孫英杰1，張雋超2，胡躍城2
(1.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.青島市環(huán)保局，山東青島 266003)

　　摘　要：亞硝酸型硝化的穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷硝化反硝化的技術(shù)關(guān)鍵。對(duì)實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化的純種分離固定化途徑、SHARON途徑、游離NH₃抑制途徑和氧基質(zhì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)途徑進(jìn)行了綜述與評(píng)介，并提出了探討亞硝酸型硝化控制途徑的思路。?
　　關(guān)鍵詞：亞硝酸型硝化；控制途徑；控制機(jī)理；SHARON工藝；FA；DO
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)06-0029-03

　　在簡(jiǎn)捷硝化反硝化的兩個(gè)主要反應(yīng)步驟中，反硝化技術(shù)容易控制實(shí)現(xiàn)，因此硝化過程中穩(wěn)定持久的獲得NO₂-N成為技術(shù)關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)硝化出水NO₂-N高比例的控制技術(shù)也成為研究重點(diǎn)。目前能在一定時(shí)間內(nèi)控制硝化處于亞硝酸階段的途徑有四種：①亞硝酸細(xì)菌 的純種分離與固定化技術(shù)；②控制溫度造成不同增長(zhǎng)速率形成“分選壓力”的SHARON途徑；③游離氨抑制硝酸細(xì)菌增長(zhǎng)的選擇性抑制途徑；④控制硝化細(xì)菌基質(zhì)造成兩類細(xì)菌增長(zhǎng)速率 不同的氧缺乏競(jìng)爭(zhēng)途徑。

1 純種分離與固定化技術(shù)途徑

　　該途徑的機(jī)理是利用純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細(xì)菌固定化，從而維持反應(yīng)器內(nèi)菌群為純亞硝酸細(xì)菌或以亞硝酸細(xì)菌為主體，從而實(shí)現(xiàn)硝化出水中NO₂-N的高比例。
　　利用固定化微生物技術(shù)強(qiáng)化生物脫氮是近10年來生物脫氮領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，利用固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)等將亞硝酸細(xì)菌包埋后固定化，裝于特別設(shè)計(jì)的反應(yīng)器內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸型硝化，在與反硝化細(xì)菌混合包埋固定化的條件下可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，日本已出現(xiàn)了處理能力為11300m³/d的工業(yè)化裝置^［1］。
　　亞硝酸細(xì)菌純種分離后固定化可以獲得穩(wěn)定的NO₂-N積累，在技術(shù)實(shí)踐中取得了一定成功，但該技術(shù)存在因固定化細(xì)菌退化使硝化能力下降的問題，固定化細(xì)菌反應(yīng)器經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行后需進(jìn)行固定化細(xì)菌的替換或活化。針對(duì)復(fù)雜的廢水體系，解決經(jīng)純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細(xì)菌對(duì)實(shí)際高氨廢水的適應(yīng)性問題的關(guān)鍵是對(duì)采用混合菌還是單一高效菌分級(jí)處理進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)降低固定化載體的成本并提高其使用壽命。

2 SHARON 工藝途徑

　　SHARON工藝^［2］的理論基礎(chǔ)是在高溫條件下(＞25℃)，亞硝酸細(xì)菌的增長(zhǎng)速率高于硝酸細(xì)菌，完全混合反應(yīng)器不進(jìn)行污泥回流，因而污泥停留時(shí)間(SRT)等同于水力停 留時(shí)間(HRT)，控制HRT大于亞硝酸細(xì)菌的世代時(shí)間，小于硝酸細(xì)菌的世代時(shí)間，實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”，使反應(yīng)器內(nèi)主要為亞硝酸細(xì)菌。該工藝的本質(zhì)是通過控制環(huán)境溫度造成 兩類細(xì)菌不同的增長(zhǎng)速率，利用該動(dòng)力學(xué)參數(shù)的不同造成“分選壓力”。此外，文獻(xiàn)中也強(qiáng)調(diào)了pH值對(duì)兩類細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)的影響，認(rèn)為除了溫度外，pH值對(duì)于亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng) 以及獲得出水中較低的NH₄⁺-N濃度也非常重要。?
　　SHARON工藝的成功在于：①利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)能力；②利用完全混合反應(yīng)器在無污泥回流條件下SRT與HRT的同一性，控制HRT實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”；③實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值的成功控制，較高的pH值不僅抑制了硝酸細(xì)菌，也消除了自由亞硝酸(FNA)對(duì)亞硝酸細(xì)菌的抑制。該工藝的成功運(yùn)行表明，亞硝酸型硝化控制因子的探討是一個(gè)系統(tǒng)工程，任何一個(gè)控制因子的確定除了要明確它本身會(huì)對(duì)兩類硝化細(xì)菌的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生何種影響外，還要將其他影響因素控制在有利于亞硝酸細(xì)菌的范圍內(nèi)。如考察溫度的影響時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮因溫度變化導(dǎo)致的游離氨濃度與pH值的變化對(duì)亞硝酸型硝化的影響。?

3 游離氨的選擇性抑制途徑

　　抑制途徑的機(jī)理是利用特定的抑制因子抑制硝酸細(xì)菌而對(duì)亞硝酸細(xì)菌不抑制或抑制作用較輕，從而使反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)出水NO₂-N高比例。選擇性抑制途徑從根本上 講是硝化基質(zhì)(FA)濃度超過硝酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)化利用閾值，而低于亞硝酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)化利用閾值。其代表性理論是Anthonisen的選擇性抑制學(xué)說。?
　　Anthonisen及后來國內(nèi)外許多亞硝酸鹽氮積累研究者發(fā)現(xiàn)［3、4］：游離氨對(duì)兩類硝化細(xì)菌的抑制作用(毒性)不同，硝酸細(xì)菌對(duì)游離氨的敏感性要高于亞硝酸細(xì)菌，并就FA對(duì)兩類細(xì)菌的抑制濃度閾值進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.6mg/L的FA幾乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，從而使NO₂-N的氧化受阻，出現(xiàn)NO₂-N積累；而對(duì)亞硝酸菌只有當(dāng)FA濃度＞5mg/L時(shí)才會(huì)對(duì)其活性產(chǎn)生影響，達(dá)到40mg/L才會(huì)嚴(yán)重抑制亞硝酸氮的形成。從這個(gè)結(jié)果出發(fā)的抑制選擇性學(xué)說認(rèn)為，通過調(diào)整pH值控制反應(yīng)器內(nèi)FA的濃度在抑制硝酸細(xì) 菌而不抑制亞硝酸細(xì)菌的閾值內(nèi)，可以抑制硝酸細(xì)菌的增長(zhǎng)而使亞硝酸細(xì)菌成為反應(yīng)器內(nèi)硝化反應(yīng)主體，實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化。?
　　為了闡明FA抑制的機(jī)理，Turk與Mavinic^［5］精心設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5個(gè)串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器構(gòu)成以使系統(tǒng)內(nèi)形成推流流態(tài)。第一個(gè)反應(yīng)器的控制處于反硝化運(yùn)行，pH值較高，F(xiàn)A濃度控制在抑制硝酸細(xì)菌而不抑制亞硝酸細(xì)菌的范圍內(nèi)；通過第一個(gè)反應(yīng)器的活性污泥，其中硝酸細(xì)菌被認(rèn)為受到抑制，因此在后續(xù)的反應(yīng)器內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)亞硝酸氮積累，試驗(yàn)結(jié)果卻表明亞硝酸氮的積累并不穩(wěn)定，分析原因是由于硝酸細(xì)菌能夠逐漸適應(yīng)不斷升高的FA造成的。Alleman等也在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)時(shí)間超過150d后出現(xiàn)硝化出水中NO₂-N比例下降的問題。?
　　由于對(duì)FA抑制選擇學(xué)說的機(jī)理比較清楚，目前比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是，對(duì)于高FA濃度，于變異與適應(yīng)性的原因，硝酸細(xì)菌會(huì)逐漸適應(yīng)高濃度FA，因而許多研究者在試驗(yàn)中發(fā) 現(xiàn)出水中NO₂-N比例不穩(wěn)定的情況，而這是作為控制因素必須避免的。

4 Bernet的基質(zhì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)途徑

　　Kuai［6］、Hanaki［7］、王志盈［8］等在研究中發(fā)現(xiàn)了在低DO的條件下反應(yīng)器出水中NO₂-N濃度上升的現(xiàn)象。許多研究者進(jìn)行了利用控制DO實(shí)現(xiàn)亞 硝酸型硝化的研究。Bernet提出了基質(zhì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)學(xué)說［9］，該學(xué)說的理論基礎(chǔ)是兩類硝化細(xì)菌對(duì)氧的親和力不同，從亞硝酸細(xì)菌氧飽和常數(shù)低于硝酸細(xì)菌這一假設(shè)出發(fā)，證明了降低DO尤其是在DO＜1.0mg/L條件下對(duì)提高亞硝酸細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)力有利；受DO下降的影響，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的增長(zhǎng)速率均下降，然而硝酸細(xì)菌的下降比亞硝酸細(xì)菌要快，導(dǎo)致亞硝酸細(xì)菌的增長(zhǎng)速率超過硝酸細(xì)菌，使生物膜上的細(xì)菌以亞硝酸細(xì)菌為主體，出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累。?
　　為了證明所提學(xué)說的正確性和DO作為亞硝酸型硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過程分為完全硝化掛膜、一次降低DO、提高DO濃度、二次降低DO濃度等步驟，證明了在DO＜0.5mg/L條件下可以實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化，出水中NO₂-N的比例在90%以上；并且在受到?jīng)_擊后(DO濃度升高)能迅速恢復(fù)，但應(yīng)該注意的是，試驗(yàn)系統(tǒng)在經(jīng)過DO濃度升高沖擊后，出水中NO₂-N比例下降了10% 。?
　　低DO條件下亞硝酸型硝化的機(jī)理目前研究尚不十分透徹，因而存在不同觀點(diǎn)，多數(shù)研究人員認(rèn)為DO可以作為亞硝酸型硝化的控制因素，然而亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的不同屬在 氧親和力即氧飽和常數(shù)方面是有交叉的，亞硝酸細(xì)菌的氧飽和常數(shù)為0.6～3.6，硝酸細(xì)菌的氧飽和常數(shù)為0.3～1.7，不同條件下可能出現(xiàn)不同屬的硝化細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，因而Bernet進(jìn)行理 論推導(dǎo)的假設(shè)是需要探討的。另外，在經(jīng)過一次DO升高沖擊后出水中NO2-N的比例下降了10%，這是否是硝酸細(xì)菌對(duì)低DO適應(yīng)性增強(qiáng)造成的(因?yàn)檠躏柡统?shù)較低的硝酸細(xì)菌在反應(yīng)器內(nèi)也是存在的)?其下降的原因需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

　　在工程實(shí)踐中，由于廢水的復(fù)雜性以及兩類細(xì)菌在各方面的相似性，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌會(huì)同時(shí)存在于反應(yīng)器內(nèi)；由于微生物的變異性，采用抑制途徑實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化必然會(huì)導(dǎo)致微生物對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)性，致使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不耐沖擊負(fù)荷，并且每次沖擊都會(huì)使硝酸細(xì)菌因適應(yīng)性增強(qiáng)而競(jìng)爭(zhēng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失效。?
　　SHARON工藝的成功運(yùn)行表明，亞硝酸型硝化的穩(wěn)定運(yùn)行是各個(gè)影響因素共同作用的結(jié)果，控制因素的確定應(yīng)從兩類細(xì)菌不同的動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)并結(jié)合工程控制來實(shí)現(xiàn)；控制因素的確定應(yīng)在考慮該因素對(duì)亞硝酸型硝化影響的同時(shí)，考察該因素變化對(duì)其他影響因素的影響以及這些影響因素的變化對(duì)亞硝酸型硝化的影響。?
　　對(duì)于亞硝酸型硝化的影響因素應(yīng)進(jìn)行深入研究，特別是弄清楚其影響機(jī)理;同時(shí)研究不同的反應(yīng)器形式與控制因素的合理結(jié)合，通過控制并輔以有利的反應(yīng)器形式或運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸型硝化。

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　　收稿日期：001-11-13