短程与同步硝化反硝化

1、新型脱氮工艺研究一、短程硝化反硝化1、简介生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程，第一步是由亚硝化菌将NH4+-N氧化为N02-N的亚硝化过程；第二步是由硝化菌将N02-N氧化为氧化为N03-N 的过程；然后通过反硝化作用将产生的 N03 N经由N02-N转化为N2，NO-N 是硝化和反硝化过程的中间产物。1975年Voets等在处理高浓度氨氮废水的研究 中，发现了硝化过程中NO-N积累的现象，首次提出了短程硝化反硝化脱氮的 概念。如图1所示。+ NH4 一 N02 一 N03 一 N02 一 N2硝化阶段反硝化阶段传统生物脱氮途径+_ -NH4 N02 N2硝化阶段反硝化阶段短程硝化-反硝化生

2、物脱氮途径 图1传统生物脱氮途径和短程 硝化-反硝化生物脱氮途径比较两种途径，很明显，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化减少了N02- N03和 N0J N02-两步反应，这使得短程硝化反硝化生物脱氮具有以下优点：可节约供氧量25%节省了 N02-氧化为N03-的好氧量。在反硝化阶段可以节省碳源40%在C/N比一定的情况下提高了 TN的去除 率。并可以节省投碱量。由于亚硝化菌世代周期比硝化菌短，控制在亚硝化阶段可以提高硝化反应速 度和微生物的浓度，缩短硝化反应的时间，而由于水力停留时间比较短，可 以减少反应器的容积，节省基建投资，一般情况下可以使反应器的容积减少30%40%短程硝化反硝化反应过程在

3、硝化过程中可以减少产泥 25%34%，在反硝化过 程中可以减少产泥约 50%。由于以上的优点，使得短程硝化 -反硝化反应尤其适应于低 C/N 比的废水， 即高氨氮低COD，既节省动力费用又可以节省补充的碳源的费用，所以该工艺 在煤化工废水方面非常可行。2、影响短程硝化反硝化的因素2.1 温度的影响温度对微生物影响很大。亚硝酸菌和硝酸菌的最适宜温度不相同，可以通 过调节温度抑制硝酸菌的生长而不抑制亚硝酸菌的方法， 来实现短程硝化反硝化 过程。国内的高大文研究表明：只有当反应器温度超过28C时，短程硝化反硝化过程才能较稳定地进行。2.2 pH 值的影响pH 较低时，水中较多的是氨离子和亚硝酸，这有

4、利于硝化过程的进行，此 时无亚硝酸盐的积累；而当 pH 较高时，可以积累亚硝酸盐。因此合适的 pH 环 境有利于亚硝化菌的生长。 pH 对游离氨浓度也产生影响，进而也会影响亚硝酸 菌的活性，研究表明：亚硝化菌的适宜 pH值在8.0附近，硝化菌的pH值在7.0 附近。因此，实现亚硝化菌的积累的 pH 值最好在 8.0左右。2.3溶解氧（DO）的影响DO 对控制亚硝酸盐的积累起着至关重要的作用。亚硝化反应和硝化反应均 是好氧过程， 而亚硝酸菌和硝酸菌又存在动力学特征的差异： 低 DO 条件下亚硝 酸菌对 DO 的亲和力比硝酸菌强。 可以通过控制 DO 使硝化过程只进行到氨氮氧 化为亚硝态氮阶段，从

5、而淘汰硝酸菌，达到短程硝化的目的。2.4 泥龄的影响氨氮的硝化速率比亚硝态氮的氧化速率快， 而亚硝酸菌的世代周期比硝化菌 的世代周期短，因此可以通过控制 HRT 使泥龄在亚硝酸菌和硝酸菌的最小停留 时间之间，使亚硝酸菌成为优势菌种，逐步淘汰硝酸菌。2.5 其它因素的影响二、同步硝化反硝化1、简介根据传统生物脱氮理论， 脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段， 硝化和 反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行， 或者在时间或空间上造成交替 缺氧和好氧环境的同一个反应器中； 实际上，较早的时期， 在一些没有明显的缺 氧及厌氧段的活性污泥工艺中， 人们就层多次观察到氮的非同化损失现象， 在曝 气系统

6、中也曾多次观察到氮的消失。 在这些处理系统中， 硝化和反硝化反应往往 发生在同样的处理条件及同一处理空间内，因此，这些现象被称为同步硝化/反硝化（ SND）。对于各种处理工艺中出现的 SND 现象已有大量的报道，包括生物转盘、连 续流反应器以及序批示SBR反应器等等。与传统硝化-反硝化处理工艺比较，SND 具有以下的一些优点： 能有效地保持反应器中 pH 稳定，减少或取消碱度的投加； 减少传统反应器的容积，节省基建费用； 对于仅由一个反应池组成的序批示反应器来讲， SND能够降低实现硝化-反硝化所需的时间； 曝气量的节省，能够进一步降低能耗。因此 SND 系统提供了今后降低投资并简化生物除氮技

7、术的可能性。2、同步硝化 /反硝化的机理研究2.1、宏观环境生物反应器中的溶解氧 DO 主要是通过曝气设备的充氧而获得， 无论何种曝 气装置都无法使反应内氧气在污水中充分混匀。 最终形成反应器内部不同区域缺 氧和好氧段， 分别为反硝化菌和硝化菌的作用提供了优势环境， 造成了事实上硝 化和反硝化作用的同时进行。 除了反应器不同空间上的溶氧不均外， 反应器在不 同时间点上的溶氧变化也可以导致同步硝化 /反硝化现象的发生。 Hyungseok Yoo 研究了 SBR 反应器在曝气反应阶段，反应器内 DO 浓度历经减小后逐渐升高， 并伴随的同步硝化 /反硝化现象。2.2、微环境理论缺氧微环境理论是目前

8、已被普遍接受的一种机理，被认为是同步硝化/反硝化发生的主要原因之一。这一理论的基本观点认为：在活性污泥的絮体中，从絮 体表面至其内核的不同层次上，由于氧传递的限制原因，氧的浓度分布是不均匀 的，微生物絮体外表面氧的浓度较高，内层浓度较低。在生物絮体颗粒尺寸足够 大的情况下，可以在菌胶团内部形成缺氧区，在这种情况下，絮体外层好氧硝化 菌占优势，主要进行硝化反应，内层为异样反硝化菌占优势，主要进行反硝化反 应（如图1）。除了活性污泥絮凝体外，一定厚度的生物膜中同样可存在溶氧梯 度，使得生物膜内层形成缺氧微环境。大噸粒絮体小颗粒絮体生物絮休内DO浓度分布示意2.3生物学解释传统理论认为硝化反应只能由

9、自养菌完成， 反硝化只能在缺氧条件下进 行，近年来，好氧反硝化菌和异样硝化菌的存在已经得到了证实。2.4其它因素影响3、同步硝化反硝化影响因素实现SND的关键在于对硝化反硝化菌的培养和控制，目前国内外研究认 为对影响硝化反硝化菌的因素如下。3.1、溶解氧DO的影响对同步硝化反硝化至关重要，研究表明，通过控制DO浓度，使硝化速率与反硝化速率达到基本一致才能达到最佳效果3.2、有机碳源有机碳源对整个同步硝化反硝化体系的影响尤为重要。研究表明，有机碳源 含量低则反硝化满足不了要求；有机碳源含量高则不利于氨氮去除。3.3、微生物絮体结构微生物絮体结构不但影响生物絮体内 DO 的扩散， 而且影响碳源的分布， 絮 体结构大小、 密实度适中才有利于同步硝化反硝化。 研究表明， 微生物絮体的同 步硝化反硝化能力随活性污泥絮体大小的增加而提高。3.