導語：在脫氮工(gong)藝(yi)中(zhong)(zhong)(zhong)氨氮轉化成氮氣(qi)有(you)很(hen)多(duo)的(de)途徑，也存(cun)在很(hen)多(duo)難以控(kong)制的(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間過程及中(zhong)(zhong)(zhong)間產物(wu)，恰(qia)恰(qia)是這(zhe)些難控(kong)制的(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間過程決定了最新的(de)脫氮工(gong)藝(yi)的(de)研究方向，本文(wen)將介紹一(yi)下(xia)短程硝(xiao)化及短程反硝(xiao)化的(de)內容！

什么是短(duan)程(cheng)硝化？

廢水(shui)生(sheng)物脫氮，一般由硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)和(he)反硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)兩(liang)個過程(cheng)完(wan)成(cheng)，而硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)過程(cheng)分為氨(an)氧化(hua)(hua)(hua)階(jie)段和(he)亞硝(xiao)酸鹽氧化(hua)(hua)(hua)階(jie)段。這兩(liang)個階(jie)段分別由氨(an)氧化(hua)(hua)(hua)菌(jun)(AOB)和(he)亞硝(xiao)酸鹽氧化(hua)(hua)(hua)菌(jun)(NOB)獨立催化(hua)(hua)(hua)完(wan)成(cheng)。

第一階段(duan)是在(zai)AOB的作(zuo)(zuo)用(yong)下，將氨氮(dan)NH3－N氧化為(wei)亞硝態氮(dan)NO2―N；而第二階段(duan)是在(zai)NOB的作(zuo)(zuo)用(yong)下，將亞硝態氮(dan)NO2―N氧化為(wei)硝態氮(dan)NO3―N。

由于硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)反應(ying)是(shi)由兩(liang)類生理特性完(wan)全不同的細(xi)菌獨立催化(hua)(hua)(hua)完(wan)成的不同反應(ying)，所以(yi)需要(yao)通過適當(dang)控制(zhi)(zhi)條件(jian)，可以(yi)將(jiang)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)反應(ying)控制(zhi)(zhi)在NO2―N階段，阻(zu)止NO2―N的進一(yi)步氧化(hua)(hua)(hua)，短(duan)程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)的成功的標準就是(shi)系統中(zhong)大量(liang)NO2-N累積！隨后直接進行反硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)或者厭氧氨氧化(hua)(hua)(hua)，這就是(shi)為什(shen)么短(duan)程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)如此(ci)重要(yao)的原(yuan)因！ 

什(shen)么是(shi)短程反硝(xiao)化？

短(duan)程反硝化（partial denitrification）：在反硝化過程中，有機物(wu)提(ti)供電子供體，細菌將NO3ˉ還(huan)原為(wei)NO2ˉ，而不是(shi)直接將NO3ˉ還(huan)原為(wei)N2的過程，稱為(wei)短(duan)程反硝化。反應式為(wei)：

3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O

2011年，彭永臻院士團隊發現(xian)短程(cheng)反(fan)硝化的特殊現(xian)象(xiang)后(hou)，開展了(le)長達10余(yu)年的機理研(yan)究(jiu)，最終(zhong)在世界(jie)范圍內首次(ci)實現(xian)技術(shu)突破，并建立(li)相關理論。

▲短程(cheng)反(fan)硝(xiao)化發展(zhan)歷程(cheng)

短程硝化與短程反硝化的(de)應用

短(duan)(duan)程(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)和短(duan)(duan)程(cheng)反硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)的應用主要是(shi)實現厭氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)的亞硝(xiao)(xiao)酸鹽氮產生，如圖(tu)：

厭氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)是(shi)(shi)公認的(de)(de)最經濟的(de)(de)脫氮技術之(zhi)一(yi)(yi)。厭氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)Anammox是(shi)(shi)在(zai)無氧(yang)(yang)(yang)條件下(xia)，以(yi)氨(an)為(wei)(wei)電(dian)子供(gong)體(ti)(ti)、亞硝(xiao)酸(suan)為(wei)(wei)電(dian)子受(shou)體(ti)(ti)，產(chan)生(sheng)(sheng)氮氣和硝(xiao)酸(suan)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物反應。Anammox包(bao)括兩個(ge)過程：一(yi)(yi)是(shi)(shi)分(fen)解(jie)(jie)（產(chan)能(neng)）代謝(xie)，即以(yi)氨(an)為(wei)(wei)電(dian)子供(gong)體(ti)(ti)，亞硝(xiao)酸(suan)鹽為(wei)(wei)電(dian)子受(shou)體(ti)(ti)，兩者以(yi)1:1的(de)(de)比例反應生(sheng)(sheng)成氮氣，并把(ba)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)能(neng)量以(yi)ATP的(de)(de)形(xing)式儲存起來；二是(shi)(shi)合(he)成代謝(xie)，即以(yi)亞硝(xiao)酸(suan)鹽為(wei)(wei)電(dian)子受(shou)體(ti)(ti)提供(gong)還原(yuan)力，利用碳(tan)源(yuan)二氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)以(yi)及分(fen)解(jie)(jie)代謝(xie)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)ATP合(he)成細胞物質，并在(zai)這一(yi)(yi)過程中產(chan)生(sheng)(sheng)硝(xiao)酸(suan)鹽。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol

在這過(guo)程中(zhong)，大約89%的(de)(de)無機氮(dan)都將被轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)產(chan)(chan)生氮(dan)氣，另(ling)外11%的(de)(de)無機氮(dan)被轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)為硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽氮(dan)，與傳(chuan)統硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)相比，厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)有著巨大的(de)(de)技術(shu)優(you)勢，其(qi)曝氣能(neng)耗(hao)只有傳(chuan)統工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)的(de)(de)55-60%；該工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)幾乎無需碳(tan)(tan)源，如果為了去(qu)除硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽產(chan)(chan)物(wu)需要在厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)過(guo)程中(zhong)投加碳(tan)(tan)源，其(qi)投加量(liang)也比傳(chuan)統工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)中(zhong)碳(tan)(tan)源投加量(liang)降(jiang)(jiang)低90%；厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)可以減少45%堿度(du)消耗(hao)量(liang)。同時，由(you)于(yu)厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)菌細胞(bao)產(chan)(chan)率遠(yuan)低于(yu)反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)菌，所以，厭(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)過(guo)程的(de)(de)污泥(ni)產(chan)(chan)量(liang)只有傳(chuan)統生物(wu)脫氮(dan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)中(zhong)污泥(ni)產(chan)(chan)量(liang)的(de)(de)15%左右(you)，這將顯著降(jiang)(jiang)低剩余污泥(ni)的(de)(de)處理和(he)處置(zhi)成本。

短(duan)程(cheng)硝(xiao)化-厭氧(yang)氨氧(yang)化工藝(yi)

這一過(guo)程(cheng)其關鍵(jian)的(de)一步是快(kuai)速啟(qi)動(dong)短程(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)工藝且保持穩定(ding)的(de)運(yun)行(xing)效果，即在短程(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)反(fan)應(ying)器中將氨(an)氮(dan)(dan)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)控制(zhi)并(bing)維持在亞(ya)(ya)硝(xiao)(xiao)態氮(dan)(dan)階(jie)段(duan)（即亞(ya)(ya)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)階(jie)段(duan)）。通過(guo)調(diao)控和優化(hua)(hua)(hua)溫度、水力停留時(shi)間、污(wu)泥(ni)齡、溶解氧（DO）、pH、游離氨(an)（FA）等(deng)工作參數強化(hua)(hua)(hua)氨(an)氧化(hua)(hua)(hua)菌(jun)（AOB）活(huo)性(xing)、抑(yi)制(zhi)亞(ya)(ya)硝(xiao)(xiao)酸鹽氧化(hua)(hua)(hua)菌(jun)（NOB）活(huo)性(xing)，提高AOB純度和菌(jun)群競(jing)爭優勢，可以實現亞(ya)(ya)硝(xiao)(xiao)態氮(dan)(dan)積累。較(jiao)(jiao)低(di)DO濃度、較(jiao)(jiao)高pH和較(jiao)(jiao)高FA濃度都有利于短程(cheng)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)過(guo)程(cheng)。

短程反(fan)硝化-厭氧氨(an)氧化工藝(yi)

這一過程(cheng)的(de)必要(yao)條件和關鍵步驟是其中(zhong)的(de)短(duan)(duan)程(cheng)反硝(xiao)化(hua)(hua)，因為如果沒有 NO2ˉ產生，就(jiu)不可能發(fa)生厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)反應(ying)（簡化(hua)(hua)為NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O)，而(er)在(zai)(zai)缺(que)氧(yang)(yang)池(chi)中(zhong)，又不存(cun)在(zai)(zai)好氧(yang)(yang)條件及(ji)其短(duan)(duan)程(cheng)硝(xiao)化(hua)(hua)（NH4+至NO2ˉ）來產生NO2ˉ，因此，只能以(yi)污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)的(de)有機物(wu)作為電子供體，通(tong)過短(duan)(duan)程(cheng)反硝(xiao)化(hua)(hua)將(jiang)回(hui)流(liu)污(wu)泥(ni)和內(nei)回(hui)流(liu)硝(xiao)化(hua)(hua)液中(zhong)的(de)NO3ˉ還原為NO2ˉ，同(tong)時利用(yong)來源于污(wu)水(shui)(shui)并過量存(cun)在(zai)(zai)于厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)和缺(que)氧(yang)(yang)池(chi)的(de)NH4+，形成與(yu)促(cu)進部分Anammox反應(ying)過程(cheng)。目前(qian)，短(duan)(duan)程(cheng)反硝(xiao)化(hua)(hua)耦合(he)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技術在(zai)(zai)西安四污(wu)已(yi)經實現規模化(hua)(hua)應(ying)用(yong)！

短程反硝化或是城市污(wu)水厭氧氨氧化的研(yan)究方向

在第14屆(jie)水處(chu)理行(xing)業熱點技(ji)(ji)術論壇上(shang)舉辦了(le)主題為(wei)“城(cheng)鎮(zhen)污(wu)水處(chu)理行(xing)業的(de)提(ti)質增效”和“城(cheng)鎮(zhen)污(wu)水處(chu)理新技(ji)(ji)術發(fa)展(zhan)方(fang)向”的(de)圓(yuan)桌對話環節上(shang)，中(zhong)國工(gong)程(cheng)院院士(shi)、城(cheng)鎮(zhen)污(wu)水深度(du)處(chu)理及資源化利用技(ji)(ji)術國家工(gong)程(cheng)實驗室主任、北京工(gong)業大(da)學(xue)環境學(xue)科(ke)首席教授彭永臻等進行(xing)了(le)多方(fang)面的(de)討論，提(ti)出了(le)各自獨到的(de)見解。

彭(peng)永(yong)臻院士

彭永臻(zhen)：首(shou)先我拋磚引(yin)玉(yu)，把近兩年對城(cheng)市(shi)污水(shui)處(chu)理(li)脫(tuo)氮(dan)技(ji)術的(de)一些(xie)想(xiang)法分(fen)享給(gei)大家。目前城(cheng)市(shi)污水(shui)脫(tuo)氮(dan)技(ji)術發展得很快，但主(zhu)流厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)應用(yong)幾乎還是(shi)零。厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)技(ji)術主(zhu)要有3個特點：一是(shi)附(fu)著性，厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)技(ji)術中存在(zai)的(de)顆(ke)粒污泥(ni)和填料使得懸浮污泥(ni)很難進行培(pei)養。二是(shi)該技(ji)術需要較高的(de)溫(wen)度(du)，32℃最好，低溫(wen)則不行。三是(shi)增殖速度(du)非常(chang)慢(man)。城(cheng)市(shi)污水(shui)一般存在(zai)低氨氮(dan)、低溫(wen)、大水(shui)量等特點，而正因為這三個理(li)由，厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)技(ji)術在(zai)城(cheng)市(shi)污水(shui)處(chu)理(li)應用(yong)中受到(dao)了很大的(de)阻礙。

但(dan)厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)也有其優勢所(suo)在(zai)。目(mu)前主流城(cheng)(cheng)市(shi)污水(shui)脫氮(dan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)存在(zai)一(yi)大難(nan)(nan)點(dian)，就是(shi)(shi)能(neng)耗高(gao)、消(xiao)耗大。厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)可(ke)以把一(yi)半左右的(de)氨(an)(an)氮(dan)氧(yang)化(hua)為亞硝酸(suan)根，然(ran)后(hou)在(zai)厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)作用(yong)下(xia)還原(yuan)為氮(dan)氣，這對于(yu)(yu)城(cheng)(cheng)市(shi)污水(shui)處理的(de)節能(neng)是(shi)(shi)非常有利的(de)。眾(zhong)所(suo)周知，新(xin)加坡的(de)氣溫較高(gao)，很適用(yong)于(yu)(yu)厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，但(dan)那(nei)里依舊有許多厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)工程(cheng)被廢(fei)棄，可(ke)見該技(ji)(ji)術(shu)(shu)在(zai)城(cheng)(cheng)市(shi)污水(shui)處理中推廣難(nan)(nan)度之(zhi)大。所(suo)以，將(jiang)厭(yan)(yan)(yan)(yan)氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)徹底應用(yong)于(yu)(yu)城(cheng)(cheng)市(shi)污水(shui)處理之(zhi)中還任重道(dao)遠(yuan)。

最后談(tan)一下我(wo)們(men)團隊正(zheng)在(zai)(zai)研究(jiu)的(de)(de)短程反(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化技術，這(zhe)個技術對(dui)于未來(lai)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化技術的(de)(de)應(ying)用推廣十分(fen)重要。短程反(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化是將硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸鹽還原為亞(ya)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸鹽的(de)(de)過程，在(zai)(zai)污(wu)水處理中，短程反(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化過程可以縮短厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化反(fan)應(ying)時間(jian)，提高厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化的(de)(de)脫氮(dan)效(xiao)率，同時減少有機碳源的(de)(de)需求。例如，A2O回流(liu)百(bai)(bai)分(fen)之百(bai)(bai)的(de)(de)污(wu)泥，內循環后就(jiu)是百(bai)(bai)分(fen)之二(er)百(bai)(bai)，在(zai)(zai)缺氧(yang)(yang)(yang)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)條(tiao)件下去除1毫(hao)(hao)升(sheng)(sheng)的(de)(de)氨氮(dan)，將伴隨去除1.32毫(hao)(hao)升(sheng)(sheng)的(de)(de)亞(ya)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)，亞(ya)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)把回流(liu)液中的(de)(de)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸氮(dan)還原為亞(ya)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸氮(dan)，這(zhe)樣一共就(jiu)能去除近8毫(hao)(hao)升(sheng)(sheng)的(de)(de)總氮(dan)，非常可觀(guan)。因此從這(zhe)個意義上來(lai)說，短程反(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化有可能是今后城市污(wu)水厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化的(de)(de)研究(jiu)重點。

聲明：本文(wen)轉自(zi)環保工程師，本文(wen)版權歸(gui)原作者(zhe)所有，不代(dai)表(biao)本網(wang)站(zhan)觀點，僅供(gong)學習(xi)交流之用(yong)，不做商業用(yong)途。如文(wen)中的內容、圖片、音頻、視頻等存在第三方的在先知識產權，請及時聯(lian)系我們刪除。