自养菌反硝化脱氮工艺简介
自20世纪初以活性污泥法为代表的污水生化处理技术建立以来，都是以去除含碳有机物为核心的污水二级生化处理。其处理后的水质仅能达到BOD5=20mg/L，SS=20mg/L，而原污水中NH4+-N和磷只有少部分用于细胞合成，大部分随出水流出。只在近10到30年的时间里，为遏制水质污染逐年加剧的趋势，提出了污水深度脱氮除磷的要求，即在二级出水的基础上进一步进行物理、化学和生物化学的深度净化，达到再生水用户的要求或达到不影响下游水体功能的水质要求。所以，污水再生净化不但要去除悬浮物（SS）和有机污染物（COD），同时因不同用水户的水质要求不同，也要去除氮磷污染物，甚或要深度脱氮除磷。深度脱氮除磷是污水再生净化的重要任务，是污水再循环利用的客观需求。近来我省对城镇污水处理厂明确提出逐步要达到DB13/2796-2018《子牙河流域水污染物排放标准》的要求，其中要求：COD≤40mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TN≤15mg/L，TP<0.4mg/L，氮、磷的去除成为污水工艺提标的技术关键。
氮的所有形式（氨NH3、铵NH4+、亚硝酸根NO2-、硝酸根NO3-，但不包括氮气N2）均可作为营养物质，为控制受纳水体的富营养化，就需要从污水中将其去除，此工艺过程统称为脱氮，脱氮技术可分为化学脱氮和生物脱氮。
化学脱氮常采用氨气提法。其主要机理是用化学方法提高水中的pH值，使水中的铵离子转变成游离的氨，然后通过向水中曝气的物理作用，以气提的方式将游离氨从水中逸出，从而实现从水中去除氨氮，但对NO3--N没有去除效果。
生物脱氮是利用硝化细菌和反硝化细菌的硝化与反硝化作用来脱氮，故通常称其为硝化—反硝化（Nitrification/Denitrification）脱氮。污水进入生化反应器后，含氮化合物在微生物的作用下相继发生一系列反应。其TN的变化有3条途径（如图1）：
其一转化为N2、NxOy、NH3等氮的气体形态从反应器中逸入大气；其二被微生物通过同化作用吸取为新细胞物质，以剩余污泥的形式从生化反应器中排除；其三则随出水排出，表征为出水TN。
现行的污水处理厂一般采用AO工艺或AAO工艺作为生物脱氮的工艺流程。AO生物脱氮指的是缺氧—好氧（Anoxic-Oxic）工艺，其主要特点是用于反硝化脱氮反应器置于系统之首，故称之为前置反硝化生物脱氮系统（如图2）。
现行的污水处理厂一般采用AO工艺或AAO工艺作为生物脱氮的工艺流程。AO生物脱氮指的是缺氧—好氧（Anoxic-Oxic）工艺，其主要特点是用于反硝化脱氮反应器置于系统之首，故称之为前置反硝化生物脱氮系统（如图2）。
AAO工艺亦称A2O工艺，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic首字母的简称，即：厌氧—缺氧—好氧工艺；而倒置AAO工艺是将缺氧工艺置于厌氧工艺之前（如图3）。
倒置AAO工艺的特点是：1.因来水中的DO（溶解氧）值较高，会破坏厌氧状态，且来水中富含大量的COD可直接用于缺氧池的反硝化反应，达到脱氮的目的，所以将缺氧池置于厌氧池之前；2.经过缺氧池的消耗，使得水体中DO值降低，进而进行厌氧水解，可将较大分子量的有机污染物在水解酶的作用下分解成小分子量的有机物，能更好地对有机污染物降解；3.外回流可将好氧硝化反应产生的大量硝态氮输送到缺氧池，而内回流是将不完全硝化的氨氮进一步氧化硝化。
缺氧池中的反硝化反应是指硝态氮（硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的合称）在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程，是从污水水体中脱除氮的主要工艺环节。反硝化菌属异养菌，这些异养菌利用污水中的有机物（COD，也是异养菌生存的营养源——碳源）进行氧化发酵得到细胞所需的营养物，进而降解了有机污染物的同时还原水体中硝态氮成为氮气（N2）逸出水体，达到脱氮的作用。
通俗讲自养菌就是能够自养自理，通过简单地摄取无机化合物来合成自身的有机体（菌体）；而异养菌需要通过寄生或腐生的方式，在水解酶的作用下的化学氧化还原反应代谢能量进行的繁衍。同样，自养菌大多生存于好氧状态下的好氧（O池）中，如上述的好氧池的硝化反应；异养菌主要在厌/缺氧（A池）中进行反硝化反应，将水体中的硝态氮还原成氮气。所以，污水处理的脱氮工艺需要有机碳源，以消耗污水中的有机污染物（COD）作为碳源。污水中的有机污染物往往不易降解为简单的有机物，不能直接作为碳源使用，就需要外加大量碳源，这样无形中提高了运行成本。
在上世纪90年代，荷兰代尔夫特理工大学的生物技术实验室开发出一种新型自养菌生物脱氮技术，在缺氧条件下，自养型微生物可直接利用无机物CO2（溶于水中呈现为碳酸盐类）作为碳源，用回流的亚硝酸盐氮（NO2--N）氧化水中的氨氮，将氨氮直接变成氮气。对比传统的反硝化工艺，不用碳源，节省了100%外加碳源所增加的费用；理论上还可节省65%的好氧曝气所消耗的动力；污泥产量极少，节约了污泥处置费用；同时可以减少CO2等温室气体的排放。所以，自养菌反硝化脱氮完全突破了传统意义上的生物脱氮的基本概念，为生物法处理低碳氮比的废污水找到了一条优化途径。
自养菌生物脱氮受限于硝态氮中的亚硝酸盐氮的稳定性，这是由于亚硝酸盐氮在好氧池内，可以在硝化菌的辅助作用下被氧化成硝酸盐氮，而在缺氧条件下，很容易被还原成氨氮，所以，为了在缺氧状态下稳定住亚硝酸盐氮，就需要利用催化剂。
自养菌生物脱氮通常用于污水处理厂深度脱氮工艺——自养菌反硝化滤池，这是一种在国内较新的脱氮工艺，在污水处理厂的应用不多见，均在实验研究阶段。查阅了许多资料后，在此做一简单介绍。
自养菌反硝化的基本原理，是指水体中的化能自养型微生物利用无机碳（CO2、HCO3-、CO32-）作为碳源，主要以无机物（S、S2-、H2、S2O32-、Fe、Fe2+、NH4+等）作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢，将缺少有机碳源（COD）的硝酸盐氮污染的水中的NO3--N还原为N2的过程。自养反硝化的优点包括：
A.使用自养型滤料，无需投加碳源，降低碳源设备投资，以及避免传统碳源投加过量导致的穿透现象，彻底杜绝出水COD升高的问题；
B.滤料消耗费用小于碳源投加费用，运行费用降低；
C.可提高处理负荷，确保滤池日处理水量不发生变化；
一般自养菌反硝化滤池采用单质硫及铁复合矿物作为滤料，该滤料实质上是一种催化剂，复合滤料除具备截留悬浮污染物功能也作为缓释型电子供体驱动其附着的自养反硝化细菌，从而实现脱氮。选用的复合滤料中包括在反硝化过程中能够产酸和产碱的两大类型，并通过复合比例的优化设计，能够使得反硝化脱氮过程中pH值始终保持在中性范围，从而获得较高脱氮速率，并满足出水pH值指标的要求。相较于目前常见的基于外源投加有机碳源的反硝化滤池，自养性反硝化滤池无需投加有机碳源，可有效避免由于水质波动带来的COD二次污染问题。同时，脱氮基于自养反硝化原理，污泥产率低，可有效降低反冲洗频次，实现节能。另外，相较于有机碳源作为电子供体，固体缓释型电子供体更为廉价，并易于储藏和运输，整体上可显著降低深度反硝化工艺的运行成本。
自养菌反硝化的基本原理，是指水体中的化能自养型微生物利用无机碳（CO2、HCO3-、CO32-）作为碳源，主要以无机物（S、S2-、H2、S2O32-、Fe、Fe2+、NH4+等）作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢，将缺少有机碳源（COD）的硝酸盐氮污染的水中的NO3--N还原为N2的过程。自养反硝化的优点包括：
A.使用自养型滤料，无需投加碳源，降低碳源设备投资，以及避免传统碳源投加过量导致的穿透现象，彻底杜绝出水COD升高的问题；
B.滤料消耗费用小于碳源投加费用，运行费用降低；
C.可提高处理负荷，确保滤池日处理水量不发生变化；
一般自养菌反硝化滤池采用单质硫及铁复合矿物作为滤料，该滤料实质上是一种催化剂，复合滤料除具备截留悬浮污染物功能也作为缓释型电子供体驱动其附着的自养反硝化细菌，从而实现脱氮。选用的复合滤料中包括在反硝化过程中能够产酸和产碱的两大类型，并通过复合比例的优化设计，能够使得反硝化脱氮过程中pH值始终保持在中性范围，从而获得较高脱氮速率，并满足出水pH值指标的要求。相较于目前常见的基于外源投加有机碳源的反硝化滤池，自养性反硝化滤池无需投加有机碳源，可有效避免由于水质波动带来的COD二次污染问题。同时，脱氮基于自养反硝化原理，污泥产率低，可有效降低反冲洗频次，实现节能。另外，相较于有机碳源作为电子供体，固体缓释型电子供体更为廉价，并易于储藏和运输，整体上可显著降低深度反硝化工艺的运行成本。