【正文】 0年代初開創(chuàng)的工藝流程，其主要特點(diǎn)是將反硝化反應(yīng)器放置在系統(tǒng)之首，故又稱為前置反硝化生物脫氮系統(tǒng)。該工藝的特點(diǎn)是，原污水先進(jìn)入缺氧池，再進(jìn)入好氧池，并將好氧池的混合液與沉淀池的污泥同時(shí)回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保證了缺氧池和好氧池中有足夠數(shù)量的微生物并使缺氧池得到好氧池中硝化產(chǎn)生的硝酸鹽。而原污水和混合液的直接進(jìn)入，又為缺氧池反硝化提供了充足的碳源有機(jī)物，使反硝化反應(yīng)能在缺氧池中得以進(jìn)行。反硝化反應(yīng)后的出水又可在好氧池中進(jìn)行BOD5的進(jìn)一步降解和硝化作用，反硝化中生成的堿度可補(bǔ)償硝化反應(yīng)消耗的堿度的一半左右。該工藝流程比較簡(jiǎn)單，裝置少，勿需外加碳源，因此，基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用均較低，但要求污水中有一定的BOD5/TKN比。但由于處理出水來(lái)自硝化反應(yīng)器，因此，處理出水中含有一定濃度的硝酸鹽，如果沉淀池運(yùn)行不當(dāng)，在沉淀池內(nèi)還會(huì)發(fā)生反硝化現(xiàn)象，污泥上浮，處理水質(zhì)惡化。內(nèi)循環(huán)液來(lái)自曝氣池（硝化池）含有一定的溶解氧，使反硝化池難于保持理想的缺氧狀態(tài)，影響反硝化進(jìn)程，一般反硝化脫氮率很難達(dá)到90%。另外，如欲提高脫氮率，必須加大內(nèi)循環(huán)比RN，使運(yùn)行費(fèi)用增高。原污水BOD去除、硝化反應(yīng)反應(yīng)器(好氧)反硝化反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)（硝化液回流）回流污泥堿沉淀池處理水缺氧－好氧活性污泥脫氮系統(tǒng)⑶ 生物膜法脫氮工藝傳統(tǒng)利用生物膜法的脫氮工藝大都是利用硝化和反硝化分隔開來(lái)的系統(tǒng)，即硝化段始終保持好氧、反硝化段始終保持缺氧，以進(jìn)行反硝化脫氮。生物膜反應(yīng)器可采用生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床等形式。但，反硝化階段仍然需要較高的C/N比。如德國(guó)漢堡的Ahrensburg 污水處理廠對(duì)生物濾池的反硝化作用作了研究。當(dāng)反硝化生物濾池的進(jìn)水底物濃度大于240mg/L、硝態(tài)氮濃度大于40mg/L時(shí)，濾池的表面負(fù)荷可達(dá)380gNO3N/（m3d）；當(dāng)進(jìn)水的底物濃度小于110mg/L時(shí)，反硝化作用停止。因此，生物濾池的反硝化效果與進(jìn)水中C/N比有關(guān)，若要達(dá)到完全反硝化，C/N（COD/N）大于12～14。因此，現(xiàn)有的污水生物脫氮技術(shù)往往存在以下的問題。l 硝化菌群生長(zhǎng)緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)，為維持混合培養(yǎng)的活性污泥系統(tǒng)中較高硝化菌濃度，所需要泥齡很長(zhǎng)。l 對(duì)于一些有機(jī)碳缺乏的污水必須補(bǔ)充碳源。出水中剩余有機(jī)物，還需要進(jìn)行再曝氣處理，增加能耗。l 硝化過程是在有氧條件下完成的，需要大量的能耗。l 為中和硝化過程中產(chǎn)生的酸度，需加堿中和?？梢娮铌P(guān)鍵的問題是能耗問題和碳源問題。如前所述，理論上將1gNO3N轉(zhuǎn)化為N2需要碳源有機(jī)物（以BOD5表示）。一般認(rèn)為，當(dāng)污水的BOD/TKN值大于4～6時(shí)，可認(rèn)為碳源充足，不須另外投加碳源，反之則應(yīng)投加甲醇或其他易降解的有機(jī)物作為碳源。在單級(jí)活性污泥系統(tǒng)－缺氧池前置反硝化（A/O）工藝中，C/N需求高達(dá)8，這是因?yàn)槌鞘形鬯谐煞謴?fù)雜，常常只有一部分快速生物降解的BOD可以利用作為反硝化的碳源物質(zhì)。 方案二：短程硝化反硝化生物脫氮工藝短程硝化反硝化生物脫氮是將生物脫氮過程中的硝化過程控制在亞硝酸階段，阻止亞硝酸鹽進(jìn)一步向硝酸鹽轉(zhuǎn)化，然后直接進(jìn)行反硝化，經(jīng)由NH4+→NO2→N2途徑實(shí)現(xiàn)脫氮。目前已知的化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌均不能將氨完全氧化成硝酸鹽，因此自然界中氨的硝化作用是兩類不同細(xì)菌的連續(xù)作用結(jié)果。第一步：在亞硝化菌的作用下，使氨（NH3）轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，由一種氨單加氧酶參與并以NADH為電子供體。氨氧化的第一個(gè)產(chǎn)物是羥胺（NH2OH），并且不產(chǎn)生能量（實(shí)際上能量都用于氧化NADH）。NH3 + O2 + 2e + 2H+ NH2OH + H2O接著羥胺被氧化為亞硝酸鹽，通過一種細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子再經(jīng)氧化磷酸化而形成ATP。NH2OH + H2O + NO2 + H+ + H2O總反應(yīng)式： NH3 + NO2 + H+ + H2O = 287kJ/反應(yīng)總反應(yīng)中。第二步：在硝酸細(xì)菌的作用下，將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。該反應(yīng)由一種亞硝酸氧化酶系統(tǒng)來(lái)參與進(jìn)行，電子經(jīng)過細(xì)胞色素傳遞給O2，再通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。NO2 + NO3 = 76kJ/反應(yīng)這一反應(yīng)中。以上合計(jì)。從兩類硝化細(xì)菌的生理特性上看，雖然亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌，具有許多共性，如均是化能自養(yǎng)菌，革蘭氏染色陰性，不生芽孢的短桿狀細(xì)菌，生理活動(dòng)都不需要有機(jī)性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從CO2獲取碳源，從無(wú)機(jī)物的氧化中獲取能量等，但仍存在差異，如亞硝酸細(xì)菌只利用自由能的5～14%，硝酸細(xì)菌只利用5～10%等。特征差異見表53。表53 硝化菌的特征項(xiàng)目亞硝酸菌硝酸菌細(xì)胞形狀橢球或棒狀橢球或棒狀細(xì)胞尺寸(μm)1～～1格蘭氏染色陰性陰性世代期(h)8～3612～59需氧性嚴(yán)格好氧嚴(yán)格好氧最大比增長(zhǎng)速率～～產(chǎn)率系數(shù)～～飽和常數(shù)～～可見，氨氧化由兩類獨(dú)立的細(xì)菌催化完成，分兩個(gè)不同反應(yīng)，應(yīng)該可以分開，并且根據(jù)兩類菌不同的生理特性可以將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，實(shí)現(xiàn)亞硝化。反硝化作用：無(wú)論是NO2還是NO3，反硝化菌均可作為最終受氫體，反應(yīng)式可簡(jiǎn)單的用下式表示：NO3 + 5H(電子供體有機(jī)物) →　1/2N2↑ + 2H2O + OH NO2 + 3H(電子供體有機(jī)物) →　1/2N2↑ + H2O + OH污水中含碳有機(jī)物作為反硝化過程中的電子供體，由上式可知，轉(zhuǎn)化1gNO2N為N2，需有機(jī)物（以BOD表示），轉(zhuǎn)化1gNO3N為N2，需有機(jī)物（以BOD表示）。（以CaCO3計(jì)）。從上述生物脫氮過程的分析中可以看出，整個(gè)生物脫氮過程可以通過以下途徑完成：NH4+　 → NO2　　→ 　N2│────────│────────│亞硝化階段 反硝化階段該脫氮工藝，稱之為短程硝化反硝化生物脫氮。與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，短程硝化反硝化生物脫氮由于省卻了NO3－NO2的過程，反硝化階段可以節(jié)約40%左右的碳源。即當(dāng)污水的BOD/～，即可基本滿足系統(tǒng)對(duì)碳氮比的需求?？蛇m用于包括上述城市生活污水在內(nèi)的一些低碳氮比污水的處理。此外短程硝化反硝化工藝在硝化階段可減少25%左右的需氧量，降低了能耗。由于縮短了反應(yīng)歷程，所以反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)器容積可減少30%～40%左右，也增大了硝化和反硝化速率（N02的反硝化速率通常比N03的反硝化速率高63%左右）。剩余污泥產(chǎn)量減少（硝化過程可少產(chǎn)污泥33%～35%左右， 反硝化過程中可少產(chǎn)污泥55%左右）。一般，城市生活污水廠一半費(fèi)用用于剩余污泥處理，減少剩余污泥量十分重要。在處理低碳氮比、高氨氮污水的過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，說(shuō)明對(duì)于低碳氮比、高氨氮的污水來(lái)說(shuō)較易實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。因此，對(duì)許多低碳氮比、高氨氮的污水（如焦化和石化污水，污泥消化池出水及垃圾填埋滲濾水，甚至城市集中污水處理廠的生活污水等）的生物脫氮處理，短程硝化反硝化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 方案三：同步硝化反硝化工藝生物脫氮技術(shù)在概念和工藝上的發(fā)展還有同步硝化反硝化生物脫氮和厭氧氨氧化生物脫氮。⑴　同步硝化反硝化生物脫氮（simultaneous nitrificationdenitrification）① 同步硝化反硝化機(jī)理同步硝化反硝化機(jī)理的研究主要基于微環(huán)境理論和好氧反硝化菌理論：a. 微環(huán)境理論：微生物個(gè)體所處的環(huán)境是微小的，從空間角度看影響微生物個(gè)體生存狀態(tài)的環(huán)境是微環(huán)境。微環(huán)境直接決定微生物個(gè)體的活動(dòng)狀態(tài)，而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的急劇變化和不均勻分布，從而影響微生物群體的話動(dòng)狀態(tài)。在活性污泥中，有機(jī)物和電子受體(溶解氧，硝態(tài)氮)的傳質(zhì)特性，菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征，各類微生物的分布和活動(dòng)狀態(tài)等決定了各類環(huán)境的分布狀況。氧傳遞和硝態(tài)氮傳遞的不均勻性，使曝氣狀態(tài)下菌膠團(tuán)內(nèi)也可存在一定比例的缺氧微環(huán)境。因此在曝氣狀態(tài)下也可以出現(xiàn)某種程度的反硝化，即同步反硝化現(xiàn)象。b. 好氧反硝化菌理論最近有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，許多異養(yǎng)型硝化細(xì)菌能進(jìn)行好氧反硝化反應(yīng)，在產(chǎn)生NO2 和NO3 的過程中將這些產(chǎn)物還原。異養(yǎng)硝化、好氧反硝化細(xì)菌Thiosphaera pantotropha能夠把NH4+氧化成NO2，爾后通過反硝化途徑將NO2 (與外界提供的NO2和NO3一起)還原。盡管異養(yǎng)型硝化細(xì)菌的硝化速率低于自養(yǎng)型硝化細(xì)菌，Castignetti等(1980)試驗(yàn)證實(shí)，異養(yǎng)型氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生的NO2已足以支持Nitrobacter生長(zhǎng)。如果異養(yǎng)型硝化細(xì)菌的生物量達(dá)自養(yǎng)型硝化細(xì)菌的20～50倍，前者的總硝化速率完全可與后者相匹敵。且已有研究者發(fā)現(xiàn)在很多的生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)型硝化細(xì)菌還比自養(yǎng)菌占有優(yōu)勢(shì)。② 同步硝化反硝化工藝a. 活性污泥同步硝化反硝化生物脫氮活性污泥生物脫氮主要是利用污泥絮體內(nèi)存在溶解氧的濃度梯度實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化和反硝化。1985年Rittmann和Langelaud在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功實(shí)現(xiàn)了同時(shí)硝化和反硝化，并且通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)反硝化反應(yīng)可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。氧化溝的操作非常簡(jiǎn)單，只要控制好充氧速率，就可以達(dá)到在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行硝化、反硝化及除碳的目的。但由于系統(tǒng)內(nèi)DO較低(＜)，因此硝化及BOD去除速率均不高。而且由于硝化細(xì)菌的世代期長(zhǎng)，反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的條件限制了活性污泥同步硝化反硝化脫氮效率。b. 在生物膜法中利用同步硝化反硝化生物脫氮在生物膜處理法中，生物固體的平均停留時(shí)間與污水的停留時(shí)間無(wú)關(guān)，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(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式，還可能具有反硝化脫氮的功能。1978年Ishiguro等人在用單一的生物轉(zhuǎn)盤（RBC）處理垃圾衛(wèi)生填埋滲濾液時(shí)，發(fā)現(xiàn)氮的減少。通過對(duì)所形成的生物膜性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，在生物膜中同時(shí)存在著硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。當(dāng)氧向生物膜內(nèi)傳遞的速率下降到足以在其中形成一個(gè)微氧(Micro—aerobic)環(huán)境時(shí)，反硝化菌即具有反硝化活力，也就是說(shuō)通過在生物膜內(nèi)為硝化菌和反硝化菌創(chuàng)造各自適宜的生長(zhǎng)條件，可以在單一的RBC中實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化和反硝化，在好氧的RBC中氮的去除效率除了與氣相中氧分壓有關(guān)外，還取決于水溫、水力停留時(shí)間和進(jìn)水中有機(jī)物與氨氮的比例。對(duì)硝化反硝化生物濾池脫氮效率的研究中發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)曝氣量的實(shí)時(shí)控制，～3mg O2/L內(nèi)，使濾池內(nèi)微生物菌群始終處于最佳運(yùn)行情況，出水總氮小于20mg TN/L。并可減少50%的曝氣量，無(wú)需外加碳源，幾乎不需要污泥回流。c. 固定化微生物同步生物脫氮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(shí)間和空間上統(tǒng)一，脫氮效果差，因此，開發(fā)了將硝化菌和反硝化菌混合固定的單級(jí)生物脫氮技術(shù)。利用固定化微生物技術(shù)強(qiáng)化生物脫氮，在日本已有將該技術(shù)用于處理能力為11300m3/d的工業(yè)裝置。根據(jù)包埋方式和碳源供給方式可分為分層包埋、混合包埋和碳源循環(huán)單級(jí)生物脫氮等三種工藝。有研究者在利用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(shí)硝化和反硝化的可行性及其脫氮特性。結(jié)果表明，硝化菌和反硝化菌混合固定時(shí)，由于載體內(nèi)部形成了適合硝化和反硝化的環(huán)境，可以在好氧條件下同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化，實(shí)現(xiàn)單級(jí)生物脫氮。(m3d)，硝化菌和反硝化菌混合固定后對(duì)溫度的敏感性減小，并且在較寬的溶解氧范圍內(nèi)(2～6mg/L)保持穩(wěn)定的脫氮速率，具有良好的應(yīng)用前景。同步硝化反硝化解決了傳統(tǒng)脫氮工藝中構(gòu)筑物過多的問題，降低了基建成本；但仍然需要較高的C/N 比，并且系統(tǒng)內(nèi)較低的溶解氧濃度，使系統(tǒng)內(nèi)硝化及BOD去除速率均不高。但如果通過調(diào)控營(yíng)養(yǎng)配比、DO濃度等控制生物硝化反硝化，實(shí)現(xiàn)在經(jīng)NO2途徑的同步硝化反硝化，則可同時(shí)具備上述兩種脫氮工藝的優(yōu)點(diǎn)。 方案四：厭氧氨氧化脫氮荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Mulder等(1995)在研究脫氮流化床反應(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn)，氨也可在缺氧條件下消失，由于氨的消失與硝酸的消失同時(shí)發(fā)生且成正相關(guān)，故認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)存在如下反應(yīng)：5NH4+ + 3NO3 → 4N2 + 9H2O + 2H+ –297 kJ/molNH4+NH4+ + NO2 →　N2 + 2H2O 358 kJ/molNH4+該反應(yīng)是一個(gè)釋能反應(yīng)，理論上可為細(xì)菌的生長(zhǎng)提供能量，并稱之為厭氧氨生物氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation， 簡(jiǎn)稱Anammox)。Vandegraaf等(1996)則進(jìn)一步證實(shí)Anammox是一個(gè)微生物學(xué)過程。Vandegraaf等指出，在厭氧分批培養(yǎng)中，氨與硝酸鹽被同時(shí)轉(zhuǎn)化，僅有微量的亞硝酸積累。一旦硝酸鹽耗盡，氨的轉(zhuǎn)化也即停止。補(bǔ)加硝酸鹽后，氨的氧化馬上恢復(fù)。Jetten、Strous等人發(fā)現(xiàn)Anammox反應(yīng)器中70%為一種形態(tài)的微生物，并根據(jù)16S RNA分析提出這種在Anammox反應(yīng)器中起主要作用的菌株是Brocadia Anammoxidans屬于Planctomycetales屬。并且認(rèn)為該菌同時(shí)具有將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的功能。Jetten等人在利用Anammox流化床反應(yīng)器處理污泥消化池出水時(shí)， Ntot/ Ntot/。但由于亞硝酸鹽的限制始終無(wú)法達(dá)到最大處理效果，而若原水采用人工配制污水則負(fù)荷可達(dá)5kg Ntot/。對(duì)厭氧氨氧化菌的研究過程中也發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化速率與細(xì)胞(污泥)濃度成正相關(guān)，用同位素示蹤證明厭氧氨氧化的主要產(chǎn)物為N2，在運(yùn)行厭氧氨氧化流化床反應(yīng)器的過程中還發(fā)現(xiàn)操作不當(dāng)而使該反應(yīng)器充氧后，厭氧氨氧化菌能將氨氧化成亞硝酸。這個(gè)現(xiàn)象不僅表明氧對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)有很大的影響，同時(shí)也說(shuō)明在好氧狀態(tài)下厭氧氨氧化混培物具有通常的好氧氨氧化能力。在對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌與好氧氨氧化菌，特別是兩種混培物之間具有許多共性。厭氧氨氧化菌混培物能利用氨和羥胺為基質(zhì)消耗氧，也能將基質(zhì)氨和羥胺轉(zhuǎn)化為亞硝酸。特別是抑制氨氧化的抑制劑烯丙基硫脲和聯(lián)氨也能抑制厭氧氨氧化菌對(duì)氨的氧化。由此