污染的优势。综述了各类生物脱氮技术的研究背景、机理及其存在的问题，并作了简单比较。结果表明，全程硝化反硝化应用广泛且稳定可靠。异养硝化-好氧反硝化对碳源需求较高（COD/N>10），而短程硝化反硝化可节约大量能源和碳源。厌氧氨氧化脱氮速率高且无外加碳源，但细菌富集和前期启动较为困难。

关键词： 脱氮 ; 自养硝化 ; 好氧反硝化 ; 厌氧氨氧化

Abstract

Nitrogen removal is an indispensable aspect of most wastewater treatment systems. Compared with physical and chemical methods, biological nitrogen removal is economically effective, easy to operate, and free from secondary pollution. The research background, mechanisms and deficiency of various nitrogen removal technologies are summarized, and compared briefly. The results show that complete nitrification and denitrification are widely used, and are stable and reliable. Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification has higher demand for carbon sources (COD/N>10), while short-cut nitrification-denitrification can save lots of energy and carbon sources. The anaerobic ammonium oxidation(anammox) denitrification rate is high, and does not have exotic carbon source. However, the bacteria enrichment and prophase start-up are difficult.

Keywords： nitrogen removal ; autotrophic nitrification ; aerobic denitrificaiton ; anammox

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本文引用格式

娄宏伟, 雷鑫, 陈元彩. 生物脱氮的研究进展. 工业水处理[J], 2019, 39(5): 1-4 doi:10.11894/iwt.2018-0448

Lou Hongwei. Research progress in biological nitrogen removal. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(5): 1-4 doi:10.11894/iwt.2018-0448

氮肥的大量使用以及含氮废水的排放导致了水体的富营养化，使得脱氮成为废水处理工艺中非常重要的一环〔1〕。活性污泥法运用以来，关于微生物脱氮的研究已有近百年，而其中的氮素转换仍存在某些冲突或不明确性〔2〕。活性污泥中潜在多种氮素的生物化学反应，而且自养细菌生长较为缓慢，使得在实际工程中对脱氮过程的研究更加困难。本研究主要综述的是生物脱氮工艺及其机理。

1 自养硝化-厌氧反硝化

硝化过程通常是由可直接利用铵盐和亚硝酸盐的自养或兼养细菌，即氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）主导，主要种类为Nitrosomonas euro-paea和Nitrobacter agilis〔3-4〕。然而由于实际脱氮系统和培养基底物的差异，采用基因探针或传统纯培养方式得到的自养硝化优势菌群不一致。活性污泥系统和富集培养基中氨氮浓度较高，而亚硝态氮浓度较低，NOB需要和AOB竞争底物。因此，活性污泥中的优势菌往往是低亲和常数的细菌，生长较慢，而实验室富集得到的细菌生长较快。此外，迄今为止还未发现可以直接将氨氮氧化为硝态氮的微生物。

反硝化过程通常是厌氧或兼氧细菌以有机物质或还原态化合物（如硫酸盐或氢）作为电子供体〔5〕，将硝酸盐还原成N2，其中间产物有亚硝态氮、NO、N2O。1988年，F. Emoto〔6〕首次发现UASB反应器存在厌氧反硝化作用，研究者开始深入探索反硝化过程。B. Baumann等〔7〕检测了不同反硝化酶的mRNA，发现涉及反硝化代谢过程的基因超过40个，同时证明了涉及反硝化的各种酶的调控方法也不一样。低溶氧对不同酶的限制程度有所不同，当细菌处于厌氧、缺氧条件转换时，反硝化中间产物也会增加，这可能是由于酶的调控不能对溶氧的改变作出及时的反应〔8〕。此外，当限制电子供体时，反硝化中间产物也会大量积累。众所周知，反硝化中间产物N2是一种温室气体，其单分子增温潜势是CO2的298倍，对全球气候的增温效应越来越显著，引起了广泛的关注，尤其是土壤中N2O的释放〔9〕。而事实上N2在水中的溶解度较高，意味着废水处理过程中产生的N2并不容易排放到空气中，从污水处理厂释放到大气中的N2相当少，仅占3%〔10〕。通常，当细菌适应了好氧、缺氧条件的转换，反硝化过程中初始积累的N2在几分钟内可以被进一步转化为N2。在实际废水处理中N2的释放量比实验室测定的释放量小1个数量级，可见，实验室研究高估了N2的释放。

G. A. F. Ritchie等〔11〕发现在微氧条件下，Nitro-somonas细胞内存在NO2-→N2O与NH2OH→NO2-的耦合作用。I. C. Anderson等〔12〕证实了自养硝化细菌（如N. europaea）存在反硝化作用，并产生大量的含氮气体（NO、N2和N2）。E. Bock等〔13〕也报道了Nitro-somonas europaea能以氨氮或氢作为电子供体进行NO2-的反硝化。已有研究表明在冲击负荷较大的硝化生物膜体系中或废水中含有较多微生物毒害物质时，自养硝化-反硝化体系会产生大量的N2〔14-15〕。而这类由自养硝化细菌引导的反硝化作用在废水处理过程中只有在特定条件下才会发生，在实际工程中比较少见。

近年来，研究者发现反硝化脱硫细菌（NR-SOB）主要为脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans），在缺氧或厌氧条件下利用无机碳（如CO32-和HCO3-等），以还原态硫（H2S、S2-、S2O32-和S0）为电子供体进行反硝化作用〔16〕。这种可以耦合脱氮除硫的技术无需外加碳源、成本较低，降低了工艺的复杂性，已逐渐被应用于处理低氮含硫的水体。硫自养反硝化过程中会产生酸和硫酸盐，而产酸会导致出水中NO2-积累，实际工程中可以通过添加不同填料和结合其他工艺等手段控制产酸〔17〕。

2 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化与全程硝化反硝化相比，可减少25%的硝化需氧量和40%的反硝化碳源，同时可削减底泥产量，进而减少反硝化池容积，在各类脱氮工艺中极具竞争力。此外，亚硝态氮的积累不会抑制氨氧化过程。大量研究表明可以通过调节pH来抑制NOB的活性，从而实现短程硝化反硝化〔18-20〕。铵盐和亚硝酸的浓度均对pH变化较为敏感，通常脱氮系统改变pH后，硝化过程起初会停留在亚硝氮阶段，但系统适应一段时间后又会恢复为全硝化过程，所以抑制NOB并不能来实现短程反硝化的持续性运行〔21〕。此外，通过调控细菌的生长速率可以淘汰NOB，从而实现短程硝化反硝化。例如当系统温度高于15 ℃时，氨氧化细菌生长速率高于NOB，实际工程中，温度会控制在15~20 ℃〔22〕。尚会来等〔23〕报道在较高的温度下〔（28 ± 1）℃〕，通过控制泥龄（10 d左右）能实现稳定的短程硝化反硝化。研究表明，底物竞争也能淘汰NOB，亚硝酸盐的反硝化过程会进一步抑制NOB的生长。由于AOB和NOB对溶氧需求不同，可以通过控制溶氧或快速循环好氧、缺氧条件，使得微生物絮体内部形成缺氧条件，以此来限制NOB的生长〔19, 23〕。污水处理厂可以通过控制低溶氧条件淘汰NOB，从而达到短程硝化反硝化稳定运行的状态，同时还能削减污泥的体积。

3 异养硝化-好氧反硝化

好氧反硝化作用目前有两种不同的理论解释〔24〕：一种是存在好氧反硝化细菌，其含有周质硝酸盐还原酶，能在好氧条件下还原硝酸盐；另一种是微环境理论，在微生物絮体或者生物膜内由于传质限制，混合不均的反应器内会出现厌氧情况，传统厌氧反硝化就会发生。1970~1995年间，异养硝化-好氧反硝化细菌能够实现同步硝化反硝化（SND）的特性引起了众多学者的关注。L. A. Robertson等〔25〕发现Thio-sphaera（现为Paracoccus）pantotropha能同时利用氧和硝酸盐作为电子受体，其生长速率比自养硝化细菌快。而异养细菌在氧化氨氮的时候需要电子，导致产率系数比自养硝化低。这类细菌在常规微生物富集培养基中很难观察到异养硝化-好氧反硝化过程。常见的好氧反硝化细菌的种类主要有不动杆菌（Acinetobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）和副球菌属（Paracoccus）等〔26〕。

而在实际工程中，当活性污泥处于限氧条件时，一方面细胞能同时利用氧和硝酸盐进行协同呼吸作用，其生长速率大大加快；另一方面产生的微生物絮体会造成局部厌氧，这样传统的反硝化过程也会发生；而在实际体系中这两种过程很难被区分开来。一般来说，活性污泥工艺中，0.15 mm左右的絮体内部足以形成厌氧氛围，从而发生传统的厌氧反硝化作用。对于生物膜系统，0.1 mm的膜厚度就会发生厌氧反硝化。实际废水处理过程中结合异养硝化-好氧反硝化并不能达到预期的效果。根据已报道的研究，当COD/N＞10时，好氧反硝化只能将一小部分氮素去除，其余氨氮会被微生物同化〔27〕。而且在常见的废水处理过程中细菌的快速生长没有实际意义，好氧反硝化在实际废水脱氮中的应用还需要进一步的研究。

4 厌氧氨氧化

传统的氨氧化过程需要分子氧的参与，在氨单氧酶催化作用下完成。E. Broda〔28〕通过理论计算，认为氨氮理论上能在厌氧体系中作为电子供体被氧化，这种反应和传统的硝化过程所需的自由能是一样的。因此，厌氧氨氧化（anammox）吸引了大量研究者的关注，以期为废水处理系统提供更加广阔的前景。I. Schmidt等〔29〕发现了Nitrosomonsa eutropha能在缺氧条件下氧化氨氮，同时以NO2作为电子受体，然而这种转化方式的脱氮效率极低〔2.4×10-4 gN/（gVSS·d）〕，并且伴有大量的中间产物。此外，在以硫化物为限制性电子供体的反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化活性。以氨氮和亚硝态氮为唯一培养基成分对浓缩污泥进行培养，也可以筛选出anammox细菌。A. A. van de Graaf等〔30〕对anammox进行了理论分析，认为anammox是由两个特殊转化的微生物催化过程组成：一个过程是氨氮厌氧氧化为N2以及亚硝态氮厌氧氧化为硝态氮；另一个过程是CO2还原转化为生物质。时隔一年，A. A. van de Graaf等〔31〕推测亚硝态氮先被还原为羟胺，继而与氨氮耦合形成联氨，再被氧化为N2，这一理论已被学界广泛接受。

由于厌氧氨氧化细菌生长非常缓慢，代增时间长达11~20 d，在普通异养反硝化废水处理系统中很难出现这类细菌。在自养反硝化系统中积累anammox细菌需要数月之久，并且很难获得其纯系菌株。尽管anammox细菌富集和前期启动比较困难，但稳定运行的反应器脱氮效率极高。传统硝化过程会受硝态氮限制，其转化速率为0.4 kgNH4+-N/（m3·d），而anammox流化床的脱氮能力能达到2.4 kgNH4+-N/（m3·d）或4.8 kgTN/（m3·d），如此快速的脱氮效率具有广阔的应用前景〔32〕。

近年来，为了实现废水的持续脱氮，许多学者开始转向短程硝化结合anammox的研究。比利时根特大学微生物生态实验室开发了限氧自养硝化反硝化（OLAND）工艺，OLAND其实是限氧亚硝化与厌氧氨氧化相耦合的生物脱氮工艺，在亚硝态氮向硝态氮的转化中通过控制溶解氧含量使反应因缺少足够的氧气作电子受体而受到阻碍，从而使氨氧化反应主要产生亚硝态氮；随后anammox细菌在厌氧条件下以亚硝态氮作电子受体将氨氮氧化成氮气。M. Strous等〔33〕首次采用了短程硝化-anammox工艺处理厌氧污泥消化池出水。这种短程硝化-anammox过程比传统生物脱氮工艺需氧更少（4.6 kgO2/kgN减少为1.9 kgO2/kgN），不消耗BOD（2.6 kgBOD/kgN降到0），污泥产量少（1 kgVSS/kgN减少为0.08 kgVSS/kgN）。这种工艺不仅节约资源，而且能将废水中的BOD全部转化为甲烷。

5 结论

在绝大多数废水处理系统中脱氮是极其重要的一环，由于氮素间存在较多潜在的转换方式，在实际条件中很难做到对氮素转换的全面分析。本研究综述了生物脱氮的文献报道，讨论了实际废水处理中各氮素转化之间的联系并进行了比较。传统活性污泥法相当成熟且运行稳定，但是效率不高，并且占地面积较大，能耗高。自养硝化反硝化速率较低，在实际废水中的应用需要进一步研究。而异养硝化-好氧反硝化工艺的脱氮效率只有当废水C/N较高时（>10）才比较明显。anammox通常发生在污泥停留时间较长的自养体系或生物膜系统中，其以氨氮作为电子供体，即无有机质需求，在脱氮工艺中具有比较明显的优势。

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