短程硝化反硝化的影響因素分析

短程硝化反硝化的影響因素分析

有很多方法可以去除氮，但重點(diǎn)是在于低能耗和藥物的能耗和浪費(fèi)，以及低基礎(chǔ)設(shè)施和高氮脫氮效率。目前,有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這一要求。一是氮化合物通過(guò)亞硝酸鹽路徑除去,這也是所謂的短程硝化反硝化,即將氨氮氧化為亞硝酸鹽為止,通過(guò)選擇抑制性物質(zhì)或限制硝酸鹽菌的活性,使亞硝酸鹽有一定積累,然后對(duì)其進(jìn)行反硝化來(lái)去除氮。短程脫氮不會(huì)形成硝酸鹽,因而短程脫氮和除磷具有較好的共實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。二是,最近研究發(fā)現(xiàn),在供氧體受限或缺少有機(jī)碳源的厭氧條件下發(fā)生同時(shí)硝化反硝化。1生物脫氮過(guò)程硝化反應(yīng)分為亞硝酸化和硝酸化兩個(gè)步驟,這兩步反應(yīng)是由不同微生物來(lái)實(shí)施的。兩步反應(yīng)的計(jì)量式和對(duì)應(yīng)微生物如下所示:亞硝酸化:2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H2O微生物:氨氧化菌Ammoniaoxidizer(Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcu等)。硝酸化:2NO2-+O2→2NO3-微生物:亞硝酸氧化菌Nitriteoxidizer(Nitrobacter、Nitrospira等)。在生物脫氮中,亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽,硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽是兩個(gè)多余的反應(yīng)。避免這兩個(gè)環(huán)節(jié)就可以節(jié)省25%的氧氣和約40%的有機(jī)碳源。短程硝化反硝化就是將硝化過(guò)程控制在亞硝酸化階段終止,隨后直接實(shí)現(xiàn)反硝化,氮的變化過(guò)程為:NH4+→HNO2→N2。另外,在脫氮除磷工藝中,回流到厭氧區(qū)的處理液中如果有硝酸鹽存在,會(huì)對(duì)聚磷菌的磷釋放過(guò)程產(chǎn)生不利影響。2影響亞硝酸鹽積累的因素短程硝化的標(biāo)志是有穩(wěn)定和較高的NO2--N積累,如何控制硝化停止在NO2-階段是實(shí)現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵。因此控制那些能對(duì)硝酸菌和亞硝酸菌產(chǎn)生不同影響作用的影響因素,可以影響硝化形式,從而實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累。影響亞硝酸積累的因素主要有溫度、DO濃度、游離氨(FA)濃度、游離亞硝酸(FNA)濃度、pH值、泥齡及有機(jī)物濃度。2.1溫度對(duì)亞硝酸細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌最大比增長(zhǎng)速率的影響生物硝化反應(yīng)在4~45℃內(nèi)均可進(jìn)行,亞硝酸菌與硝酸菌生長(zhǎng)的最適宜溫度不相同。在12~14℃時(shí),活性污泥中硝化菌活性受到嚴(yán)重抑制,出現(xiàn)HNO2積累;15~30℃時(shí),硝化過(guò)程形成的NO2-完全被氧化成NO3-;溫度超過(guò)30℃后又出現(xiàn)NO2-的積累。在一定溫度范圍內(nèi)(5~40℃),微生物的最大比增長(zhǎng)速率與溫度之間的關(guān)系可用修正的阿倫尼烏斯方程來(lái)描述。式中:μmt——溫度t℃時(shí)的微生物最大比增長(zhǎng)速率,d-1;μm20——標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)的微生物最大比增長(zhǎng)速率,d-1;Eact——反應(yīng)活化能,kJ/mol;R——?dú)怏w常數(shù),8.314J/(mol·K)。令θ=Eact/[293R(273+t)6](式中,θ稱(chēng)為溫度系數(shù)),則上式可以寫(xiě)為:根據(jù)式(2),硝化細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率隨溫度變化的曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。由圖1可知,溫度對(duì)亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率具有不同的效應(yīng),當(dāng)溫度低于20℃時(shí),硝酸細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率大于亞硝酸細(xì)菌的,而當(dāng)溫度高于20℃時(shí),亞硝酸細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率大于硝酸細(xì)菌的。換言之,當(dāng)系統(tǒng)溫度較高時(shí),亞硝酸細(xì)菌處于優(yōu)勢(shì)地位,有利于亞硝酸鹽的積累而實(shí)現(xiàn)短程硝化。SHARON工藝?yán)眠@一點(diǎn)使硝化細(xì)菌在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。2.2硝化反應(yīng)中亞硝酸鹽酶控制do的影響低DO濃度下的亞硝酸菌大量積累時(shí),硝酸菌對(duì)DO的親和力較亞硝酸菌強(qiáng)。亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4mg/L,硝酸菌的為1.2~1.5mg/L。低DO濃度下,亞硝酸菌和硝酸菌增值速率均有不同程度的下降,當(dāng)DO的質(zhì)量濃度為0.5mg/L時(shí),亞硝酸菌增值速率為正常的60%,而硝酸菌不超過(guò)正常的30%。利用這兩類(lèi)菌動(dòng)力學(xué)特性的差異可以達(dá)到淘汰硝酸菌的目的。魯南等發(fā)現(xiàn)了DO與亞硝態(tài)氮生成率之間的關(guān)系(如圖2)。反應(yīng)器長(zhǎng)期在低DO條件下運(yùn)行,會(huì)導(dǎo)致氨氧化菌種在硝化細(xì)菌中占有優(yōu)勢(shì),且能穩(wěn)定地保持這種優(yōu)勢(shì),因而控制DO就成為了簡(jiǎn)化硝化和反硝化的一個(gè)有效手段。另外,氨氧化菌世代周期比亞硝酸氧化菌短,短程硝化可以提高微生物濃度和硝化反應(yīng)速度,縮短硝化反應(yīng)時(shí)間。Bernet等在生物膜反應(yīng)器中,控制DO的質(zhì)量濃度在0.5mg/L以下,從而使得出水中亞硝酸氮占總硝態(tài)氮的90%以上。一般在硝化反應(yīng)階段當(dāng)ρ(DO):ρ(FA)的值小于5時(shí)會(huì)產(chǎn)生NO2--N的大量積累,大于5時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)NO2--N積累。由于亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)(KN=0.2~0.4mg/L)遠(yuǎn)小于硝酸菌的氧飽和常數(shù)(KN=1.2~1.5mg/L),當(dāng)活性污泥系統(tǒng)中DO的質(zhì)量濃度降至0.3mg/L時(shí),亞硝酸菌的增殖速率約為正常的50%,而硝酸菌的增殖速率與正常速率的比值小于20%,同時(shí)必須控制合適的SRT,把硝酸菌從反應(yīng)器中及時(shí)淘汰,才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持久的亞硝酸鹽積累。2.3ph值對(duì)生物硝化反應(yīng)的調(diào)控硝酸菌和亞硝酸菌適宜生長(zhǎng)的pH值范圍不同,亞硝酸菌的適宜pH值在7.0~8.5。而硝酸菌的適宜pH值在6.0~7.5。反應(yīng)器中pH值低于7則整個(gè)硝化反應(yīng)受抑制,pH值升高到8以上,則出水HNO2濃度升高。利用兩者適宜生長(zhǎng)的pH值不同,控制混合液中pH值就能控制硝化類(lèi)型。研究證明,pH值對(duì)生物硝化反應(yīng)器的效能可產(chǎn)生巨大的影響。合理調(diào)控pH值有利于短程硝化的實(shí)現(xiàn)。陳際達(dá)等研究發(fā)現(xiàn),短程硝化的適宜pH值范圍為7.5~8.5,最佳pH值約為7.9。從基質(zhì)的角度看,在較高的pH值下,FA濃度較高,可以滿(mǎn)足亞硝酸細(xì)菌對(duì)基質(zhì)的要求;FNA濃度較低,可以限制硝酸細(xì)菌對(duì)基質(zhì)的需要。2.3.1ph值對(duì)總氨氮濃度的影響游離氨對(duì)硝酸菌和亞硝酸菌的抑制質(zhì)量濃度分別為0.1~1.0mg/L和10~150mg/L。當(dāng)游離氨的質(zhì)量濃度介于兩者之間時(shí),亞硝酸菌能夠正常增值和氧化,硝酸菌被抑制,就會(huì)產(chǎn)生亞硝酸鹽積累。當(dāng)pH值高于8.0時(shí),FA占總氨氮濃度的比例迅速增大,如果環(huán)境中總氨氮濃度不高,可通過(guò)增大pH值來(lái)提高基質(zhì)的有效性,但如果總氨氮濃度較高,則升高pH值極易誘發(fā)氨毒。在生物硝化反應(yīng)器的操作中,對(duì)此應(yīng)予以高度重視。2.3.2ph值對(duì)fna占總亞硝態(tài)氮濃度比例的影響游離亞硝酸(FNA)是硝酸細(xì)菌的真正基質(zhì),也是亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的真正抑制劑。在水溶液中,HNO2與NO2-之間存在著如下電離平衡:FNA占總亞硝態(tài)氮濃度的比例可計(jì)算如下:式中:CFNA——游離亞硝態(tài)氮濃度,mol/L;CT,NO2——亞硝態(tài)氮總濃度,mol/L;圖3為20、25和30℃時(shí),pH值對(duì)FNA占總亞硝態(tài)氮濃度比例的影響。由圖3可知,當(dāng)pH值從0提高到4時(shí),FNA占總亞硝態(tài)氮濃度的比例迅速下降,如果環(huán)境中總亞硝態(tài)氮濃度不高,可通過(guò)降低pH值來(lái)提高基質(zhì)的有效性,但若總亞硝態(tài)氮濃度較高,則宜將pH值控制在6以上,以防FNA毒害。另外,圖3中的3條曲線(xiàn)幾乎重合,因此可以看出在相同的pH值下,溫度對(duì)FNA的影響較為微弱。2.4導(dǎo)致亞硝酸型硝化一方面,NH3-N的硝化速率比NO2--N的氧化速率快;另一方面,亞硝酸菌的世代周期比硝酸菌的短,因此可以通過(guò)縮短水力停留時(shí)間,使泥齡介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小水力停留時(shí)間之間,使得系統(tǒng)中硝酸菌逐漸被沖洗掉,亞硝酸菌成為系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)菌,從而形成亞硝酸型硝化。試驗(yàn)表明:水力停留時(shí)間小于3h就可以實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽硝化。2.5do對(duì)異養(yǎng)的影響有機(jī)物對(duì)短程硝化的影響主要表現(xiàn)在異養(yǎng)菌與硝化菌對(duì)DO的爭(zhēng)奪。當(dāng)溫度和pH值適合,DO和氨供給充足,有機(jī)物濃度對(duì)硝化作用不造成影響。但當(dāng)DO不足,有機(jī)物濃度高時(shí),由于好氧異養(yǎng)微生物的比增殖速率(30℃時(shí)為0.3~0.5h-1)遠(yuǎn)大于自養(yǎng)硝化微生物的比增殖速率(30℃時(shí)為0.085h-1),因而異養(yǎng)菌對(duì)水中DO的爭(zhēng)奪強(qiáng)于硝化菌,故在DO不足時(shí)硝化菌的生長(zhǎng)繁殖會(huì)受到抑制。有試驗(yàn)表明:有機(jī)負(fù)荷為0.25kg[COD]/(kg[MLSS]·d)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)較高的亞硝酸鹽積累。3do/n質(zhì)量濃度對(duì)亞硝酸鹽國(guó)際排放的影響(1)A/O工藝中,長(zhǎng)期控制DO在一個(gè)較低的水平,使其質(zhì)量濃度在0.3~0.7mg/L,可以對(duì)亞硝酸鹽氧化菌(NOB)進(jìn)行淘洗,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累,平均亞硝態(tài)氮積累率為85%,有時(shí)甚至超過(guò)95%。(2)MBR反應(yīng)器中,當(dāng)溫度小于15℃或大于30℃以及當(dāng)pH值大于8時(shí),NO2--N都開(kāi)始積累,m(NO2--N)/m(NOx--N)已大于50%,而當(dāng)pH值為9時(shí),m(NO2--N)/m(NOx--N)已達(dá)到67%。DO的質(zhì)量濃度小于1.0g/L有利于NO2--N的積累。隨著氨氮負(fù)荷逐漸上升,NO2--N也有積累的趨勢(shì),一般可控制氨氮負(fù)荷在0.03~0.05kg/(m3·d)。(3)SBR工藝中,在溫度為21~25℃、進(jìn)水氨氮的質(zhì)量濃度為300mg/L、曝氣量為70~80L/h的條件下可實(shí)現(xiàn)短程硝化,亞硝態(tài)氮積累率大于90%。高、低溶解氧交替環(huán)境是實(shí)現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵條件。在pH值變化不大的情況下,增加進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度會(huì)提高亞硝酸鹽的積累率,但也會(huì)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。游離氨質(zhì)量濃度為0.724mg/L時(shí),也會(huì)對(duì)硝酸菌產(chǎn)生抑制的。(4)對(duì)于兩段曝氣生物濾池,控制A段水力負(fù)荷在22m3/(m2·d),氣水體積比為6:1的條件下,當(dāng)B段反應(yīng)器的氣水體積比為2:1時(shí),B段具有明顯的同步硝化反硝化特征,當(dāng)氣水比較低時(shí)主要進(jìn)行短程的同步硝化反硝化。(5)CAST工藝中,進(jìn)水低m(C)/m(N)條件下,在低DO下可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。當(dāng)DO的質(zhì)量濃度為0.5mg/L時(shí),系統(tǒng)內(nèi)的亞硝化率可達(dá)80%以上,氨氮去除率大于90%;當(dāng)DO的質(zhì)量濃度小于0.5mg/L時(shí),氨氮去除率下降;當(dāng)DO的質(zhì)量濃度大于1mg/L時(shí),短程硝化過(guò)程向全硝化轉(zhuǎn)化。4短程硝化反硝化的未來(lái)研究當(dāng)今,全球普遍強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展模式,這要求污水處理工藝不能再以治污作為處理的惟一目的,必須同時(shí)考慮污水所含污染物的資源化和能源化問(wèn)題,并且所采用的技術(shù)必須以低能耗、高效率為前提。因此,污水處理工藝的應(yīng)用和研究必須滿(mǎn)足提高效率、節(jié)省能耗的要求。而傳統(tǒng)生物脫氮由于消耗有機(jī)物和能源多,勢(shì)必將被短程硝化反硝化,或被更節(jié)約能耗的短程硝化型的SND或ANAMMOX的工藝所替代。為此以后需要對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究:(1)加強(qiáng)和深化短程硝化機(jī)理的研究,尤其是低溶解氧下短程硝化機(jī)理的研究。(2)對(duì)大量的城市污水來(lái)說(shuō),一般屬于低溫低氨污水,要使廢水保溫在30~35℃難以實(shí)現(xiàn)。因此,對(duì)低溫低氨的城市污水如何實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化值得進(jìn)一步研究。(3)由于許多因素的控制需要耗能或者難度較大(如溫度的控制