短程硝化反硝化影响因素及控制
摘要
：硝化过程是将污水中的氨氮转化为硝酸盐的过程，包括由氨
氧化菌（AOB）参与的将氨氮转化为亚硝酸盐的反应及由亚硝酸氧化
菌（NOB）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的两个基本反应。短程硝
化是将硝化反应控制在亚硝酸阶段，实现亚硝酸的积累，最终通过反
硝化除去亚硝酸。而实现这一过程的关键是亚硝酸的积累。分析影响
亚硝酸根积累因素，包括温度、游离氨、pH值、溶解氧、有害物质
和泥龄，探讨实现短程硝化反硝化的途径。
关键词：
短程硝化反硝化 亚硝酸 影响因素
随着经济和社会的发展，人们对水资源的需求越来越大，与此同
时，对废水的脱氮处理也显得格外重要。传统的废水脱氮工艺存在一
些问题，比如 硝化细菌增殖速度慢引起总水力停留时间较长,高浓度
氨氮进水抑制硝化菌生长等。近几年来人们开始重新审视传统生物脱
氮的过程,提出了多种脱氮新工艺,特别对短程硝化反硝化生物脱氮
方面进行了深入的研究。
1.短程硝化反硝化原理及优点
短程硝化反硝化生物脱氮就是将硝化过程控制在HNO2阶段,随
后在缺氧条件下进行反硝化,也就是不完全硝化反硝化生物脱氮。短
程硝化反硝化与传统硝化反硝化生物脱氮相比,具有许多优点:对于
活性污泥法,可节省氧供应量约25%,降低能耗;节省反硝化所需碳源,
在C/N比一定的情况下提高TN去除率;减少污泥生成量可达50%;减
少投碱量;缩短反应时间,相应反应器容积减少。
2.短程硝化反硝化的影响因素
在短程硝化和反硝化过程中，起作用的两种菌为氨氧化菌和亚硝
酸氧化菌。因此，对这两种微生物的生命活动产生影响的因素都会影
响整个短程硝化反硝化过程的效果。
2.1温度
微生物的最大比增长速率与温度之间的关系可用修正的阿伦尼
乌斯方程来描述：
其中μmt为温度为t℃时的微生物最大比增长速率，μ20为标准温
度20℃时的微生物最大比增长速率。E为反应活化能，R为气体常数。
在20℃以下，硝化细菌的生产速率大于亚硝化细菌，亚硝化细
菌产生的亚硝酸盐很容易被硝化细菌继续氧化成硝酸盐。国内学者王
淑莹做过实验表明，水温保持在30℃时水中氨氮的转化类型为短程
硝化过程；当水温在20.5—24.5℃时硝化类型由短程硝化转化为全
程硝化；随着温度再次升高，硝化类型又逐渐转变为短程硝化；当温
度达到29—30℃时， 硝化反应为稳定的亚硝酸型硝化。
但在实际中，通过加热提高污水温度会消耗大量的能源，这样，
短程硝化工艺的优点将不能得到充分发挥。因此，通过控制温度实现
短程硝化脱氮工艺仅适用于某些特种废水（水温在30℃左右）。
2.2 pH值
通常条件下，亚硝化细菌和硝化细菌适宜生长的pH值范围分别
是7.0—7.5和6.5—7.5。在混合体系中，亚硝化细菌和硝化细菌的
pH分别在8.0和7.0附近。因此，可根据这两种细菌适宜pH的差异
来控制反应的类型和消化的产物。国内学者王红武等通过实验对常温
下生活废水短程硝化反硝化生物脱氮的研究表明：最佳短程硝化反硝
化反应条件为pH值大于8.5，大于该值时会抑制硝化细菌的生长,而
不抑制亚硝化细菌的生长。
实际应用中，要控制废水的pH值，很可能需要投加相应的酸或碱，
这样势必会增加处理成本。此外，硝酸菌对高pH 值有一个适应过程,
当它逐渐适应高pH 值和游离氨时,全程硝化就会出现,因此,依靠pH
值实现短程硝化脱氮过程并不稳定.因此,此工艺仅适合于含高pH值
的废水.
2.3 游离氨
废水中氨随pH值不同分别以分子态和离子态形式存在。分子态
游离氨(FA)对硝化作用有明显的抑制作用，硝酸菌比亚硝酸菌对FA
更敏感。0.6 mg/L的FA几乎可以抑制硝酸菌的活性,从而使HNO2氧
化受阻,出现HNO2积累。只有当FA达到5 mg/L以上时才会对亚硝酸
菌活性产生影响,当达到40 mg/L才会严重抑制亚硝酸的形成。进水
氨氮浓度低时出水氨氮浓度也低,氨氮去除率高;当提高进水氨氮浓
度时,游离氨超过亚硝化菌抑制浓度则会使亚硝化率降低而使得出水
氨氮浓度增大,此时为达到较高的氨氮去除率须延长硝化时间。硝化
时间增加使亚硝态氮的积累量增加,反硝化时间就会延长。所以,如果
将温度、DO和pH值控制在有利于HNO2积累的条件下,进水氨氮浓度
(FA浓度)越低越能促进HNO2的积累.另外实验中还发现,高浓度FA
抑制所造成的HNO2积累并不稳定,时间一长系统中亚硝酸浓度和亚
硝化率均下降,HNO2浓度增大。这说明硝酸菌对FA所产生的抑制作
用会逐渐适应,而且硝酸菌对FA适应是不可逆转的,即便再进一步提
高FA浓度,亚硝化比率也不会增加。
2.4 溶解氧（DO）
低溶解氧下亚硝酸菌增殖速率加快,补偿了由于低氧所造成的代
谢活动下降,使得整个硝化阶段中氨氧化未受到很大影响,而低DO对
硝酸菌有明显抑制作用,因而低溶解氧有利亚硝酸积累。目前普遍认
为，DO浓度在0.5mg/L以上时才能很好地进行硝化反应。
不过，高大文教授的SBR实验结果表明，通过控制溶解氧实现短
程硝化脱氮存在这硝化速率低，污泥沉降性变差等不足，所以在实际
工作中不宜采用这种工艺。
2.5 泥龄
亚硝酸菌的世代较硝酸菌短,在悬浮处理系统中若泥龄介于硝酸
菌和亚硝酸菌的最小停留时间之间时,系统中的硝酸菌会逐渐被/淘
洗掉,使亚硝酸菌成为系统中优势硝化菌,硝化产物以HNO2为主。例
如SHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺,短程硝化
和短程反硝化在同一个装置内。其基本原理是利用在高温(30~35℃)
下,亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌，可以通过“洗泥”的方式
对菌种进行筛选。
2.6 有害物质
硝酸菌对环境较为敏感。废水中酚、氰及重金属等有害物质对硝
化过程有明显抑制作用。相对于亚硝酸菌,硝酸菌对环境适应性慢,
因而在接触有害物质的初期受抑制,出现亚硝酸积累。Hynens等人发
现硝酸菌与亚硝酸菌并存时,在废水中加入5 mmol/L的氯酸钠可抑制
硝酸菌,但对亚硝酸菌无影响。
因此，当废水中含有酚，氢等有害物质时，要先将这些有害物质
去除后再进行短程硝化反硝化。
2.7 C/N
在反硝化过程中，反硝化细菌属于异养菌，必须在有机碳源下生
长。因此对于短程硝化反硝化过程而言，C/N过高，抑制短程硝化速
率；C/N过低，降低反硝化的反应速率。国内学者周莉对纯种氨氧化
菌所做的正交试验表明，反硝化速率随着C/N的增大有减小趋势，当
增加到一定程度（>8)时，变化趋势就不明显了。
3.结语
(1)水温保持在30℃时水中氨氮的转化类型为短程硝化过程。在
29—30℃时，将pH值、进水氨氮和DO控制在有利条件下,可以发生
稳定的亚硝酸型硝化。
(2)pH值在8.5附近有利于HNO2的积累。pH值一方面是亚硝酸
菌生物限制性条件,另一方面影响游离氨浓度,从而影响亚硝酸菌的
活性。
(3)FA浓度一般控制在5 mg/L以下,将温度、DO和pH值控制在
有利条件下,进水氨氮浓度(FA浓度)不能太高才能促进HNO2的积累。
(4)亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸菌强, DO控制在0.5 mg/L有
利于HNO2的积累。
(5)硝酸菌与亚硝酸相比对环境敏感,在硝化过程中可以添加抑
制剂,促进HNO2的积累。
(6)亚硝酸菌的世代性比硝酸菌短,选择合适泥龄,可淘洗硝酸菌,
促进HNO2的积累。
（7）对控制温度、溶解氧和 pH 值实现的短程硝化脱氮工艺进
行比较研究,发现控制溶解氧实现的短程硝化脱氮工艺存在许多问题,
无论从硝化时间、硝化速率还是从污泥沉降性能上,该工艺均不如控
制温度和pH值实现的短程硝化脱氮工艺.它不但硝化速率低,从而导
致硝化时间变长,而且,低溶解氧还易引发丝状菌大量繁殖,严重时引
起丝状菌污泥膨胀.
笔者认为，将来在此工艺上的研究重点将会是培育能适应正常水
温，且其他要求条件不是很苛刻的AOB和NOB菌种，结合SHARON工艺，
可以大大减小运行成本，这样，短程硝化和反硝化会得到更大的推广。
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