什么是短程硝化和短程反硝化？

在脫氮工藝中氨氮轉(zhuǎn)化成氮氣有很多的途徑，也存在很多難以控制的中間過程及中間產(chǎn)物，恰恰是這些難控制的中間過程決定了最新的脫氮工藝的研究方向，本文將介紹一下短程硝化及短程反硝化的內(nèi)容！

什么是短程硝化？

廢水生物脫氮，一般由硝化和反硝化兩個過程完成，而硝化過程分為氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個階段分別由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)獨立催化完成。

第一階段是在AOB的作用下，將氨氮NH3－N氧化為亞硝態(tài)氮NO2―N；而第二階段是在NOB的作用下，將亞硝態(tài)氮NO2―N氧化為硝態(tài)氮NO3―N。

由于硝化反應(yīng)是由兩類生理特性完全不同的細(xì)菌獨立催化完成的不同反應(yīng)，所以需要通過適當(dāng)控制條件，可以將硝化反應(yīng)控制在NO2―N階段，阻止NO2―N的進(jìn)一步氧化，短程硝化的成功的標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)中大量NO2-N累積！隨后直接進(jìn)行反硝化或者厭氧氨氧化，這就是為什么短程硝化如此重要的原因！

什么是短程反硝化？

短程反硝化（partial denitrification）：在反硝化過程中，有機物提供電子供體，細(xì)菌將NO3ˉ還原為NO2ˉ，而不是直接將NO3ˉ還原為N2的過程，稱為短程反硝化。反應(yīng)式為：

3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O

2011年，彭永臻院士團隊發(fā)現(xiàn)短程反硝化的特殊現(xiàn)象后，開展了長達(dá)10余年的機理研究，最終在世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)技術(shù)突破，并建立相關(guān)理論。

短程硝化與短程反硝化的應(yīng)用

短程硝化和短程反硝化的應(yīng)用主要是實現(xiàn)厭氧氨氧化過程中的亞硝酸鹽氮產(chǎn)生，如圖：

厭氧氨氧化是公認(rèn)的最經(jīng)濟的脫氮技術(shù)之一。厭氧氨氧化Anammox是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮氣和硝酸的生物反應(yīng)。Anammox包括兩個過程：一是分解（產(chǎn)能）代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮氣，并把產(chǎn)生的能量以ATP的形式儲存起來；二是合成代謝，即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力，利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì)，并在這一過程中產(chǎn)生硝酸鹽。

在這過程中，大約89%的無機氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮氣，另外11%的無機氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢，其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55-60%；該工藝幾乎無需碳源，如果為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源，其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量降低90%；厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時，由于厭氧氨氧化菌細(xì)胞產(chǎn)率遠(yuǎn)低于反硝化菌，所以，厭氧氨氧化過程的污泥產(chǎn)量只有傳統(tǒng)生物脫氮工藝中污泥產(chǎn)量的15%左右，這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。

短程硝化-厭氧氨氧化工藝

這一過程其關(guān)鍵的一步是快速啟動短程硝化工藝且保持穩(wěn)定的運行效果，即在短程硝化反應(yīng)器中將氨氮的氧化控制并維持在亞硝態(tài)氮階段（即亞硝化階段）。通過調(diào)控和優(yōu)化溫度、水力停留時間、污泥齡、溶解氧（DO）、pH、游離氨（FA）等工作參數(shù)強化氨氧化菌（AOB）活性、抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，提高AOB純度和菌群競爭優(yōu)勢，可以實現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累。較低DO濃度、較高pH和較高FA濃度都有利于短程硝化過程。

短程反硝化-厭氧氨氧化工藝

這一過程的必要條件和關(guān)鍵步驟是其中的短程反硝化，因為如果沒有 NO2ˉ產(chǎn)生，就不可能發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)（簡化為NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O)，而在缺氧池中，又不存在好氧條件及其短程硝化（NH4+至NO2ˉ）來產(chǎn)生NO2ˉ，因此，只能以污水中的有機物作為電子供體，通過短程反硝化將回流污泥和內(nèi)回流硝化液中的NO3ˉ還原為NO2ˉ，同時利用來源于污水并過量存在于厭氧和缺氧池的NH4+，形成與促進(jìn)部分Anammox反應(yīng)過程。目前，短程反硝化耦合厭氧氨氧化技術(shù)在西安四污已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用！

彭永臻院士：短程反硝化或是城市污水厭氧氨氧化的研究方向

在第14屆水處理行業(yè)熱點技術(shù)論壇上舉辦了主題為“城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的提質(zhì)增效”和“城鎮(zhèn)污水處理新技術(shù)發(fā)展方向”的圓桌對話環(huán)節(jié)上，中國工程院院士、城鎮(zhèn)污水深度處理及資源化利用技術(shù)國家工程實驗室主任、北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)科首席教授彭永臻等進(jìn)行了多方面的討論，提出了各自獨到的見解。

彭永臻：首先我拋磚引玉，把近兩年對城市污水處理脫氮技術(shù)的一些想法分享給大家。目前城市污水脫氮技術(shù)發(fā)展得很快，但主流厭氧氨氧化應(yīng)用幾乎還是零。厭氧氨氧化技術(shù)主要有3個特點：一是附著性，厭氧氨氧化技術(shù)中存在的顆粒污泥和填料使得懸浮污泥很難進(jìn)行培養(yǎng)。二是該技術(shù)需要較高的溫度，32℃最好，低溫則不行。三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低溫、大水量等特點，而正因為這三個理由，厭氧氨氧化技術(shù)在城市污水處理應(yīng)用中受到了很大的阻礙。

但厭氧氨氧化技術(shù)也有其優(yōu)勢所在。目前主流城市污水脫氮技術(shù)存在一大難點，就是能耗高、消耗大。厭氧氨氧化可以把一半左右的氨氮氧化為亞硝酸根，然后在厭氧氨氧化作用下還原為氮氣，這對于城市污水處理的節(jié)能是非常有利的。眾所周知，新加坡的氣溫較高，很適用于厭氧氨氧化技術(shù)，但那里依舊有許多厭氧氨氧化技術(shù)工程被廢棄，可見該技術(shù)在城市污水處理中推廣難度之大。所以，將厭氧氨氧化技術(shù)徹底應(yīng)用于城市污水處理之中還任重道遠(yuǎn)。

最后談一下我們團隊正在研究的短程反硝化技術(shù)，這個技術(shù)對于未來厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用推廣十分重要。短程反硝化是將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的過程，在污水處理中，短程反硝化過程可以縮短厭氧氨氧化反應(yīng)時間，提高厭氧氨氧化的脫氮效率，同時減少有機碳源的需求。例如，A2O回流百分之百的污泥，內(nèi)循環(huán)后就是百分之二百，在缺氧厭氧條件下去除1毫升的氨氮，將伴隨去除1.32毫升的亞硝，亞硝把回流液中的硝酸氮還原為亞硝酸氮，這樣一共就能去除近8毫升的總氮，非?？捎^。因此從這個意義上來說，短程反硝化有可能是今后城市污水厭氧氨氧化的研究重點。