水體中氨氮的過量存在是導(dǎo)致富營養(yǎng)化、水體黑臭及水生生態(tài)失衡的主要因素之一。與物理化學(xué)處理方法相比，生物法憑借其經(jīng)濟(jì)性、高效性及環(huán)境友好性，已成為當(dāng)前氨氮污染控制的主流技術(shù)路徑。具體是如何操作的呢？我們一起來看介紹。

一、傳統(tǒng)生物脫氮的基本原理

傳統(tǒng)生物脫氮過程由硝化與反硝化兩個(gè)階段構(gòu)成，二者在環(huán)境條件和微生物類群上存在顯著差異。

硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行，由化能自養(yǎng)型硝化細(xì)菌主導(dǎo)。該過程分為兩步：亞硝酸菌（氨氧化菌）首先將氨氮（NH??-N）氧化為亞硝酸鹽氮（NO??-N），隨后硝酸菌（亞硝酸鹽氧化菌）將亞硝酸鹽氮進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮（NO??-N）。硝化反應(yīng)的總化學(xué)計(jì)量關(guān)系可表示為：NH?? + 2O? → NO?? + H?O + 2H?。由反應(yīng)式可知，每氧化1 g氨氮需消耗4.57 g氧氣，并產(chǎn)生7.14 g堿度（以CaCO?計(jì)）的消耗。

反硝化反應(yīng)則在缺氧條件下發(fā)生，由兼性厭氧的反硝化菌完成。此類細(xì)菌以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，以有機(jī)物為電子供體，將其還原為氣態(tài)氮（N?）逸出水體。反硝化過程不僅實(shí)現(xiàn)了氮的徹底去除，同時(shí)可產(chǎn)生堿度，部分補(bǔ)償硝化階段的酸度消耗。

二、新型生物脫氮技術(shù)

傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝雖應(yīng)用廣泛，但其流程長、能耗高、碳源需求大等不足促使研究者開發(fā)更為高效的新型技術(shù)。

短程硝化-反硝化將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，使氨氮直接轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽后隨即進(jìn)行反硝化。該工藝可節(jié)省約25%的曝氣能耗和40%的反硝化碳源，同時(shí)減少污泥產(chǎn)量。荷蘭開發(fā)的SHARON工藝是該技術(shù)的典型代表，已在部分污水處理廠實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

同步硝化-反硝化是指在單一反應(yīng)器或相同操作條件下，硝化與反硝化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要依賴于生物絮體或生物膜內(nèi)部的氧濃度梯度——外層好氧區(qū)進(jìn)行硝化反應(yīng)，內(nèi)層缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化反應(yīng)。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）是同步硝化-反硝化的典型工藝，通過懸浮載體構(gòu)建微觀好氧-缺氧分區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效脫氮。

厭氧氨氧化是近年來備受關(guān)注的低碳脫氮技術(shù)。在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽為電子受體，直接將氨氮氧化為氮?dú)狻Ｔ摴に嚐o需供氧、無需外加有機(jī)碳源，可大幅降低能耗與運(yùn)行成本，尤其適用于高濃度氨氮廢水的處理。研究表明，厭氧氨氧化工藝處理液氨絲光廢水時(shí)，總氮去除負(fù)荷可達(dá)1.0 kg N/(m3·d)，去除率穩(wěn)定在89%以上。

菌藻共生系統(tǒng)利用微藻的光合作用提供氧氣，供給細(xì)菌進(jìn)行硝化反應(yīng)，細(xì)菌代謝產(chǎn)生的二氧化碳又促進(jìn)藻類生長，形成良性碳氮循環(huán)。最新研究表明，優(yōu)化配比的微藻-細(xì)菌顆粒體系處理垃圾滲濾液時(shí)，總無機(jī)氮去除速率可達(dá)193.3 mg/L/d，絮凝性能顯著增強(qiáng)，體現(xiàn)了良好的協(xié)同效應(yīng)。

膜曝氣生物膜反應(yīng)器通過分層生物膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效脫氮。生物膜外層為好氧區(qū)，富集氨氧化菌進(jìn)行硝化反應(yīng)；內(nèi)層為缺氧區(qū)，富集反硝化菌和厭氧氨氧化菌進(jìn)行脫氮。該結(jié)構(gòu)可有效抵御高濃度抗生素等抑制性物質(zhì)的沖擊，在復(fù)雜廢水處理中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。

三、影響生物脫氮效率的關(guān)鍵因素

生物脫氮過程受多重因素制約，主要包括：

溶解氧是硝化反應(yīng)的關(guān)鍵限制因子，好氧區(qū)溶解氧宜維持在2 mg/L以上；而反硝化則需控制溶解氧低于0.5 mg/L，以避免對反硝化酶的抑制作用。

溫度對微生物活性影響顯著。硝化菌在15℃以下活性急劇降低，反硝化反應(yīng)則適宜維持在20～40℃。低溫條件下需采取延長污泥齡、降低負(fù)荷等補(bǔ)償措施。

pH值影響酶活性及底物存在形態(tài)。硝化反應(yīng)最適pH范圍為8.0～8.4，反硝化反應(yīng)適宜pH為7.0～8.0。硝化過程產(chǎn)生的酸度需通過補(bǔ)充堿度予以調(diào)節(jié)。

碳氮比決定反硝化是否充分進(jìn)行。當(dāng)BOD?/TN > 4～6時(shí)，原水碳源可滿足反硝化需求；碳源不足時(shí)需投加甲醇等外加碳源，每還原1 g NO??-N約需消耗2.47 g甲醇