陳垃圾反應(yīng)器中脫氮微生物的脫氮機(jī)理

李斐斐

武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院防化教研室（陜西西安　710000）

節(jié)能環(huán)保

陳垃圾反應(yīng)器中脫氮微生物的脫氮機(jī)理

李斐斐

武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院防化教研室（陜西西安710000）

生物脫氮法因具有經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)而成為當(dāng)今處理水體氮污染的熱門(mén)方法。研究了陳垃圾反應(yīng)器中的生物脫氮機(jī)理，其包括硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)及生物膜同步硝化反硝化（SND）法等。

陳垃圾脫氮微生物硝化反應(yīng)反硝化反應(yīng)

0　前言

由于水體氮污染已經(jīng)對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅，所以開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的生物脫氮技術(shù)目前已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，而該技術(shù)的機(jī)理也日益成為研究的重點(diǎn)。新型脫氮工藝反應(yīng)器內(nèi)的微生物學(xué)研究，是其機(jī)理研究的一個(gè)重要組成部分?，F(xiàn)如今，已有很多學(xué)者對(duì)脫氮技術(shù)做了大量研究，其中涉及了多種脫氮微生物，如自養(yǎng)氨氧化菌、異養(yǎng)氨氧化菌、厭氧氨氧化菌等，這些微生物在脫氮過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。

由于在新型脫氮工藝運(yùn)行過(guò)程中參與反應(yīng)的微生物種類(lèi)尚不明確，關(guān)于該工藝機(jī)理的研究也處于初級(jí)階段，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)微生物學(xué)手段，研究新型脫氮工藝的反應(yīng)機(jī)理尚存在一定的困難。為了更好地研究新型脫氮工藝的反應(yīng)機(jī)理，并為控制其反應(yīng)條件和實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)、奠定理論基礎(chǔ)，除了微生物傳統(tǒng)研究方法外，目前還迫切需要開(kāi)發(fā)生物學(xué)新技術(shù)。

對(duì)于氨氮含量高的氨氮有機(jī)廢水的處理一直是一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的脫氮處理工藝（如氨吹脫、化學(xué)沉淀等）會(huì)造成二次污染，或需要投加較大量的化學(xué)藥品，成本較高。垃圾填埋場(chǎng)填埋數(shù)年的陳垃圾已基本生物穩(wěn)定化，具有獨(dú)特的物理化學(xué)和生物性質(zhì)。利用陳垃圾作為填料，可以為脫氮微生物提供生長(zhǎng)附著點(diǎn)，增加脫氮微生物的數(shù)量。這一方法在滲濾液處理中取得了很好的脫氮效果，并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

1　陳垃圾反應(yīng)器處理方法

陳垃圾是指在垃圾填埋場(chǎng)中經(jīng)過(guò)多年填埋，已基本達(dá)到穩(wěn)定化，可以開(kāi)采利用的垃圾。與一般土壤相比，陳垃圾容重較小、孔隙率高、有機(jī)質(zhì)含量高、陽(yáng)離子交換容量大、吸附和交換能力強(qiáng)，其自身已經(jīng)幾乎不再產(chǎn)生滲濾液、填埋氣和異味。陳垃圾在形成過(guò)程中經(jīng)歷了好氧、兼氧和厭氧階段，發(fā)生了多種生物化學(xué)作用，并以多階段降解性生物反應(yīng)為主；滲濾液的長(zhǎng)期產(chǎn)生和洗瀝，也使陳垃圾成為一個(gè)微生物種類(lèi)、數(shù)量繁多，水力滲透性能優(yōu)良，多相多孔的生物活體[1-2]。陳垃圾反應(yīng)器是指將篩分后的陳垃圾細(xì)料裝填于反應(yīng)器中，用以處理各種廢水的反應(yīng)裝置[3]，分為厭氧陳垃圾反應(yīng)器和好氧陳垃圾反應(yīng)器等。

厭氧陳垃圾反應(yīng)器采用顆粒較小的陳垃圾，反應(yīng)器呈封閉狀態(tài)，內(nèi)部不設(shè)通氣管，整個(gè)反應(yīng)器在厭氧條件下進(jìn)行反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)為吸附效果好、污染物去除率高、抗沖擊能力強(qiáng)、凈化出水水質(zhì)穩(wěn)定等，缺點(diǎn)為水力負(fù)荷低、占地面積大、總氮去除率低等[4]。

好氧陳垃圾反應(yīng)器利用自然通風(fēng)、插導(dǎo)氣管等方式改變陳垃圾反應(yīng)器的厭氧狀態(tài)，從而提高了其對(duì)污染物的去除效果。

2　污染水體的生物脫氮法

污水脫氮的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法三種，其中，生物法脫氮由于其經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)而成為公認(rèn)的最具發(fā)展前景的技術(shù)。污水生物脫氮技術(shù)已歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，并逐漸走向成熟，但人們?nèi)圆粩嘀铝τ谘芯亢烷_(kāi)發(fā)更加高效、低耗的新型生物脫氮技術(shù)，而利用填埋場(chǎng)填埋數(shù)年的陳垃圾對(duì)污水進(jìn)行處理，是一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)而且高效的方法。

生物法脫氮主要依靠的是各種脫氮微生物的作用，因此微生物是處理的主體，其群落結(jié)構(gòu)會(huì)隨運(yùn)行條件和裝置微環(huán)境的改變而變化，其代謝功能是影響污染物去除效果和裝置運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素。

生物法處理污水是指依靠微生物的新陳代謝作用，以及微生物絮體對(duì)污染物的吸附作用，來(lái)去除污水中污染物的處理方法[5]。相對(duì)于其它脫氮技術(shù)，生物脫氮技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)生物脫氮方法包括兩個(gè)階段，即硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)好氧菌，其分兩個(gè)步驟完成硝化反應(yīng)。第一步是將氨鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，該過(guò)程由亞硝酸菌完成，稱(chēng)為亞硝化過(guò)程,反應(yīng)方程式如下：

第二步是將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，該過(guò)程由硝酸菌完成，稱(chēng)為硝化過(guò)程，反應(yīng)方程式如下：

反硝化作用則是由反硝化菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦觯摲磻?yīng)在厭氧或缺氧條件下進(jìn)行，反應(yīng)方程式如下：

該轉(zhuǎn)化過(guò)程有許多中間產(chǎn)物，如HNO2，NO2和N2O。反硝化菌多數(shù)為兼性厭氧菌，在無(wú)分子態(tài)氧存在的環(huán)境中，其利用硝酸鹽作為電子受體，有機(jī)物則作為碳源和電子供體提供能量并被轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)生物脫氮過(guò)程的研究又有了一些超出傳統(tǒng)認(rèn)知的新發(fā)現(xiàn)，如厭氧氨氧化反應(yīng)，該反應(yīng)是在嚴(yán)格厭氧條件下進(jìn)行的，微生物直接以為電子供體，或?yàn)殡娮邮荏w，將或轉(zhuǎn)變?yōu)镹2。

（1）好氧法

好氧法包括活性污泥法、生物濾池等，活性污泥法費(fèi)用低、效率高，是廣泛應(yīng)用的處理方法，而通過(guò)提高污泥濃度來(lái)降低污泥有機(jī)負(fù)荷，可以提高污水處理效果。生物濾池是依據(jù)土壤自?xún)粼?，在污水灌溉的?shí)踐基礎(chǔ)上，由較原始的間歇砂濾池和接觸濾池發(fā)展而來(lái)的人工生物處理技術(shù)。曝氣生物濾池合并了生物氧化和截留懸浮固體，省去了后續(xù)的沉淀池(二沉池)，優(yōu)點(diǎn)是所需基建投資少，運(yùn)行費(fèi)用少、能耗低，水力停留時(shí)間短，容積負(fù)荷、水力負(fù)荷大，出水水質(zhì)好。

（2）厭氧法

厭氧法包括上向流污泥床、厭氧固定化生物反應(yīng)器、混合反應(yīng)器及厭氧穩(wěn)定塘等方法，厭氧濾池適用于處理可溶性有機(jī)物。

（3）厭氧-好氧組合法

單獨(dú)采用厭氧法處理污水的實(shí)例很少見(jiàn)，這是由于雖然已經(jīng)通過(guò)實(shí)踐，證明了厭氧生物法對(duì)高質(zhì)量濃度有機(jī)廢水處理的有效性，但對(duì)于高質(zhì)量濃度的污水，采用厭氧-好氧組合工藝對(duì)其進(jìn)行處理既經(jīng)濟(jì)合理，又能得到較高的處理效率。

（4）生物膜同步硝化反硝化（SND）法

生物膜SND是指硝化與反硝化反應(yīng)在同一生物膜內(nèi)同時(shí)發(fā)生而達(dá)到脫氮效果的過(guò)程。目前普遍認(rèn)為，生物膜SND過(guò)程是由生物膜微環(huán)境中各種物質(zhì)（如溶解氧、有機(jī)物、等）的傳質(zhì)濃度梯度，以及各類(lèi)微生物的代謝活動(dòng)及其相互作用，所導(dǎo)致的微環(huán)境條件或狀態(tài)改變引起的。其脫氮理論認(rèn)為，由于傳質(zhì)阻力的存在，生物膜內(nèi)有機(jī)物、溶解氧等基質(zhì)傳遞存在濃度梯度，從膜外到膜內(nèi)依次形成流動(dòng)水層-附著水層-好氧層-厭氧層-附著介質(zhì)的漸變結(jié)構(gòu)，分別為好氧硝化和厭氧反硝化提供了適宜的條件。根據(jù)目前的研究，生物膜內(nèi)氨氮、溶解氧、有機(jī)碳源等基質(zhì)的傳遞狀況如下：首先，由外部水體進(jìn)入好氧層的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下被氧化成，與有機(jī)物繼續(xù)在膜內(nèi)傳遞進(jìn)入?yún)捬鯇?，在反硝化菌的作用下，被還原為N2逸出水體，從而完成生物膜SND的脫氮過(guò)程。正是由于在生物膜內(nèi)部存在微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布代謝活動(dòng)和生物化學(xué)反應(yīng)的不均勻性，以及物質(zhì)濃度變化等因素的相互作用，在生物膜不同區(qū)域形成了具有不同反應(yīng)條件的微環(huán)境，從而為SND的發(fā)生提供了條件。

3　影響脫氮效果的因素

（1）酸堿度（pH值）

大量研究表明，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜pH范圍分別為7.0～8.5和6.0～7.5，當(dāng)pH值低于6.0或高于9.6時(shí)，硝化反應(yīng)停止。反硝化細(xì)菌最適宜的pH范圍為7.0～8.5，在這一范圍內(nèi)反硝化速率較高。

（2）溫度（T）

硝化反應(yīng)適宜的溫度范圍為5～35℃，在這一溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化菌完全停止活動(dòng)。反硝化反應(yīng)適宜的溫度范圍為15～30℃，當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，反硝化作用停止，當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，反硝化速率也開(kāi)始下降。

（3）溶解氧（DO）

在好氧條件下，硝化反應(yīng)才能進(jìn)行，溶解氧的質(zhì)量濃度不但影響硝化反應(yīng)速率，而且影響其代謝產(chǎn)物。為滿(mǎn)足正常的硝化反應(yīng)需求，在活性污泥中，溶解氧的質(zhì)量濃度至少應(yīng)為2 mg/L，一般應(yīng)在2～3 mg/L之間，生物膜法則應(yīng)大于3mg/L。

（4）碳氮比（C/N）

在脫氮過(guò)程中，碳氮比將影響活性污泥中硝化菌所占的比例。因?yàn)橄趸鸀樽责B(yǎng)型微生物，其代謝過(guò)程不需要有機(jī)質(zhì)，所以污水中的BOD5/TKN（五日生化需氧量/凱氏氮）越小，即BOD5的質(zhì)量濃度越低、硝化菌所占的比例越大，硝化反應(yīng)越容易進(jìn)行。硝化反應(yīng)對(duì)碳氮比的一般要求是BOD5/TKN＞5，COD（化學(xué)需氧量）/TKN＞8。

（5）生物脫氮過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化條件

生物脫氮過(guò)程包括氨氧化、亞硝化、硝化及反硝化，有機(jī)物降解碳化過(guò)程亦伴隨著這些過(guò)程同時(shí)完成。綜合考慮各項(xiàng)因素（如菌種及其增值速度、溶解氧、pH值、溫度、負(fù)荷等），可有效簡(jiǎn)化和改善生物脫氮的總體過(guò)程。

4　結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)生物脫氮機(jī)理包括硝化階段和反硝化階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。硝化與反硝化反應(yīng)在同一生物膜內(nèi)同時(shí)發(fā)生而達(dá)到脫氮的過(guò)程，即為生物膜SND法。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)。生物脫氮技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其機(jī)理研究也日益成為研究重點(diǎn)。同時(shí)，生物脫氮的新技術(shù)也在不斷開(kāi)發(fā)之中，將為污水脫氮提供更加經(jīng)濟(jì)高效的選擇。

[1]趙由才,柴曉利,牛冬杰.礦化垃圾基本特性研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,34(10):1360-1364.

[2]趙由才,黃仁華,趙愛(ài)華,等.大型填埋場(chǎng)垃圾降解規(guī)律研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(6):736-740.

[3]邊炳鑫.生活垃圾填埋場(chǎng)中礦化垃圾的綜合利用技術(shù)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.

[4]呂寶一.陳垃圾反應(yīng)器處理晚年期滲濾液的強(qiáng)化調(diào)控研究[D].上海:華東師范大學(xué),2010.

[5]王方,王明亞,王明太.回收氨氮廢水用水處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工,2011,40(12):1277-1282.

M echanism of M icrobial Nitrogen Removal in Aged Refuse Bioreactor

Li Feifei

Owing to the economic and effective characteristics,biological denitrification technology has become a popularmethod in treating nitrogen pollution of water.The mechanism of biological denitrification in aged landfill was studied,and it included nitrification and denitrification stages,which were completed by nitrifying bacteria and denitrifying bacteria,respectively.In addition,the anaerobic ammonia oxidation reaction and biofilm simultaneous nitrification and denitrificationmethod were found.

Aged refuse;Denitrificationmicroorganism;Nitration reaction;Denitrification reaction

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李斐斐女1987年生碩士助教主要從事污水生物處理工作

2016年2月