由于工業(yè)化進(jìn)程的加速，氮、磷的污染問題日益尖銳化。越來越多的國家地區(qū)制定了更為嚴(yán)格的污水氮、磷的排放標(biāo)準(zhǔn)。尤其是氮的考核內(nèi)容也從單一的氨氮指標(biāo)發(fā)展到總氮(氨態(tài)氮、硝態(tài)氦和有機(jī)氮的總和)的考核指標(biāo)。由于近年來一些新理論的提出，如使污水脫氮實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。這樣不僅可以提高細(xì)菌的增長速度、縮短反應(yīng)進(jìn)程，從而減少反應(yīng)容積;而且同時(shí)減少了硝化的曝氣量和反硝化有機(jī)物的投加量，減少了運(yùn)行費(fèi)用。所以短程硝化成為了近年來的研究熱點(diǎn)。

一、短程硝化機(jī)理

廢水生物脫氮，一般由硝化和反硝化兩個(gè)過程完成，而硝化過程分為氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個(gè)階段分別由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)獨(dú)立催化完成。第一階段是在AOB的作用下，將氨氮NH4+―N氧化為亞硝態(tài)氮NO2――N;而第二階段是在NOB的作用下，將亞硝態(tài)氮NO2――N氧化為硝態(tài)氮NO3――N。由于硝化反應(yīng)是由兩類生理特性完全不同的細(xì)菌獨(dú)立催化完成的不同反應(yīng)，所以需要通過適當(dāng)控制條件，可以將硝化反應(yīng)控制在NO2――N階段，阻止NO2――N的進(jìn)一步氧化，隨后直接進(jìn)行反硝化，這就是短程硝化反硝化的作用機(jī)理。

二、短程硝化的優(yōu)點(diǎn)

1、由于硝化和反硝化速率加快，所以縮短了反應(yīng)時(shí)間。

2、由于氨氧化菌(AOB)的周期比亞硝酸鹽氧化菌(NOB)短，所以污泥齡短，提高反應(yīng)器微生物濃度。

3、硝化反應(yīng)器容積可減少8%，反硝化反應(yīng)器容積可減少33%，可節(jié)省了建筑費(fèi)用。

4、硝化過程節(jié)省約25%供氧量，反硝化過程節(jié)省約40%外加碳源(以甲醇計(jì))，所以節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

5、硝化過程減少產(chǎn)泥24%一33%，反硝化過程減少產(chǎn)泥50%，明顯降低了污泥排放量，進(jìn)而減少污泥處理處置費(fèi)用。

三、短程硝化過程中的影響因子

生物脫氮的硝化過程是由AOB和NOB共同完成的;AOB的真正基質(zhì)是水溶液中的游離氨，而NOB的真正基質(zhì)是水溶液中的游離亞硝酸;AOB和NOB的生長還受到溫度、pH值、DO、抑制物等因子影響。

1、溫度

在4～45℃內(nèi)，氨氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌均可進(jìn)行。但在12～14℃時(shí)，此時(shí)的溫度會嚴(yán)重抑制活性污泥中硝化菌的活性，出現(xiàn)NHO2―的積累;15～30℃時(shí)，硝化過程形成的NO2―完全被氧化成NO3―;當(dāng)溫度超過30℃后又出現(xiàn)NO2―的積累。細(xì)菌在高溫和低溫均可較好地實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

實(shí)驗(yàn)表明，低溫也可實(shí)現(xiàn)短程硝化。在低溫時(shí)，亞硝酸鹽氧化菌利用氨氮的能力大于硝化細(xì)菌利用NO2-N的能力，從而造成NO2―的累積。所以，短程硝化反應(yīng)器需要在較高溫度的季節(jié)啟動，緩慢降溫，使AOB漸漸適應(yīng)低溫環(huán)境，保證氨氧化效果;在適宜的條件下實(shí)現(xiàn)短程硝化，同時(shí)通過實(shí)時(shí)控制使其穩(wěn)定并優(yōu)化污泥種群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在低溫條件下維持短程硝化。要解決實(shí)際應(yīng)用低溫的問題，還需要尋找出適應(yīng)北方低溫的氨氧化細(xì)菌的菌株來。

2、DO濃度

對DO的控制實(shí)現(xiàn)短程硝化是將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的一種較為理想的方法。它比較適合作為未來實(shí)際工程的控制參數(shù)，因?yàn)榭刂坪闷貧饬俊⑵貧忸l率以及曝氣方式，就可較好地實(shí)現(xiàn)短程硝化。

在生物膜反應(yīng)器中，當(dāng)DO的濃度控制在0.5mg/L以下時(shí)，就可以使出水中亞硝酸氮占總硝態(tài)氮的90%以上。

使用間歇曝氣，階段曝氣等方法，來改變曝氣方式以及曝氣頻率也可實(shí)現(xiàn)短程硝化。這些方法的共同點(diǎn)是使反應(yīng)器內(nèi)的DO值按一定規(guī)律周期性地升高降低，指示在一段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器處于厭氧狀態(tài)。

DO濃度是AOB和NOB生長的重要影響因素之一，AOB和NOB的氧飽和常數(shù)分別為：0.3和1.1mg/L。可見AOB對氧的親合力較NOB強(qiáng)，在低DO濃度下NOB的活性會顯著減弱，使AOB生長速率大于NOB;雖然低DO濃度會使微生物代謝活動減弱，但硝化過程的氨氧化作用未受到明顯影響，從而實(shí)現(xiàn)NO2――N的大量積累。

3、FA及FNA的影響

實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)A對NOB和AOB產(chǎn)生抑制作用的濃度分別為0.1～1.1mg/L和10～15mg/L。而最新研究結(jié)果表明，F(xiàn)A濃度達(dá)到6 mg/L 時(shí)可完全抑制NOB的生長;FNA完全抑制NOB和AOB生長的濃度分別為0.02 mg/L和0.4 mg/L。因此可以利用FA或FNA的選擇抑制作用使系統(tǒng)中的NOB受到抑制而AOB不受抑制，從而將硝化控制在亞硝化階段;但NOB對FA的抑制具有適應(yīng)性，若反應(yīng)器長期運(yùn)行短程硝化會被破壞。有相關(guān)研究者提出利用FA與FNA聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化過程，即在反應(yīng)器啟動初期利用廢水中較高的FA濃度使NOB受到抑制之后，由于NO2――N大量積累，較低的pH值會導(dǎo)致較高的FNA濃度，從而可利用反應(yīng)器前期較高濃度的FA和后期較高濃度的FNA共同維持短程硝化過程。

4、PH值

由于硝酸菌和亞硝酸菌適宜生長的pH值范圍不同，所以可以利用控制PH值的方法實(shí)現(xiàn)短程硝化。亞硝酸菌的適宜PH值在7.0～8.5，而硝酸菌的適宜PH值在6.0～7.5。只要將PH值控制在7.5～8.5就可較好地抑制硝酸菌，實(shí)現(xiàn)亞硝酸的累積。

PH雖然是實(shí)際中較容易控制的，但它也存在一定的缺點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是需要PH的實(shí)時(shí)監(jiān)控，和相配套的藥劑自動投加設(shè)備及攪拌設(shè)備，并且藥劑費(fèi)用也增添了反應(yīng)器運(yùn)行費(fèi)用，這些在一定程度上抵消了短程硝化本身的優(yōu)勢。

5、SRT

通過SRT的控制是無法實(shí)現(xiàn)亞硝酸的積累的，SRT卻是反應(yīng)器短程硝化穩(wěn)定運(yùn)行的重要控制參數(shù)。泥齡控制偏低會導(dǎo)致硝酸菌和亞硝酸菌的流失，導(dǎo)致反應(yīng)器處理能力的降低;泥齡過高會提高硝酸菌的數(shù)量，在低負(fù)荷下，反應(yīng)器容易向全程硝化轉(zhuǎn)化。選擇適宜的SRT值是穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵參數(shù)。

6、抑制劑

對硝化反應(yīng)有抑制作用的物質(zhì)有：過高質(zhì)量濃度的游離氨、重金屬、有毒有害物質(zhì)以及有機(jī)物。重金屬會對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制，如Ag、Hg、Cr、Zn等，其毒性作用由強(qiáng)到弱;當(dāng)pH由高到低時(shí)，毒性由弱到強(qiáng).鋅、銅和鉛等重金屬對硝化反應(yīng)的兩個(gè)階段都有抑制，但抑制程度不同。某些有機(jī)物如苯胺、鄰甲酚和苯酚等對硝化細(xì)菌具有毒害或抑制作用，因?yàn)榇呋趸磻?yīng)的酶內(nèi)含Cu I一Cu II電子對，凡是與酶中的蛋白質(zhì)競爭Cu或直接嵌入酶結(jié)構(gòu)的有機(jī)物，均會對硝化細(xì)菌發(fā)生抑制作用。這些有機(jī)物對硝化菌的抑制作用要比亞硝化菌強(qiáng)，所以會在對含這類物質(zhì)的污水生物脫氮中產(chǎn)生亞硝酸鹽積累現(xiàn)象。