同步硝化反硝化脱氮在水产养殖废水处理中的应用

许育新，孙 鹂 ，喻 曼 ，安贞煜，沈阿林

(1.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江杭州 3 10021;2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙 4 10007)

水产品作为人类摄取蛋白质的重要来源，目前各种水产品的养殖技术已被大力开发并广泛应用，全球的水产养殖在过去的50年经历巨大的增长，从1950年产量不足100万t，到现在已经超过了5 000万t［1］。与此同时，水产养殖的集约化发展带来了巨大的环境问题。水产养殖所排放的废水中包含了高浓度的含氮化合物 (氨、亚硝酸盐和硝酸盐)、磷和溶解性有机碳，这些物质都会造成环境污染［2］。其中氨 (NH3)作为鱼类呼吸和有机物分解的产物，会提高养殖水体中的氨含量，并主要以NH3和-N存在于水体中，会对水中的生物造成很强的毒性。由于养殖水体中都会有一定的溶解氧以保证鱼类的正常生长繁殖，水体中的化能自养的细菌 (亚硝化单胞菌和硝化菌属)便可利用水中的铵)氧化成亚硝态氮 ()和硝态氮 ()，而这些含氮化合物富集在水体中会造成水体的富营养化现象，使得蓝藻和蓝绿藻过度繁殖，发生水华。导致大量藻类在死亡同时也会耗去水中大量的氧，引起鱼类死亡，并严重破坏水生生态系统［3-4］。因此，对水产养殖废水进行脱氮处理是一个急需解决的环境问题。

1 同步硝化反硝化技术概述

传统的废水脱氮方法有很多，目前普遍被使用的物理法或化学法包括折点加氯法、化学沉淀法、离子交换法、吹脱法、液膜法等，但无论采用化学还是物理方法都有其局限性和不确定性，并且容易对环境造成二次污染［5］。因此目前废水的脱氮处理大多采用生物法，传统的生物方法有藻类养殖、生物硝化和反硝化法等［6］。在传统的生物脱氮过程中，硝化和反硝化作为2个单独分开的过程，通常在2个不同的反应器内完成，但硝化和反硝化过程都出现亚硝酸盐)作为反应中间体［7］。直到Voets等［8-9］对高浓度氨氮废水的处理过程进行观察发现，在硝化过程中亚硝态氮会逐渐积累，并由此提出同步硝化反硝化反应的理论。研究表明，硝化和反硝化作用在有氧条件下可以在一个反应容器内进行，这个过程通常被称为同步硝化和反硝化 (SND)［7］。因此，同步硝化和反硝化(SND)是指在有氧条件下，在同一生物反应器内同时发生硝化和反硝化的过程［10］，直接把硝化反应控制在亚硝酸阶段，阻止亚硝酸的进一步硝化，然后直接进行反硝化，将水体中的含氮化合物直接以氮氧化物或氮气的形式排出去。

2 同步硝化反硝化脱氮的优点

这种同步硝化反硝化处理技术要显著优于传统的硝化和反硝化分离过程。第一，同步硝化反硝化将原先串联反应的2个反应器合并，将原本2个分开的反应放在一个反应器内进行，中间免去了污泥回流过程，有效减小了反应器体积和占地面积，降低了工艺成本。第二，相比传统处理技术，同步硝化反硝化工艺可以减少30%污泥使用量，减少了排泥消耗的成本［11］。第三，相比传统的活性污泥法，可以减少约25%的溶解氧，降低反应能耗［12-13］。第四，相对于传统的生物脱氮工艺，短程反硝化可以节省22%～40%的碳源，在C/N比相同的情况下提高了脱氮效率［11］。第五，由于硝化反应会产生一定的酸度，而反硝化过程产生碱度，酸碱可以部分中和，所以同步硝化反硝化反应体系一定程度上可以自行调节pH值，减少碱的投入量，有利于将反应系统中的pH值稳定在一定范围内。综上，越来越多的研究者把目光投向了同步硝化反硝化处理技术，希望用这一技术实现废水的脱氮处理。

3 同步硝化反硝化微生物的发现

在同步硝化反硝化工艺流程中，为保证氨态氮到亚硝态氮的转化并使反应终止在亚硝态氮状态下，需要对亚硝酸盐氧化细菌 (NOB)实现特定的抑制或去除，并保留氨氧化细菌 (AOB)［7］。最近，一些能够在有氧条件下进行反硝化的好氧反硝化细菌已经被分离出来并作为潜在应用的微生物，在生物脱氮系统中得到了深入的研究［14-16］。目前，Robertson［17］已从水中分离出了能够进行好氧反硝化的细菌，包括了假单胞菌的一种 (Pseudomonas spp.)、泛养副球菌 (Paracoccus pantotropha)和粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)。好氧反硝化细菌的发现使得氨化，硝化和反硝化这些过程能够同时在有氧条件下进行，是同步硝化反硝化脱氮工艺的关键技术。

4 同步硝化反硝化的影响因素

4.1 COD/-N比的影响

在废水脱氮过程中，有机碳源作为反硝化过程中的电子受体，是该工艺的一个重要反应要素，同时作为细菌代谢必需的物质和能量来源，起着重要作用。已知的研究结果显示，反应体系中的碳源浓度过高会使得异养细菌活动旺盛，硝化反应受到抑制，而硝化反应进程受阻必然会影响反硝化，但若碳源缺乏，不能满足反硝化所需，也会导致反硝化过程受阻［18］。有研究发现，当COD/NH+4-N比例达到11∶1时，通过同步硝化反硝化反应，所有的有机碳和NH+4-N可以被完全降解，不会有中间副产物如NO2-N的积累。而当保持碳含量不变时，逐渐增加NH+4-N含量，氮素的去除效率会随之降低［12］。因此，在一定程度上，水中碳氮比越高，出水总氮越低，其去除率也相应越高，同步硝化反硝化现象也越明显［19］。

4.2 污泥龄的影响

有研究显示污泥龄对同步硝化反硝化脱氮有着重要的影响［20］。由于氨氮硝化速率比亚硝态氮的氧化速率快，同时亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌短，且繁殖速率更快。因此选取合适的污泥龄，有利于获得良好的同步硝化反硝化现象。实要现亚硝态氮积累，需要让污泥龄介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小世代之间［21］。

4.3 温度的影响

通常硝化和反硝化反应的适宜温度为20～30℃，当低于15℃时，反应速度下降，到5℃时反应几乎完全停止。研究结果显示，当温度在20～30℃时，水中总氮和氨氮的去除率随温度升高而升高，当温度到达30℃时，总氮和氨氮的去除率达到最高，分别为99.8%和95.7%［22-23］。这是因为当温度升高，细胞内化学反应和酶反应加快，因此代谢活力增强。但也有新的好氧反硝化细菌被发现，可以在很低的温度下 (＜10℃)依然保持较高的脱氮活性［24］，这将有利于增加该工艺的适应性，有利于同步硝化反硝化技术在废水脱氮领域的广泛应用。

4.4 溶解氧的影响

溶解氧是同步硝化反硝化过程的关键因素。若溶解氧浓度过高，会导致氧的穿透能力变强，使得污泥絮体内难以形成缺氧区，同时，溶解氧浓度的升高容易造成异养好氧型细菌活性增强，加快有机物的氧化，使反硝化菌因无碳源或碳源不足而活力减弱［25］。根据目前对已知的好氧反硝化菌株的研究，当溶解氧浓度低于3 mg·L-1，好氧反硝化细菌具有反硝化活性，但也有个别菌种的溶解氧耐受性较强，Pseudomonas sp.在溶解氧浓度为4 mg·L-1时仍具有活性，当溶解氧低于2 mg·L-1时，其反硝化活性反而减弱［26］，甚至在一个较低的溶解氧浓度范围时 (＜0.5 mg·L-1)，硝化速率仍然能约等于反硝化速率，使得同步硝化反硝化反应完全，保证了较高的脱氮效率［20］。

5 小结

随着环境污染和水资源短缺的问题日益严峻，水产养殖采用封闭式循环水养殖模式势在必行。因此水产养殖废水的综合利用和无害化排放有着极大的开发价值和广泛的应用前景。而同步硝化反硝化脱氮技术实现了在同一空间内同时除碳、硝化和反硝化，其脱氮历程节约了碳源，降低了动能消耗和处理费用，这必将成为未来生物脱氮的重要途径之一。但由于目前同步硝化反硝化的具体作用机理和控制参数尚存疑问，因而还需要在以下诸多方面对同步硝化反硝化进行深入的研究:首先，需要通过对同步硝化反硝化机理的深入研究，特别需要展开对于好氧反硝化菌的各种生长特性和脱氮生物学机理的探索，建立同步硝化和反硝化的动力学模型。其次，由于同步硝化反硝化是一个复杂的过程，受到很多因素的影响，因此如何根据脱氮处理的主要控制因素，并结合水产养殖废水的特点，确立能够在各个养殖条件下普遍适用的稳定高效的方法，还需要进一步的研究和探索。最后，由于污泥絮凝体缺氧区往往不够稳定，会导致脱氮效果出现波动，因而需要进一步研究活性污泥的培养方法，稳定污泥控制手段，为同步硝化反硝化脱氮技术的推广提供完善合理的技术。

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