同步硝化反硝化脫氮技術(shù)-百度文庫

1、同步硝化反硝化脫氮技術(shù)郭冬艷1,2，李多松1,2,孫開蓓1,2,劉麗茹1,21中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州（2210082江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇徐州（221008E-mail:摘要:同步硝化反硝化脫氮（SND技術(shù)不同于傳統(tǒng)的脫氮理論，其具有節(jié)省碳源、減少曝氣量、降低基建投資和運行費用等優(yōu)點。文章從宏觀環(huán)境理論、微環(huán)境理論、微生物理論三個方面闡述了同步硝化反硝化的作用機理，并結(jié)合目前的國內(nèi)外研究成果綜述了其影響因素，最后簡單介紹了同步硝化反硝化的應(yīng)用狀況，提出了該技術(shù)的研究方向。關(guān)鍵詞:生物脫氮;同步硝化反硝化;好氧反硝化中圖分類號：X703.1引言近年來，水體中的氮素污

2、染越來越嚴(yán)重,給環(huán)境造成的污染問題日益突出。生物脫氮技術(shù)較物化脫氮技術(shù)具有工藝簡單、成本低廉、較易推廣等特點，越來越被人們所采用。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的理論基礎(chǔ)是微生物的硝化和反硝化作用。硝化作用即在好氧的條件下，自養(yǎng)型硝化細(xì)菌將氨氧化為亞硝酸（鹽和硝酸（鹽;反硝化作用是指亞硝酸（鹽和硝酸（鹽在異氧型反硝化菌的作用下，被還原為氮氣的過程。因此，目前大多數(shù)的生物脫氮工藝都將好氧區(qū)和缺氧區(qū)（或厭氧區(qū)分隔開，分別在不同的反應(yīng)器中運行,或者采用間歇的好氧和厭氧條件來實現(xiàn)。然而，自20世紀(jì)80年代以來,研究人員在一些沒有明顯缺氧及厭氧段的活性污泥法工藝中，曾多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象，即存在有氧情況下的反

3、硝化反應(yīng)、低氧情況下的硝化反應(yīng)。在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化往往發(fā)生在相同的條件下或同一處理空間內(nèi)，這種現(xiàn)象被稱作同步硝化反硝化（simultaneousnitrificationanddinitrification,SND,亦有研究人員將這種現(xiàn)象中的反硝化過程稱之為好氧反硝化。有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如流化床反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤、SBR、氧化溝、CAST工藝等1。作用機理2.1宏觀環(huán)境理論宏觀環(huán)境主要是從眾多生物反應(yīng)器在實際運行過程中可能發(fā)生的情況為依據(jù)，分析SND現(xiàn)象發(fā)生的環(huán)境條件2。在生物反應(yīng)器中，由于曝氣裝置類型的不同，使得其內(nèi)部出現(xiàn)氧氣分布不均的現(xiàn)象，從

4、而形成好氧段、缺氧段及（或厭氧段，此為生物反應(yīng)器的宏觀環(huán)境。例如:在生物膜反應(yīng)器中，由于基質(zhì)濃度和膜厚變化的影響,形成膜內(nèi)的缺氧區(qū),其他如RBC、SBR反應(yīng)器及氧化溝等也存在類似的現(xiàn)象。實際上，在生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中，完全均勻的混合狀態(tài)并不存在，所以，同步硝化反硝化現(xiàn)象是完全可能發(fā)生的。2.2微環(huán)境理論微環(huán)境理論從物理學(xué)角度解釋SND現(xiàn)象，是目前被普遍接受的一種機理，被認(rèn)為是SND發(fā)生的主要原因之一4。由于活性污泥和生物膜微環(huán)境中各種物質(zhì)（如DO、有機物、氨氮、NO2、NO3-等傳遞的變化，從而導(dǎo)致微環(huán)境中物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的改變。在活性污泥絮體和生物膜內(nèi)部存在各種各樣的微環(huán)境。但是

5、，對于SND現(xiàn)象來說,主要是由于溶解氧擴散作用的限制，使微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度，從而導(dǎo)致微環(huán)境的同步硝化反硝化。微生物絮體的外表面DO濃度較高，自養(yǎng)型硝化細(xì)菌利用氧氣進行硝化反應(yīng);絮體內(nèi)部，由于氧傳遞受阻，以及有機物氧化、硝化作用的消耗，形成缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢,反硝化菌利用NO3-為電子受體，發(fā)生反硝化反應(yīng)，即系統(tǒng)缺氧微環(huán)境的存在導(dǎo)致了反硝化的發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)合適的溶解氧濃度對同步硝化反硝化的發(fā)生具有重要的作用。微生物絮體、生物膜內(nèi)反應(yīng)區(qū)的分布如圖1、圖2所示。該理論存在一個重大的缺陷，即有機碳源問題。有機碳源是硝化作用的抑制物質(zhì),卻是反硝化作用的電子供體。有機碳源在好氧區(qū)被消耗,在微生物

6、絮體內(nèi)部的厭氧區(qū)得不到電子供體,反硝化速率就降低,SND脫氮效率也不會很高。圖1生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)和底物濃度分布示意圖圖2生物膜內(nèi)反應(yīng)區(qū)和底物濃度分布示意圖2.3微生物理論2020世紀(jì)80年代,Robertson和Kuenen5在反硝化和除硫系統(tǒng)出水中首次分離出了好氧反硝化菌。同時,生物科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)許多微生物如熒光假單胞菌（Pseudomonasflurescens、糞產(chǎn)堿菌（Alcaligenesfacealis、銅綠假單胞菌（Pseudomonasaeruginos等都可以對有機或無機氮化合物進行異氧硝化6;Kuenen及Robertson等發(fā)現(xiàn),許多異養(yǎng)硝化菌能進行好氧反硝化反應(yīng),在產(chǎn)生

7、NO3-和NO2-的過程中將這些產(chǎn)物還原,即直接將NH4+-N轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物而去除7。這些都為好氧條件下的反硝化現(xiàn)象提供了生物學(xué)根據(jù)。Robertson等6提出了好氧反硝化和異氧硝化的工作模型,即使用硝酸鹽/亞硝酸鹽呼吸（好氧反硝化、氨氧化（異氧硝化,最后一步作為過量還原能量的累積過程形成PHB。也有報道,好氧反硝化和異氧硝化菌的反應(yīng)速率隨著DO增加而減少。與厭氧反硝化細(xì)菌相比,好氧反硝化的一般特征為反硝化速率慢一些,但能較好適應(yīng)厭氧（或缺氧好氧周期變化7。好氧反硝化中的協(xié)同呼吸被認(rèn)為是好氧反硝化作用的一個很重要的機理,即分子氧和硝酸鹽被同時作為電子受體8。另一個機理是從反硝化酶系角度闡釋

8、好氧反硝化現(xiàn)象，即存在兩種不同的硝酸鹽還原酶（NAR,即膜內(nèi)硝酸鹽還原酶和周質(zhì)硝酸鹽還原酶。菌體的好氧生長和厭氧生長分別揭示了好氧條件下和厭氧條件下兩種酶的活性。影響因素3.1絮體結(jié)構(gòu)特征微生物絮體的結(jié)構(gòu)特征即活性污泥絮體粒徑的大小及密實度等,這些都直接影響了SND效果。微生物絮體粒徑及密實度的大小一方面直接影響了絮體內(nèi)部好氧區(qū)與缺氧區(qū)之間比例的大小,另一方面還影響了絮體內(nèi)部物質(zhì)的傳質(zhì)效果,進而影響絮體內(nèi)部微生物對有機底物及營養(yǎng)物質(zhì)獲取的難易程度。對特定的反應(yīng)器系統(tǒng)而言,絮體粒徑的大小應(yīng)當(dāng)有一個最佳的粒徑范圍。較大粒徑的絮體可以導(dǎo)致內(nèi)部較大缺氧區(qū)的存在,并有利于反硝化的進行;巾國ei袪律玄標(biāo)答

9、但粒徑過大、絮體過密，也會導(dǎo)致絮體內(nèi)物質(zhì)的傳遞受阻，進而會影響絮體內(nèi)微生物的代謝活動。KlangduenPochana等研究認(rèn)為較大粒徑的微生物絮體有利于SND的進行，并測出了SND適宜的污泥絮體尺寸為50110pm。Andreadakis10則指出進行最佳SND反應(yīng)的活性污泥絮體的適宜尺寸大小為1070pm。3.2溶解氧（DO溶解氧濃度被認(rèn)為是同步硝化反硝化的一個主要影響因素。合適的溶解氧有利于微生物絮體形成濃度梯度。溶解氧濃度過高,一方面，有機物氧化充分，反硝化反應(yīng)則缺少有機碳源,不利于反硝化反應(yīng)的進行;另一方面，氧容易穿透微生物絮體，內(nèi)部的厭氧區(qū)不易形成，也不利于反硝化反應(yīng)的發(fā)生。溶解氧

10、濃度過低，微生物絮體外部好氧區(qū)的硝化反應(yīng)受到影響，進而影響絮體內(nèi)部厭氧區(qū)的反硝化反應(yīng)。張可方等11在序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR內(nèi)，以模擬城市污水為處理對象。試驗結(jié)果表明，當(dāng)DO在0.52.5mg/L范圍內(nèi),TN的出水濃度隨著DO的升高而升高；當(dāng)DO=0.5mg/L時,TN去除率最高，達(dá)到93.74%。李紹峰等12研究了DO對連續(xù)運行的MBR同步硝化反硝化的影響。試驗結(jié)果表明，當(dāng)DO為0.60.8mg/L時，TN去除率達(dá)66.7%,取得了最好的TN去除效果,DO過高或過低都會影響同步硝化反硝化的進行。張瑞雪等13采用螺旋升流式反應(yīng)器（SUFR處理生活污水，考察了好氧反應(yīng)池中DO濃度對其同步硝化

11、反硝化的影響。結(jié)果表明，在好氧反應(yīng)池上部溶解氧濃度為3.03.5mg/L時，系統(tǒng)的硝化和反硝化效果最佳,好氧反應(yīng)池中的脫氮效果也最好,系統(tǒng)對TN的去除率84%。3.3碳氮比（C/N有機碳源在污水的生物脫氮處理中起著重要的作用，它是細(xì)菌代謝必需的物質(zhì)和能量來源。有機碳源是異養(yǎng)好氧菌和反硝化細(xì)菌的電子供體提供者。有機碳源越充分,C/N越高,反硝化獲得的碳源越充足,SND越明顯,TN的去除率也越高。張可方等11在SBR內(nèi)，以模擬生活污水為處理對象,C/N比取3.3、6.7和10時,TN去除率分別為66.15%、80.65%和88.18%,即C/N越高，出水NO3-N濃度越低,SND效果越好。周丹丹1

12、4等認(rèn)為，總氮的去除率隨著COD/N的增加而增加，當(dāng)COD/N為10.05時,TN去除率最高可達(dá)70.39%。繼續(xù)增加碳氮比時,TN去除率增加不多，并且還會導(dǎo)致硝化作用不完全。當(dāng)存在足夠的易降解有機碳源時，能發(fā)生完全的好氧反硝化作用。碳源種類對SND也有一定的影響。杜馨等15的研究表明，相對于易降解的乙酸鈉和葡萄糖來說，啤酒和淀粉的混合物這類可慢速降解的有機物，更適合作為SND的碳源。碳源投加方式也影響著SND現(xiàn)象。間歇投加碳源是保證SND持續(xù)進行的有效手段，間歇投加碳源時的總脫氮率是相同條件下一次性投加碳源的1.32倍15。3.4水力停留時間（HRT較短的水力停留時間下，異養(yǎng)菌大量繁殖，同時

13、消耗大量的氧氣,因此在菌膠團和膜內(nèi)部形成厭氧環(huán)境,有利于反硝化的進行，同時由于COD充足，能夠提供反硝化進行所需要的電子供體,因此有很好的TN去除率。而當(dāng)水力停留時間延長時，由于有機碳源的相對減少，溶解氧可以穿透菌膠團內(nèi)部，難以形成厭氧環(huán)境，同時不能提供足夠的有機碳源，所以很難得到高的總氮去除率。李紹峰等12以MBR反應(yīng)器為研究對象，當(dāng)COD為250mg/L左右,C/N為10:1,MLSS為3500mg/L,DO為1.0mg/L時,HRT為5h,TN去除率達(dá)到最高為60%以上，隨HRT的延長，同步硝化反硝化下降。張楠16研究了不同HRT對膜生物反應(yīng)器中SND效果的影響,結(jié)果表明隨著水力停留時間

14、的減少，同步硝化反硝化效果在增加。3.5污泥濃度（MLSS在低MLSS下,DO很容易穿透菌膠團，菌膠團內(nèi)部很難形成厭氧環(huán)境，也就很難創(chuàng)造進行反硝化的條件，所以不會有很高的TN去除率。而在高MLSS下,水中的污染物質(zhì)難以滲透至污泥內(nèi)部,致使污泥內(nèi)部的微生物難以接觸到有機碳源,從而影響了反硝化反應(yīng)的進行;另一方面，隨MLSS的增加,F/M降低到一定程度,由于食料的極度缺乏，某些微生物甚至?xí)a(chǎn)生抗生素，殺死其近緣物種17，進而影響硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)進行18。李紹峰18在MBR內(nèi)，研究不同的污泥濃度對同步硝化反硝化的影響，結(jié)果得出,TN的去除率隨著MLSS的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，在MLSS為

15、5g/L時達(dá)到最好的TN去除率86%。3.6污泥齡（SRT污泥齡即反應(yīng)器內(nèi)微生物固體的平均停留時間。由于硝化菌的世代周期相對較長，保持較長的泥齡有助于硝化菌的增殖而對硝化作用有利，但長泥齡會導(dǎo)致污泥的活性降低19。方茜19采用SBR法處理模擬低碳城市污水，研究不同污泥齡SND過程的脫氮效果。實驗中，污泥齡分別取5d、11d、15d和22d,DO濃度為0.51.0mg/L,進水COD為200mg/L左右,pH值為7.5左右，反應(yīng)時間為5h。反應(yīng)器中的污泥濃度也隨著泥齡的增加而濃度增大，兩者之間呈良好的線性關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)泥齡為5天時，硝化作用受到抑制，氨氮的去除率僅為18%，當(dāng)泥齡增加至11天

16、時，出現(xiàn)明顯的NO2-N積累現(xiàn)象，隨著泥齡的增加,TN去除率進一步增加。泥齡對SND的影響主要體現(xiàn)在對硝化菌和污泥濃度的影響兩方面?？刂坪侠淼奈勰帻g不僅有利于SND的發(fā)生而且還可發(fā)生NO2-途徑的SND。3.7氧化還原電位（ORP有研究表明,ORP和DO、pH值有著密切的聯(lián)系，通過控制ORP可以間接控制溶解氧濃度，進而控制同步硝化反硝化進程4。尤其在DO濃度比較低時,DO較小的改變反映在氧化還原電位上變化較大;負(fù)的氧化還原電位可測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DO的可測量范圍。所以,可以用ORP代替DO控制同步硝化反硝化20。候紅勛等21采用ORP作為氧化溝工藝SND的控制參數(shù)，采用缺氧-厭氧-氧化溝模型對市

17、政污水進行了生物脫氮研究。結(jié)果表明，當(dāng)UORP在-3030mV,NH4和NO3+的含量均比較低,發(fā)生了較好的SND,TN的去除率在88%以上;氧化溝中的NH4+和NO3-之比的對數(shù)與UORP有著很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R=-0.97。3.8溫度溫度對SND的影響表現(xiàn)為溫度對硝化菌和反硝化菌的影響。1020C硝酸菌較為活躍;2025C時，硝酸菌活動減弱,而亞硝化反應(yīng)加快,25C時達(dá)到最大。高于25C后,游離氨對亞硝酸菌的抑制較為明顯22。3.9酸堿度（pH值酸堿度是影響廢水生物脫氮工藝運行的重要因素之一。氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜pH值分別為7.08.5和6.07.5;反硝化菌最適宜的pH值是

18、7.08.5;pH值還影響反硝化rnsHjirPTffa最終產(chǎn)物,pH值超過7.3時終產(chǎn)物為氮氣，低于7.3時終產(chǎn)物為N2O4o硝化過程消耗廢水中的堿度會使pH值下降，反硝化過程會產(chǎn)生一定的堿度使pH值上升。因此，對于同步硝化反硝化來說，硝化過程消耗的堿度和反硝化產(chǎn)生的堿度在一定程度上可以相互抵消。方茜19認(rèn)為pH值在中性和略偏堿性的范圍內(nèi)有利于SBR反應(yīng)器內(nèi)SND的發(fā)生,SND的運行方式還有利于降低反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)堿度的投加量。3.10游離氨濃度（FA廢水中氨隨pH值不同分別以分子態(tài)和離子態(tài)形式存在。分子態(tài)游離氨（FA對硝化反應(yīng)有明顯的抑制作用。FA會抑制亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，即游離氨對亞硝酸的積

19、累有較大的影響。因此，控制合理的游離氨濃度會使反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生同步短程硝化反硝化。4.應(yīng)用狀況國外對同步硝化反硝化的應(yīng)用報道較多。1985年Rittmaun和Langelaud在工業(yè)規(guī)模的氧化溝成功實現(xiàn)了同時硝化和反硝化,近年來也有SND用于Orbal氧化溝的報道;SND同樣被用于生物轉(zhuǎn)盤（RBC工藝過程當(dāng)中23。Hyungseok等人24運用間歇曝氣排出工藝成功實現(xiàn)了經(jīng)過亞硝酸鹽的同步硝化反硝化。國內(nèi)學(xué)者對SND技術(shù)也進行了大量的研究,并取得了可喜的成果。高大文等25采用序批式活性污泥法,處理高氮豆制品廢水,控制反應(yīng)器內(nèi)DO濃度在0.5mg/L左右時，在反應(yīng)器內(nèi)同時實現(xiàn)了亞硝酸型硝化反硝化和同步

20、硝化反硝化。莊嚴(yán)等26以某醫(yī)藥化工廠維生素A生產(chǎn)廢水為進水，在SBR內(nèi)，將DO濃度控制在1.02.0mg/L,pH值為7.07.5,實現(xiàn)了SND,TN去除率達(dá)74%78%。馮輝等27采用SBR處理味精廢水，試驗中存在明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象，對氨氮和總氮的去除率分別達(dá)到99%、96%。戴鵬28在壓力式接觸氧化系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象。當(dāng)HRT=1.8h，溶解氧45mg/L,容積負(fù)荷為1012kgCOD/（m3d時，氨氮去除率80%左右,總氮去除率達(dá)70%80%。蔣山泉等29采用序批式生物膜法（SBBR以連續(xù)曝氣和A/O運行模式處理生活污水，探討了其同步硝化反硝化特性，在DO濃度為2

21、.5mg/L,C/N為1216時,TN去除率達(dá)到76%。5.結(jié)語同步硝化反硝化脫氮技術(shù)的出現(xiàn)為在同一個反應(yīng)器內(nèi)同時實現(xiàn)除碳、硝化和反硝化提供了可能，該技術(shù)具有穩(wěn)定反應(yīng)器的酸堿度、無需外加碳源、降低基建投資和節(jié)約運行費用等優(yōu)點。因此,SND技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義,受到了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。國外對SND的研究已逐漸從實驗室走向污水廠實踐階段，國內(nèi)學(xué)者也在實驗室內(nèi)做了大量的研究工作。今后還需要加強以下幾個方面的研究:從同步硝化反硝化的機理看來,無論是宏觀環(huán)境理論還是微環(huán)境理論,其理論實質(zhì)仍是缺氧微環(huán)境下的好氧反硝化,并不是真正意義上的好氧反硝化。因此,今后應(yīng)加強好氧反硝化的研究,好氧反硝化菌

22、的篩選和馴化,對其生理學(xué)特征和生物化學(xué)特征進行深入研究,找出影響其生長的各種生態(tài)因子,真正實現(xiàn)同步硝化反硝化;兼性反硝化聚磷菌的發(fā)現(xiàn),使反硝化脫氮和過量攝磷同步完成。如何把脫氮和除磷更好的結(jié)合起來將成為研究的熱點;各種廢水處理工藝內(nèi)實現(xiàn)SND的影響因素,各影響因素之間的關(guān)聯(lián)性,不同水質(zhì)廢水如何實現(xiàn)同步硝化反硝化等都應(yīng)當(dāng)進一步深入研究。 HYPERLINK 參考文獻1張立東，馮麗娟同步硝化反硝化技術(shù)研究進展J.工業(yè)安全與環(huán)保,2006,32(3),22-25.2萬金保，王敬斌同步硝化反硝化脫氮機理分析及影響因素研究J.江西科學(xué),200826(2:345-350.3楊麒，李小明，曾光明等同步硝化反

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