摘要：傳統(tǒng)污水處理工藝以能消能，消耗大量有機(jī)碳源，剩余污泥產(chǎn)量大，同時(shí)釋放較多CO2（因耗能）到大氣之中。當(dāng)今，全球普遍強(qiáng)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)模式在污水處理領(lǐng)域也得到體現(xiàn)。因此，研發(fā)以節(jié)省能（資）源消耗、并最大程度回收（用）有用能（資）源的可持續(xù)污水處理工藝已勢(shì)在必行，在詳細(xì)介紹兩種新近在歐洲出現(xiàn)的可持續(xù)處理工藝——反硝化除磷、厭氧氨（氮）氧化的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)以轉(zhuǎn)換有機(jī)能源（甲烷）、回收磷酸鹽（鳥(niǎo)糞石）、回用處理水（非飲用目的）為目標(biāo)的可持續(xù)城市污水生物除磷脫氮推薦工藝。

　　關(guān)鍵詞：歐洲 污水處理技術(shù) 除磷 脫氮

　　當(dāng)今世界，污水處理的主要對(duì)象為有機(jī)物（COD）、氨氮和磷酸鹽。傳統(tǒng)上，COD和氨氮的脫除一般由生物氧化和硝化/反硝化完成；磷酸鹽或通過(guò)細(xì)菌的生物聚集、或靠化學(xué)沉淀去除。傳統(tǒng)工藝存在以下弊端：

　�、貱OD氧化和硝化耗能巨大，且在COD氧化中，無(wú)形中失去貯存在COD內(nèi)的大量化學(xué)能（每kg COD約含1.4×107J代謝熱）；②反硝化與磷的生物聚集均需消耗COD；③剩余污泥量大；④耗能造成大量二氧化碳釋放，并進(jìn)入大氣。

　　污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷收緊是目前世界各國(guó)普遍的發(fā)展趨勢(shì)；以控制富營(yíng)養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除已成為各國(guó)主要的奮斗目標(biāo)。無(wú)疑，應(yīng)付日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)工藝會(huì)因上述弊端而雪上加霜［1］。在此情形下，發(fā)展可持續(xù)污水處理工藝變得勢(shì)在必行。所謂可持續(xù)污水處理工藝就是朝著最小的COD氧化、最低的CO2釋放、最少的剩余污泥產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)磷回收和處理水回用等方向努力。這就需要以較綜合的方式來(lái)解決污水處理問(wèn)題，即污水處理不應(yīng)僅僅是滿足單一的水質(zhì)改善，同時(shí)也需要一并考慮污水及所含污染物的資源化和能源化問(wèn)題，且所采用的技術(shù)必須以低能量消耗（避免出現(xiàn)污染轉(zhuǎn)移現(xiàn)象）、少資源損耗為前提。

　　發(fā)展新穎的污水生物處理工藝依賴于在微生物學(xué)及生物化學(xué)方面的新發(fā)現(xiàn)或新認(rèn)識(shí)。荷蘭研究人員Mulder［2］在10年前發(fā)現(xiàn)了厭氧氨（氮）氧化現(xiàn)象。與此同時(shí)，南非、荷蘭、日本等國(guó)科學(xué)家對(duì)生物攝/放磷代謝機(jī)理重新認(rèn)識(shí)后確定了反硝化除磷新途徑［4～5］。這兩種新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)發(fā)展可持續(xù)污水生物處理工藝具有劃時(shí)代意義的推動(dòng)作用。本文以厭氧氨氧化和反硝化除磷技術(shù)為藍(lán)本，詳細(xì)介紹它們的技術(shù)原理、工藝流程以及在歐洲的應(yīng)用情況；在此基礎(chǔ)之上提出一個(gè)以轉(zhuǎn)換有機(jī)能源（甲烷）、回收磷化合物（鳥(niǎo)糞石）和回用處理水（非飲用目的）為目標(biāo)的可持續(xù)城市污水生物除磷脫氮技術(shù)推薦工藝。

　　1、可持續(xù)生物除磷脫氮工藝技術(shù)基礎(chǔ)

　　目前歐洲以單一去除COD為目的的污水處理工藝已不多見(jiàn)，代之以除磷脫氮為主要對(duì)象的生物營(yíng)養(yǎng)物去除（BNR，Biological Nutrient Removal）工藝。一方面，這是迫于污水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的壓力；另一方面，COD氧化以能消能，同可持續(xù)污水處理概念相悖。從這個(gè)意義上說(shuō)，污水處理過(guò)程中應(yīng)最大限度地降低COD消耗量并使過(guò)剩的COD甲烷化。這樣一個(gè)概念對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)污水處理起著舉足輕重的作用。

　　在污水生物除磷實(shí)踐中，南非開(kāi)普頓大學(xué)（UCT）研究人員最早發(fā)現(xiàn)專(zhuān)性好氧細(xì)菌不是唯一對(duì)磷的生物攝/放起作用的菌種，兼性反硝化細(xì)菌也有著很強(qiáng)的生物攝/放磷現(xiàn)象［3］。反硝化細(xì)菌的生物攝/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)（TU Delft）和日本東京大學(xué)（UT ）研究人員合作研究確認(rèn)，并冠名為反硝化除磷（denitrifying dephosphatation）［4～5］。在磷的生物攝/放過(guò)程中，反硝化除磷細(xì)菌以硝酸氮取代氧作為電子接受體，也就是說(shuō)反硝化除磷細(xì)菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個(gè)原本認(rèn)為彼此獨(dú)立的作用合二為一。顯然，在結(jié)合的除磷脫氮過(guò)程中，COD和氧的消耗量均能得到相應(yīng)節(jié)省。比較傳統(tǒng)的專(zhuān)性好氧磷細(xì)菌去除工藝，反硝化除磷細(xì)菌能分別節(jié)省約50%和30%的COD與氧的消耗量，相應(yīng)減少剩余污泥量50%［4，6］。在反硝化除磷過(guò)程中由于COD需要量的大為減少，過(guò)剩的COD因此能被分離，并使之甲烷化，從而避免COD單一的氧化穩(wěn)定（至CO2）。歸因于曝氣能量的減少，以及過(guò)剩COD甲烷化后能量的產(chǎn)生，這種綜合的能量節(jié)約最終會(huì)導(dǎo)致釋放到大氣的CO2量明顯減少。因此，具有反硝化除磷細(xì)菌富集的處理系統(tǒng)可以被視為可持續(xù)處理工藝。

　　傳統(tǒng)上，兩個(gè)已得到充分確認(rèn)的生物途徑，硝化（NH+4→NO3-）與反硝化 （NO3→N2）被應(yīng)用于污水處理的生物脫氮。這種傳統(tǒng)生物脫氮途徑從可持續(xù)角度看并不是最佳的，因?yàn)槌浞值匮趸�氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源（因曝氣）；其次，還需要有足夠碳源 （COD）來(lái)還原硝酸氮到氮?dú)�。�?duì)這一傳統(tǒng)脫氮途徑的改進(jìn)可借助于新近由荷蘭TU Delft研發(fā)的一種中溫亞硝化技術(shù)——SHARON來(lái)實(shí)現(xiàn)［7］。在亞硝化/反硝化脫氮途徑中，亞硝酸氮為僅有的中間過(guò)渡形態(tài)；這一途徑無(wú)論對(duì)氧化（NH+4→NO2-）還是還原 （NO2-→N2）均能起到最小量化的作用，意味著O2和COD消耗量的雙重節(jié)約。顯然，亞硝化 /反硝化脫氮途徑可以成為一種可持續(xù)的脫氮技術(shù)。

　　此外，荷蘭TU Delft研究人員幾乎在同一時(shí)期還試驗(yàn)確認(rèn)了一種新的氨氮轉(zhuǎn)換途徑，這使得氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直接氧化至氮?dú)獬蔀榭赡埽?，7］。這種厭氧條件下的氨氮氧化與亞硝化過(guò)程（如SHARON工藝）相結(jié)合在工程上能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮的最短途徑轉(zhuǎn)換，這就意味著生物脫氮過(guò)程中能源與資源消耗量的最小化完全可能。污水處理過(guò)程中氮的所有可能轉(zhuǎn)換途徑列于圖1.與傳統(tǒng)脫氮工藝相比較，很明顯，由厭氧氨氧化與亞硝化工藝相結(jié)合的氮的完全自養(yǎng)轉(zhuǎn)換方式是一種最可持續(xù)的污水脫氮途徑。

　　圖1　污水生物脫氮的可能途徑

　　2、反硝化除磷原理與工程實(shí)踐

　　2.1　生物除磷代謝模型

　　從印度研究人員Srinath等人于1959年首次提及污水生物除磷現(xiàn)象以來(lái)［8］，各國(guó)科學(xué)家對(duì)生物除磷機(jī)理進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20余年的摸索研究。然而，早期生物除磷研究往往以實(shí)際污水處理工藝為主要研究對(duì)象，且注意力大多集中于好氧條件下的生物攝磷過(guò)程，并沒(méi)有在意磷的厭氧釋放同好氧攝取之間的關(guān)系。直到上世紀(jì)80年代初，荷蘭研究人員Rensink才首次報(bào)道了好氧攝磷與厭氧放磷過(guò)程之間存在著某種必然聯(lián)系［9］。在此基礎(chǔ)上，生物除磷的一個(gè)完整生化代謝模型才由后續(xù)一些科學(xué)家完善、定型。圖2顯示了這個(gè)已基本定型的生物除磷生化代謝模型［5，10］。

　　圖2　生物除磷生化代謝模型

　　HAc 醋酸（COD） 　Glycogen 糖原　Poly-P 多聚磷酸鹽　ATP 三磷酸腺甙　PHB 聚-β-羥基-丁酸酯　　NADH2 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（輔酶）

　　一般認(rèn)為，污水中的基質(zhì)（COD）首先在厭氧條件下被轉(zhuǎn)化為細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的聚合物質(zhì)——PHA（ 即PHB+PHV，以PHB為主要成分），這個(gè)過(guò)程籍細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽來(lái)提供所需能量。結(jié)果，磷酸鹽被釋放到細(xì)胞之外。當(dāng)環(huán)境改變?yōu)楹醚鯒l件后，由于環(huán)境中缺乏COD而使得在厭氧條件下貯存的PHB被用來(lái)充當(dāng)基質(zhì)。籍基質(zhì)所提供的能量，細(xì)菌在此條件下過(guò)量攝取環(huán)境中的磷酸鹽而在細(xì)胞內(nèi)形成多聚磷酸鹽，細(xì)菌同時(shí)得到增殖。此外，在好氧條件下糖源也得到補(bǔ)充。在好氧條件后分離增殖的細(xì)菌，磷便能隨細(xì)菌細(xì)胞而被排除。聚磷細(xì)菌PAOs（Phosphate Accum ulating Organisms）細(xì)胞內(nèi)的磷含量可高達(dá)12%（以細(xì)胞干重計(jì)），而普通細(xì)菌細(xì)胞的磷含量?jī)H為1%～3%［10］�？梢�(jiàn)，生物聚磷后的細(xì)菌分離可有效將污水中的磷酸鹽脫除。

　　兼性反硝化細(xì)菌生物攝/放磷作用被確認(rèn)不僅拓寬了磷的去除途徑，而且，更重要的是這種細(xì)菌的生物攝/放磷作用將反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)地合二為一。這就為可持續(xù)污水處理工藝的發(fā)展奠定了十分有力的技術(shù)基礎(chǔ)。如圖2所示，在缺氧（無(wú)氧但存在硝酸氮）條件下，反硝化除磷細(xì)菌DPB（Denitrifying Phosphorus?removing Bacteria）能夠象在好氧條件下一樣，利用硝酸氮充當(dāng)電子受體，產(chǎn)生同樣的生物攝磷作用。在生物攝磷的同時(shí)，硝酸氮被還原為氮?dú)�。顯然，被DPB合并后的反硝化除磷過(guò)程能夠節(jié)省相當(dāng)?shù)腃OD與曝氣量，同時(shí)也意味著較少的細(xì)胞合成量。

　　2.2　反硝化除磷工藝

　　事實(shí)上，在早先應(yīng)用的UCT（University of Cape Town）等生物脫氮除磷工藝中存在著一定數(shù)量的DPB，只不過(guò)當(dāng)時(shí)沒(méi)有被人們認(rèn)識(shí)而已。在實(shí)際工程中，為最大程度地從工藝角度創(chuàng)造DPB的富集條件，一種變型的UCT工藝——BCFS在荷蘭應(yīng)運(yùn)而生［11～12］。實(shí)際上，BCFS??工藝以荷蘭早年研發(fā)的氧化溝（污泥齡同氧化溝）和南非發(fā)明的UCT工藝原理為基礎(chǔ)，將UCT反應(yīng)池?cái)U(kuò)展為5個(gè)，具有3個(gè)內(nèi)循環(huán)和1個(gè)被結(jié)合的化學(xué)除磷單元。BCFS工藝流程詳見(jiàn)圖3.

　　厭氧池以推流方式運(yùn)行可保持較低的污泥指數(shù)（SVI），相當(dāng)于一個(gè)厭氧選擇池所起到的作用。在厭氧池后，一些溶解性的水解產(chǎn)物（COD）可能存在。實(shí)踐證明，在厭氧和缺氧池之間增設(shè)一個(gè)接觸池可起到第二選擇池的作用。在接觸池中，回流污泥與來(lái)自于厭氧池的混合液充分混合，以吸附在厭氧池中被水解的COD.這個(gè)過(guò)程僅需約10 min即可完成，所以，接觸池僅需一個(gè)很小的池容。接觸池中的溶解氧為零，溶解性的COD被用來(lái)脫除由回流污泥帶進(jìn)的硝酸氮。在此情況下，絲狀菌的繁殖被大大抑制。最近對(duì)荷蘭幾個(gè)已升級(jí)為BCFS工藝的處理場(chǎng)調(diào)查表明，一個(gè)穩(wěn)定而又較低的SVI值（80～120）能夠在運(yùn)行中持續(xù)實(shí)現(xiàn)［12］?。而在未增設(shè)第二選擇池前，SVI普遍在150以上。

　　圖3　BCFS工藝流程

　　在好氧池與缺氧池之間增設(shè)一缺氧/好氧池（混合池），目的是為了在此池內(nèi)獲得同時(shí)的硝化與反硝化，以保證出水含有較低的總氮濃度。這個(gè)新增設(shè)的反應(yīng)池僅在需要時(shí)曝氣（或因好氧池溶解氧濃度過(guò)低，或因好氧池和缺氧池中的氧化/還原電位太低）。在此情形下，這個(gè)增設(shè)的反應(yīng)池可以被定義為混合（曝氣）池（池內(nèi)溶解氧通常為0.5 mg/L）。在好氧池之前加設(shè)混合池，可較容易地通過(guò)控制內(nèi)循環(huán)流量達(dá)到保證完全的反硝化和內(nèi)循環(huán)A中無(wú)（或極低）硝酸氮的目的。否則，硝酸氮可能被回流到厭氧池中，導(dǎo)致普通兼性異養(yǎng)菌（反硝化作用）同除磷細(xì)菌（PAOs/DPB）競(jìng)爭(zhēng)并消耗COD.此外，混合池能通過(guò)最大程度地富集DPB，起到使污泥得到良好礦化、降低SVI值與污泥產(chǎn)量之綜合作用。

　　因?yàn)樵贐CFS??工藝中的污泥齡通常被設(shè)計(jì)以滿足硝化細(xì)菌增長(zhǎng)所需要的生長(zhǎng)條件，所以，容易導(dǎo)致較低的污泥產(chǎn)量。然而，這對(duì)除磷細(xì)菌的富集是不利的。另外，進(jìn)水中COD/P比值過(guò)低也不利于除磷細(xì)菌的增長(zhǎng)。在這兩種情況下，生物除磷需輔以化學(xué)除磷來(lái)達(dá)到完全除磷的目的。生物除磷與化學(xué)除磷結(jié)合有助于使生物過(guò)程具有較高的選擇性。進(jìn)言之，細(xì)菌對(duì)磷酸鹽具有較高的親和性。因此，生物除磷與化學(xué)沉淀結(jié)合還能保證在較低化學(xué)藥劑消耗量的情況下獲得低的磷出水濃度（＜0.1 mgP/L）。試驗(yàn)表明，完全生物除磷需要22 mgCOD/mg P，而生物除磷與化學(xué)沉淀相結(jié)合會(huì)使最低COD需要量降至2 mg COD/mg P［13］。在圖 3所示的BCFS工藝中，化學(xué)沉淀除磷單元設(shè)置于厭氧池的末端（混合液中的磷濃度達(dá)到最大，通常為30～40 mg P/L），部分混合液以上清液形式（設(shè)小型沉淀單元）被抽出、并施以化學(xué)沉淀劑沉淀。以此種方式運(yùn)行，一方面化學(xué)藥劑的投放量可發(fā)揮其最大效率，另一方面化學(xué)污泥不會(huì)同生物污泥混合而影響污泥焚燒處置時(shí)的燃燒能力。

　　3、厭氧氨（氮）氧化脫氮技術(shù)原理及應(yīng)用前景

　　3.1　自養(yǎng)脫氮技術(shù)原理

　　如圖1所示，厭氧氨（氮）氧化輔以亞硝化是實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮的最有效途徑。厭氧氨氧化與中溫亞硝化均是近十年來(lái)由荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)發(fā)的新工藝。

　　3.1.1　厭氧氨（氮）氧化（ANAMMOX）

　　厭氧氨氧化ANAMMOX（ANaerobic AMMonium OXidation）指的是厭氧條件下氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體直接被氧化到氮?dú)獾倪^(guò)程，其分解反應(yīng)如下：

　　???NH+4+NO?-2→N2+2H2O（1）???

　　從這一反應(yīng)中所產(chǎn)生的Gibbs自由能甚至比產(chǎn)生于好氧氨（氮）氧化（硝化）的能量還高，所以，能夠支持自養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)。早在20世紀(jì)70年代中期，Broda便從自由能理論計(jì)算中預(yù)測(cè)到自然界應(yīng)該存在著ANAMMOX現(xiàn)象［14］，但它的現(xiàn)實(shí)發(fā)現(xiàn)是在理論預(yù)測(cè)10年之后。荷蘭人Mulder首先在用于反硝化的流化床中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象［2］。起ANAMMOX作用的微生物已被成功地分別在實(shí)驗(yàn)室流化床［15］與SBR反應(yīng)器［16］中培養(yǎng)、富集到一定濃度，合成培養(yǎng)基為氨氮與亞硝酸氮的混合物。ANAMMOX微生物的增長(zhǎng)率與產(chǎn)率是非常低的，但是氮的轉(zhuǎn)換率卻為0.25 mgN/（mgSS.d），這與傳統(tǒng)好氧硝化的轉(zhuǎn)換率相當(dāng)［17］。ANAMMOX反應(yīng)在10～43 ℃的溫度范圍內(nèi)具有活性，適宜的pH為6.7～8.3.

　　ANAMMOX無(wú)需有機(jī)碳源存在，碳酸鹽/二氧化碳是ANAMMOX微生物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)碳源。ANA MMOX總試驗(yàn)計(jì)量化學(xué)式由方程（2）所表示，它是ANAMMOX分解（方程（1））與合成的總的表達(dá)式。ANAMMOX一個(gè)令人驚奇的性質(zhì)是它在反應(yīng)過(guò)程中需要轉(zhuǎn)換部分亞硝酸氮到硝酸氮??［15 ］?，如方程（2）所示。因?yàn)锳NAMMOX由自養(yǎng)微生物所完成，所以，為固定CO2并使之還原為有機(jī)碳需要有一個(gè)電子給予體。理論上，兩種基質(zhì)，氨氮（氧化到亞硝酸氮）及亞硝酸氮 （氧化到硝酸氮）均可擔(dān)當(dāng)此任，但在現(xiàn)實(shí)中顯然僅亞硝酸氮被用于此目的。

　　NH+4+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→0.066CH2O0.5N0.15?+1.02N2+0.26NO3- +2.03H2O　　　　　　　　　�。�2）

　　3.1.2　中溫亞硝化（SHARON）

　　中溫亞硝化英文簡(jiǎn)稱SHARON（Single reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite ），氨氮氧化的終產(chǎn)物為亞硝酸氮［18～22］。眾所周知，常溫下的硝化是一個(gè)由兩種不同的自養(yǎng)細(xì)菌所完成的生物化學(xué)過(guò)程：第一步，氨氮首先被氧化到亞硝酸氮（亞硝化）；第二步，亞硝酸氮繼續(xù)被氧化成硝酸氮（硝化）。在環(huán)境溫度下（如典型的10～20 ℃），硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌增長(zhǎng)速率要快。這暗示著亞硝酸氮作為一種中間過(guò)渡形態(tài)很難以聚集濃度存在于環(huán)境溫度之下。然而，當(dāng)溫度增高之后，出現(xiàn)與常溫下相反的情況，因?yàn)橄趸��?xì)菌在溫度提高后其增長(zhǎng)率變得比亞硝化細(xì)菌要低。根據(jù)反應(yīng)的活性能，荷蘭研究人員Hunik??［23］?繪出了亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的最小污泥齡與溫度之間的關(guān)系，如圖4.圖4 揭示，靠細(xì)致地選擇污泥齡，硝化細(xì)菌完全有可能被從系統(tǒng)中排除，而僅僅使亞硝化細(xì)菌保持在反應(yīng)器中。

　　圖4　亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的最小污泥齡與溫度關(guān)系

　　SHARON工藝的基本工作原理便是利用了溫度高有利于亞硝化細(xì)菌增殖這一特點(diǎn)，使硝化細(xì)菌失去競(jìng)爭(zhēng)［21～22］。此外，溫度高有利于提高細(xì)菌的比增長(zhǎng)率，這便有可能使微生物被保持在一有限容積的單一反應(yīng)器中，而無(wú)需污泥停留（以恒化器方式運(yùn)行）。在SHARON工藝中無(wú)污泥停留意味著污泥齡（SRT）完全等于水力停留時(shí)間（HRT）。因此，反應(yīng)器的稀釋率（1 /HRT）能被設(shè)定在某一數(shù)值，使亞硝化細(xì)菌快速增長(zhǎng)并停留在反應(yīng)器中，而讓硝化細(xì)菌排出系統(tǒng)。作為一個(gè)安全的運(yùn)行溫度，35 ℃被選擇為SHARON工藝的工作溫度。此時(shí)，亞硝化細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)率為2.1 d-1，在實(shí)際情況下導(dǎo)致大約為1 d左右的好氧污泥齡。

　　雖然SHARON工藝選擇了快速增長(zhǎng)的亞硝化細(xì)菌，但這樣的微生物對(duì)氨氮具有較低的親和性 （即在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中具有較高的半飽和常數(shù)?Ks）［20］。在實(shí)際中，這將導(dǎo)致出水含有較高濃度的氨氮（10～100 mgN/L）。因此，SHARON工藝最適合于處理具有一定溫度的高濃度（＞500 mgN/L）氨氮污水。試驗(yàn)表明，亞硝化過(guò)程在pH下降到6.4左右時(shí)停止，因?yàn)樵诖藀H條件下硝化細(xì)菌變得活躍起來(lái)［21～22］。對(duì)SHARON工藝來(lái)說(shuō)，最佳的運(yùn)行pH 在6.8～7.2之間。

　　3.1.3　生物膜內(nèi)亞硝化

　　亞硝酸氮在生物膜內(nèi)的聚集是亞硝化的另一種形式，這種現(xiàn)象已在一些試驗(yàn)中低溶解氧濃度（0.5～1.5 mgO2/L）的情況下被觀察到，并被確認(rèn)存在于現(xiàn)實(shí)之中［24～25］。硝化細(xì)菌與亞硝化細(xì)菌間對(duì)氧的親和性之差別，以及傳質(zhì)限制等因素影響這兩種微生物在生物膜內(nèi)的數(shù)量。許多研究人員從試驗(yàn)中已廣泛地觀察到，亞硝化細(xì)菌對(duì)氧的親和常數(shù) （即半飽和常數(shù)）比硝化細(xì)菌要低很多［26～30］。如果生物膜內(nèi)的溶解氧受限制，這兩種微生物間的競(jìng)爭(zhēng)必定發(fā)生。競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果總是亞硝化細(xì)菌獲勝。在一個(gè)生物膜系統(tǒng)中，快速增長(zhǎng)的細(xì)菌傾向于占據(jù)生物膜的表層［31］。微生物的這種性質(zhì)對(duì)亞硝化細(xì)菌的增長(zhǎng)非常有利，因?yàn)樵诃h(huán)境中低DO/NH3-N比值情況下，氧通常是限制性基質(zhì)，不足以向生物膜內(nèi)部擴(kuò)散［32］。生物膜內(nèi)微生態(tài)進(jìn)化的結(jié)果將是硝化細(xì)菌消失，而亞硝化細(xì)菌大量繁殖，至少在生物膜的表層情況如此。

　　3.2　自養(yǎng)脫氮工藝應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

　　ANAMMOX工藝的出現(xiàn)為工業(yè)污水或生活污水以較可持續(xù)方式脫氮處理創(chuàng)造了新的技術(shù)條件［2，33，34］。ANAMMOX與一亞硝化工藝相結(jié)合，氨氮能夠被直接自養(yǎng)轉(zhuǎn)換到氮?dú)�。以此種方式脫氮，傳統(tǒng)上需以有機(jī)電子供體（COD）支持反硝化的問(wèn)題便被完全避免。因此，污水中較多的COD便有可能被分離而轉(zhuǎn)化為甲烷。進(jìn)言之，一半以上的曝氣量（為硝化）被節(jié)約。與ANAMMOX相結(jié)合的亞硝化工藝可以SHARON方式或者在生物膜內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

　　3.2.1　SHARON與ANAMMOX結(jié)合工藝

　　這種自養(yǎng)脫氮工藝見(jiàn)圖5.主要針對(duì)高濃度氨氮污水。進(jìn)水首先進(jìn)入一懸浮增長(zhǎng)、無(wú)污泥停留的SHARON單元，運(yùn)行最佳溫度為35 ℃。目前，世界上SHARON工藝的首例工程應(yīng)用已在荷蘭鹿特丹的Dokhaven污水處理場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)［35］；它被用于污泥消化液（含有1000～ 1500 mgN/L）反硝化的前處理（亞硝化）。這個(gè)SHARON亞硝化單元以實(shí)驗(yàn)室2 L小試反應(yīng)器為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬直接放大到現(xiàn)場(chǎng)1500 m3處理構(gòu)筑物。幾年實(shí)際運(yùn)行情況表明，這個(gè)亞硝化處理單元性能良好，亞硝化率幾乎可達(dá)100%（需控制pH）。

　　事實(shí)上，上述SHARON亞硝化單元是為今后以ANAMMOX方式處理污泥消化液所做的前期技術(shù)準(zhǔn)備。目前，對(duì)圖5所示SHARON后接ANAM MOX的完全自養(yǎng)脫氮工藝已完成全部實(shí)驗(yàn)室研究工作。

　　圖5　SHARON與ANAMMOX相結(jié)合的自養(yǎng)脫氮工藝流程

　　作為ANAMMOX的前處理單元，實(shí)驗(yàn)室中2 L小試的SHARON亞硝化反應(yīng)器（SBR）在30～40 ℃條件下運(yùn)行，總的氮負(fù)荷為1.2 gN/L，pH不受控制。SHARON反應(yīng)器以pH不受控制方式運(yùn)行的結(jié)果將是不完全亞硝化。試驗(yàn)表明［35］，有53%的消化液氨氮被亞硝化（見(jiàn)表1）。換句話說(shuō)，SHARON反應(yīng)器的出水實(shí)際上是氨氮與亞硝酸氮的混合液。這恰好就是ANAMMOX反應(yīng)器所需的最佳進(jìn)水基質(zhì)。經(jīng)一個(gè)運(yùn)行在30～37 ℃的2 L ANAMMOX反應(yīng)器處理后，來(lái)自SHARON反應(yīng)器之混合液中的亞硝酸氮?jiǎng)t全部被去除。根據(jù)ANAMMOX的試驗(yàn)計(jì)量式（方程（2）），在SHARON 反應(yīng)器中57%的氨氮亞硝化應(yīng)是在ANAMMOX反應(yīng)器中全部去除氨氮與亞硝酸氮的最佳轉(zhuǎn)換率。試驗(yàn)表明［35］，在SHARON反應(yīng)器中氨氮的亞硝化率完全受pH（在6.5～7.5間）控制。所以，要想得到一個(gè)理想的亞硝化率可以靠控制pH來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　鹿特丹Dokhaven污水處理場(chǎng)污泥消化液目前反硝化脫氮處理單元將會(huì)在不久的將來(lái)被ANAMMOX工藝所取代，有關(guān)ANAMMOX工程應(yīng)用的中試正在設(shè)計(jì)之中。無(wú)疑，這將為高濃度氨氮的可持續(xù)脫除建立世界上首座示范工程。

　　3.2.2　生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）

　　生物膜內(nèi)的亞硝化前已述及。如果在生物膜系統(tǒng)內(nèi)ANAMMOX微生物也能同時(shí)生長(zhǎng)，那么生物膜內(nèi)一體化的完全自養(yǎng)脫氮工藝便可能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)踐中，這種一體化的自養(yǎng)脫氮現(xiàn)象確實(shí)已在一些工程或試驗(yàn)中被觀察到［36～38］。這種自養(yǎng)脫氮工藝已被命名為CANON（Completely Autotrophic N removal Over Nitrite）??［39］?。

　　CANON工藝的工作原理如圖6，以方程（2）表示的ANAMMOX計(jì)量化學(xué)式為依據(jù)。在支持同時(shí)硝化與ANAMMOX的生物膜系統(tǒng)中，通常存在3種不同的自養(yǎng)微生物：亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、厭氧氨氧化細(xì)菌。這3種細(xì)菌相互間競(jìng)爭(zhēng)氧、氨氮與亞硝酸氮。如上所述，由于亞硝化細(xì)菌與硝化細(xì)菌間對(duì)氧的親和性不同，以及傳質(zhì)限制等因素，亞硝酸氮在生物膜表層的聚集是可能的。當(dāng)氧向內(nèi)擴(kuò)散到被全部消耗后，厭氧層出現(xiàn)，厭氧氨氧化細(xì)菌便有可能在此生長(zhǎng)。隨著未被亞硝化的氨氮與亞硝化后的亞硝酸氮擴(kuò)散至厭氧層，ANAMMOX反應(yīng)便能進(jìn)行。CANON 工藝總的化學(xué)計(jì)量式由方程（3）表示�？梢�(jiàn)，環(huán)境中的氨氮與溶解氧是決定CANON 工藝的兩個(gè)關(guān)鍵因子。 圖6　CANON工藝生物膜反應(yīng)模型

　　???NH+4+3/4 O2→1/2 N2+3/2 H2O+H+?（3）??

　　雖然目前CANON工藝在世界范圍內(nèi)仍處于研發(fā)階段，還沒(méi)有真正的工程應(yīng)用，但是它必將會(huì)給可持續(xù)污水脫氮技術(shù)帶來(lái)革命性的變革。在ANAMMOX微生物學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上［17］，我們所做的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)??［40～41］?已對(duì)CANON工藝的各個(gè)未知因素和影響因子進(jìn)行了理論分析，辨認(rèn)了主要影響因子，從而為CANON工藝的工程應(yīng)用提供了有力的中試基礎(chǔ)。