第七講傳統(tǒng)生物脫氮工藝進(jìn)展

當(dāng)代水處理新技術(shù)原理與應(yīng)用南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院吳立波聯(lián)系方式：蒙民偉樓322

電話23503730（O）手-mail:wulb@第七講傳統(tǒng)生物脫氮工藝進(jìn)展一、傳統(tǒng)生物脫氮原理二、傳統(tǒng)生物脫氮工藝及進(jìn)展三、同時(shí)硝化反硝化四、短程硝化反硝化工藝一、傳統(tǒng)生物脫氮原理1、微生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2、傳統(tǒng)硝化原理3、傳統(tǒng)反硝化原理1、微生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)代謝包括物質(zhì)代謝（合成）和能量代謝（代謝）物質(zhì)代謝：自養(yǎng)：無(wú)機(jī)碳源異養(yǎng)：有機(jī)碳源能量代謝：光能化學(xué)能（氧化還原反應(yīng)）

電子供體：有機(jī)物(H)、無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)（被氧化）電子受體：分子態(tài)氧、其他氧化性物質(zhì)（被還原）（受氫體：O2-）能量代謝為物質(zhì)代謝提供能量。由于能量利用率不同，微生物的產(chǎn)率系數(shù)不同。

傳統(tǒng)氮循環(huán)示意圖2、硝化反應(yīng)原理硝化反應(yīng)原理硝化反應(yīng)原理代謝合成平衡硝化反應(yīng)原理3、反硝化反應(yīng)原理反硝化反應(yīng)原理反硝化反應(yīng)原理NO2-NO3-52反硝化反應(yīng)原理NO2-反硝化反應(yīng)原理二、廢水生物脫氮工藝流程及進(jìn)展

根據(jù)硝化和反硝化的原理可知，要達(dá)到廢水生物脫氮的目的，必須先通過(guò)好氧硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后在缺氧的條件下進(jìn)行反硝化，將廢水中的氮最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩?。因此生物脫氮工藝是一個(gè)包括硝化和反硝化的工藝流程，并據(jù)此可采用多級(jí)活性污泥系統(tǒng)或單級(jí)活性污泥系統(tǒng)。多級(jí)活性污泥系統(tǒng)是傳統(tǒng)的生物脫氮系統(tǒng)，即單獨(dú)進(jìn)行硝化和反硝化的工藝系統(tǒng)。單級(jí)活性污泥系統(tǒng)是將含碳有機(jī)物的氧化、硝化和反硝化在一個(gè)活性污泥系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并只有—個(gè)沉淀池。從完成生物硝化的反應(yīng)器來(lái)分，脫氮工藝可分為微生物懸浮生長(zhǎng)型(活性污泥法及其變型)和微生物附著生長(zhǎng)型(生物膜反應(yīng)器)。隨著實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加和技術(shù)的改進(jìn)，新的脫氮工藝不斷出現(xiàn)，并在實(shí)際處理工程中得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)生物脫氮工藝進(jìn)展反應(yīng)器與系統(tǒng)的改進(jìn)多泥—單泥后置—前置交替循環(huán)反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器復(fù)合生物反應(yīng)器傳統(tǒng)生物脫氮新認(rèn)識(shí)1.硝化與亞硝化過(guò)程可分開(kāi)：短程硝化反硝化2.同時(shí)硝化反硝化：同步硝化反硝化

（氧氣對(duì)反硝化屬競(jìng)爭(zhēng)性抑制）

生物脫氮工藝生物脫氮工藝缺點(diǎn)是必須回流硝化液，反硝化率受限制。生物脫氮工藝生物脫氮工藝改進(jìn)AB工藝生物脫氮工藝生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物流化床等均是常用的生物膜法處理構(gòu)筑物，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以使其同時(shí)具有去除含碳有機(jī)物和脫氮的功能。有機(jī)負(fù)荷是影響硝化效果的重要因素，有機(jī)負(fù)荷增加會(huì)使硝化率減少，因?yàn)楫愷B(yǎng)菌會(huì)與硝化菌競(jìng)爭(zhēng)生物膜表面空間和溶解氧，從而抑制硝化茵的增殖。在生物膜脫氮系統(tǒng)中，應(yīng)進(jìn)行混合液的回流以提供缺氧反應(yīng)器所需的N0x-N，但污泥不需要回流。不同的反應(yīng)器采取的工藝流程也會(huì)不同。生物脫氮工藝A/O-SBR二\三溝式氧化溝SND:simultaneousnitrificationanddenitrification

aerobicdenitrificationShortcutnitrification-denitrification

三、SND技術(shù)simultanousN.DeN.1985年，Rittmann等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)硝化和反硝化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了反硝化反應(yīng)可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)連續(xù)進(jìn)行。通過(guò)控制DO濃度可實(shí)現(xiàn)在同一反應(yīng)器內(nèi)的SND，后來(lái)的Daigger、Rittmann以及國(guó)內(nèi)的高廷耀、呂錫武等都對(duì)SND進(jìn)行了大量的研究工作。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有不少實(shí)驗(yàn)和報(bào)道都證明了SND現(xiàn)象，尤其是在有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如生物轉(zhuǎn)盤(pán)、SBR、氧化溝、CAST等，但對(duì)SND的機(jī)理及工程應(yīng)用的可行性尚有待進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。1997年意大利實(shí)際應(yīng)用于延時(shí)曝氣活性污泥法改造。SND作用機(jī)理：宏觀環(huán)境理論微環(huán)境理論微生物理論SND作用機(jī)理宏觀環(huán)境理論微環(huán)境理論微生物理論微環(huán)境理論SND工藝的機(jī)理一般從物理學(xué)、生物學(xué)以及生物化學(xué)的角度進(jìn)行闡釋。比較合理的理論解釋是微環(huán)境理論。微環(huán)境理論側(cè)重從物理學(xué)觀點(diǎn)研究活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種物質(zhì)（如有機(jī)物、DO等）傳遞的變化，各類(lèi)微生物的代謝活動(dòng)及其相互作用，所導(dǎo)致微環(huán)境中物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的改變。該理論認(rèn)為，由于微生物個(gè)體形態(tài)非常微小，一般屬于納米級(jí)，影響生物生存的環(huán)境也是微小的。而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的變化或不均勻分布，從而影響微生物群或者類(lèi)型的活動(dòng)狀態(tài)，并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一現(xiàn)象（即宏觀環(huán)境與微觀環(huán)境不一致）。事實(shí)上，由于微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布和生物化學(xué)反應(yīng)的不均運(yùn)性，以及物質(zhì)傳遞的變化等因素的相互作用，在活性污泥菌膠團(tuán)和生物膜內(nèi)部存在多種多樣的微環(huán)境類(lèi)型。而每一種微環(huán)境往往只適合于某一類(lèi)微生物的活動(dòng)，而不適合其它微生物的活動(dòng)。在活性污泥中，決定各類(lèi)微環(huán)境狀況的因素包括有機(jī)物和電子受體（DO、硝態(tài)氮的濃度）、物質(zhì)傳遞特性、菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征、各類(lèi)微生物的分布和活動(dòng)狀況等。在好氧微環(huán)境中，由于好氧菌的劇烈活動(dòng)，當(dāng)好氧速率高于傳氧速率時(shí)，可形成厭氧性微環(huán)境；同樣，厭氧微環(huán)境在某些條件下，也可能成好氧性微環(huán)境。如DO濃度增高，攪拌加劇，使氧傳遞能力增強(qiáng)時(shí)，就會(huì)使菌膠團(tuán)內(nèi)部原來(lái)的微環(huán)境由厭氧型轉(zhuǎn)化為好氧型。一般而論，即使在好氧性微環(huán)境占主導(dǎo)地位的活性污泥系統(tǒng)中，也常常同時(shí)存在少量的微氧、缺氧、厭氧等狀態(tài)的微環(huán)境。而采用點(diǎn)源性曝氣裝置或者曝氣不均勻時(shí)，則比較容易出現(xiàn)大比例的局部缺氧微環(huán)境。因此，曝氣階段會(huì)出現(xiàn)某種程度的反硝化，或者成為同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象。對(duì)同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)行反硝化的工藝，硝化菌在活性污泥中占5％左右，大部分硝化菌、反硝化菌處于生物絮體內(nèi)部。在這種情況下，DO濃度增高將提高對(duì)生物絮體的穿透力，因此可以提高硝化反應(yīng)的速率，但會(huì)降低反硝化的速率。生物絮體內(nèi)部的微環(huán)境狀態(tài)，除DO受影響外，還和有機(jī)負(fù)荷（F/M）、攪拌程度有關(guān)。高F/M、低DO或無(wú)攪拌時(shí)，生物絮體內(nèi)微環(huán)境傾向于向缺氧或厭氧狀態(tài)發(fā)展。反之，低F/M、高DO或有攪拌時(shí)，微環(huán)境傾向于向好氧狀態(tài)發(fā)展。由于好氧工藝中厭氧性微環(huán)境的存在，為同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生提供了可能。SND工藝機(jī)理的模型解釋

SND工藝的優(yōu)點(diǎn)因?yàn)椴煌诮?jīng)典的脫氮理論，如果能夠掌握并運(yùn)用好SND這種工藝，則在實(shí)際運(yùn)行的污水廠中不但可以大大減小反應(yīng)器體積，從而節(jié)省工程投資費(fèi)用，而且可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，SND工藝具有獨(dú)特的優(yōu)越性：1硝化過(guò)程中堿度被消耗，同時(shí)反硝化過(guò)程中產(chǎn)生了堿度，因此，SND工藝能有效地保持反應(yīng)器中pH值的穩(wěn)定。又考慮到硝化反應(yīng)的最適pH值范圍比較狹窄，僅為7.5～8.6，因此，這一點(diǎn)便具有重要意義。另一方面，SND工藝無(wú)需投加外碳源。因此，SND工藝可節(jié)省大量的藥劑費(fèi)用。2SND工藝意味著在同一反應(yīng)器內(nèi)，在相同操作下，硝化、反硝化反應(yīng)能同時(shí)進(jìn)行。如果能保證這些反應(yīng)具有一定的效率，則可減少反應(yīng)器的數(shù)量和尺寸。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的SND工藝污水處理廠，可以省去缺氧池或者減少其容積。對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來(lái)講，SND工藝能夠降低實(shí)現(xiàn)完全硝化、反硝化所需要的時(shí)間。3SND工藝可以減少氧氣的供給，從而節(jié)省生物脫氮系統(tǒng)的能耗花費(fèi)。4SND工藝提供了今后降低生物脫氮系統(tǒng)投資并簡(jiǎn)化生物脫氮技術(shù)的可能性。SND工藝的主要控制因素

溶解氧（DO）溶解氧（DO）的控制對(duì)于同時(shí)硝化反硝化過(guò)程具有重要的影響作用。首先，DO濃度必須是以滿足含碳有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)的需要。若硝化不充分，則難以進(jìn)行反硝化，因此，溶解氧濃度不能過(guò)低。其次，DO濃度又不宜過(guò)高，以便在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度，形成缺氧微環(huán)境，同時(shí)使系統(tǒng)中有機(jī)物不致于過(guò)度消耗，影響反硝化碳源的需要。有人研究報(bào)道認(rèn)為，當(dāng)DO濃度為6.0mg/L時(shí)，由于溶解氧濃度相對(duì)較高，氧的穿透能力較強(qiáng)，所以在菌膠團(tuán)內(nèi)部形成的缺氧區(qū)較小或者只能在較少數(shù)的菌膠團(tuán)內(nèi)部形成較小的缺氧區(qū)，反硝化能力較弱；另一方面，由于DO濃度太高，好氧區(qū)的異氧好氧菌活性很強(qiáng)，能將有機(jī)物進(jìn)行快速的降解，即使在部分污泥絮體的內(nèi)部形成缺氧區(qū)，也會(huì)由于有機(jī)物的不足而降低反硝化能力。但當(dāng)DO濃度為3.0mg/L時(shí)，氧的穿透能力就會(huì)降低，因此能形成缺氧區(qū)的污泥絮體增多或污泥絮體的缺氧區(qū)增大，使反硝化能力增強(qiáng)，總氮的去除率迅速提高。而當(dāng)DO濃度為1.0mg/L左右時(shí)，氧的穿透力已很弱，大多數(shù)污泥絮體的內(nèi)部都能形成缺氧區(qū)，所以反硝化能力很強(qiáng)。因此，通過(guò)控制曝氣量來(lái)控制適當(dāng)?shù)腄O濃度是提高SND脫氮效率的關(guān)鍵因素之一。一般地，DO濃度控制在0.5～1.0mg/L內(nèi)，在滿足硝化地前提下，同時(shí)通過(guò)反硝化可去除60％～70％的總氮。另一方面，將DO濃度控制在1.0mg/L左右時(shí)，氨經(jīng)亞硝化產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽，而實(shí)際上亞硝酸鹽在反應(yīng)器中積累很少，這是因?yàn)樵谌绱说偷腄O濃度條件下，污泥絮體內(nèi)部很容易形成缺氧區(qū)，形成的亞硝酸鹽可以直接擴(kuò)散至缺氧區(qū)被反硝化掉，有助于實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮。污泥濃度和絮體結(jié)構(gòu)污泥濃度與絮體結(jié)構(gòu)，即活性污泥顆粒的多少、大小及其密實(shí)度，這是另一個(gè)影響同時(shí)硝化反硝化過(guò)程的重要因素。有研究表明，在活性污泥濃度較低的情況下（1～2mg/L），由于曝氣的攪動(dòng)，使得活性污泥絮體表面更新速率加快，很難形成缺氧微環(huán)境，因而難以產(chǎn)生反硝化作用，而提高活性污泥濃度有助于提高好氧SND過(guò)程的脫氮效果。如果將活性污泥濃度控制在5g/L左右，DO濃度控制在0.5～1.0mg/L，則可形成較好的缺氧微環(huán)境，明顯的提高SND的脫氮效果。有機(jī)負(fù)荷和COD/N

反硝化過(guò)程需要有足夠的碳源，因此污泥有機(jī)負(fù)荷直接影響好氧SND過(guò)程的脫氮效果。在控制曝氣量的前提下，污泥有機(jī)負(fù)荷過(guò)高，異養(yǎng)菌活動(dòng)旺盛，勢(shì)必抑制硝化反應(yīng)，硝化不充分必然會(huì)影響反硝化；污泥有機(jī)負(fù)荷過(guò)低，有機(jī)物大量消耗，必然影響反硝化的碳源需要。有研究表明，將污泥有機(jī)負(fù)荷控制在0.10～0.15kgBOD5/(kgMLSS*d)范圍內(nèi)，在保證BOD去除的同時(shí)，預(yù)留了同步反硝化的碳源，可保證反硝化的順利進(jìn)行。另有研究表明，對(duì)于氨氮含量高、有機(jī)物含量低的工業(yè)廢水，COD/N是直接影響SND過(guò)程的脫氮效果的重要參數(shù)。當(dāng)COD/N低于4時(shí)，有必要向廢水中投加有機(jī)物以來(lái)補(bǔ)充碳源的不足。氧化還原電位（ORP）控制氧化還原電位可以很好地反映DO的變化，特別是DO比較低時(shí)。若DO無(wú)法直接測(cè)量，氧化還原電位更可成為DO的間接測(cè)量手段。污水處理廠的低濃度氧曝氣可用絕對(duì)ORP的測(cè)量來(lái)控制。從能斯特方程可以看到，在低溶解氧時(shí)利用控制ORP代替控制溶解氧有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：

1）DO較小的改變反映在氧化還原電位上的變化較大；

2）負(fù)的氧化還原電位可測(cè)量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DO的可測(cè)量范圍，所以可以代替DO控制同步硝化反硝化。SND工藝的研究進(jìn)展基于SND工藝相對(duì)于傳統(tǒng)生物脫氮工藝的諸多優(yōu)勢(shì)，SND工藝正逐漸成為目前生物脫氮研究的熱點(diǎn)之一。目前對(duì)SND生物脫氮技術(shù)的研究主要集中在生物膜反應(yīng)器、氧化溝、SBR等反應(yīng)器系統(tǒng)。WatanabeY.等人采用了部分淹沒(méi)式旋轉(zhuǎn)生物接觸反應(yīng)器進(jìn)行了SND的研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溶解氧的變化對(duì)生物膜反應(yīng)器的影響很大，氧流入量越低，硝化率越低，反硝化率越高；氣相氧分壓在0.1大氣壓時(shí)(氧流量＝0.35g/m2/h)，脫氮率達(dá)到最高。Masuda等人研究發(fā)現(xiàn)，生物膜密度、單位體積生物膜中異養(yǎng)生物和硝化菌反硝化菌的數(shù)量隨生物膜厚度的增加而增加，而膜內(nèi)的反應(yīng)速率并未明顯受到膜厚的影響。由此可見(jiàn)，生物膜的厚度和溶解氧的濃度是影響生物膜反應(yīng)器SND效果的兩個(gè)關(guān)鍵因素，只有將二者控制到合適的程度才能保證SND的效果。

Bruce等人研究的兩個(gè)單溝氧化渠操作較為簡(jiǎn)單，平均溶解氧濃度為0.1～0.5mg/L，脫氮率就分別達(dá)到97.6%和76%。對(duì)典型的三溝式Orbal氧化溝的研究發(fā)現(xiàn)，供氧量只需為需氧量的50%-70%，即溶解氧在0-0.5mg/L左右，外溝道就處于虧氧狀態(tài)，就有利于異養(yǎng)微生物利用硝酸鹽氮進(jìn)行反硝化。因而，氧傳遞速率是氧化溝工藝需控制的主要參數(shù)。

Munch等人觀察了SBR反應(yīng)器中溶解氧對(duì)硝化率和反硝化率的影響，發(fā)現(xiàn)曝氣階段溶解氧對(duì)硝化率的影響可用Monod方程表示，反硝化菌與溶解氧的關(guān)系可用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方程表示，且轉(zhuǎn)換常數(shù)比預(yù)期值要高，這意味著好氧硝化反硝化的程度也高于預(yù)期值，運(yùn)行過(guò)程中硝化菌的活動(dòng)受到抑制，同時(shí)好氧硝化反硝化速率隨曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，完全硝化反硝化時(shí)溶解氧濃度大約為0.5mg/L。東南大學(xué)環(huán)境工程系分別采用ORP儀和溶解氧儀控制SBR反應(yīng)器的SND現(xiàn)象，ORP儀設(shè)置70mV、50mV、20mV3個(gè)最大值，溶解氧儀設(shè)置0.15mg/L、1mg/L、2mg/L3個(gè)最大值，實(shí)驗(yàn)獲得了SND工藝20%-60%的除氮率，且曝氣初期1.5h內(nèi)除氮率急劇增加。ORP控制有效的實(shí)現(xiàn)了高低溶解氧條件的交替，保證充分硝化反應(yīng)的同時(shí)創(chuàng)造了SND的最佳環(huán)境。結(jié)果表明：不同最大ORP值控制的SND，其除氮率由小到大的順序?yàn)?0mV，50mV，20mV，且50mV和20mV時(shí)，反應(yīng)后期亦出現(xiàn)顯著的SND現(xiàn)象，而低氧條件下，DO儀控制的SND除氮率和硝化速度都明顯低于OPR儀控制。間歇曝氣工藝的氮去除率可達(dá)90%，溶解氧濃度、曝氣循環(huán)的設(shè)置方式、碳源形式及投加量均是其重要的影響因素。K.Pochana等人認(rèn)為生物易降解碳源的投加和活性污泥絮體體積的增加均可引起SND效率的顯著加強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：活性污泥絮體平均粒徑由40Lm變?yōu)?0Lm時(shí)，SND貢獻(xiàn)率由21%增到了52%。此外，反應(yīng)器液相主體的溶解氧濃度在一定范圍內(nèi)增加，會(huì)呈線性關(guān)系抑制SND，但DO濃度增至0.8mg/L時(shí)，其線性關(guān)系不明顯。由上可見(jiàn)，同時(shí)硝化反硝化生物脫氮技術(shù)中，生物膜、活性污泥絮體的結(jié)構(gòu)及溶解氧濃度是能否進(jìn)行SND的關(guān)鍵控制因素。SND工藝存在的問(wèn)題

作為脫氮技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展，同步硝化反硝化現(xiàn)象正逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。但由于實(shí)現(xiàn)SND的控制因素多且復(fù)雜，各種因素之間又相互關(guān)聯(lián)，要將SND生物脫氮技術(shù)成功地投入工程實(shí)踐還有一段距離。目前，SND脫氮技術(shù)還存在著一些迫切需要解決的問(wèn)題：(1)對(duì)SND的脫氮機(jī)理還有待進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與了解。(2)需要解決微環(huán)境理論中雙氧區(qū)模型的缺陷造成的問(wèn)題，即有機(jī)碳源的問(wèn)題。(3)需要加強(qiáng)對(duì)SND工藝中微生物培養(yǎng)以及污泥性能的研究。(4)SND在實(shí)際工程應(yīng)用中控制條件的確定和穩(wěn)定性、可靠性還需進(jìn)一步證實(shí)。(5)SND脫氮過(guò)程中有可能產(chǎn)生NO2-和逸出如NO、N2O等有害中間氣態(tài)產(chǎn)物，容易造成二次污染的問(wèn)題。SND工藝技術(shù)發(fā)展展望目前,國(guó)外學(xué)者對(duì)同時(shí)硝化反硝化工藝的研究已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的深入研究階段，對(duì)其作用機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型正在做進(jìn)一步的研究工作。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生物脫氮研究的重點(diǎn)放在兩階段硝化－反硝化工藝上，尚未對(duì)同時(shí)硝化反硝化一體化工藝進(jìn)行足夠的研究。對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來(lái)講，SND能夠降低硝化反硝化的完成時(shí)間。同時(shí)，由于SND不需要加導(dǎo)流板去形成缺氧或厭氧段，不需要單獨(dú)設(shè)置缺氧及缺氧段裝置，不需要內(nèi)循環(huán)。因此,SND系統(tǒng)很好地提供了今后降低投資并簡(jiǎn)化生物除氮技術(shù)的可能性。而經(jīng)過(guò)亞硝酸鹽氮完成的同時(shí)硝化反硝化則更具有節(jié)省有機(jī)碳源和曝氣量等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)硝化反硝化的影響因素較多,相對(duì)較難控制。今后的研究方向可放在如下幾個(gè)方面：(1)硝酸鹽氨氧化和亞硝酸鹽氨氧化技術(shù)的研究。(2)ORP信號(hào)對(duì)低溶解氧條件的控制比溶解氧信號(hào)更為精確有效，而缺氧條件時(shí)ORP信號(hào)控制是唯一的選擇。ORP控制易于較好維護(hù)同時(shí)硝化反硝化微生物所需的低氧環(huán)境，而ORP的信號(hào)折點(diǎn)則能控制反硝化的進(jìn)行程度。(3)研究發(fā)現(xiàn)兼性反硝化菌具有很強(qiáng)的生物攝P放磷能力,如何將脫氮除磷有機(jī)的結(jié)合起來(lái),探索一種可持續(xù)城市污水生物處理技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。(4)從微生物學(xué)的角度擴(kuò)大對(duì)好氧反硝化菌的分類(lèi)研究，發(fā)掘好氧反硝化菌的種屬資源,研究好氧反硝化菌的生長(zhǎng)特性，提高和改善水處理過(guò)程同步硝化反硝化作用。(5)SND過(guò)程中硝化與反硝化的速率與傳統(tǒng)硝化反硝化速率的對(duì)比研究。生物脫氮的本質(zhì)，依然是利用了微生物動(dòng)力學(xué)特性固有的差異而實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)細(xì)菌動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)與選擇的結(jié)果。因此，協(xié)調(diào)控制硝化與反硝化這兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡顯得尤為重要。然而，由于過(guò)程的復(fù)雜性及控制因素的相互關(guān)聯(lián),使得實(shí)現(xiàn)SND并不是很容易的事。但是，由于SND的諸多優(yōu)越性，相信經(jīng)過(guò)不斷的完善與改進(jìn)，SND生物脫氮新技術(shù)最終將成為廢水脫氮處理的重要措施之一。四、短程硝化反硝化短程硝化－反硝化工藝是一種新型生物脫氮工藝。它在理念和技術(shù)上突破了傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝的框架。在傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝中，氨先被氧化成硝酸鹽（NH4+

－>NO2-－>NO3-,全程硝化），再被還原成氮?dú)猓∟O3-

－>NO2-

－>N2，全程反硝化）。就生物脫氮而言，硝化過(guò)程中的NO2-－>NO3-與反硝化過(guò)程中的NO3-

－>NO2-是一段多走的路，將其從工藝中省去同樣能實(shí)現(xiàn)廢水脫氮。該工藝的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)亞硝酸的積累。在硝化系統(tǒng)中，與亞硝酸積累有關(guān)的因素包括：①自由氨的存在，②較高的pH值，③溶解氧濃度低，④溫度的變化，⑤氨氮負(fù)荷高，⑥污泥齡長(zhǎng)，⑦硝酸鹽的還原。大多數(shù)研究人員認(rèn)為自由氨濃度高(高pH值條件下)和溶解氧濃度低是亞硝酸鹽積累的主要原因，指出亞硝酸積累的內(nèi)在原因在于自由羥氨(NH2OH)的積累。根據(jù)對(duì)前人試驗(yàn)結(jié)果的分析，表明自由羥氨不應(yīng)是亞硝酸積累的最終原因，自由羥氨積累主要受溶解氧、pH的控制。1975年Voets處理高氨氮廢水1986年Sutherson證實(shí)可行性，Turk等用于推流式前置生物脫氮系統(tǒng)1989年耿艷樓研究短程硝化反硝化亞硝酸型硝化的控制途徑1.純氨氧化菌培養(yǎng)與固定2.溫度控制分選3.游離氨抑制分選4.低溶解氧抑制分選SHARON工藝:

singlereactorforhighammoniumremovalovernitrite荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出并成功開(kāi)發(fā)了Sharon工藝，即在同一反應(yīng)器內(nèi)，先在有氧條件下，利用亞硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，然后在缺氧條件下，以有機(jī)物為電子供體，將亞硝酸鹽反硝化，生成氮?dú)?。該工藝的關(guān)鍵是利用不同條件下亞硝酸菌和硝酸菌生長(zhǎng)速率的差異，將硝酸菌逐步淘汰出反應(yīng)器，從而維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARON工藝的核心是利用亞硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高溫(30℃～35℃)下亞硝酸菌的生長(zhǎng)速率明顯高于硝酸菌的生長(zhǎng)速率的特性來(lái)控制系統(tǒng)的SRT在硝酸菌和亞硝酸菌的最小SRT之間，從而使亞硝酸菌具有較高的濃度而硝酸菌被自然淘汰，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的溫度和pH進(jìn)行嚴(yán)格控制，維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARON工藝主要用于處理城市污水二級(jí)處理系統(tǒng)中污泥消化的上清液和垃圾濾出液等廢水。荷蘭已建成兩座利用該工藝的廢水生物脫氮處理廠，證明了亞硝酸型生物脫氮的可行性。由于這些廢水本身溫度較高，屬高氨高溫水，有利于進(jìn)行短程硝化反硝化，可使硝化系統(tǒng)中亞硝酸的積累達(dá)100%。但大量的城市污水，一般都屬于低氨低溫水，要使水溫升高并保持在30℃～35℃很難實(shí)現(xiàn)。表1亞硝化菌和硝化菌的特征

細(xì)胞形狀橢球或棒狀橢球或棒狀細(xì)胞尺寸（μm)1.0×1.50.5×1.0革蘭氏染色陰性陰性世代周期（h）8-3612～59自養(yǎng)性專(zhuān)性專(zhuān)利需氧性嚴(yán)格好氧嚴(yán)格好氧最大比生長(zhǎng)速率μm（h-1)0.04～0.080.02～0.06產(chǎn)率系數(shù)Y（mg細(xì)胞/mg基質(zhì)）0.01～0.130.02～0.07飽和常數(shù)Ks（mg/L）0.6～3.60.3～1.7Sharon工藝的概念Sharon是英文“singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite”的字母縮寫(xiě)。由于該工藝把硝化作用控制在亞硝酸鹽階段，比傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝縮短了一段流程，因此國(guó)內(nèi)形象的將它稱(chēng)為短程硝化－反硝化工藝。Sharon工藝的典型特征:短程硝化和短程反硝化被放置在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)施，工藝流程短反應(yīng)器內(nèi)不持留活性污泥，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作溫度較高（30－40oC），處理效率較好借助于反硝化作用調(diào)控酸堿度（pH7－8），無(wú)需加堿中和對(duì)于活性污泥法，可節(jié)省氧供應(yīng)量約25%，降低能耗節(jié)省反硝化所需碳源40%，在C/N比一定的情況下提高TN去除率減少污泥生成量可達(dá)50%縮短反應(yīng)時(shí)間，相應(yīng)反應(yīng)器容積減少

Sharon工藝的原理經(jīng)濟(jì)性原理微生物學(xué)原理反應(yīng)工程學(xué)原理Sharon工藝的實(shí)施策略經(jīng)濟(jì)性原理NH4++1.5O2－－－－－NO2-+H2O+2H+

（5－1）

NH4++2.0O2－－－－－NO3-+H2O+2H+（5－2）短程硝化作用硝化作用供氧量節(jié)省25％6NO2-+3CH3OH+3CO2－－－3N2+6HCO3-+3H2O(5-3)6NO3-+5CH3OH+CO2－－－3N2+6HCO3-+7H2O(5-4)甲醇消耗量節(jié)省了40％短程反硝化作用反硝化作用亞硝酸細(xì)菌所致的氨氧化反應(yīng)和反硝化細(xì)菌所致的亞硝酸鹽還原反應(yīng)是開(kāi)發(fā)Sharon工藝的基礎(chǔ)。比較反應(yīng)式（5－1）和（5－2）可知，由于Sharon工藝只有氨氧化反應(yīng)，沒(méi)有亞硝酸鹽氧化反應(yīng)，耗氧量可比傳統(tǒng)硝化工藝降低25％，供氧設(shè)備也可相應(yīng)壓縮。比較反應(yīng)式（5－3）和（5－4）可知，由于Sharon工藝的還原反應(yīng)起始于亞硝酸鹽而不是硝酸鹽，甲醇消耗量可比傳統(tǒng)反硝化工藝節(jié)省40％，運(yùn)輸工具，貯存容器和投加設(shè)備也可相應(yīng)的減少。因此，Sharon工藝的經(jīng)濟(jì)性甚好，既能節(jié)約基建投資，也能降低運(yùn)行費(fèi)用。微生物學(xué)原理

1.基質(zhì)專(zhuān)一性和物種遠(yuǎn)緣性硝化作用是一個(gè)序列反應(yīng)，先由亞硝酸細(xì)菌把氨氧化成亞硝酸鹽（式（5－5）），再由硝酸細(xì)菌把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽（式（5－6））。迄今為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種細(xì)菌能夠把氨直接氧化成硝酸鹽。硝化細(xì)菌的這種基質(zhì)專(zhuān)一性是研究和開(kāi)發(fā)短程硝化工藝的重要依據(jù)。NH4++1.5O2－－－NO2-+H2O+2H+（5－5）NH4++0.5O2－－－NO3-（5－6）硝酸細(xì)菌亞硝酸細(xì)菌微生物學(xué)原理

2.倍增時(shí)間的差異性細(xì)菌完成一次分裂（個(gè)體數(shù)目增加一倍）所需的時(shí)間叫做倍增時(shí)間（doublingtime）細(xì)菌種類(lèi)不同，比生長(zhǎng)速率也不同，表現(xiàn)出來(lái)的倍增時(shí)間相差很大。

Sharon工藝涉及硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，前者的倍增時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于后者（相差10倍以上），常常成為生物脫氮過(guò)程的“瓶頸”。通過(guò)操作控制，選留生長(zhǎng)快的種群，淘汰生長(zhǎng)慢的種群，這是Sharon工藝克服“瓶頸”效應(yīng)的法寶。微生物學(xué)原理

3.生長(zhǎng)對(duì)基質(zhì)濃度的依賴(lài)性比生長(zhǎng)速率的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)由單位細(xì)菌增殖而來(lái)的細(xì)菌數(shù)量。比生長(zhǎng)速率常數(shù)并非是一個(gè)真正的常數(shù)，它受基質(zhì)濃度的制約。比生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度呈正相關(guān)Sharon工藝在高基質(zhì)濃度下運(yùn)作，各種硝化細(xì)菌都以最大速率生長(zhǎng)，對(duì)基質(zhì)濃度適應(yīng)性好且生長(zhǎng)更快的菌群將取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。微生物學(xué)原理

4.生長(zhǎng)與代謝的相關(guān)性氨氧化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)分別是亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌賴(lài)以生存的產(chǎn)能反應(yīng)，基質(zhì)代謝與細(xì)菌生長(zhǎng)直接相關(guān)。在Sharon工藝中，加快了細(xì)菌特別是亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)速率，就等于提高了基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率。因此，富集快生型菌群并促進(jìn)其生長(zhǎng)，對(duì)基質(zhì)高速轉(zhuǎn)化具有重要意義。反應(yīng)工程學(xué)原理在分批培養(yǎng)中，由于基質(zhì)消耗和產(chǎn)物積累營(yíng)養(yǎng)條件與環(huán)境條件都會(huì)惡化，細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)難以持續(xù)。如果連續(xù)添加新鮮培養(yǎng)基補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)排除等量混合液消除有害產(chǎn)物，細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)就能維持。這種培養(yǎng)補(bǔ)料和出料的培養(yǎng)方法稱(chēng)為連續(xù)培養(yǎng)（continuousculture）。連續(xù)培養(yǎng)經(jīng)常被放置在恒化器（chemostat）中進(jìn)行.Sharon工藝的工作原理類(lèi)同于連續(xù)培養(yǎng)，Sharon工藝的反應(yīng)裝置類(lèi)似于恒化器。反應(yīng)工程學(xué)原理1.恒化器中培養(yǎng)液的稀釋率在恒化培養(yǎng)中，新鮮培養(yǎng)基以不變的流速輸入恒化器，并立即與該裝置內(nèi)的培養(yǎng)液充分混合。經(jīng)過(guò)混合的培養(yǎng)液以相同的流速輸出恒化器。在恒化器內(nèi)，培養(yǎng)液的體積不變，其更換速率與新鮮培養(yǎng)基的輸入速率以及培養(yǎng)液的總體積有關(guān)。當(dāng)培養(yǎng)液的總體積不變時(shí)，更換速率與新鮮培養(yǎng)基的輸入速率成正比。連續(xù)流（培養(yǎng)基連續(xù)流進(jìn)和流出恒化器）和全混合（恒化器內(nèi)培養(yǎng)液均勻一致）是恒化器的水力特征，稀釋率表征了單位時(shí)間內(nèi)恒化器中流體的更換次數(shù)。稀釋率的倒數(shù)是流體在恒化器內(nèi)的平均水力停留時(shí)間（hydraulicretentiontime,HRT）。從化學(xué)反應(yīng)的角度看，HRT表征了流體中基質(zhì)在恒化器內(nèi)的平均反應(yīng)時(shí)間。所需的HRT越短，表明恒化器的反應(yīng)潛力越大。反應(yīng)工程學(xué)原理2.恒化器中細(xì)菌濃度的變化假設(shè)新鮮培養(yǎng)基輸入后，恒化器內(nèi)沒(méi)有細(xì)菌生長(zhǎng)，那么裝置內(nèi)原有的細(xì)菌將隨混合液的輸出而流失。對(duì)于恒化器，凈生長(zhǎng)速率等于生長(zhǎng)速率與流失速率之差凈生長(zhǎng)速率＝生長(zhǎng)速率-流失速率由于全混合，恒化器內(nèi)的細(xì)菌濃度均勻一致，裝置內(nèi)的細(xì)菌濃度與流出液中的細(xì)菌濃度相等。恒化器內(nèi)細(xì)菌濃度的變化反映了細(xì)菌生長(zhǎng)速率與流體帶出速率的相對(duì)大小。細(xì)菌是恒化器進(jìn)行生物反應(yīng)的主角，恒化器反應(yīng)潛力的大小與細(xì)菌的活性和數(shù)量密切相關(guān)，恒化器內(nèi)細(xì)菌濃度的變化勢(shì)必影響恒化器的工作效能。反應(yīng)工程學(xué)原理3.恒化器中基質(zhì)濃度的變化在一定條件下，細(xì)菌濃度的增加與基質(zhì)的消耗成正比在連續(xù)培養(yǎng)中，濃度為So的限制性基質(zhì)以一定速率輸入恒化器，經(jīng)過(guò)細(xì)菌利用，大部分基質(zhì)被消耗，剩余基質(zhì)以濃度S輸出恒化器。恒化器內(nèi)的基質(zhì)濃度變化為基質(zhì)變化＝基質(zhì)流入量-細(xì)菌對(duì)基質(zhì)的消耗量-基質(zhì)流失量由于全混合，恒化器內(nèi)的基質(zhì)濃度均勻一致，裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度與流出液中的基質(zhì)濃度相等。恒化器內(nèi)基質(zhì)濃度的變化反映了細(xì)菌代謝速率與流體帶出速率的協(xié)同作用。基質(zhì)是恒化器進(jìn)行生物反應(yīng)的原料，代謝所致的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率直接反映了恒化器的工作效能。Sharon工藝的實(shí)施策略1.稀釋率對(duì)細(xì)菌的篩選作用采用恒化器混合培養(yǎng)多種細(xì)菌時(shí)，稀釋率對(duì)不同細(xì)菌具有淘汰作用。設(shè)定一個(gè)稀釋率后，各種細(xì)菌在恒化器中的命運(yùn)取決于自身的生長(zhǎng)速率，如果最大比生長(zhǎng)速率小于設(shè)定的稀釋率，則該種群被洗出恒化器。所設(shè)定的比生長(zhǎng)速率越高，被保留在恒化器內(nèi)的種群越少，這些種群的比生長(zhǎng)速率越高。根據(jù)最小因子定律，生物生長(zhǎng)受制于相對(duì)數(shù)量最少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）。改善營(yíng)養(yǎng)條件（例如，提高限制性基質(zhì)濃度），將會(huì)促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)，從而在某種程度上影響細(xì)菌的歸宿在傳統(tǒng)硝化工藝中，為了保證出水達(dá)標(biāo)，通常將氨濃度控制在較低的水平，裝置內(nèi)富集的一般是慢生型亞硝酸細(xì)菌；而在Sharon工藝中，通常將氨濃度控制在較高的水平，裝置內(nèi)富集的顯然是快生型亞硝酸細(xì)菌。Sharon工藝的實(shí)施策略SHARON工藝的成功還在于:巧妙地應(yīng)用了硝化菌(Nitrobacter)和亞硝化菌(Nitrosomonas)的不同生長(zhǎng)速率,即在較高溫度下，硝化菌的生長(zhǎng)速率明顯低于亞硝化菌的生長(zhǎng)速率。

因此,在完全混合反應(yīng)器中通過(guò)控制溫度和停留時(shí)間,可以將硝化菌從反應(yīng)器中沖洗出去(washout)，使反應(yīng)器中亞硝化菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),從而使氨氧化控制在亞硝化階段。同時(shí)通過(guò)間歇曝氣，可以達(dá)到反硝化的目的。Sharon工藝的實(shí)施策略2.反應(yīng)器內(nèi)不持留菌體反應(yīng)器的反應(yīng)潛力主要取決于反應(yīng)速率和反應(yīng)時(shí)間。在生物反應(yīng)器中，反應(yīng)速率主要取決于生物活性和生物數(shù)量。Sharon工藝要將硝化作用終止于亞硝酸鹽階段，必須抑止硝酸細(xì)菌的活性，最有效的辦法是將硝酸細(xì)菌清除出反應(yīng)系統(tǒng)。如果采用現(xiàn)有的高效生物反應(yīng)器，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)硝酸細(xì)菌的清除，這是因?yàn)檫@些反應(yīng)器在持留生物體時(shí)不能區(qū)分亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌。鑒此，Sharon工藝創(chuàng)新性地選用了不持留生物體的連續(xù)流全混合反應(yīng)器（恒化器），利用兩個(gè)菌群的生長(zhǎng)速率上的差異，通過(guò)調(diào)控稀釋達(dá)到了清除硝酸細(xì)菌的目的。在恒化器的運(yùn)行中，通過(guò)調(diào)控稀釋率，不僅清除了生長(zhǎng)相對(duì)緩慢的硝酸細(xì)菌，也淘汰了慢生型亞硝酸細(xì)菌，留下的亞硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)較快。此外，通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件的優(yōu)化，特別是通過(guò)提高基質(zhì)濃度和操作溫度，促進(jìn)了亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)，有效地保證了反應(yīng)所需的菌體數(shù)量。Sharon工藝的實(shí)施策略3.利用反硝化產(chǎn)生的堿度傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝有兩種實(shí)施方法。一種是把硝化與反硝化反應(yīng)放置于兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。在這種方法中，為了節(jié)約處理成本，通常把反硝化反應(yīng)器的部分出水回流到硝化反應(yīng)器內(nèi)，以回收堿度。另一種方法是把硝化與反硝化反應(yīng)放置在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。這樣可以充分利用反硝化作用產(chǎn)生的堿度，來(lái)中和硝化作用產(chǎn)生的酸度。但是，當(dāng)進(jìn)水含有較多的有機(jī)物時(shí)，異養(yǎng)型細(xì)菌的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硝化細(xì)菌，前者可嚴(yán)重干擾后者的作用。Sharon工藝的實(shí)施策略3.利用反硝化產(chǎn)生的堿度Sharon工藝采用一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)，從空間上為反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部酸堿平衡創(chuàng)造了條件。Sharon工藝改變了傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝“先完成硝化再進(jìn)行反硝化”的工作模式，通過(guò)間歇供氧，使硝化與反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行，也從時(shí)間上為反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部酸堿平衡創(chuàng)造了條件。由于及時(shí)就地利用反硝化產(chǎn)生的堿度，反應(yīng)器內(nèi)的pH始終被保持在有利于生物脫氮的范圍（7－8.5）。Sharon工藝還通過(guò)反應(yīng)器的合理選型，有意識(shí)的強(qiáng)化了對(duì)混合液CO2的吹脫，驅(qū)除了部分酸度，減少甚至擺脫了對(duì)外源堿性物質(zhì)的依賴(lài)。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)pH控制好氧好氧厭氧厭氧甲醇甲醇7.5<pH<8.57.5<pH<8.5間歇供氧對(duì)反應(yīng)器pH的調(diào)控作用循環(huán)周期2h水力停留時(shí)間36hSharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)Sharon工藝的核心是使硝化過(guò)程終止于亞硝酸鹽階段。在實(shí)施上，不僅要抑制亞硝酸鹽氧化，還要促進(jìn)氨氧化，只有這樣，才能使該工藝經(jīng)濟(jì)高效。溫度控制pH控制溶解氧濃度控制基質(zhì)濃度和負(fù)荷控制泥齡控制Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)1.溫度控制溫度對(duì)生物反應(yīng)有很大的影響。對(duì)于硝化反應(yīng)，文獻(xiàn)來(lái)源不同，所報(bào)道的溫度范圍和適宜溫度差距很大?？偟膩?lái)說(shuō)，硝化反應(yīng)的溫度范圍為4－45oC，適宜溫度為20－30oC，溫度低于15oC或高于40oC硝化速率降低。在常溫（5－20oC）下，由于亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)速率小于硝酸細(xì)菌，前者產(chǎn)生的亞硝酸鹽很容易被后者繼續(xù)氧化成硝酸鹽，因此在這個(gè)溫度范圍運(yùn)作的傳統(tǒng)生物脫氮工藝，只能進(jìn)行全程硝化－反硝化反應(yīng)。提升反應(yīng)器的運(yùn)行溫度（20－35oC），利用亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌不同的溫度效應(yīng)，有助于富集亞硝酸細(xì)菌從而實(shí)現(xiàn)短程硝化。需要指出的是，溫度并非越高越好，溫度超過(guò)40oC會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率的下降;另外，廢水升溫需要能量，溫度越高，能耗越大綜合考慮各種因素，Sharon工藝的操作溫度以30－35oC為宜。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)2.pH控制適宜的pH范圍在硝化工藝中pH是一個(gè)非常重要的調(diào)控參數(shù)。一般而論，硝化反應(yīng)的pH范圍為5.5－10.0，適宜pH為6.5－9.0。pH低于6.5或高于9.0，硝化速率降低。其中，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌適宜生長(zhǎng)的pH范圍略有差異，分別為7.0－8.5和6.5－7.5。根據(jù)兩種硝化細(xì)菌最適pH的差異，調(diào)控反應(yīng)系統(tǒng)的pH可以取得定向選擇反應(yīng)產(chǎn)物的效果。實(shí)驗(yàn)表明，pH大于7.4時(shí)，亞硝酸鹽占產(chǎn)物的比例高于90％。Sharon工藝的pH控制在7.4－8.3之間Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)2.pH控制pH的影響在Sharon工藝中硝化與反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行，硝化階段不加堿中和酸度，每個(gè)硝化(80min)和反硝化（40min）循環(huán)的pH變化高達(dá)一個(gè)單位（圖5－6）。這樣大的pH變化在城市污水（氨濃度只有30－50mg/L）處理中是少見(jiàn)的。因此，除了考慮適宜的pH范圍之外，還需要考慮pH波動(dòng)對(duì)Sharon工藝的影響。pH對(duì)Sharon工藝的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是pH超出硝化細(xì)菌的耐受限度，其二是pH影響基質(zhì)的有效性或抑制劑的毒性。第一個(gè)問(wèn)題相對(duì)比較簡(jiǎn)單，很容易通過(guò)工藝上的調(diào)控措施加以解決。第二個(gè)問(wèn)題相對(duì)比較復(fù)雜，具體情況需做具體分析。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)pH對(duì)NH3分配百分比的影響在正常的生物處理系統(tǒng)中，NH4+是氨的主要存在形式;提高pH可以增加NH3的分配百分比;在pH較高的情況下，提高pH的效應(yīng)更為顯著。pH對(duì)HNO2分配百分比的影響在正常的生物處理系統(tǒng)中，NO2-是亞硝氨的主要存在形式;降低pH可以增加HNO2的分配百分比，在pH較低的情況下，降低pH的效應(yīng)更為顯著。pH對(duì)硝化細(xì)菌生長(zhǎng)速率的影響在要求基質(zhì)去除率較高（裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度較低）的情況下，提高pH可增加NH3分配百分比，同時(shí)減少HNO2

分配百分比，有利于富集亞硝酸細(xì)菌，淘汰硝酸細(xì)菌，從而保證Sharon工藝的正常運(yùn)作。但是提高pH需要消耗化學(xué)試劑（甲醇或NaOH）。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)3.溶解氧濃度控制硝化細(xì)菌是好氧性細(xì)菌，硝化反應(yīng)是需氧性反應(yīng)，它們的生長(zhǎng)和代謝都離不開(kāi)氧的有效供給。在恒化器混合培養(yǎng)中，溶解氧濃度對(duì)亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)速率具有很大的影響，對(duì)兩種細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率也有很大的影響。因此在Sharon工藝中，溶解氧濃度是一個(gè)理想的調(diào)控參數(shù)。為了兼顧氨氧化速率和亞硝酸鹽積累，在Sharon工藝中溶解氧濃度宜控制在1.0－1.5mg/L范圍;供氧方式可采用間歇曝氣。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)4.基質(zhì)濃度和負(fù)荷控制作為一種新型的生物脫氮工藝，人們希望Sharon工藝能夠適應(yīng)較寬的基質(zhì)濃度范圍，承受較高的容積負(fù)荷。這主要取決于硝化細(xì)菌的潛質(zhì)及其發(fā)掘程度?；|(zhì)濃度控制Sharon工藝采用全混合反應(yīng)器，裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度與出水濃度相等，是出水基質(zhì)濃度而不是進(jìn)水基質(zhì)濃度決定了基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率。為了保證一定的基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率，出水濃度不能設(shè)置得太低。這一特性決定了該工藝實(shí)用場(chǎng)合，即用于預(yù)處理，而不是達(dá)標(biāo)處理。此外，由于基質(zhì)抑制效應(yīng)取決于裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度，而進(jìn)水基質(zhì)濃度與裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度存在較大的差異，所以Sharon工藝能夠處理的廢水濃度可明顯高于基質(zhì)抑制濃度。Sharon工藝常用的污泥（以VSS計(jì)）氨負(fù)荷為0.02－1.67kg/(kg.d)。Sharon工藝的技術(shù)要點(diǎn)5泥齡控制泥齡是指活性污泥在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間，也即反應(yīng)器內(nèi)污泥完全更新一次所需的時(shí)間。在恒化器中，泥齡與水力停留時(shí)間相等。在確保洗出硝酸細(xì)菌的前提下，應(yīng)盡可能延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，使生物脫氮達(dá)到較高的程度，并使反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。VanKempen等人根據(jù)Sharon工藝生產(chǎn)性應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，推薦將泥齡控制在1－2.5d。實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)廢水的水質(zhì)特點(diǎn)第一個(gè)Sharon工藝的實(shí)驗(yàn)室由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)完成，試驗(yàn)的目的是為鹿特丹Dokhaven污水處理廠探索一種新型生物脫氮工藝，以解決該廠厭氧硝化污泥分離液的脫氮問(wèn)題。Dokhaven污水處理廠厭氧硝化污泥分離液的理化指標(biāo)廢水的典型特征是可降解的有機(jī)物不多，氮化物主要以氨形式存在，堿度和溫度較高。這些水質(zhì)特點(diǎn)為Sharon工藝的研發(fā)提供了難得的良好條件。實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)廢水的水質(zhì)特點(diǎn)指標(biāo)指標(biāo)值指標(biāo)指標(biāo)值COD濃度/(mg/L)810SS濃度/(mg/L)56BOD濃度/(mg/L)230HCO3-濃度/(mg/L)4080凱氏氮濃度/(mg/L)1053HCO3-/N之比(mol/mol)1.1氨濃度/(mg/L)1000pH8.1－8.4總磷濃度/(mg/L)27溫度/0C30消化污泥分離液的年平均值實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)2.小試裝置及其運(yùn)試Sharon工藝的實(shí)驗(yàn)室裝置是一個(gè)1.5L的發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)條件為:以好氧活性污泥作為接種污泥以厭氧消化污泥分離液作為試驗(yàn)廢水控制溫度35oC

水力停留時(shí)間1.5d

反應(yīng)器工作方式“硝化－反硝化－硝化”交替運(yùn)行循環(huán)周期2h,其中曝氣80min，缺氧40min。曝氣期間，氨濃度逐漸下降，亞硝酸鹽濃度逐漸升高;pH明顯降低;停止曝氣并添加甲醇后，亞硝酸鹽濃度下降，pH迅速回升。連續(xù)運(yùn)試兩年的結(jié)果表明，Sharon工藝運(yùn)行穩(wěn)定，氨去除率保持在80－85％之間。實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)2.小試裝置及其運(yùn)試與傳統(tǒng)硝化工藝相比，

Sharon工藝具有如下鮮明的特點(diǎn):傳統(tǒng)硝化工藝一般用于處理城市污水，進(jìn)水氨濃度通常在30－50mg/L，產(chǎn)物主要是硝酸鹽，亞硝酸鹽很少;Sharon工藝被用于處理厭氧消化污泥分離液，進(jìn)水氨濃度高達(dá)1000mg/L，產(chǎn)物主要（高于90％）是亞硝酸鹽，硝酸鹽很少。這就要求硝化細(xì)菌具有耐受高濃度氨和亞硝酸鹽的能力。傳統(tǒng)硝化工藝一般采用常溫操作，運(yùn)行溫度極少超過(guò)30oC;Sharon工藝的運(yùn)行溫度控制在35oC。較高的溫度有利于富集最適生長(zhǎng)溫度偏高的菌群。傳統(tǒng)硝化工藝重視對(duì)菌體的持留，泥齡較長(zhǎng)（如5－10d）;Sharon工藝采用全混合反應(yīng)器，泥齡較短（如1－2.5d）。工藝放大1.反應(yīng)器設(shè)計(jì)項(xiàng)目

參數(shù)值

項(xiàng)目

參數(shù)值

反應(yīng)器容積/m3

1800設(shè)計(jì)氮負(fù)荷/(kg/d)

540設(shè)計(jì)流量/(m3/h)

31.5最大氮負(fù)荷

830最大流量/(m3/h)

50好氧段HRT/d

1.0進(jìn)水氨濃度/(g/L)

1.0-1.5缺氧段HRT/d0.5-1.4供氧能力/(kg/h)

600Dokhaven污水處理廠Sharon反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析Dokhaven污水處理廠以原有的污泥濃縮池（容積為1800m3）改建為Sharon反應(yīng)器，設(shè)計(jì)參數(shù)為：HRT1.3d,氨負(fù)荷1200kg/d，進(jìn)水氨濃度1000mg/L，轉(zhuǎn)化率85％。在此條件下，Sharon工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析見(jiàn)表5－4。脫氮處理的單價(jià)為1.7美元/kg，其中，動(dòng)力耗電支出占35％，甲醇支出占25％。雖然處理費(fèi)用因地而異，但與同類(lèi)廢水的其它工藝相比（表5－5），Sharon工藝顯示了明顯的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。Sharon工藝的轉(zhuǎn)化效率（氨去除率）和單位處理費(fèi)用都與廢水中的氨濃度有關(guān)。當(dāng)進(jìn)水氨濃度從5000mg/L降低到250mg/L時(shí)，氨去除率由97％跌落到50％;單位處理費(fèi)用先由8.2美元/kg減少至1.7美元/kg，再回升至5.4美元/kg。在氨濃度低于500mg/L的情況下，由于設(shè)備折舊費(fèi)所占的比例增加，單位處理費(fèi)用升高。在氨濃度高于2000mg/L的情況下，單位處理費(fèi)用幾乎與曝氣費(fèi)用同步增長(zhǎng)。就處理費(fèi)用而言，氨濃度宜控制在500－2000mg/L。工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析項(xiàng)目年累計(jì)費(fèi)用/美元單價(jià)/(美元/kg)占總費(fèi)用的比例/%基建投資+維護(hù)費(fèi)+開(kāi)發(fā)費(fèi)2260.635電費(fèi)（90％以上用于曝氣）2250.635甲醇1620.425NaOH320.15總計(jì)6451.7100Sharon工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[40]工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析產(chǎn)生產(chǎn)生投加能源操作費(fèi)用估計(jì)化學(xué)污泥生物污泥化學(xué)藥劑消耗難易程度（歐元/kg）空氣吹脫法是否需要一般一般6.0蒸氣吹脫法是否需要高復(fù)雜8.0MAP/CAFR工藝是否需要低復(fù)雜6.0膜－生物反應(yīng)器否是需要高一般2.8生物膜氣提式反應(yīng)器否低需要一般一般5.7Sharon工藝否低需要一般簡(jiǎn)單1.5表5－5用于處理消化污泥壓濾液低各種技術(shù)比較Sharon工藝的應(yīng)用

1.Sharon工藝的應(yīng)用場(chǎng)合Sharon工藝是應(yīng)荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠的要求而研發(fā)的，它沒(méi)有經(jīng)過(guò)中間實(shí)驗(yàn)，直接從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（1.5L）放大到生產(chǎn)規(guī)模（1800m3）。Dokhaven污水處理廠的工藝流程如圖5－21所示。其中Sharon工藝用于處理厭氧消化污泥分離液。Sharon工藝在Dokhaven污水處理廠取得成功后，已推廣應(yīng)用于荷蘭Utrecht污水處理廠，處理對(duì)象相同（厭氧消化污泥分離液）。Sharon工藝的應(yīng)用進(jìn)水除碳曝氣池沉淀池硝化曝氣池沉淀池污泥消化池污泥脫水Sharon廢棄污泥出水AB圖5－21Dokhaven污水處理廠流程1.Sharon工藝的應(yīng)用場(chǎng)合Sharon工藝的應(yīng)用效果1進(jìn)水2細(xì)格柵3沉砂池4A段曝氣池5中間沉淀池

6回流污泥7剩余污泥回流8浮滓去除9污泥調(diào)節(jié)池

10B段曝氣池1