单级生物脱氮技术的进展

曹国民， 赵庆祥， 张 彤
?（华东理工大学 环境工程系， 上海 200237）

　　摘　要：综述了在一个反应器中同时进行硝化和反硝化的单级生物脱 氮技术的进展，对活性污泥、生物膜和固定化细胞等单级生物脱氮工艺进行了评述。
　　关键词：单级生物脱氮；硝化；反硝化；活性污泥；生物膜 ；固定化细胞?
　　中图分类号： X703
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2000)02-0020-05

　　废水生物脱氮目前主要采用活性污泥法。但由于硝化菌生长缓慢，为避免其流失，取得较好的脱氮效果，往往要求污泥在反应器中停留很长时间，即需要很大的曝气池，从而限制了活性污泥系统的处理能力。最近几十年研究人员开发了许多新的生物脱氮技术，需要强调指出的是，尽管在生物脱氮技术上有了很多改进，但硝化和反硝化仍是在两个独立的或分隔的反应器中进行，一个过程分两个系统，条件控制复杂，两者难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，设备庞大，投资高。很明显，如果两个过程能在一个反应器中进行，则可节省更多的占地面积和投资，还可避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸 盐这两个多余的反应，从而可节省约25%的氧气和40%的有机碳。?

1 活性污泥单级生物脱氮 ?

　　在一个反应器中同时实现硝化、反硝化和除碳，具有以下优点：①完全脱氮，②强化磷的去除，③降低曝气需求，节省能耗并增加设备的处理负荷，④减少碱度的消耗，⑤简化系统的设计和操作。活性污泥单级生物脱氮主要是利用污泥絮体内存在溶解氧的浓度梯 度实现同时硝化和反硝化，图1表示了生物絮体内的反应区分布及底物浓度的变化。?
　　由图1可见，在活性污泥絮体表层，由于氧的存在而进行氨的氧化反应，从外向里，溶解氧浓度逐渐下降，内层因缺氧而进行反硝化反应。

?

　　1985年Rittmaun和Langelaud在工业规模的氧化沟中成功实现了同时硝化和反硝化，并且通过实验证实：反硝化反应可在絮体内部缺氧区内连续进行。氧化沟的操作非常简单，只要控制好充氧速率，就可以达到在一个反应器中同时进行硝化、反硝化及除碳的目的。但由于系统内DO较低(＜1.0 mg/L)，因此硝化及BOD去除速率均不高。?
　　1992年Hauo等人^［1］构建了一个能同时进行硝化—反硝化、除碳及除磷的小型气提式反应器。反应器筒体与中央导管间的环隙为缺氧区，导管内为好氧区(见图 2)。废水从环隙的上部引入，与由中央导管中溢出的硝化液一起，自上而下通过环隙，在其中进行反硝化反应，然后与活性污泥絮体及气泡一起自下而上通过中央导管，在其中进行硝化反应。废水中的有机物主要用作反硝化的碳源。因此，导管中的硝化作用几乎不受异养菌生长的影响。中央导管的大小、上升气体的流速和水力停留时间对硝化和反硝化作用影响很大，所能达到的 最大脱氮效率约为90%。这一系统的主要缺点是液体循环比高，液体循环时在每个区的停留时间仅几分钟，从而使两区内的流态从平推流转变成完全混合流，导致不完全脱氮。由于液体的停留及混合时间随反应器容积的增大而增大，他们建议采用深井曝气法去除废水中的 含氮化合物，但用深井曝气法脱氮在技术及经济上的可行性有待进一步研究。?

2 生物膜单级生物脱氮

2.1 生物转盘(RBC)
　　硝化菌的世代时间长，比增殖速度较小，如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化杆菌属(Nitrobater)的比增殖速度分别为0.21和1.2d^-1［2］，在一般生物固体平均停留 时间较短的活性污泥处理系统中，这类细菌难以占优。在生物膜处理法中，生物固体的平均停留时间与污水的停留时间无关，使硝化菌和亚硝化菌能得以繁殖。因此，生物膜处理法的各种处理工艺都具有一定的硝化功能，采用适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的功能。
　　1978年Ishiguro等人在用单一的RBC处理垃圾卫生填埋渗滤液时，发现氮的减少，且在夏季氮的减少尤为明显。随后Masuda等人从加盖的RBC中检测出有N₂产生，证实了反硝化作用的存在。为了更加科学地解释氮减少的原因，他们又对RBC中所形成的生物膜的性质，如：生物膜的密度及其在空间的分布、细菌种类、特征生化反应速率等进行了研究，发现在生物膜中同时存在着硝化细菌和反硝化细菌，当氧向生物膜内传递的速率下降到足以在其中形成一个微氧(Micro-aerobic)环境时，反硝化菌即具有反硝化活力，也就是 说能否在生物膜内为硝化菌和反硝化菌创造各自适宜的生长条件，成为能否在单一的RBC中同时进行硝化和反硝化的关键。为此，他们又采用降低加盖RBC上方氧分压的方法，实现了同时硝化和反硝化。结果表明，在好氧的RBC中氮的去除效率除了与气相中氧分压有关外，还取决于水温、水力停留时间和进水中有机物与氨氮的比例。Watanabe等人^［3］认为在单一的RBC中有两种方式 可以实现同时硝化和反硝化：①通过降低气相中氧分压控制氧的传递速率，如当C/N为6、氧分压为10kPa时，可取得大于90%的脱氮效率，这与Masuda等人的方法是一样的；②采用部分沉浸式和全部沉浸式相结合的RBC反应器(Combined Partially and Fully Submerged RBC)研究了有机物类型、进水碳氮比等因素对同时硝化和反硝化效率的影响。试验所用的四种碳源： 醋酸、乙二醇、苯酚和聚乙烯醇(PVA)均能被降解，并可作为反硝化碳源，脱氮效果良好，显示了CPFSR反应器具有同时硝化、反硝化和去除难降解有机物的巨大潜力。一般来说，RBC工艺具有操作简单和操作费用相对低的优点，但RBC对环境条件的变化相对敏感，不够稳定，因此需要连续调节操作条件(如转速、碳负荷等)。此外，由于受机械强度的限制，RBC反应器不可能做得太大，因此其处理容量仍很有限。
2.2 生物流化床
　　流化床是以砂、活性炭一类较小的颗粒为载体填充在床内，载体表面覆盖着生物膜。小的载体颗粒比表面积高达3000～5000m²/m³，以MLSS计的生物量高于任何一种生物处理工艺。载体处于流化状态，污水从其下部、左、右侧流过，广泛而频繁地与生物膜相接触，载体颗粒互相摩擦碰撞，生物膜更新快、活性高，强化了传质过程。流化床的效率是 普通活性污泥法的10倍，而占地面积仅为其10%。将流化床分别用于硝化和反硝化的报道很 多 ，硝化速率和反硝化速率均较高，分别为1～2和2～4 kg/(m³·d) ，但仅有个别报道介绍了硝化 和反硝化流化床在工业上的应用^［4］，至于在一个流化床内同时进行硝化和反硝 化的研 究并不多。Fermandez-Polanco等人^［5］采用中试规模的厌氧/好氧流化床同时脱氮 和除碳(见图3)。?

　　 由图3可见，置于流化床中部的气体分布器将一个反应器分成两部分：分布器以下为缺氧区,主要进行反硝化和有机物的厌氧分解；分布器以上为好氧区,主要进行硝化和有机物的氧化。反应器的部分出水经气—液—固三相分离器后，循环到流化床底部,与进水一起使缺氧区呈流化态。改变气体分布器在流化床中的高度,可以调节好氧区和厌氧区体积的大小,提高脱氮效率。尽管这一反应器的脱氮速率属于中等［0.2 kgN/(m³·d)］,但这一结构简单、紧凑的反应器似乎有望用于实际废水的处理。Sen等人开发了一个类似的同时硝化和反硝 化的流化床，但他们不是在流化床内使用气体分布器，而是将溶氧饱和的废水直接从流化 床的底部送入反应器，废水进入流化床后即进行硝化作用和有机碳的氧化分解。由于进水COD较高，故耗氧量大，从而在床层上部形成了缺氧区，发生反硝化作用，反硝化率高达100% ，硝化率为40%～90%，COD去除率为90%～97%。
　　如上所述，流化床反应器有许多优点，但由于对床层膨胀率、生物膜厚度、布水器等的控制比较困难，并且还有放大效应问题，因此用于生物脱氮的流化床大多限于实验室规模或中试规模。?
2.3 新型生物纤维膜反应器?
　　为了把膜技术的优点(从处理水中截留与分离微生物)和细胞固定化技术的优点(高浓度微生物、传质比表面积大)结合在一起，一些研究人员开发了一类新型生物纤维膜反应器，反应器中的膜不仅具有生物降解功能，同时还具有分离功能，其中Timbarlake等人设计 的PSB(Permeable-Support biofilm)具有代表性。在PSB反应器中，生物膜附着生长在具渗透性的纤维 膜载体上，空气或氧气通过此载体渗透进入生物膜层(图4)。生物膜中的微生物自然分层， 紧贴在渗透性膜载体上的是硝化菌群，而反硝化菌和其他异养菌则附着在硝化菌群上，与缺氧、含碳的介质密切接触。因此，碳氧化、硝化和反硝化分别在生物膜的不同部位进行。这样不同类型微生物之间无干扰，还可避免微生物间的互相竞争或可能存在的抑制作用。 ?

　　虽然PSB反应器的脱氮速率［约为0.05 kgN/(m³·d)］和比表面积(20m²/m³)都很低，但是这一膜反应器的思路具有创新性，并且如果能增加其比表面积，该反应器仍具有很大的应用价值。

3 固定化微生物单级生物脱氮?

　　利用固定化微生物技术强化生物脱氮过程是近十多年来生物脱氮领域研究的热点之一，国内外学者对硝化细菌和反硝化细菌单独固定及固定化细胞的脱氮特性作了详细的研究，在日本已有将固定化硝化菌用于处理能力为11300m³/d的工业装置^[6]。但由于硝化菌和反硝化菌具有不同的生理特性，硝化和反硝化作用难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，因此，开发了将硝化菌和反硝化菌混合固定的单级生物脱氮技术。根据包埋方式和碳源供给方式不同有三种工艺。?
3.1 硝化菌和反硝化菌分层包埋
　　Dos Santos等人以海藻酸钠和K角叉菜胶为载体分层包埋硝化菌和反硝化菌。他们先将反硝化菌与海藻酸钠、KCl溶液混合，然后将其滴入搅拌的含硝化菌、K角叉菜胶和CaCl₂的溶液中，制成内层为海藻酸钠包埋反硝化菌、外层为K角叉菜胶包埋硝化菌的复合小球。他们认为分层包埋的主要优点是：两类微生物的机械分层为硝化提供了有利的条件,避免了好 氧条件下反硝化菌与硝化菌争夺溶解氧；另一方面，也避免了反硝化菌在有机碳源存在下的过度增殖。该法类似于传统先硝化后反硝化脱氮工艺，但它使两个反应在一个微单元中同时进行。反硝化菌直接还原硝化反应产生的亚硝酸盐，避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐再还原成亚硝酸盐的两个多余步骤，降低了对氧及有机物的需求。在好氧条件下，连续运行时氮的去除 速率高达5.1mmol N/(m³·s)，但该法固定化过程比较复杂,可供选择的载体较少，不便于大规模制备固定化细胞。另外,根据Uemoto和Saiki^[7]对混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究发现，运行一段时间后其在载体内的分布自然会发生变化，硝化菌集中于外层，反硝化菌集中于内层，中间过渡层两者共存，因此，没有将硝化菌和反硝化菌分层包埋的必要。
3.2 硝化菌和反硝化菌混合包埋
　　 最早从事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人，他们用聚电解质固定亚硝化菌和反硝化菌的混合细胞，并与单独固定的亚硝化菌作了比较，结果前者能实现完全脱氮，并且系统中未检测到NO₂^--N的存在，而后者最终只能将NH₃-N氧化成NO₂^--N，无脱氮效果。?
　　本文作者利用两种常用的固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇(PVA)混合固定硝化菌和反硝化菌 ，研究了好氧条件下同时硝化和反硝化的可行性及其脱氮特性。结果表明，硝化菌和反硝化菌混合固定时，由于载体内部形成了适合硝化和反硝化的环境，可以在好氧条件下同时进行 硝化和反硝化，实现单级生物脱氮。混合固定时的氨氧化速率约为硝化菌单独固定时的1.4倍，总无机氮的去除速率达0.13kgN/(m³·d)，约为PSB脱氮速率的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后对温度的敏感性减小，并且在较宽的溶解氧范围内(2～6 mg/L)保持稳定的脱 氮速率，具有良好的应用前景。
3.3 碳源循环单级生物脱氮
　　日本的Uemoto和Saiki^[7.8]将亚硝化菌(N.europaea)和反硝化菌(P.denitrificans)与光硬化树脂(PVA—SBQ)混合后注入玻璃模型管中,经紫外光照射,硬化后制成固定化细胞管。然后将其组装成图5所示的碳源循环单级生物脱氮反应器。在曝气的条件下，固定化细胞管 外侧硝化菌将NH₃-N氧化成NO₂^--N；内侧反硝化菌从管内摄取乙醇作碳源将NO₂^--N还原成N₂。与上述其他单级生物脱氮工艺不同，碳源(乙醇)不是直接添加到废水中，而是在细胞管内循环流动时被反硝化菌按需摄取，处理水中不残留多余的乙醇，既节省了碳源，又避免了脱氮后除碳的工艺过程。此外，这种方法还使生物脱氮过程的律速过程—硝化速率大大提高(为亚硝化菌单独固定时的3倍)，这为生物处理装置的小型化和降低处理成本开辟了新方向。此反应器的缺点是比表面积较低(约为47m²/m³)。为了在实际工程中推广应用碳源循环单级生物脱氮反应器，目前正在研制由多根细胞管组成的装置。

4 结语

?　单级生物脱氮技术因其能缩短脱氮历程、节省碳源、降低动力消耗、提高处理能力等优点而 倍受关注，尤其是在利用生物膜或固定化细胞进行单级生物脱氮方面取得了很大的进展，开发出许多新型生物反应器或新的固定化方法，但无论是生物膜还是固定化细胞所构成的单级生物脱氮系统，目前均处于实验室或中试规模的研究阶段。一些新型反应器如：碳源循环单级生物脱氮反应器和新型生物纤维膜反应器已显示出了巨大的潜在应用价值，将是未来单级生物脱氮领域研究的主要方向之一。某些经济技术方面的研究表明，硝化菌和反硝化菌混合固定的单级生物脱氮技术具有良好的工作应用前景，今后应进一步完善传质和反应动力 学方面的研究，以便为工程设计提供相适应的参数。

参考文献：
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收稿日期：1999-09-23?