曹國民， 趙慶祥， 張 彤
?（華東理工大學 環境工程系， 上海 200237）

　　摘　要：綜述了在一個反應器中同時進行硝化和反硝化的單級生物脫 氮技術的進展，對活性污泥、生物膜和固定化細胞等單級生物脫氮工藝進行了評述。
　　關鍵詞：單級生物脫氮；硝化；反硝化；活性污泥；生物膜 ；固定化細胞?
　　中圖分類號： X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)02-0020-05

　　廢水生物脫氮目前主要采用活性污泥法。但由于硝化菌生長緩慢，為避免其流失，取得較好的脫氮效果，往往要求污泥在反應器中停留很長時間，即需要很大的曝氣池，從而限制了活性污泥系統的處理能力。最近幾十年研究人員開發了許多新的生物脫氮技術，需要強調指出的是，盡管在生物脫氮技術上有了很多改進，但硝化和反硝化仍是在兩個獨立的或分隔的反應器中進行，一個過程分兩個系統，條件控制復雜，兩者難以在時間和空間上統一，脫氮效果差，設備龐大，投資高。很明顯，如果兩個過程能在一個反應器中進行，則可節省更多的占地面積和投資，還可避免亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽及硝酸鹽再還原成亞硝酸 鹽這兩個多余的反應，從而可節省約25%的氧氣和40%的有機碳。?

1 活性污泥單級生物脫氮 ?

　　在一個反應器中同時實現硝化、反硝化和除碳，具有以下優點：①完全脫氮，②強化磷的去除，③降低曝氣需求，節省能耗并增加設備的處理負荷，④減少堿度的消耗，⑤簡化系統的設計和操作。活性污泥單級生物脫氮主要是利用污泥絮體內存在溶解氧的濃度梯 度實現同時硝化和反硝化，圖1表示了生物絮體內的反應區分布及底物濃度的變化。?
　　由圖1可見，在活性污泥絮體表層，由于氧的存在而進行氨的氧化反應，從外向里，溶解氧濃度逐漸下降，內層因缺氧而進行反硝化反應。

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　　1985年Rittmaun和Langelaud在工業規模的氧化溝中成功實現了同時硝化和反硝化，并且通過實驗證實：反硝化反應可在絮體內部缺氧區內連續進行。氧化溝的操作非常簡單，只要控制好充氧速率，就可以達到在一個反應器中同時進行硝化、反硝化及除碳的目的。但由于系統內DO較低(＜1.0 mg/L)，因此硝化及BOD去除速率均不高。?
　　1992年Hauo等人^［1］構建了一個能同時進行硝化—反硝化、除碳及除磷的小型氣提式反應器。反應器筒體與中央導管間的環隙為缺氧區，導管內為好氧區(見圖 2)。廢水從環隙的上部引入，與由中央導管中溢出的硝化液一起，自上而下通過環隙，在其中進行反硝化反應，然后與活性污泥絮體及氣泡一起自下而上通過中央導管，在其中進行硝化反應。廢水中的有機物主要用作反硝化的碳源。因此，導管中的硝化作用幾乎不受異養菌生長的影響。中央導管的大小、上升氣體的流速和水力停留時間對硝化和反硝化作用影響很大，所能達到的 最大脫氮效率約為90%。這一系統的主要缺點是液體循環比高，液體循環時在每個區的停留時間僅幾分鐘，從而使兩區內的流態從平推流轉變成完全混合流，導致不完全脫氮。由于液體的停留及混合時間隨反應器容積的增大而增大，他們建議采用深井曝氣法去除廢水中的 含氮化合物，但用深井曝氣法脫氮在技術及經濟上的可行性有待進一步研究。?

2 生物膜單級生物脫氮

2.1 生物轉盤(RBC)
　　硝化菌的世代時間長，比增殖速度較小，如亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化桿菌屬(Nitrobater)的比增殖速度分別為0.21和1.2d^-1［2］，在一般生物固體平均停留 時間較短的活性污泥處理系統中，這類細菌難以占優。在生物膜處理法中，生物固體的平均停留時間與污水的停留時間無關，使硝化菌和亞硝化菌能得以繁殖。因此，生物膜處理法的各種處理工藝都具有一定的硝化功能，采用適當的運行方式，還可能具有反硝化脫氮的功能。
　　1978年Ishiguro等人在用單一的RBC處理垃圾衛生填埋滲濾液時，發現氮的減少，且在夏季氮的減少尤為明顯。隨后Masuda等人從加蓋的RBC中檢測出有N₂產生，證實了反硝化作用的存在。為了更加科學地解釋氮減少的原因，他們又對RBC中所形成的生物膜的性質，如：生物膜的密度及其在空間的分布、細菌種類、特征生化反應速率等進行了研究，發現在生物膜中同時存在著硝化細菌和反硝化細菌，當氧向生物膜內傳遞的速率下降到足以在其中形成一個微氧(Micro-aerobic)環境時，反硝化菌即具有反硝化活力，也就是 說能否在生物膜內為硝化菌和反硝化菌創造各自適宜的生長條件，成為能否在單一的RBC中同時進行硝化和反硝化的關鍵。為此，他們又采用降低加蓋RBC上方氧分壓的方法，實現了同時硝化和反硝化。結果表明，在好氧的RBC中氮的去除效率除了與氣相中氧分壓有關外，還取決于水溫、水力停留時間和進水中有機物與氨氮的比例。Watanabe等人^［3］認為在單一的RBC中有兩種方式 可以實現同時硝化和反硝化：①通過降低氣相中氧分壓控制氧的傳遞速率，如當C/N為6、氧分壓為10kPa時，可取得大于90%的脫氮效率，這與Masuda等人的方法是一樣的；②采用部分沉浸式和全部沉浸式相結合的RBC反應器(Combined Partially and Fully Submerged RBC)研究了有機物類型、進水碳氮比等因素對同時硝化和反硝化效率的影響。試驗所用的四種碳源： 醋酸、乙二醇、苯酚和聚乙烯醇(PVA)均能被降解，并可作為反硝化碳源，脫氮效果良好，顯示了CPFSR反應器具有同時硝化、反硝化和去除難降解有機物的巨大潛力。一般來說，RBC工藝具有操作簡單和操作費用相對低的優點，但RBC對環境條件的變化相對敏感，不夠穩定，因此需要連續調節操作條件(如轉速、碳負荷等)。此外，由于受機械強度的限制，RBC反應器不可能做得太大，因此其處理容量仍很有限。
2.2 生物流化床
　　流化床是以砂、活性炭一類較小的顆粒為載體填充在床內，載體表面覆蓋著生物膜。小的載體顆粒比表面積高達3000～5000m²/m³，以MLSS計的生物量高于任何一種生物處理工藝。載體處于流化狀態，污水從其下部、左、右側流過，廣泛而頻繁地與生物膜相接觸，載體顆粒互相摩擦碰撞，生物膜更新快、活性高，強化了傳質過程。流化床的效率是 普通活性污泥法的10倍，而占地面積僅為其10%。將流化床分別用于硝化和反硝化的報道很 多 ，硝化速率和反硝化速率均較高，分別為1～2和2～4 kg/(m³·d) ，但僅有個別報道介紹了硝化 和反硝化流化床在工業上的應用^［4］，至于在一個流化床內同時進行硝化和反硝 化的研 究并不多。Fermandez-Polanco等人^［5］采用中試規模的厭氧/好氧流化床同時脫氮 和除碳(見圖3)。?

　　 由圖3可見，置于流化床中部的氣體分布器將一個反應器分成兩部分：分布器以下為缺氧區,主要進行反硝化和有機物的厭氧分解；分布器以上為好氧區,主要進行硝化和有機物的氧化。反應器的部分出水經氣—液—固三相分離器后，循環到流化床底部,與進水一起使缺氧區呈流化態。改變氣體分布器在流化床中的高度,可以調節好氧區和厭氧區體積的大小,提高脫氮效率。盡管這一反應器的脫氮速率屬于中等［0.2 kgN/(m³·d)］,但這一結構簡單、緊湊的反應器似乎有望用于實際廢水的處理。Sen等人開發了一個類似的同時硝化和反硝 化的流化床，但他們不是在流化床內使用氣體分布器，而是將溶氧飽和的廢水直接從流化 床的底部送入反應器，廢水進入流化床后即進行硝化作用和有機碳的氧化分解。由于進水COD較高，故耗氧量大，從而在床層上部形成了缺氧區，發生反硝化作用，反硝化率高達100% ，硝化率為40%～90%，COD去除率為90%～97%。
　　如上所述，流化床反應器有許多優點，但由于對床層膨脹率、生物膜厚度、布水器等的控制比較困難，并且還有放大效應問題，因此用于生物脫氮的流化床大多限于實驗室規模或中試規模。?
2.3 新型生物纖維膜反應器?
　　為了把膜技術的優點(從處理水中截留與分離微生物)和細胞固定化技術的優點(高濃度微生物、傳質比表面積大)結合在一起，一些研究人員開發了一類新型生物纖維膜反應器，反應器中的膜不僅具有生物降解功能，同時還具有分離功能，其中Timbarlake等人設計 的PSB(Permeable-Support biofilm)具有代表性。在PSB反應器中，生物膜附著生長在具滲透性的纖維 膜載體上，空氣或氧氣通過此載體滲透進入生物膜層(圖4)。生物膜中的微生物自然分層， 緊貼在滲透性膜載體上的是硝化菌群，而反硝化菌和其他異養菌則附著在硝化菌群上，與缺氧、含碳的介質密切接觸。因此，碳氧化、硝化和反硝化分別在生物膜的不同部位進行。這樣不同類型微生物之間無干擾，還可避免微生物間的互相競爭或可能存在的抑制作用。 ?

　　雖然PSB反應器的脫氮速率［約為0.05 kgN/(m³·d)］和比表面積(20m²/m³)都很低，但是這一膜反應器的思路具有創新性，并且如果能增加其比表面積，該反應器仍具有很大的應用價值。

3 固定化微生物單級生物脫氮?

　　利用固定化微生物技術強化生物脫氮過程是近十多年來生物脫氮領域研究的熱點之一，國內外學者對硝化細菌和反硝化細菌單獨固定及固定化細胞的脫氮特性作了詳細的研究，在日本已有將固定化硝化菌用于處理能力為11300m³/d的工業裝置^[6]。但由于硝化菌和反硝化菌具有不同的生理特性，硝化和反硝化作用難以在時間和空間上統一，脫氮效果差，因此，開發了將硝化菌和反硝化菌混合固定的單級生物脫氮技術。根據包埋方式和碳源供給方式不同有三種工藝。?
3.1 硝化菌和反硝化菌分層包埋
　　Dos Santos等人以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌。他們先將反硝化菌與海藻酸鈉、KCl溶液混合，然后將其滴入攪拌的含硝化菌、K角叉菜膠和CaCl₂的溶液中，制成內層為海藻酸鈉包埋反硝化菌、外層為K角叉菜膠包埋硝化菌的復合小球。他們認為分層包埋的主要優點是：兩類微生物的機械分層為硝化提供了有利的條件,避免了好 氧條件下反硝化菌與硝化菌爭奪溶解氧；另一方面，也避免了反硝化菌在有機碳源存在下的過度增殖。該法類似于傳統先硝化后反硝化脫氮工藝，但它使兩個反應在一個微單元中同時進行。反硝化菌直接還原硝化反應產生的亞硝酸鹽，避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個多余步驟，降低了對氧及有機物的需求。在好氧條件下，連續運行時氮的去除 速率高達5.1mmol N/(m³·s)，但該法固定化過程比較復雜,可供選擇的載體較少，不便于大規模制備固定化細胞。另外,根據Uemoto和Saiki^[7]對混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究發現，運行一段時間后其在載體內的分布自然會發生變化，硝化菌集中于外層，反硝化菌集中于內層，中間過渡層兩者共存，因此，沒有將硝化菌和反硝化菌分層包埋的必要。
3.2 硝化菌和反硝化菌混合包埋
　　 最早從事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人，他們用聚電解質固定亞硝化菌和反硝化菌的混合細胞，并與單獨固定的亞硝化菌作了比較，結果前者能實現完全脫氮，并且系統中未檢測到NO₂^--N的存在，而后者最終只能將NH₃-N氧化成NO₂^--N，無脫氮效果。?
　　本文作者利用兩種常用的固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)混合固定硝化菌和反硝化菌 ，研究了好氧條件下同時硝化和反硝化的可行性及其脫氮特性。結果表明，硝化菌和反硝化菌混合固定時，由于載體內部形成了適合硝化和反硝化的環境，可以在好氧條件下同時進行 硝化和反硝化，實現單級生物脫氮。混合固定時的氨氧化速率約為硝化菌單獨固定時的1.4倍，總無機氮的去除速率達0.13kgN/(m³·d)，約為PSB脫氮速率的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后對溫度的敏感性減小，并且在較寬的溶解氧范圍內(2～6 mg/L)保持穩定的脫 氮速率，具有良好的應用前景。
3.3 碳源循環單級生物脫氮
　　日本的Uemoto和Saiki^[7.8]將亞硝化菌(N.europaea)和反硝化菌(P.denitrificans)與光硬化樹脂(PVA—SBQ)混合后注入玻璃模型管中,經紫外光照射,硬化后制成固定化細胞管。然后將其組裝成圖5所示的碳源循環單級生物脫氮反應器。在曝氣的條件下，固定化細胞管 外側硝化菌將NH₃-N氧化成NO₂^--N；內側反硝化菌從管內攝取乙醇作碳源將NO₂^--N還原成N₂。與上述其他單級生物脫氮工藝不同，碳源(乙醇)不是直接添加到廢水中，而是在細胞管內循環流動時被反硝化菌按需攝取，處理水中不殘留多余的乙醇，既節省了碳源，又避免了脫氮后除碳的工藝過程。此外，這種方法還使生物脫氮過程的律速過程—硝化速率大大提高(為亞硝化菌單獨固定時的3倍)，這為生物處理裝置的小型化和降低處理成本開辟了新方向。此反應器的缺點是比表面積較低(約為47m²/m³)。為了在實際工程中推廣應用碳源循環單級生物脫氮反應器，目前正在研制由多根細胞管組成的裝置。

4 結語

?　單級生物脫氮技術因其能縮短脫氮歷程、節省碳源、降低動力消耗、提高處理能力等優點而 倍受關注，尤其是在利用生物膜或固定化細胞進行單級生物脫氮方面取得了很大的進展，開發出許多新型生物反應器或新的固定化方法，但無論是生物膜還是固定化細胞所構成的單級生物脫氮系統，目前均處于實驗室或中試規模的研究階段。一些新型反應器如：碳源循環單級生物脫氮反應器和新型生物纖維膜反應器已顯示出了巨大的潛在應用價值，將是未來單級生物脫氮領域研究的主要方向之一。某些經濟技術方面的研究表明，硝化菌和反硝化菌混合固定的單級生物脫氮技術具有良好的工作應用前景，今后應進一步完善傳質和反應動力 學方面的研究，以便為工程設計提供相適應的參數。

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收稿日期：1999-09-23?