同时硝化－反硝化（SND）、好氧反硝化

⑴ 厌氧氨氧化
基本概念与原理：
氨氮的氧化主要是在好氧或限氧条件下进行。理论上，氨氮可以作为反硝化的无机电子供体。这一反应的自由能与好氧硝化过程的相当。依据此热力学计算，科学界在18世纪就预测了可能有氧化氨氮为N2的两种自养型微生物的存在，而这一过程的真正发现却是在两个世纪之后荷兰Delft大学在多阶段废水处理系统中试研究中发现，随着N03的消耗量增加，反应器出水中NH3消失，同时伴随有N2产生量的增加。他们获得的最大NH3去除负荷为1．2nmol／(L．h)。在他们的连续流试验中，通过氮的氧化还原平衡式也表明，在厌氧条件下，每减少1moI NH3，消耗o.6m01NQ，产生o.8m01N3G这一新的发现被称为ANAMMOX。即在厌氧条件下氨氮以亚硝破氮作为电子受体直接被氧化成氮气的过程，其反应式如下： 在ANAMMOX过程中，一个单位的亚硝酸根和一个单位的铵结合而释放出氮气。这意味着在应用中需要注意这个过程的两个方面：在废水中的铵需要有一半氧化成亚硝鼓盐(要防止全部氧化成亚硝酿盐)，并且需要对反应器进行适宜的设计，使其能有效地持留ANAMMOX菌群的生物量，以使ANAMMOX过程顺利进行。

㈡同时硝化—反硝化（SND）
基本概念与原理：
当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化/ 反硝化（SND）。同时硝化/ 反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生物滤池、生物转盘；也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化沟。
同时硝化/ 反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。但目前对SND 现象的机理还没有一致的解释,一般认为三个主要机理是:
1．混合形态。
由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应器形态不均，在反应器内形成缺氧/ 厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境，即宏观环境。
２．菌胶团或生物膜。
缺氧/ 厌氧段可在活性污泥菌胶团或生物膜内部形成，即微观环境。污泥絮体同时硝化反硝化模型如下图所示：

图8—1 污泥絮体同时硝化反硝化模型图
在菌胶团的好氧区生活着很多异养好氧菌群，它们能将有机物氧化分解，同时消耗大量的DO，这又为缺氧区的反硝化细菌创造了反硝化的条件。此外，含氮有机物在彻底分解之前通过氨化作用产生的氨又为亚硝酸细菌提供了底物，一般通过两条途径传至亚硝酸细菌:一是直接扩散至相邻的亚硝酸细菌，二是先扩散至主体区，然后再扩散至亚硝酸细菌。当然第一种情况的机率要大些，因为这符合就近扩散利用的原则。进水中的氨通过主体区扩散至亚硝酸细菌，通过亚硝化作用产生NO-2，同时又为硝酸细菌提供了底物，当然NO-2可直接传递到硝酸细菌，也可先传至主体区然后再传至硝酸细菌。另外，NO-2还可直接传至缺氧区的反硝化细菌而被反硝化掉，且这种机率还是很高的。在DO 较高的情况下，大量的氨被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐的含量应比亚硝酸盐的含量要高，这是因为在氨的生物氧化过程中，NH3-N 氧化为NO-2可释放242.8～351.7 kJ/mol 的能量，亚硝酸菌从中获取5%～14%的能量；而NO-2氧化为NO-3 释放的能量为64.5～87.5 kJ/mol，硝酸菌可利用其中的5%～10%的能量，是亚硝酸菌有效利用能量的1/4～1/5，所以为获取相同的能量(硝酸菌氧化NO-2 的能量是亚硝酸菌氧化NH3-N量的4～5 倍)，不会有太多NO-2积累。根据微环境理论，在较高的污泥浓度情况下仍可在部分污泥内部形成缺氧区,从而具有一定的反硝化能力。
在活性污泥中,决定各类微环境分布状态的因素包括:有机物和电子受体(溶解氧、硝态氮) 的物质传递特性、菌胶团的结构特征、各类微生物的分布和活动状态等。微环境理论认为:由于微生物个体形态非常微小(一般都属于微米级)，从而影响微生物的生存环境也是微小的。而宏观环境的变化往往导致微环境的变化或不均匀分布，从而影响微生物群体的活动状态并在某种程度上出现所谓的表里不一现象。事实上，由于微生物种群结构、物质分布和化学反应的不均匀性，在活性菌胶团内部和生物膜内部存在多种多样的微环境类型，而每一种微环境往往适合于某一类微生物的活动。由于各种物质传递的变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用，微环境所处的物理、化学和生物状态是可变的，甚至是多变的。
３．生物化学作用。
在过去几年中，许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，其中包括部分菌种以组团形式对SND 起作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌及起硝化作用的异养菌。
在生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前也已被广泛认同，使实现SND 的缺氧/ 厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而产生的SND更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件下的高效脱氮。