简析生物脱氮新机理在人工湿地中应用.pdf

中国建筑2013年技术交流会论文集 简析生物脱氮新机理在人工湿地中的应用 吴文伶 王珂 （中国建筑股份有限公司技术中心，北京，101300） 摘要:本文综述了人工湿地中除氮的传统路径和新型路径，包括氨化、硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧 氨氧化和全程自养脱氮等传统的和新型的脱氮方式，对生物脱氮的机理、优越性、影响因素，以及在人工 湿地中的应用现状进行分析，从而为采用新型脱氮路径，建立脱氮效果更好的人工湿地奠定基础。 关键词: 人工湿地、生物脱氮、硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮 0 前言 氮是水质控制的重要指标，氮污染也是引起湖泊、河流富营养化的重要原因之一。传 统的污水脱氮一般是通过硝化反硝化过程实现的，但这一过程需要大量曝气、额外投加有机 碳源和碱度，投资运行费用高，而且还会产生二次污染 [1]。继 Voet 首次提出短程硝化反硝 化后，Hippen 等提出了全程自养脱氮，这些新型的脱氮路径较传统的硝化反硝化相比，大 大缩短了反应时间，且减少了曝气和碳源用量，从而能够降低了脱氮运行成本 [2, 3] 。然而， 对于新型的脱氮路径采用何种工艺来实现，一直处于研究探索阶段，没有形成统一的共识和 成熟的工艺。 人工湿地是一种建设运行费用低、景观效果好的污水处理工艺，其中，在潜流型人工 湿地内部存在诸多好氧、厌氧的微环境，为新型脱氮路径的实现创造了有力条件。本文调查 综述了在人工湿地中发现新型脱氮路径的报导， 为进一步研究采用人工湿地技术实现新型脱 氮路径，从而提高脱氮效果、降低脱氮成本提供依据。 1. 人工湿地除氮传统路径 人工湿地污水中氮的去除主要包括植物吸收、氨挥发、介质吸附以及微生物的氨化、硝 化和反硝化作用（图 1） ，它的去除率与植物种类、pH 值、湿地系统的设计、基质材料类型、 植物根际环境、污水中可利用碳源等多种因素相关。许多研究表明，湿地中主要的去除氮的 机理是微生物作用，生物脱氮量占氮去除总量的 60%-86%[1, 4]。一直以来，普遍认为生物 脱氮主要包括氨化、硝化、反硝化以及微生物同化作用[4, 5]。 氨化是将有机氮转化成无机氮，尤其是氨氮的过程[4]。湿地中氨化速度与温度、pH 值、 系统供氧能力、C/N 比、系统中的营养物质以及基质材料和结构有关。温度升高 10 °C，氨 化速度提高 1 倍，氨化最佳 pH 值为 6.5-8.5，由于氨化与其他有机污染物的好氧降解竞争 氧气，因此湿地系统的供氧能力对氮的去除影响较大。 硝化是将铵根离子（ + 4 NH ）氧化成硝酸根（ − 3 NO ） ，是分两步完成的。第一步，化能 自养好氧型的亚硝化菌将铵态氮（ + 4 NH ）转化成亚硝酸盐氮（ − 2 NO ） （式 1） 。第二步，由 兼性化能自养的硝化菌将亚硝酸盐氮（ − 2 NO ）转化成硝酸盐氮（ − 3 NO ） （式 2）[5]。硝化 反应受温度、pH 值、溶解氧浓度、水的碱度等影响，最佳温度为 25-40 °C，最佳 pH 值为 7.0-8.6[4]。 O H H NO O2 2 2 4 2 5 . 1 NH + + → ++ − + （1） − − → + 3 2 2 5 . 0 NO NO O （2） 935 中国建筑2013年技术交流会论文集 反硝化是氧气耗尽后最先发生的缺氧反应，由异养微生物将硝酸盐氮（ − 3 NO ）还原为 分子氮（ 2N ）[5]。反硝化可以用反应式（3）表示。一般认为，硝酸盐氮转化为气态氮过 程包括硝酸盐氮（ − 3 NO ）转化为亚硝酸盐氮（ −2 NO ） ，再依次转变为一氧化氮（NO） 、一 氧化二氮（N2O） ，最后还原为氮气分子（N2） （图 1）。影响反硝化的因素主要有溶解氧浓度、 温度、pH 值和有机物质等。溶解氧浓度必须低于 0.3-0.5mg/L 时，才能保证硝酸盐氮的还 原作用。pH<4 时