在水體污染治理領(lǐng)域，氮素污染因其易引發(fā)富營養(yǎng)化而備受關(guān)注。生物脫氮技術(shù)作為綠色高效的解決方案，通過微生物的代謝作用將氨氮轉(zhuǎn)化為無害氮氣，成為污水處理的核心工藝。近年來，隨著微生物技術(shù)與工藝創(chuàng)新的深度融合，生物脫氮技術(shù)正朝著高效化、低碳化方向發(fā)展。

生物脫氮機理：從氨氮到氮氣的轉(zhuǎn)化鏈條

生物脫氮過程主要分為三個階段：

氨化作用：氨化菌在有氧或無氧條件下，將有機氮（如蛋白質(zhì)）分解為氨氮（NH??-N）。

硝化作用：亞硝化菌和硝化菌在好氧環(huán)境中，將氨氮逐步氧化為亞硝酸鹽（NO??-N）和硝酸鹽（NO??-N）。

反硝化作用：反硝化菌在缺氧條件下，以有機物為電子供體，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣（N?）。

這一過程的關(guān)鍵在于微生物的協(xié)同作用。例如，硝化菌對氧氣和堿度需求較高，而反硝化菌則需要適宜的碳源和低氧環(huán)境。傳統(tǒng)工藝常因碳源不足或環(huán)境條件失衡導(dǎo)致脫氮效率低下。

工藝創(chuàng)新：多級協(xié)同與條件優(yōu)化

針對傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的瓶頸，研究者開發(fā)了多種優(yōu)化工藝：

多級A/O工藝：通過設(shè)置多個缺氧-好氧單元，實現(xiàn)碳源分段利用與硝酸鹽梯度去除。例如，在低C/N比廢水中，前置反硝化可優(yōu)先利用原水碳源，后置反硝化則補充外加碳源（如葡萄糖），顯著提升總氮去除率。

短程硝化-厭氧氨氧化（PN/A）：該工藝通過選擇性抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB），將氨氮部分轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽后，直接由厭氧氨氧化菌（Anammox）轉(zhuǎn)化為氮氣。其優(yōu)勢在于節(jié)省60%以上的碳源需求，并減少污泥產(chǎn)量。

智能控制技術(shù)：基于在線監(jiān)測的DO（溶解氧）、pH和ORP（氧化還原電位）反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)曝氣量和碳源投加，實現(xiàn)精準脫氮。例如，當(dāng)DO濃度超過2.0 mg/L時，系統(tǒng)自動降低曝氣強度以避免硝酸鹽過度積累。

微生物強化：功能菌群的定向調(diào)控

微生物群落結(jié)構(gòu)直接影響脫氮效率。最新研究通過以下方式提升處理效能：

耐鹽耐毒菌株篩選：如Halomonas和Bacillus等耐鹽菌可在高鹽廢水中維持活性，而Pseudomonas等菌株則能降解抑制性有機物。

生物膜載體優(yōu)化：負載鐵氧化物或活性炭的填料可增強微生物附著，同時促進電子傳遞效率。實驗表明，改性填料可使反硝化速率提高30%以上。

菌群共生體系構(gòu)建：通過混合培養(yǎng)硝化菌與反硝化菌，形成空間分隔的微環(huán)境（如好氧區(qū)與缺氧區(qū)），避免功能菌群競爭。

工程應(yīng)用與挑戰(zhàn)

在江蘇某工業(yè)園區(qū)污水處理廠，采用“多級A/O+PN/A”組合工藝處理高氨氮廢水（COD 800 mg/L，氨氮 200 mg/L），出水總氮穩(wěn)定低于15 mg/L，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準。然而，技術(shù)推廣仍面臨挑戰(zhàn)：

碳源成本：外加碳源（如甲醇）占運行費用的30%-50%，需開發(fā)廉價替代品（如廚余垃圾水解液）。

低溫適應(yīng)性：冬季水溫低于15℃時，微生物活性下降，需通過保溫設(shè)計或投加耐冷菌劑解決。

未來方向：低碳化與資源化

未來生物脫氮技術(shù)將聚焦三大趨勢：

綠色能源驅(qū)動：利用太陽能或沼氣為曝氣系統(tǒng)供能，降低碳排放。

氮素回收：通過電化學(xué)或生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸銨等肥料。

數(shù)字化運維：結(jié)合AI算法預(yù)測進水負荷，動態(tài)優(yōu)化工藝參數(shù)。

結(jié)語

生物脫氮技術(shù)的核心在于微生物代謝與工藝條件的精準匹配。隨著材料科學(xué)、智能控制與合成生物學(xué)的交叉融合，未來將涌現(xiàn)更高效、低耗的脫氮解決方案，為水環(huán)境治理與可持續(xù)發(fā)展提供堅實支撐。