短程硝化反硝化生物脫氮工藝因其經濟有效性，越來越受到工程實踐者的青睞。短程硝化反硝化最先應用于消化污泥脫水上清液、垃圾滲濾液等含高濃度氨氮廢水的生物脫氮，近些年也有應用于市政污水的研究報道。短程硝化反硝化可以通過優化反應器運行條件，使氨氧化菌(AOB) 在系統中占據優勢而獲得，即在系統中完全去除或抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB) 。可見，實現短程硝化反硝化的關鍵是將硝化控制在生成亞硝酸鹽階段，阻止亞硝酸鹽的進一步氧化。

另一方面，鑒于溫室氣體(GHG) 的排放與全球氣候變暖有直接關系，這也促使污水處理產業向著低碳排放量的全新運行模式發展。由于N2O 的溫室氣體效應是CO2的300 倍以上，因此，在生物脫氮工藝中應當盡量限制或避免N2O 的釋放。生物脫氮工藝中常見的微生物菌群有AOB、NOB 和異養反硝化細菌，它們均可以在不同的條件下通過不同代謝途徑產生N2O。N2O 是異養反硝化過程的中間產物，在碳源缺乏和N2O 還原酶受到抑制的情況下容易產生N2O 的積累。有學者提出了關于AOB 生成N2O 的兩條途徑: 一是化學自氧化和羥胺(NH2OH) 的化學反硝化過程; 另一個是生物反硝化，NO2-被依次還原成NO 和N2O。第2 種途徑與傳統的化能異養型反硝化最大的不同在于其電子供體不是有機物，而是NH4+、NH2OH 或H2。由Shiskowski等人提出的低DO 條件下污泥硝化過程中N2O 釋放的簡化模型，已經被研究者廣泛認可。然而，在AOB 的基因組編碼中并未發現可以將N2O還原成N2的N2O 還原酶。

有證據表明在污水處理廠中，當DO 受到限制甚至缺氧時，反硝化過程會釋放大量的N2O。而亞硝酸鹽的大量積累直接誘導或強化了AOB 在低溶解氧條件下N2O 的釋放。對不同污水處理廠中N2O 釋放的監測過程表明，N2O 的釋放與亞硝酸鹽的積累呈現正相關關系。因此，采用CSTR 工藝或者SBR 工藝的短程硝化反硝化過程會產生大量的N2O。Kampschreur 等人在生產性CSTR 短程硝化試驗裝置中監測到釋放的N2O 占到總氨氮氧化量的3%。Gustavsson 等人在利用SBR 短程硝化工藝處理污泥脫水上清液的過程中，N2O 釋放量達到總氨氮氧化量的4．1%。因此，開展短程硝化反硝化反應器運行策略的研究以減少N2O 的釋放勢在必行。

威立雅水務研發了一種新型的SBR 短程硝化反硝化工藝——ANITATM Shunt，它通過獨特的控制系統可以將脫氮過程控制在短程硝化反硝化階段，而無需對溫度有特殊要求或限制N2O 釋放。筆者采用該工藝處理厭氧消化污泥脫水上清液，對亞硝酸鹽積累和N2O 釋放之間的關系進行了深入研究。

1 試驗材料與方法

1. 1 SBR 中試反應器

在法國Epernay 污水處理廠建造了處理中溫厭氧消化污泥脫水上清液的SBR 短程硝化反硝化中試裝置。SBR 反應器容積為500 L(直徑: 0．65 m，高: 1．80 m) ，在20～25 ℃下運行(沒有外部加熱系統) 。通過在線傳感器來測量NH4+-N、NO3--N、NO2--N、DO、pH 值、ORP 和溫度。FNA(HNO2) 濃度根據在線實時測量的pH 值、溫度和NO2--N濃度經計算得到。

反應器安裝有酸(HCl) 和堿(NaOH) 投加設備，必要時對pH 值進行調控。在曝氣階段，溶解氧控制在0．5～1．0 mg/L。通過流量控制器對空氣流量進行測量，采用電磁流量計對進水量進行測定。所有設備和傳感器均由與PLC 系統相連的計算機控制。

消化污泥脫水上清液的水質見表1。

 1. 2 分析項目及方法

對上清液中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P 和溶解性COD 進行日常分析，MLSS 和VSS 采用APHA 方法進行測定。為了準確和連續地測量N2O 的釋放量，反應器采用頂部封閉形式。產生的氣體被連續、定量(30L/h) 地輸送到無色散紅外分析儀進行成分分析(N2O、O2和CO2) 。根據反應器排出的空氣量及供氣量來計算N2O 的釋放量，其中供氣量可以從流量計上讀出。

1. 3 SBR 操作循環

SBR 的操作如圖1 所示，每個SBR 操作循環中包括幾個子循環，其中子循環由曝氣進水、曝氣和缺氧段組成。在第一缺氧段中加入乙醇作為碳源。每個子循環的持續時間由游離亞硝酸濃度來控制。當進水水位達到反應器最大水位時，進水泵停止工作。當全部子循環結束后，也就完成了一個完整循環。此后，通過排泥使反應器的泥齡維持在15～ 20 d，反應器靜沉1 h 后排放上清液。

 2 結果與分析

2. 1 SBR 工藝運行方式

利用由UV 傳感器在線監測的NO2--N和NH4+-N 信號來控制SBR 反應器的運行。在整個試驗過程中，利用瞬時取樣分析對傳感器監測結果的準確性和可靠性進行對比和監控。當SBR 反應器中每個子循環的進水階段實測的NH4+-N和NO2--N濃度之和達到預設值(S1) 時，進水階段就會自動停止。因此，每個子循環過程中反應器的進水容積取決于進水中的NH4+-N濃度。當SBR 反應器達到最大液位時，啟動沉淀和排水過程，一個完整的SBR 循環結束。當反應器中的HNO2濃度達到預設值(S2) 時，曝氣階段(DO = 0．4～ 1．0 mg/L)自動停止，保證了在曝氣過程中由AOB 產生的N2O釋放量在可控范圍內最低。由反應器中NO2--N濃度預設值(S3) 來控制外碳源的投加，確保其投加的高效性。由NO2--N濃度控制碳源投加量的好處在于能避免過量投加，節省運行成本。根據該控制策略，絕大多數進水中的NH4+-N在曝氣階段被轉化為NO2--N，所產生的NO2--N在接下來的缺氧段被反硝化為N2，從而實現了短程硝化反硝化的在線控制(見圖2) 。

 2. 2 中試結果

在18 個月的穩定運行期內，在負荷為0．2～0．3 kgNH4+-N/(kgVSS·d) 的條件下，對總氮的去除率可達85%～ 90%。在中試過程中沒有對反應器的溫度進行控制，在20～25 ℃之間波動。啟動階段(0～ 80 d) 亞硝化率逐漸增加，為0～ 85%，表明在SBR 反應器中成功實現了短程硝化反硝化，即采用低DO 的曝氣方式可以將NOB 淘汰出反應器。與此同時，在每個子循環中FA 和FNA 濃度的變化也周期性地抑制了NOB 生長，這是SBR 系統實現穩定的短程硝化反硝化的關鍵因素。

經測定，出水NH4+-N、NOx--N 和TSS 分別為(25～ 80) 、＜5、(20～ 100) mg/L。當短程硝化反硝化的脫氮率穩定在90% 以上時，對ANITATM Shunt工藝的乙醇投加量進行了2 個星期的監測。監測結果表明，其平均乙醇需求量為3．4 gCOD/gN，與預期結果相同，而傳統反硝化系統的碳源投量約為5．7gCOD/gN［3］，即短程硝化反硝化工藝的碳源投加量比傳統反硝化工藝低40%。

2. 3 游離亞硝酸對N2O 釋放的影響

2. 3. 1根據NO2--N濃度控制初始曝氣時長

在開始階段，當NH4+-N與NO2--N 濃度之和大于80 mg/L 時停止進水; 當混合液中的NO2--N濃度達到20 mg/L 時停止曝氣; 當NO2--N 濃度下降到5 mg/L 時停止投加乙醇; 當NO2--N濃度達到2 mg/L 時缺氧階段結束。為了不使亞硝化過程受到限制，在曝氣階段，通過投加NaOH 控制pH 值在6．7 以上。結果見圖3。游離亞硝酸的計算值在曝氣階段的末期始終維持在7 μg/L 左右，N2O 在產生的氣體中約占0．2%，相當于釋放量為6%～ 9%。從圖3 可以看出，采用NO2--N濃度來控制SBR 反應器曝氣時長的方法，無法得出N2O 的釋放量與NO2--N濃度直接相關。

 為了確定N2O 的釋放與NO2--N濃度是否直接相關，在SBR 一個完整循環的不同子循環中采用不同的pH 值，用以區別NO2--N和FNA 濃度與N2O 產生的關系。對于所有的子循環，當NO2--N為14 mg/L 時終止曝氣。控制第一個和最后一個子循環的pH 值在7．0～ 7．1 之間，當曝氣結束時這兩個子循環的NO2--N和FNA 濃度分別為14 mg/L和3．5～ 4．0 μg/L。此時，廢氣中的N2O 含量為0．045%～ 0．055%。在第二和第三個子循環中，將pH 值控制在8．4～ 8．5，曝氣結束時的NO2--N濃度也為14 mg/L，而FNA 濃度＜ 0．3 μg/L，在廢氣中幾乎檢測不到N2O 的存在(見圖4) 。這證明了N2O的釋放與NO2--N濃度沒有直接關系，而FNA 對N2O 的釋放起重要作用。

為了進一步驗證FNA 濃度和N2O 釋放之間的關系，采用不同的pH 值和不同的NO2--N 濃度預設值來終止曝氣過程，進而可以在每個反應循環中得到不同的FNA 濃度。結果表明，曝氣末期的FNA濃度越高，N2O 的釋放量越多。在試驗測試的FNA濃度范圍內(0．8～ 8．5 μg/L) ，FNA 濃度與N2O 的釋放量呈明顯的正相關關系: y = 1．11x-0．53，R2 =0．984 2。

 以上結論支持了Shiskowski 等人［4］提出的假設: HNO2是AOB 在反硝化過程中的電子受體，而不是NO2-。由于在AOB 的基因組中缺乏將N2O 進一步還原成N2的還原酶，正如研究中觀察到的，強化AOB 的反硝化過程最終必將導致N2O 的大量釋放。接下來仍需要大量的研究去探求AOB 在低DO條件下進行反硝化時，FNA 與N2O 的代謝關系。

2. 3. 2根據FNA 濃度控制曝氣時長

根據前述結論，在ANITATM Shunt 工藝中，采用FNA 濃度預設值而不是NO2--N濃度預設值來終止曝氣反應。在SBR循環控制中，曝氣進水階段依舊終止于(NH4+-N+NO2--N)＞80 mg/L 時; 當HNO2濃度達到1．5μg/L 的預設值時終止曝氣，如圖5 所示; 乙醇投加階段和缺氧段的時長仍然由NO2--N濃度預設值來控制。在這種控制方式下，在每個曝氣階段廢氣中N2O 的含量均低于0．008%，相當于N2O 的釋放量＜ 0．7%。在最初的SBR 運行控制策略中，曝氣階段終止于NO2--N濃度為20 mg/L (相當于HNO2濃度為7 μg/L) 時，N2O 在廢氣中的含量超過8%。

由于在新的控制策略中采用更短的曝氣時長，使每個子循環的進水量變小，進而導致每個完整的SBR 操作循環中子循環個數由原來的4 個增加到11 個。由于硝化和反硝化動力學的一致性，因此在SBR 短程硝化反硝化工藝中完整循環時間和氮的去除率是不變的。值得注意的是，由于曝氣時間的縮短，在反硝化過程中回收的堿度完全可以滿足硝化過程的pH 值維持在6．5 以上的要求，因此無需進行堿度調節，節省了成本。

 3 結論

利用多階段進水的SBR 工藝(ANITATM Shunt)成功地實現了短程硝化反硝化。在曝氣階段末期檢測到的N2O 釋放量與反應器中的游離亞硝酸(FNA) 濃度直接相關，不同于之前與NO2--N濃度有關的報道。因此，AOB 反硝化的電子受體是HNO2，而不是NO2--N。具體參見http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。

根據這個發現，利用在線控制NH4+-N 濃度和NO2--N濃度，以及基于此計算出來的FNA 濃度，開發出一種新的專利技術來控制SBR 的曝氣時長，可以將短程硝化反硝化過程中釋放的N2O 量控制在最低水平，并減少了因亞硝化過程中堿度修正所需的投堿量。