近年来国内外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露出的问题和现象进行了大量理论和试验研究,并提出了一些新的观点和方法,其中短程生物脱氮法颇受重视,具有重要的应用价值。
1 短程硝化—反硝化作用机理
长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中,都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使NH+4经历典型的硝化和反硝化过程才能安全地被除去,这条途径也可称之为全程(或完全)硝化—反硝化生物脱氮。实际上从氮的微生物转化过程来看,氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开。对于反硝化菌,无论是NO-2还是NO-3均可以作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经NH+4→HNO2→N2这样的途径完成。早在1975年Voet就发现在硝化过程中HNO2积累的现象并首次提出了短程硝化
—反硝化生物脱氮(Shortcut nitrification—denitrifi-cation,也可称为不完全或称简捷硝化—反硝化生物脱氮),随后国内外许多学者对此进行了试验研究。这种方法就是将硝化过程控制在HNO2阶段而终止,随后进行反硝化。传统生物脱氮之所以要将氨完全氧化成硝酸后再进行反硝化,主要是基于以下几方面原因:①如果硝化不完全,形成的亚硝化产物HNO2是“三致”物质,对受纳水体和人是不安全的,所以尽量避免出现HNO2;②HNO2具有一定耗氧性,影响出水COD和受纳水体的DO;③氨自然生物氧化过程中,NH+4→NO-2可释放242.8~351.7kJ/mol的能量,亚硝酸菌从中获取5%~14%能量。氧化NO-2→NO-3释放能量为64.5~87.5 kJ/mol,硝酸菌可利用其中5%~10%,是亚硝酸菌有效利用能量的1/4~1/5,要达到相同的能量,硝酸菌氧化NO-2量必须达到亚硝酸菌氧化NH+4量的4~5倍,因而在稳态下不会有HNO2积累,氨会被氧化成硝酸;④亚硝酸菌和硝酸菌虽是两类独立细菌,但在开放体系中这两类菌普遍存在,并生活在一起,彼此有利,因此难以单独存在;⑤氨氧化为亚硝酸的速率较亚硝酸氧化为硝酸速率快,在NH3→HNO3中,亚硝酸的形成是限速步骤,所以通常硝化产物为硝酸,亚硝酸浓度很低。