短程硝化反硝化工藝

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上短程硝化反硝化工藝簡析廣東石油化工學(xué)院化工與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境08-1 冼真文摘 要 :指出短程硝化反硝化工藝是目前國內(nèi)外生物脫氮技術(shù)研究應(yīng)用的熱點 ,通過介紹短程硝化反硝化工藝原理 ,分析了不同工藝穩(wěn)定亞硝態(tài)氮積累實現(xiàn)短程硝化的工藝控制措施 ,對短程硝化反硝化工藝今后的研究和應(yīng)用進行了展望。關(guān)鍵詞 :短程硝化反硝化；氨氧化細菌；硝化；反硝化短程硝化反硝化工藝是目前國內(nèi)外生物脫氮技術(shù)研究應(yīng)用的熱點。在生物脫氮硝化過程中,氨氧化細菌將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮,亞硝酸鹽氧化細菌將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮?？刂葡趸磻?yīng)條件 ,使硝化反應(yīng)只進行到亞硝態(tài)氮階段并實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮積累,是各

2、種短程硝化反硝化工藝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。短程硝化反硝化工藝主要包括 SHARON,OLAND 和 CANON工藝 ,同時國內(nèi)外專家學(xué)者也對 SBR ,A/ O,MBR,曝氣生物濾池等工藝的短程硝化反硝化進行了深入研究。1 短程硝化反硝化原理傳統(tǒng)的脫氮工藝是將NH4+氧化成NO2-,再氧化成NO3-；起作用的分別是亞硝酸菌和硝酸菌，統(tǒng)稱為硝化菌，可得如下結(jié)論：亞硝化過程產(chǎn)生的能量比硝化過程產(chǎn)生的能量多，因而前者反應(yīng)速率較后者快；亞硝化過程中產(chǎn)生大量的H+,使系統(tǒng)pH值降低，而硝化過程對系統(tǒng)的pH值無影響；亞硝化過程和硝化過程好氧比為3:1；亞硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的時代周期短，生長

3、較快，因此較能適應(yīng)沖擊負荷和不利的環(huán)境條件。當(dāng)硝酸菌受到抑制的時候，將會出現(xiàn)NO2-的積累。很顯然，在傳統(tǒng)的硝化-反硝化脫氮過程中，在反硝化菌的作用下，反硝化過程既可從硝酸鹽開始，也可以從亞硝酸鹽開始。但由NO2-轉(zhuǎn)化為NO3-，然后由NO3-再轉(zhuǎn)化為NO2-的重復(fù)轉(zhuǎn)化過程中，要消耗更多的溶解氧和有機碳源。如果在實際過程中，控制這一轉(zhuǎn)化過程，使NH4+全部或絕大部分轉(zhuǎn)化為NO2-而不是NO3-，由NO2-直接進行反硝化，稱此過程為短程硝化-反硝化，經(jīng)過環(huán)境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化過程在許多反應(yīng)器都得以實現(xiàn)。與傳統(tǒng)脫氮工藝過程相比，短程硝化-反硝化體現(xiàn)出以下優(yōu)勢。節(jié)能：硝化階段，供氧量

4、節(jié)省近25%，降低能耗；節(jié)約外加碳源：從NO2- 到N2要比從NO3-到N2的反硝化過程中，減少40%的有機碳源；可以縮短水力停留時間：在高氨環(huán)境下，NH4+的硝化速率和NO2-的反硝化速率均比NO2-的氧化速率和NO3-的反硝化速率快，因此水力停留時間可以縮短，反應(yīng)器的容積也相應(yīng)減??；可減少剩余污泥產(chǎn)量：亞硝酸菌表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.040.13gVSS/gN,硝酸菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.020.07 g VSS/g N，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)分別為0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短程硝化反硝化過程中可以減少產(chǎn)泥2433%，在反硝化過程

5、中可少產(chǎn)泥50%。2 影響亞硝酸鹽積累的因素由于廢水生物處理反應(yīng)器均未開放的非純種培養(yǎng)系統(tǒng)，如何控制硝化停止亞硝化階段是實現(xiàn)短程生物脫氮的關(guān)鍵。傳統(tǒng)硝化過程是由亞硝酸菌和硝酸菌協(xié)同完成的，由于這兩類細菌在開放的生態(tài)系統(tǒng)中形成較為緊密的互生關(guān)系，將氨氧化為硝酸，因此完全的亞硝酸化是不可能的。短程硝化的標(biāo)志是穩(wěn)定且較高的亞硝酸積累，積壓硝化率較高（至少大于50%）。影響亞硝酸積累的因素主要有溫度、pH、氨濃度、氮負荷、DO、有害物質(zhì)及泥齡。溫度：生物硝化反應(yīng)在445內(nèi)均可進行，適宜溫度為2035，一般低于15硝化速率降低，并且低溫對硝化產(chǎn)物及兩類硝化菌活性影響也不同。1214下活性污泥中硝酸菌活性

6、受到嚴重抑制，出現(xiàn)亞硝酸積累。1530范圍內(nèi)，硝化過程中形成的亞硝酸可完全被氧化成硝酸。溫度超過30后又會出現(xiàn)HNO2積累7。pH值：隨著硝化的進行，硝化過程產(chǎn)生的酸使廢水pH不斷降低。亞硝酸菌要求的最適pH在78.5之間，硝酸菌為67.5。反應(yīng)器中pH低于7則整個硝化反應(yīng)會受到抑制。PH升高到8以上，則HNO2濃度升高，硝化產(chǎn)物中亞硝酸比例增加，出現(xiàn)HNO2積累。NH3濃度與氮負荷：廢水中氨隨pH不同分別以分子態(tài)和離子態(tài)形式存在。分子態(tài)游離氨（FA）對硝化作用有明顯的抑制作用，而離子化的氨不具這種特性10。硝化桿菌屬比亞硝化單胞菌屬（硝化過程中常見的兩個菌屬）更易受到FA的抑制，抑制亞硝酸菌

7、的濃度為10150mg/L，抑制硝酸菌的濃度為0.11.0mg/L。0.6mg/l的FA幾乎就可以全部抑制亞硝酸菌的活性，從而使氧化受阻，出現(xiàn)積累8。pH升高，F(xiàn)A濃度增大，造成HNO2積累。另外，氨氮負荷過高時，在系統(tǒng)初期有利于繁殖較快的亞硝酸菌的增長，使HNO2 產(chǎn)生量大于氧化量，出現(xiàn)HNO2積累。DO：亞硝酸菌和硝酸菌均是嚴格好氧菌，在生物膜和活性污泥反應(yīng)器中當(dāng)膜的厚度和活性污泥的尺度較大時，形成氧擴散梯度。因此，在活性污泥法和生物硝化系統(tǒng)中，盡管混合液中的溶解氧濃度可能較高，但絮體或生物膜內(nèi)部溶解氧的濃度由于擴散受阻，可能已達到限制其增長和硝化濃度。因此，在實際的硝化系統(tǒng)中，需要維持的

8、溶解氧濃度應(yīng)由反應(yīng)器內(nèi)形成的絮體大小、生物膜的厚度以及相應(yīng)的混合強度來決定。絮體越大或生物膜越厚，混合強度越小，則擴散能力越差，相應(yīng)的混合液所需維持的溶解氧濃度就必須越高，否則硝化過程將受到抑制。在通常情況下，多數(shù)研究者建議，在活性污泥法中要維持正常的硝化效果，一般至少應(yīng)使DO在0.5mg/l以上，否則硝化作用會受到抑制。有害物質(zhì)：硝化菌對環(huán)境較為敏感。廢水中酚、氰及重金屬離子等有害物質(zhì)對硝化過程有明顯的抑制作用。相對于亞硝酸菌，硝酸菌對環(huán)境適應(yīng)性慢，因而在接觸有害物質(zhì)的初期會受到抑制，出現(xiàn)HNO2積累。泥齡：亞硝酸菌的世代時間較硝酸菌短，在懸浮處理系統(tǒng)中如泥齡介于硝酸菌和亞硝酸菌的最小停留時

9、間之間時，系統(tǒng)中的硝酸菌會逐漸被淘汰掉，使亞硝酸菌成為系統(tǒng)中優(yōu)勢菌種，硝化產(chǎn)物為HNO2。3 幾種短程硝化反硝化工藝SHARON工藝是1997年由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Mulder 等研發(fā)的新型脫氮工藝,用來處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥硝化上清液和垃圾濾出液等高氨氮廢水。該工藝的核心是利用高溫30 35 下,氨氧化細菌的生長速率明顯高于亞硝酸鹽氧化細菌的生長速率,氨氧化細菌的HRT 小于亞硝酸鹽氧化細菌的 HRT 等特性來控制工藝污泥齡,使其介于氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的 HRT 之間,從而使氨氧化細菌得到積累而亞硝酸鹽氧化細菌被自然淘汰 ,從而維持穩(wěn)定的NO-2 -N積累,然后進行反硝

10、化。OLAND工藝是1998年由比利時Gent 大學(xué)開發(fā)的一種限制性自養(yǎng)型亞硝化工藝,在限制供氧的條件下,自養(yǎng)型的亞硝酸細菌將以氧為電子受體,把部分氨氧化成亞硝酸鹽,然后,再以氨作為電子供體,把亞硝酸鹽還原為N2。該工藝的技術(shù)核心是控制 DO 濃度,由氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的氧飽和常數(shù)分別為0. 3 mg/ L和1.1 mg/ L,在低 DO 濃度下亞硝酸鹽氧化細菌的活性會顯著減弱 ,使氨氧化細菌生長速率大于亞硝酸鹽氧化細菌,從而逐步淘汰亞硝酸鹽氧化細菌,使 NO2-N 大量積累。CANON 工藝是 2002 年首先由荷蘭 Delft 工業(yè)大學(xué)提出的在限氧條件下通過利用好氧和厭氧氨氧化菌

11、的共生系統(tǒng)實現(xiàn)一體化完全自養(yǎng)脫氮的新工藝。該工藝是在單個反應(yīng)器或生物膜內(nèi)通過控制溶解氧同時實現(xiàn)短程硝化和厭氧氨氧化的脫氮過程。首先在限氧條件下( < 0. 5 %空氣飽和度),得到了好氧和厭氧氨氧化菌的混培物,好氧氨氧化菌先將氨氮氧化為亞硝酸鹽,然后厭氧氨氧化菌再將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣。CANON 工藝中,NH4+ -N與 DO 濃度是兩個關(guān)鍵性因素。SBR 工藝的短程硝化成為國內(nèi)學(xué)者的研究焦點。當(dāng)溫度為21 35 進水氨氮濃度為300 mg/ L左右,控制曝氣量使 DO濃度為 0 mg/ L1. 0 mg/ L 的條件下可實現(xiàn) SBR 工藝的短程硝化,亞硝態(tài)氮穩(wěn)定積累且積累率大于 90

12、%的關(guān)鍵是控制高、低 DO濃度交替進行。在 p H 值變化不大的情況下,增加進水氨氮濃度會提高亞硝態(tài)氮的積累率,但將導(dǎo)致反應(yīng)時間延長,而采用 p H值實時控制短程硝化反硝化過程不僅可以合理分配曝氣和攪拌時間 ,且可提高硝化速率,縮短反應(yīng)時間。A/ O 工藝是生物脫氮常規(guī)工藝。主要應(yīng)用于生活污水的處理,由于生活污水自身低氨氮 ( < 100 mg/ L) 的特點 ,一般不會出現(xiàn)高 FA 濃度和高 p H 值情況,且平均水溫在 20 左右 ,因此 ,在處理生活污水時 DO 濃度是 A/ O 工藝實現(xiàn)短程硝化反硝化的主要控制因子 ,控制好氧區(qū) DO 濃度在 0. 5 mg/ L,則亞硝酸氮平均

13、積累率可達85 %或更高。在 UASB2A/ O 工藝處理垃圾滲濾液短程生物脫氮的研究中,FA 和 FNA 協(xié)同作用是實現(xiàn)并維持 A/ O工藝穩(wěn)定短程硝化的決定因素。此外,以 p H 值和 DO 濃度作為 A/ O 硝化反應(yīng)進行的過程控制參數(shù),可準(zhǔn)確把握亞硝化終點,避免過度曝氣破壞短程硝化,為氨氧化細菌 的生長創(chuàng)造有利條件,盡可能使“氨谷”或“DO 突躍點”出現(xiàn)在好氧區(qū)后段,可以有效抑制亞硝酸鹽氧化細菌的生長并逐漸從系統(tǒng)中淘洗出去,實現(xiàn)了硝化菌種群的優(yōu)化。膜生物反應(yīng)器 (MBR) 是一種新型、高效的污水處理技術(shù),MLSS和 DO 是 MBR 實現(xiàn)短程硝化反硝化的重要影響因素。研究表明,當(dāng) ML

14、SS = 20 g/ L25 g/ L,控制 DO = 0. 5 mg/ L1. 0 mg/ L ,C/ N = 46 時 ,膜生物反應(yīng)器能形成良好的短程硝化反硝化。MBR 實現(xiàn)短程硝化反硝化的另一條件是污泥絮體中能形成缺氧微環(huán)境 ,缺氧微環(huán)境的形成與水中 DO 濃度的高低、污泥負荷、污泥的絮體結(jié)構(gòu)及反應(yīng)中的水力狀態(tài)等有關(guān)；根據(jù) MBR 的自身特點 ,通過控制 DO 濃度 ,在絮體表面形成氨氧化細菌為主的優(yōu)勢菌群,而在內(nèi)部缺氧部分為反硝化菌創(chuàng)造條件。曝氣生物濾池能夠?qū)崿F(xiàn)短程硝化反硝化取決于其獨特的結(jié)構(gòu)特征和運行方式。填料為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和反硝化細菌分別占據(jù)不同生態(tài)位,形成合理微環(huán)境體系提供有效

15、的載體,較低的曝氣量和定期反沖洗又使得競爭能力較弱的亞硝酸鹽氧化細菌不能在反應(yīng)器內(nèi)成為優(yōu)勢群體而被自然淘汰 ,因而氨氧化產(chǎn)生的NO2-N 可直接被反硝化去除。低氨氮負荷時 ,影響NO2-N積累的主要因素是 DO (1. 0 mg/ L1. 5 mg/ L) ;高氨氮負荷時 ,影響NO2-N積累的主要因素是 FA。低氨氮負荷時 ,沿濾層高度NO2-N的積累速度相對慢些 ,積累率卻比較高；高氨負荷時,沿濾層高度NO-2-N的積累速度增快 ,但積累率并不是最高；p H 值在 88. 5 時反應(yīng)器內(nèi)有較高NO2-N 積累率,達到 70 %左右,同時 NH4+ -N 的去除率也有70 %；p H = 9 時 ,雖然NO2-N 也有積累,但NH4+ -N 的去除率卻很低。短程硝化反硝化工藝具有降低能耗、節(jié)約碳源、減少污泥產(chǎn)量和占地面積少等優(yōu)點,是公認的高效生物脫氮途徑。但大多短程硝化反硝