什么是短程硝化和短程反硝化

在脱氮工艺中氨氮转化成氮气有很多的途径，也存在很多难以控制的中间过程及中间产物，恰恰是这些难控制的中间过程决定了最新的脱氮工艺的研究方向，本文将介绍一下短程硝化及短程反硝化的内容！

什么是短程硝化？

废水生物脱氮，一般由硝化和反硝化两个过程完成，而硝化过程分为氨氧化阶段和亚硝酸盐氧化阶段。这两个阶段分别由氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)独立催化完成。

第一阶段是在AOB的作用下，将氨氮NH3－N氧化为亚硝态氮NO2―N；而第二阶段是在NOB的作用下，将亚硝态氮NO2―N氧化为硝态氮NO3―N。

由于硝化反应是由两类生理特性完全不同的细菌独立催化完成的不同反应，所以需要通过适当控制条件，可以将硝化反应控制在NO2―N阶段，阻止NO2―N的进一步氧化，短程硝化的成功的标准就是系统中大量NO2-N累积！随后直接进行反硝化或者厌氧氨氧化，这就是为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）：在反硝化过程中，有机物提供电子供体，细菌将NO3ˉ还原为NO2ˉ，而不是直接将NO3ˉ还原为N2的过程，称为短程反硝化。反应式为：

3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O

2011年，彭永臻院士团队发现短程反硝化的特殊现象后，开展了长达10余年的机理研究，最终在世界范围内首次实现技术突破，并建立相关理论。

短程硝化与短程反硝化的应用

短程硝化和短程反硝化的应用主要是实现厌氧氨氧化过程中的亚硝酸盐氮产生，如图：

厌氧氨氧化是公认的最经济的脱氮技术之一。厌氧氨氧化Anammox是在无氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程：一是分解（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，两者以1:1的比例反应生成氮气，并把产生的能量以ATP的形式储存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力，利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质，并在这一过程中产生硝酸盐。

在这过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生氮气，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势，其曝气能耗只有传统工艺的55-60%；该工艺几乎无需碳源，如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%；厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时，由于厌氧氨氧化菌细胞产率远低于反硝化菌，所以，厌氧氨氧化过程的污泥产量只有传统生物脱氮工艺中污泥产量的15%左右，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。

短程硝化-厌氧氨氧化工艺

这一过程其关键的一步是快速启动短程硝化工艺且保持稳定的运行效果，即在短程硝化反应器中将氨氮的氧化控制并维持在亚硝态氮阶段（即亚硝化阶段）。通过调控和优化温度、水力停留时间、污泥龄、溶解氧（DO）、pH、游离氨（FA）等工作参数强化氨氧化菌（AOB）活性、抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性，提高AOB纯度和菌群竞争优势，可以实现亚硝态氮积累。较低DO浓度、较高pH和较高FA浓度都有利于短程硝化过程。

短程反硝化-厌氧氨氧化工艺

这一过程的必要条件和关键步骤是其中的短程反硝化，因为如果没有 NO2ˉ产生，就不可能发生厌氧氨氧化反应（简化为NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O)，而在缺氧池中，又不存在好氧条件及其短程硝化（NH4+至NO2ˉ）来产生NO2ˉ，因此，只能以污水中的有机物作为电子供体，通过短程反硝化将回流污泥和内回流硝化液中的NO3ˉ还原为NO2ˉ，同时利用来源于污水并过量存在于厌氧和缺氧池的NH4+，形成与促进部分Anammox反应过程。目前，短程反硝化耦合厌氧氨氧化技术在西安四污已经实现规模化应用！

彭永臻院士：短程反硝化或是城市污水厌氧氨氧化的研究方向

在第14届水处理行业热点技术论坛上举办了主题为“城镇污水处理行业的提质增效”和“城镇污水处理新技术发展方向”的圆桌对话环节上，中国工程院院士、城镇污水深度处理及资源化利用技术国家工程实验室主任、北京工业大学环境学科首席教授彭永臻等进行了多方面的讨论，提出了各自独到的见解。

彭永臻：首先我抛砖引玉，把近两年对城市污水处理脱氮技术的一些想法分享给大家。目前城市污水脱氮技术发展得很快，但主流厌氧氨氧化应用几乎还是零。厌氧氨氧化技术主要有3个特点：一是附着性，厌氧氨氧化技术中存在的颗粒污泥和填料使得悬浮污泥很难进行培养。二是该技术需要较高的温度，32℃最好，低温则不行。三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低温、大水量等特点，而正因为这三个理由，厌氧氨氧化技术在城市污水处理应用中受到了很大的阻碍。

但厌氧氨氧化技术也有其优势所在。目前主流城市污水脱氮技术存在一大难点，就是能耗高、消耗大。厌氧氨氧化可以把一半左右的氨氮氧化为亚硝酸根，然后在厌氧氨氧化作用下还原为氮气，这对于城市污水处理的节能是非常有利的。众所周知，新加坡的气温较高，很适用于厌氧氨氧化技术，但那里依旧有许多厌氧氨氧化技术工程被废弃，可见该技术在城市污水处理中推广难度之大。所以，将厌氧氨氧化技术彻底应用于城市污水处理之中还任重道远。

最后谈一下我们团队正在研究的短程反硝化技术，这个技术对于未来厌氧氨氧化技术的应用推广十分重要。短程反硝化是将硝酸盐还原为亚硝酸盐的过程，在污水处理中，短程反硝化过程可以缩短厌氧氨氧化反应时间，提高厌氧氨氧化的脱氮效率，同时减少有机碳源的需求。例如，A2O回流百分之百的污泥，内循环后就是百分之二百，在缺氧厌氧条件下去除1毫升的氨氮，将伴随去除1.32毫升的亚硝，亚硝把回流液中的硝酸氮还原为亚硝酸氮，这样一共就能去除近8毫升的总氮，非常可观。因此从这个意义上来说，短程反硝化有可能是今后城市污水厌氧氨氧化的研究重点。