国内外主流生物脱氮理论的最强汇总
1. 引言
污水处理行业从业者对污水脱氮又熟悉又头疼。说熟悉，是因为现阶段绝大多数的污水处理设施中都会加入具有氨氮及总氮去除的功能单元；说头疼，则是因为很多现有设施的氮素去除效果无法满足各地区愈发严格的排放标准限制。考虑到易行性、经济性等因素，国内外污水处理中对于氮素污染物的去除普遍采用基于生物法的处理工艺。除了传统的硝化-反硝化理论外，近年来突破常规认知的生物脱氮新理论也不断出现，在环保展会中，硫自养反硝化、厌氧氨氧化等脱氮新技术都非常吸引眼球。本文主要介绍传统生物脱氮过程及新型生物脱氮过程的基本理论，旨在帮助大家更好地理解生物脱氮过程。
2. 传统生物脱氮过程
2.1 传统生物脱氮过程简介
目前在工程实践中应用最广泛的传统生物脱氮过程主要包含好氧硝化-缺氧反硝化两部分组成，其过程如图1所示。进水中蛋白质等有机氮经过氨化细菌的脱氨作用转化为氨氮，随后氨氮在好氧条件下由自养型的亚硝化细菌和硝化细菌逐渐氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，硝酸盐氮在缺氧条件下由异养型的反硝化细菌还原为亚硝酸盐氮，并继续还原为一氧化氮、一氧化二氮及氮气等气体离开系统完成脱氮。
图1 传统生物脱氮过程及对应功能微生物
由图1可知，进水中氮素在生物处理过程中经历了由多种不同细菌参与的转化过程，由于细菌是生物转化的“执行者”，假如环境条件对于负责某项功能的细菌不利，那么这一部分转化过程就可能出现问题。在工程中为改善生化系统脱氮性能，调试人员大多会从溶解氧含量、有机物含量、碱度及环境条件冲击等几方面入手。其实，在这些宏观参数的调节背后，技术人员所做的一切都是为了更好地满足脱氮过程中不同微生物的生长代谢特点，简单来说就是“投其所好”。因此，借鉴这一微生物视角对污水处理生化系统进行分析，为执行特定功能的微生物提供更好的生长代谢条件，就可以帮助我们更好地实现高效脱氮。
2.2 传统生物脱氮细菌特点
本文简单总结传统生物脱氮不同功能微生物的特点如图2所示， 供大家参考。在实践中，大家可根据针对对象及功能菌群菌的特点，通过参数调节促进那些我们所需要的微生物的良好生长代谢。
图2 传统生物脱氮不同功能微生物的特点
由图2可知，氨化细菌可以利用有机物获取能量并进行生长代谢，且其在好氧和缺氧环境都可生长，这些特点使得氨化细菌生长迅速、分布广泛，在生化系统中很少成为问题所在。因此，我们主要探讨亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌。
2.2.1 亚硝化菌
亚硝化菌主要参与系统中氨氮被氧化为亚硝酸盐的过程，是生化系统中氨氮去除的主要功能菌。从微生物学角度来看，亚硝化细菌是一类在好氧条件利用无机碳源合成自身菌体、利用氧化氨氮释放能量的化能（能量来源）-好氧（溶氧要求）-自养（碳源类型）细菌。
针对碳源类型，亚硝化菌需要利用无机碳源进行合成代谢，亚硝化细菌生长缓慢，在生化系统中所占总量较小，因此其对于外界环境影响较为敏感，低温环境、负荷冲击、毒物流入、污泥流失等不良条件均可能导致亚硝化菌活性下降，使得系统出现氨氮去除率低，出水氨氮偏高的现象；针对能量来源和溶氧要求，亚硝化菌通过在好氧环境下氧化氨氮获取化学能供给自身的生长代谢，因此充足的溶解氧以及适宜的氨氮浓度是维持亚硝化菌良好生长的必需条件。此外，由于亚硝化过程会导致系统碱度下降，而亚硝化菌的最适pH值范围约为在7.0-7.5，因此应注意曝气池pH值，避免pH值过低导致亚硝化菌活性下降，氨氮去除不佳。
2.2.2 硝化菌
硝化菌主要参与系统中亚硝酸盐被氧化为硝酸盐的过程，其与亚硝化细菌经常出现在相近区域，特点也较为相似。从微生物学角度来看，硝化细菌是一类在好氧条件利用无机碳源合成自身菌体、利用氧化亚硝酸盐释放能量的化能（能量来源）-好氧（溶氧要求）-自养（碳源类型）细菌。
针对碳源类型，硝化菌需要利用无机碳源进行合成导致其生长缓慢，在生化系统中所占总量较小，因此其对于外界环境影响较为敏感，低温环境、负荷冲击、毒物流入、污泥流失等不良条件均可能导致硝化菌活性下降，使得好氧池中出现亚硝酸盐积累的现象；针对能量来源和溶氧要求，硝化菌通过在好氧环境下氧化亚硝酸盐获取化学能供给自身的生长代谢，因此充足的溶解氧以及适宜的亚硝酸盐浓度（主要来自于氨氮被氧化生成的亚硝酸盐）是维持硝化菌良好生长的必需条件。此外，由于硝化过程会导致系统碱度下降，而硝化菌的最适pH值范围约为在7.0-8.0，因此应注意曝气池pH值，避免pH值过低导致硝化菌活性下降。
2.2.3 反硝化菌
反硝化菌主要参与系统中硝酸盐及亚硝酸盐被还原的过程，是生化系统中硝酸盐氮去除的主要功能菌。从微生物学角度来看，常规的反硝化细菌是一类在缺氧条件利用有机碳源合成自身菌体、利用氧化有机物释放能量的化能-缺氧-异养细菌。在反硝化过程中，有机物充当电子供体，硝酸盐充当电子受体，在电子传递过程中，有机物失去电子被氧化，硝酸盐得到电子被还原，化学能被释放用于微生物的合成及其他生命活动。
由于反硝化菌可以利用有机碳源，其生长较快，污水处理中生化系统污泥普遍存在大量反硝化细菌，占据较大的生物量比例。因此，为了促进硝酸盐在反硝化过程中被去除，充足的有机碳源、良好的缺氧环境是必不可少的。有机碳源方面，进水提供的有机物的可生化性（BOD/COD比例）和含量（BOD/TN比例）多用于判断有机物碳源是否适宜并足够系统用于脱氮去除。溶解氧方面，由于好氧条件下氧气会取代硝酸盐充当细菌电子传递中的电子受体，导致反硝化无法顺利进行，同时好氧下反硝化细菌用于反硝化的硝酸盐还原酶及相关酶系会受到抑制，也导致反硝化无法进行。
3 新型生物脱氮过程
传统生物脱氮理论积累多年，并在工程实践中广泛应用，但也存在一些不足。由于传统脱氮中硝化与反硝化过程对于溶解氧与有机物需求不同，这导致硝化与反硝化很难在时间与空间上完全同步发生在同一环境内，如何能够减少外加碳源的投加、缩短脱氮过程流程、降低构筑物占地一直是研究热门。在研究人员对生物脱氮中物料守恒、能量代谢等方面的持续关注下，一些相对新颖的生物脱氮过程逐渐被提出并完善，接下来本文将对几种常见新型生物脱氮过程进行简单介绍。
3.1新型生物脱氮汇总
近年来，短程硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脱氮过程逐渐引起人们注意，图3汇总了近年来常见新型生物脱氮理论。标红处是该项新型生物脱氮过程与传统生物脱氮过程的区别所在。
图3 新型生物脱氮理论汇总
3.2 厌氧氨氧化VS好氧氨氧化
传统生物脱氮中，氨氧化（即亚硝化）过程为好氧过程，细菌需要溶解氧作为电子受体实现氨氮的氧化。从1989年欧洲科学家在厌氧反应器中发现了厌氧氨氧化现象起，越来越多的厌氧氨氧化研究报告拓展了我们对于生物脱氮的认知范围。除了污水处理，厌氧氨氧化还被发现存在于地球上的多种自然环境，其对于地球范围内氮素循环的贡献不容忽视。
厌氧氨氧化细菌可以在厌氧环境下以氨氮为电子供体、以亚硝酸盐为电子受体，产生氮气和少量硝酸盐。由于厌氧氨氧化菌一般呈现红色，因此也常常被称为“红菌”。厌氧氨氧化菌是自养微生物，以二氧化碳等无机物为碳源进行自身生长合成。由于厌氧氨氧化无需好氧曝气条件与有机碳源，其在曝气能耗削减与有机碳源节约方面有着显著优势，因此近年来厌氧氨氧化成为发展最迅猛的新型脱氮理论之一。由于需要亚硝酸盐作为电子受体，厌氧氨氧化常与短程硝化结合，通过短程硝化将部分氨氮氧化为亚硝酸盐，并与剩余氨氮进行厌氧氨氧化反应。
在工艺设计中，短程硝化与厌氧氨氧化过程可在同一工段进行，也可分为两段进行。目前厌氧氨氧化技术在国内外已有中试乃至实际规模运行案例，相比于主流厌氧氨氧化（污水处理的主线流程），污水处理厂的侧流（污泥处理中的消解液）厌氧氨氧化处理发展较快，这是由于侧流厌氧氨氧化过程中有机物浓度、氨氮浓度、温度等相关因素较为理想，而主流过程中则存在较多不利于厌氧氨氧化的条件，因此主流厌氧氨氧化的扩大与推广仍存在不少技术问题有待解决。此外，基于颗粒污泥技术的短程硝化-厌氧氨氧化技术也是研究热门。
3.3 短程硝化VS全程硝化
传统硝化过程是从氨氮到亚硝酸盐再到硝酸盐的全程硝化，而短程硝化一般指代从氨氮到亚硝酸盐这一过程。由于氨氮和亚硝酸盐的好氧转化都需要消耗溶解氧，短程硝化相比于全程硝化可以节约曝气的电能消耗。目前，短程硝化主要存在两种主要研究方向，其一是与厌氧氨氧化偶联，由短程硝化为厌氧氨氧化中提供亚硝酸盐来源，其二是与短程反硝化偶联，实现氮素的最终去除。短程硝化的实现主要依靠选择性抑制硝化菌活性，技术原理在于亚硝化菌与硝化菌对于一些环境因素的耐受能力不同，溶解氧、pH值、温度、游离氨等因素都已被研究用以选择性抑制硝化菌，以实现短程硝化。现阶段短程硝化的主要技术问题在于：如何在不同环境下（温度、有机物含量等因素）实现对于氨氮到亚硝酸盐这一转化过程的长期稳定维持。
3.4 好氧反硝化VS缺氧反硝化
传统生物脱氮理论中，反硝化过程需要在缺氧环境下进行，而近年来不断有新菌株被发现具有在好氧环境下进行硝酸盐还原的能力，这类菌株被称为好氧反硝化菌，它们可以在好氧条件下同步去除硝酸盐与有机物，并可通过同化或异养硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的出现，使得在好氧环境下进行同步硝化-反硝化过程成为可能。
好氧反硝化细菌之所以能在好氧环境下进行反硝化，可能是由于细菌内部含有在有氧环境下能够正常表达的与脱氮相关的酶系统（酶是微生物转化氮素的实际“执行者”，微生物体内酶的活性决定了相对应的功能发挥情况），如周质硝酸盐还原酶等；此外在污泥絮体或生物膜中溶解氧的梯度变化也可能促进了好氧反硝化的进行。目前已有大量好氧反硝化细菌被筛选鉴定并考察相关脱氮性能，采用好氧反硝化细菌作为菌种来源的微生物菌剂也逐渐出现，然而好氧反硝化理论仍需不断完善，其准确机理仍在探索中，同时，关于好氧条件的准确界定也需要进一步探讨。
3.5 自养反硝化VS异养反硝化
传统反硝化过程需要以有机物作为电子供体及碳源以供细菌获取能量并合成自身菌体，这些反硝化细菌属于异养型细菌。其实，反硝化的本质在于细菌在还原硝酸盐的过程中获取能量，细菌并不在意这个过程叫什么，他们想要获取的只是反应过程中释放的化学能，至于硝酸盐变为氮气只是获取能量中的副产物。因此，在自养反硝化过程中，自养细菌采用无机物作为电子供体，将硝酸盐还原并从中获取化学能量用于合成及其他生命活动。
相比于异养反硝化，自养反硝化不需要有机物作为碳源和能源，因此较为适合用于低碳氮比废水或低有机物浓度废水的脱氮过程。目前，已发现可以作为自养反硝化电子供体的物质包括氢气、硫、硫离子、硫化氢、硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫氰酸盐、二价铁、零价铁、二价锰等。考虑到自养反硝化菌的功能菌为自养菌，如何快速高效地获得大量自养反硝化菌，并将其长期稳定存留于生化系统中是自养反硝化能否进一步发展的关键技术问题。
3.6 短程反硝化VS全程反硝化
传统生物脱氮中反硝化一般包括从硝酸盐到氮气的全程反硝化过程，而短程反硝化则可理解为全程反硝化过程中的一部分，具体囊括过程则根据需要而定。由于反硝化过程是电子供体，考虑到常见异养反硝化的电子供体为有机物，短程反硝化相比于全程反硝化所需要的电子供体更少，因此可以有效减少碳源消耗。目前，短程反硝化主要存在两种主要研究方向，其一是与厌氧氨氧化偶联，通过保持硝酸盐还原到亚硝酸盐为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐来源，其二是与短程硝化偶联，将短程硝化产生的亚硝酸盐还原至氮气实现短程硝化反硝化。现阶段短程反硝化的主要技术问题包括：如何长期稳定高效地实现反硝化过程的针对性控制，以及如何降低反硝化过程中一氧化二氮等温室气体的排放量。
4 总结与展望
（1）污水生化处理的核心是微生物，一线技术人员对工艺参数与环境条件的调试应在考虑成本的前提下尽量实现对特定微生物的针对富集，为特定微生物的生长代谢提供良好条件是关键。
（2）传统生物脱氮理论与新型生物脱氮理论的发展建立在特定微生物的特定功能这一基础上。针对不同类型污水，不同的脱氮理论与工艺可能存在自身优势与限制，无法进行绝对化的一概而论。
（3）生物脱氮理论的探讨与工程实际并不矛盾，充分了解生物脱氮过程及其功能细菌的特点可以更科学高效地指导我们的运行与调试工作，同时现场工作中的第一手资料则为理论分析提供依据。
（4）尽管新型生物脱氮理论的发展大多仍处于小试与中试规模，其在实际规模与环境条件下的扩大与应用尚需解决大量技术细节与实践限制，这些理论在未来污水处理过程中的宝贵价值不容忽视。