短程硝化反硝化生物脫氮研究現(xiàn)狀

李 娜，胡筱敏，李國德，劉金亮，于洪軍

（ 1東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；2.沈陽師范大學(xué)實驗教學(xué)中心，遼寧 沈陽 110034；3.法庫縣遼河保護區(qū)管理局，遼寧 沈陽 110400）

短程硝化反硝化生物脫氮研究現(xiàn)狀

李 娜1,2，胡筱敏1，李國德2，劉金亮1，于洪軍3

（ 1東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；2.沈陽師范大學(xué)實驗教學(xué)中心，遼寧 沈陽 110034；3.法庫縣遼河保護區(qū)管理局，遼寧 沈陽 110400）

1975年Voet發(fā)現(xiàn)了在硝化過程中亞硝氮積累的現(xiàn)象，首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮理論，1986年Sutherson等證實了短程硝化的可行性。相比于傳統(tǒng)硝化反硝化工藝，短程硝化反硝化可減少需氧量和有機碳源，縮短系統(tǒng)水力停留時間，降低污水處理運行費用和基建投資等。鑒于短程硝化反硝化的諸多優(yōu)點，該工藝引起了污水處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，本文對短程硝化反硝化的原理、優(yōu)點以及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要概述。

短程硝化反硝化；脫氮；研究現(xiàn)狀

伴隨著對生物脫氮理論更深層次的研究，研究者們發(fā)現(xiàn)了一系列超出對傳統(tǒng)生物脫氮理論認識的奇怪現(xiàn)象，如某些微生物可以在好氧條件下進行反硝化[1-2]，除了自養(yǎng)菌外，異氧菌也能夠參與硝化反應(yīng)[3-4]，已有研究者在厭氧反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了氨氮減少的現(xiàn)象[5-6]。這些新奇的現(xiàn)象為研究者們提供了新的研究理論和新的研究思路，新的生物脫氮理論也由此而被發(fā)現(xiàn)，短程硝化反硝化工藝就是其中之一。

1 短程硝化反硝化生物脫氮原理及優(yōu)點

短程硝化反硝化相比于全程硝化反硝化，縮短了反應(yīng)步驟，正是由于生物脫氮過程中反應(yīng)步驟的減少，使短程硝化反硝化具有如下優(yōu)勢[7-8]：

1）可減少約25%的需氧量，降低了污水處理的運行能耗；2）可減少40%左右的有機碳源，降低污水處理運行費用；3）縮短了系統(tǒng)的水力停留時間，減小了反應(yīng)器有效容積，節(jié)省了污水處理基建投資；4）減少剩余污泥的排放量，節(jié)省了污水處理中的污泥處理費用；5）減少了堿的投加量，運行管理簡單。

2 短程硝化反硝化國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

王江寬[9]采用SBR反應(yīng)器研究了非單一因素控制條件下短程硝化反硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，升高溫度可促進低DO和SRT條件下短程硝化反硝化的實現(xiàn)，同時，該研究提高了系統(tǒng)有機物的去除效率，擴大了實現(xiàn)短程硝化反硝化的DO范圍，表明高pH值和適宜SRT有利于短程硝化反硝化的實現(xiàn)和穩(wěn)定運行。

O.Canals等[10]將微生物群落作為短程生物脫氮的性能指標進行了研究，確定了包含纖毛蟲、鞭毛蟲、變形蟲和線蟲的近20個屬。與常規(guī)廢水處理工藝相比，該過程可以定義為具有多樣性纖毛蟲的鞭毛蟲主導(dǎo)系統(tǒng)，鞭毛蟲在混合液中占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)出對氨較高的耐受性，以及在缺氧條件下長時間存活的能力。實驗結(jié)果表明，Epistylis cf. rotans可以作為系統(tǒng)硝化過程很好的生物指示劑。該論文對污水處理廠微生物群落的物種生態(tài)學(xué)及其在污水處理廠的作用進行研究，并提出新的生物管理工具。

Dong Wei等[11]在環(huán)境溫度下應(yīng)用SBR工藝研究了進水氨氮濃度對完全硝化轉(zhuǎn)化為短程硝化的影響。經(jīng)過150d的實驗，進水氨氮濃度為400mg·L-1和720mg·L-1時，分別實現(xiàn)了全程硝化和短程硝化。與此同時，污泥容積指數(shù)從127.4mL·g-1逐漸降至63.4mL·g-1，而污泥的平均粒徑由29.5μm提高到了195.6μm。根據(jù)熒光原位雜交分析，氨氧化菌（AOB）是主要的硝化細菌，表明系統(tǒng)中的游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）抑制了亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）的活性。該研究結(jié)果有助于促進生物脫氮新工藝特別是高氨氮廢水處理新工藝的發(fā)展。

Qingming He等[12]利用耦合短程硝化反硝化和同時產(chǎn)甲烷反硝化工藝，對畜禽糞便廢水的處理進行了研究。實驗表明，當(dāng)厭氧反應(yīng)器中進水COD負荷為3kg·m-3·d-1、COD/大于30時，COD和的去除效果最佳，當(dāng)pH和游離氨分別超過8.0和18mg·L-1時，采用短程硝化反硝化有利于處理高濃度畜禽糞便廢水，COD、氨氮、總氮的平均去除率以及亞硝氮積累率分別為96.7%、94.9%、86.5%和94.55%。研究表明，采用SMD-SND偶聯(lián)技術(shù)處理高濃度氮和有機物的畜禽糞便廢水在技術(shù)上是可行的。

3 結(jié)語

鑒于短程硝化反硝化相比于全程硝化反硝化的諸多優(yōu)勢，短程硝化反硝化應(yīng)用于污水處理，在經(jīng)濟和技術(shù)方面都具有非常高的可行性，適用于高效、低耗的污水處理目標，具有非常好的應(yīng)用前景。

[1] Mia Kim, Seong-Yun Jeong, Su Jeong Yoon, et al. Aerobic Denitrification of Pseudomonas putida AD-21 at Different C/N Ratios[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering,2008,106(5): 498-502.

[12] L.A. ROBERTSOW, R. CORNELISSE, P. DE VOS, et al.Aerobic denitrification in various heterotrophic nitrifiers [J].Antonie van Leeuwenhoek,1989, 56: 289-299.

[3] Zhiyi Sun, Yongkang Lv, Yuxiang Liu, et al. Removal of nitrogen by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of a novel metal resistant bacterium Cupriavidus sp. S1[J].Bioresource Technology,2016, 220: 142-150.

[4] Wenjie Wan, Donglan He, Zhijun Xue, et al. Removal of nitrogen and phosphorus by heterotrophic nitrificationaerobic denitrification of a denitrifying phosphorusaccumulating bacterium Enterobacter cloacae HW-15 [J].Ecological Engineering, 2017, 99: 199-208.

[5] Marc Strous, Eric Pelletier, Sophie Mangenot, et al.Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome [J]. Nature, 2006, 440:790-794.

[6] Marc Strous, Eric Pelletier, Sophie Mangenot, et al. Modeling of anammox process with the biowin software suite [J].Applied Biochemistry and Microbiology, 2017, 53(1): 78-84.

[7] Liqiu Zhang, Chaohai Wei, Kefang Zhang, et al. Effects of temperature on simultaneous nitri fi cation and denitri fi cation via nitrite in a sequencing batch bio fi lm reactor [J].Bioprocess Biosyst Eng, 2009, 32: 175-182.

[8] Xiaolian Wang,Yong Ma,Yongzhen Peng, et al. Short-cut nitrifi cation of domestic wastewater in a pilot-scale A/O nitrogen removal plant [J]. Bioprocess Biosyst Eng, 2007, 30: 91-97.

[9] 王江寬.控制DO和SRT條件下短程硝化反硝化及系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[D].青島：青島大學(xué)，2011.

[10] O.Canals, H.Salvado, M.Auset, et al. Microfauna communities as performance indicators for an A/O Shortcut Biological Nitrogen Removal moving-bed biofilm reactor[J]. Water Reserch, 2013, 47: 3141-3150.

[11] Dong Wei, Xiaodong Xue, Liangguo Yan, et al. Effect of influent ammonium concentration on the shift of full nitritation to partial nitrification in a sequencing batch reactor at ambient temperature[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 235: 19-26.

[12] Qingming He, Xuya Peng, Zhiyang Li. The treatment of animal manure wastewater by coupled simultaneous methanogenesis and denitrification (SMD) and shortcut nitrification–denitrification (SND)[J]. J.Chem. Technol.Biotechnol., 2014, 89: 1697-1704.

Current Research Status of Biological Nitrogen Removal by Shortcut Nitrification and Denitrification

LI Na1,2, HU Xiaomin1, LI Guode2, LIU Jinliang1, YU Hongjun3
(1. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 2. Experimental Center of Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 3. Faku County Liaohe Nature Reserve Administration Bureau, Shenyang 110400, China)

In 1975, Voet discovered the phenomenon of nitrite accumulation during nitri fi cation. For the fi rst time, the theory of shortcut nitri fi cation and denitri fi cation was studied. In 1986, Sutherson con fi rmed the feasibility of shortcut nitri fi cation. Compared with the traditional nitri fi cation and denitri fi cation process, shortcut nitri fi cation and denitri fi cation could reduce the oxygen demand and organic carbon source, shorten the system hydraulic retention time, reduce the sewage treatment costs and infrastructure investment. In view of the many advantages of shortcut nitri fi cation and denitri fi cation, this process had aroused widespread concern in the fi eld of wastewater treatment. In this paper, the principle, advantages and current research status of shortcut nitri fi cation and denitri fi cation were brie fl y summarized.

shortcut nitri fi cation and denitri fi cation; nitrogen removal; current research status

X 703.1

A

1671-9905(2017)12-0041-02

水體污染控制與治理科技重大專項( 2013ZX07202-010-02)；遼寧省自然科學(xué)基金項目（201602683）；遼寧省教育廳一般項目（L2014437）；沈陽市科技計劃項目（F15-199-1-21）

胡筱敏(1958-)，男，江西人，教授，博士生導(dǎo)師，從事環(huán)境工程與水處理技術(shù)研究。E-mail: hxmin_jj@163.com

2017-09-28