第七讲传统生物脱氮工艺进展

当代水处理新技术原理与应用南开大学环境科学与工程学院吴立波联系方式：蒙民伟楼322

电话23503730（O）手-mail:wulb@第七讲传统生物脱氮工艺进展一、传统生物脱氮原理二、传统生物脱氮工艺及进展三、同时硝化反硝化四、短程硝化反硝化工艺一、传统生物脱氮原理1、微生物学基础知识2、传统硝化原理3、传统反硝化原理1、微生物学基础知识代谢包括物质代谢（合成）和能量代谢（代谢）物质代谢：自养：无机碳源异养：有机碳源能量代谢：光能化学能（氧化还原反应）

电子供体：有机物(H)、无机还原性物质（被氧化）电子受体：分子态氧、其他氧化性物质（被还原）（受氢体：O2-）能量代谢为物质代谢提供能量。由于能量利用率不同，微生物的产率系数不同。

传统氮循环示意图2、硝化反应原理硝化反应原理硝化反应原理代谢合成平衡硝化反应原理3、反硝化反应原理反硝化反应原理反硝化反应原理NO2-NO3-52反硝化反应原理NO2-反硝化反应原理二、废水生物脱氮工艺流程及进展

根据硝化和反硝化的原理可知，要达到废水生物脱氮的目的，必须先通过好氧硝化作用将氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧的条件下进行反硝化，将废水中的氮最终转化为氮气逸出。因此生物脱氮工艺是一个包括硝化和反硝化的工艺流程，并据此可采用多级活性污泥系统或单级活性污泥系统。多级活性污泥系统是传统的生物脱氮系统，即单独进行硝化和反硝化的工艺系统。单级活性污泥系统是将含碳有机物的氧化、硝化和反硝化在一个活性污泥系统中实现，并只有—个沉淀池。从完成生物硝化的反应器来分，脱氮工艺可分为微生物悬浮生长型(活性污泥法及其变型)和微生物附着生长型(生物膜反应器)。随着实际运行经验的增加和技术的改进，新的脱氮工艺不断出现，并在实际处理工程中得到推广应用。传统生物脱氮工艺进展反应器与系统的改进多泥—单泥后置—前置交替循环反应器生物膜反应器复合生物反应器传统生物脱氮新认识1.硝化与亚硝化过程可分开：短程硝化反硝化2.同时硝化反硝化：同步硝化反硝化

（氧气对反硝化属竞争性抑制）

生物脱氮工艺生物脱氮工艺缺点是必须回流硝化液，反硝化率受限制。生物脱氮工艺生物脱氮工艺改进AB工艺生物脱氮工艺生物滤池、生物转盘、生物流化床等均是常用的生物膜法处理构筑物，通过适当的设计可以使其同时具有去除含碳有机物和脱氮的功能。有机负荷是影响硝化效果的重要因素，有机负荷增加会使硝化率减少，因为异养菌会与硝化菌竞争生物膜表面空间和溶解氧，从而抑制硝化茵的增殖。在生物膜脱氮系统中，应进行混合液的回流以提供缺氧反应器所需的N0x-N，但污泥不需要回流。不同的反应器采取的工艺流程也会不同。生物脱氮工艺A/O-SBR二\三沟式氧化沟SND:simultaneousnitrificationanddenitrification

aerobicdenitrificationShortcutnitrification-denitrification

三、SND技术simultanousN.DeN.1985年，Rittmann等在工业规模的氧化沟中成功地实现了同时硝化和反硝化，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区连续进行。通过控制DO浓度可实现在同一反应器内的SND，后来的Daigger、Rittmann以及国内的高廷耀、吕锡武等都对SND进行了大量的研究工作。近年来国内外有不少实验和报道都证明了SND现象，尤其是在有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统，如生物转盘、SBR、氧化沟、CAST等，但对SND的机理及工程应用的可行性尚有待进一步的研究和开发。1997年意大利实际应用于延时曝气活性污泥法改造。SND作用机理：宏观环境理论微环境理论微生物理论SND作用机理宏观环境理论微环境理论微生物理论微环境理论SND工艺的机理一般从物理学、生物学以及生物化学的角度进行阐释。比较合理的理论解释是微环境理论。微环境理论侧重从物理学观点研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质（如有机物、DO等）传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，所导致微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。该理论认为，由于微生物个体形态非常微小，一般属于纳米级，影响生物生存的环境也是微小的。而宏观环境的变化往往导致微环境的变化或不均匀分布，从而影响微生物群或者类型的活动状态，并在某种程度上出现所谓的表里不一现象（即宏观环境与微观环境不一致）。事实上，由于微生物种群结构、基质分布和生物化学反应的不均运性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在活性污泥菌胶团和生物膜内部存在多种多样的微环境类型。而每一种微环境往往只适合于某一类微生物的活动，而不适合其它微生物的活动。在活性污泥中，决定各类微环境状况的因素包括有机物和电子受体（DO、硝态氮的浓度）、物质传递特性、菌胶团结构特征、各类微生物的分布和活动状况等。在好氧微环境中，由于好氧菌的剧烈活动，当好氧速率高于传氧速率时，可形成厌氧性微环境；同样，厌氧微环境在某些条件下，也可能成好氧性微环境。如DO浓度增高，搅拌加剧，使氧传递能力增强时，就会使菌胶团内部原来的微环境由厌氧型转化为好氧型。一般而论，即使在好氧性微环境占主导地位的活性污泥系统中，也常常同时存在少量的微氧、缺氧、厌氧等状态的微环境。而采用点源性曝气装置或者曝气不均匀时，则比较容易出现大比例的局部缺氧微环境。因此，曝气阶段会出现某种程度的反硝化，或者成为同时硝化反硝化现象。对同时去除有机物和进行反硝化的工艺，硝化菌在活性污泥中占5％左右，大部分硝化菌、反硝化菌处于生物絮体内部。在这种情况下，DO浓度增高将提高对生物絮体的穿透力，因此可以提高硝化反应的速率，但会降低反硝化的速率。生物絮体内部的微环境状态，除DO受影响外，还和有机负荷（F/M）、搅拌程度有关。高F/M、低DO或无搅拌时，生物絮体内微环境倾向于向缺氧或厌氧状态发展。反之，低F/M、高DO或有搅拌时，微环境倾向于向好氧状态发展。由于好氧工艺中厌氧性微环境的存在，为同时硝化反硝化现象的发生提供了可能。SND工艺机理的模型解释

SND工艺的优点因为不同于经典的脱氮理论，如果能够掌握并运用好SND这种工艺，则在实际运行的污水厂中不但可以大大减小反应器体积，从而节省工程投资费用，而且可以节约运行费用。与传统的生物脱氮技术相比，SND工艺具有独特的优越性：1硝化过程中碱度被消耗，同时反硝化过程中产生了碱度，因此，SND工艺能有效地保持反应器中pH值的稳定。又考虑到硝化反应的最适pH值范围比较狭窄，仅为7.5～8.6，因此，这一点便具有重要意义。另一方面，SND工艺无需投加外碳源。因此，SND工艺可节省大量的药剂费用。2SND工艺意味着在同一反应器内，在相同操作下，硝化、反硝化反应能同时进行。如果能保证这些反应具有一定的效率，则可减少反应器的数量和尺寸。对于连续运行的SND工艺污水处理厂，可以省去缺氧池或者减少其容积。对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，SND工艺能够降低实现完全硝化、反硝化所需要的时间。3SND工艺可以减少氧气的供给，从而节省生物脱氮系统的能耗花费。4SND工艺提供了今后降低生物脱氮系统投资并简化生物脱氮技术的可能性。SND工艺的主要控制因素

溶解氧（DO）溶解氧（DO）的控制对于同时硝化反硝化过程具有重要的影响作用。首先，DO浓度必须是以满足含碳有机物的氧化及硝化反应的需要。若硝化不充分，则难以进行反硝化，因此，溶解氧浓度不能过低。其次，DO浓度又不宜过高，以便在微生物絮体内产生溶解氧梯度，形成缺氧微环境，同时使系统中有机物不致于过度消耗，影响反硝化碳源的需要。有人研究报道认为，当DO浓度为6.0mg/L时，由于溶解氧浓度相对较高，氧的穿透能力较强，所以在菌胶团内部形成的缺氧区较小或者只能在较少数的菌胶团内部形成较小的缺氧区，反硝化能力较弱；另一方面，由于DO浓度太高，好氧区的异氧好氧菌活性很强，能将有机物进行快速的降解，即使在部分污泥絮体的内部形成缺氧区，也会由于有机物的不足而降低反硝化能力。但当DO浓度为3.0mg/L时，氧的穿透能力就会降低，因此能形成缺氧区的污泥絮体增多或污泥絮体的缺氧区增大，使反硝化能力增强，总氮的去除率迅速提高。而当DO浓度为1.0mg/L左右时，氧的穿透力已很弱，大多数污泥絮体的内部都能形成缺氧区，所以反硝化能力很强。因此，通过控制曝气量来控制适当的DO浓度是提高SND脱氮效率的关键因素之一。一般地，DO浓度控制在0.5～1.0mg/L内，在满足硝化地前提下，同时通过反硝化可去除60％～70％的总氮。另一方面，将DO浓度控制在1.0mg/L左右时，氨经亚硝化产生大量的亚硝酸盐，而实际上亚硝酸盐在反应器中积累很少，这是因为在如此低的DO浓度条件下，污泥絮体内部很容易形成缺氧区，形成的亚硝酸盐可以直接扩散至缺氧区被反硝化掉，有助于实现短程硝化反硝化生物脱氮。污泥浓度和絮体结构污泥浓度与絮体结构，即活性污泥颗粒的多少、大小及其密实度，这是另一个影响同时硝化反硝化过程的重要因素。有研究表明，在活性污泥浓度较低的情况下（1～2mg/L），由于曝气的搅动，使得活性污泥絮体表面更新速率加快，很难形成缺氧微环境，因而难以产生反硝化作用，而提高活性污泥浓度有助于提高好氧SND过程的脱氮效果。如果将活性污泥浓度控制在5g/L左右，DO浓度控制在0.5～1.0mg/L，则可形成较好的缺氧微环境，明显的提高SND的脱氮效果。有机负荷和COD/N

反硝化过程需要有足够的碳源，因此污泥有机负荷直接影响好氧SND过程的脱氮效果。在控制曝气量的前提下，污泥有机负荷过高，异养菌活动旺盛，势必抑制硝化反应，硝化不充分必然会影响反硝化；污泥有机负荷过低，有机物大量消耗，必然影响反硝化的碳源需要。有研究表明，将污泥有机负荷控制在0.10～0.15kgBOD5/(kgMLSS*d)范围内，在保证BOD去除的同时，预留了同步反硝化的碳源，可保证反硝化的顺利进行。另有研究表明，对于氨氮含量高、有机物含量低的工业废水，COD/N是直接影响SND过程的脱氮效果的重要参数。当COD/N低于4时，有必要向废水中投加有机物以来补充碳源的不足。氧化还原电位（ORP）控制氧化还原电位可以很好地反映DO的变化，特别是DO比较低时。若DO无法直接测量，氧化还原电位更可成为DO的间接测量手段。污水处理厂的低浓度氧曝气可用绝对ORP的测量来控制。从能斯特方程可以看到，在低溶解氧时利用控制ORP代替控制溶解氧有以下两大优点：

1）DO较小的改变反映在氧化还原电位上的变化较大；

2）负的氧化还原电位可测量范围远远大于DO的可测量范围，所以可以代替DO控制同步硝化反硝化。SND工艺的研究进展基于SND工艺相对于传统生物脱氮工艺的诸多优势，SND工艺正逐渐成为目前生物脱氮研究的热点之一。目前对SND生物脱氮技术的研究主要集中在生物膜反应器、氧化沟、SBR等反应器系统。WatanabeY.等人采用了部分淹没式旋转生物接触反应器进行了SND的研究。通过实验发现，溶解氧的变化对生物膜反应器的影响很大，氧流入量越低，硝化率越低，反硝化率越高；气相氧分压在0.1大气压时(氧流量＝0.35g/m2/h)，脱氮率达到最高。Masuda等人研究发现，生物膜密度、单位体积生物膜中异养生物和硝化菌反硝化菌的数量随生物膜厚度的增加而增加，而膜内的反应速率并未明显受到膜厚的影响。由此可见，生物膜的厚度和溶解氧的浓度是影响生物膜反应器SND效果的两个关键因素，只有将二者控制到合适的程度才能保证SND的效果。

Bruce等人研究的两个单沟氧化渠操作较为简单，平均溶解氧浓度为0.1～0.5mg/L，脱氮率就分别达到97.6%和76%。对典型的三沟式Orbal氧化沟的研究发现，供氧量只需为需氧量的50%-70%，即溶解氧在0-0.5mg/L左右，外沟道就处于亏氧状态，就有利于异养微生物利用硝酸盐氮进行反硝化。因而，氧传递速率是氧化沟工艺需控制的主要参数。

Munch等人观察了SBR反应器中溶解氧对硝化率和反硝化率的影响，发现曝气阶段溶解氧对硝化率的影响可用Monod方程表示，反硝化菌与溶解氧的关系可用数学转换方程表示，且转换常数比预期值要高，这意味着好氧硝化反硝化的程度也高于预期值，运行过程中硝化菌的活动受到抑制，同时好氧硝化反硝化速率随曝气时间的延长而降低，完全硝化反硝化时溶解氧浓度大约为0.5mg/L。东南大学环境工程系分别采用ORP仪和溶解氧仪控制SBR反应器的SND现象，ORP仪设置70mV、50mV、20mV3个最大值，溶解氧仪设置0.15mg/L、1mg/L、2mg/L3个最大值，实验获得了SND工艺20%-60%的除氮率，且曝气初期1.5h内除氮率急剧增加。ORP控制有效的实现了高低溶解氧条件的交替，保证充分硝化反应的同时创造了SND的最佳环境。结果表明：不同最大ORP值控制的SND，其除氮率由小到大的顺序为70mV，50mV，20mV，且50mV和20mV时，反应后期亦出现显著的SND现象，而低氧条件下，DO仪控制的SND除氮率和硝化速度都明显低于OPR仪控制。间歇曝气工艺的氮去除率可达90%，溶解氧浓度、曝气循环的设置方式、碳源形式及投加量均是其重要的影响因素。K.Pochana等人认为生物易降解碳源的投加和活性污泥絮体体积的增加均可引起SND效率的显著加强。实验结果表明：活性污泥絮体平均粒径由40Lm变为80Lm时，SND贡献率由21%增到了52%。此外，反应器液相主体的溶解氧浓度在一定范围内增加，会呈线性关系抑制SND，但DO浓度增至0.8mg/L时，其线性关系不明显。由上可见，同时硝化反硝化生物脱氮技术中，生物膜、活性污泥絮体的结构及溶解氧浓度是能否进行SND的关键控制因素。SND工艺存在的问题

作为脱氮技术的一个新发展，同步硝化反硝化现象正逐渐引起国内外学者的重视。但由于实现SND的控制因素多且复杂，各种因素之间又相互关联，要将SND生物脱氮技术成功地投入工程实践还有一段距离。目前，SND脱氮技术还存在着一些迫切需要解决的问题：(1)对SND的脱氮机理还有待进一步的认识与了解。(2)需要解决微环境理论中双氧区模型的缺陷造成的问题，即有机碳源的问题。(3)需要加强对SND工艺中微生物培养以及污泥性能的研究。(4)SND在实际工程应用中控制条件的确定和稳定性、可靠性还需进一步证实。(5)SND脱氮过程中有可能产生NO2-和逸出如NO、N2O等有害中间气态产物，容易造成二次污染的问题。SND工艺技术发展展望目前,国外学者对同时硝化反硝化工艺的研究已进入实验室的深入研究阶段，对其作用机理及动力学模型正在做进一步的研究工作。国内学者对生物脱氮研究的重点放在两阶段硝化－反硝化工艺上，尚未对同时硝化反硝化一体化工艺进行足够的研究。对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，SND能够降低硝化反硝化的完成时间。同时，由于SND不需要加导流板去形成缺氧或厌氧段，不需要单独设置缺氧及缺氧段装置，不需要内循环。因此,SND系统很好地提供了今后降低投资并简化生物除氮技术的可能性。而经过亚硝酸盐氮完成的同时硝化反硝化则更具有节省有机碳源和曝气量等优点。但同时硝化反硝化的影响因素较多,相对较难控制。今后的研究方向可放在如下几个方面：(1)硝酸盐氨氧化和亚硝酸盐氨氧化技术的研究。(2)ORP信号对低溶解氧条件的控制比溶解氧信号更为精确有效，而缺氧条件时ORP信号控制是唯一的选择。ORP控制易于较好维护同时硝化反硝化微生物所需的低氧环境，而ORP的信号折点则能控制反硝化的进行程度。(3)研究发现兼性反硝化菌具有很强的生物摄P放磷能力,如何将脱氮除磷有机的结合起来,探索一种可持续城市污水生物处理技术成为研究热点。(4)从微生物学的角度扩大对好氧反硝化菌的分类研究，发掘好氧反硝化菌的种属资源,研究好氧反硝化菌的生长特性，提高和改善水处理过程同步硝化反硝化作用。(5)SND过程中硝化与反硝化的速率与传统硝化反硝化速率的对比研究。生物脱氮的本质，依然是利用了微生物动力学特性固有的差异而实现两类细菌动态竞争与选择的结果。因此，协调控制硝化与反硝化这两个过程的动力学平衡显得尤为重要。然而，由于过程的复杂性及控制因素的相互关联,使得实现SND并不是很容易的事。但是，由于SND的诸多优越性，相信经过不断的完善与改进，SND生物脱氮新技术最终将成为废水脱氮处理的重要措施之一。四、短程硝化反硝化短程硝化－反硝化工艺是一种新型生物脱氮工艺。它在理念和技术上突破了传统硝化－反硝化工艺的框架。在传统硝化－反硝化工艺中，氨先被氧化成硝酸盐（NH4+

－>NO2-－>NO3-,全程硝化），再被还原成氮气（NO3-

－>NO2-

－>N2，全程反硝化）。就生物脱氮而言，硝化过程中的NO2-－>NO3-与反硝化过程中的NO3-

－>NO2-是一段多走的路，将其从工艺中省去同样能实现废水脱氮。该工艺的关键是实现亚硝酸的积累。在硝化系统中，与亚硝酸积累有关的因素包括：①自由氨的存在，②较高的pH值，③溶解氧浓度低，④温度的变化，⑤氨氮负荷高，⑥污泥龄长，⑦硝酸盐的还原。大多数研究人员认为自由氨浓度高(高pH值条件下)和溶解氧浓度低是亚硝酸盐积累的主要原因，指出亚硝酸积累的内在原因在于自由羟氨(NH2OH)的积累。根据对前人试验结果的分析，表明自由羟氨不应是亚硝酸积累的最终原因，自由羟氨积累主要受溶解氧、pH的控制。1975年Voets处理高氨氮废水1986年Sutherson证实可行性，Turk等用于推流式前置生物脱氮系统1989年耿艳楼研究短程硝化反硝化亚硝酸型硝化的控制途径1.纯氨氧化菌培养与固定2.温度控制分选3.游离氨抑制分选4.低溶解氧抑制分选SHARON工艺:

singlereactorforhighammoniumremovalovernitrite荷兰Delft工业大学提出并成功开发了Sharon工艺，即在同一反应器内，先在有氧条件下，利用亚硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐反硝化，生成氮气。该工艺的关键是利用不同条件下亚硝酸菌和硝酸菌生长速率的差异，将硝酸菌逐步淘汰出反应器，从而维持稳定的亚硝酸积累。SHARON工艺的核心是利用亚硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高温(30℃～35℃)下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率的特性来控制系统的SRT在硝酸菌和亚硝酸菌的最小SRT之间，从而使亚硝酸菌具有较高的浓度而硝酸菌被自然淘汰，同时对系统内的温度和pH进行严格控制，维持稳定的亚硝酸积累。SHARON工艺主要用于处理城市污水二级处理系统中污泥消化的上清液和垃圾滤出液等废水。荷兰已建成两座利用该工艺的废水生物脱氮处理厂，证明了亚硝酸型生物脱氮的可行性。由于这些废水本身温度较高，属高氨高温水，有利于进行短程硝化反硝化，可使硝化系统中亚硝酸的积累达100%。但大量的城市污水，一般都属于低氨低温水，要使水温升高并保持在30℃～35℃很难实现。表1亚硝化菌和硝化菌的特征

细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸（μm)1.0×1.50.5×1.0革兰氏染色阴性阴性世代周期（h）8-3612～59自养性专性专利需氧性严格好氧严格好氧最大比生长速率μm（h-1)0.04～0.080.02～0.06产率系数Y（mg细胞/mg基质）0.01～0.130.02～0.07饱和常数Ks（mg/L）0.6～3.60.3～1.7Sharon工艺的概念Sharon是英文“singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite”的字母缩写。由于该工艺把硝化作用控制在亚硝酸盐阶段，比传统硝化－反硝化工艺缩短了一段流程，因此国内形象的将它称为短程硝化－反硝化工艺。Sharon工艺的典型特征:短程硝化和短程反硝化被放置在一个反应器内实施，工艺流程短反应器内不持留活性污泥，装置结构简单操作温度较高（30－40oC），处理效率较好借助于反硝化作用调控酸碱度（pH7－8），无需加碱中和对于活性污泥法，可节省氧供应量约25%，降低能耗节省反硝化所需碳源40%，在C/N比一定的情况下提高TN去除率减少污泥生成量可达50%缩短反应时间，相应反应器容积减少

Sharon工艺的原理经济性原理微生物学原理反应工程学原理Sharon工艺的实施策略经济性原理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节省25％6NO2-+3CH3OH+3CO2－－－3N2+6HCO3-+3H2O(5-3)6NO3-+5CH3OH+CO2－－－3N2+6HCO3-+7H2O(5-4)甲醇消耗量节省了40％短程反硝化作用反硝化作用亚硝酸细菌所致的氨氧化反应和反硝化细菌所致的亚硝酸盐还原反应是开发Sharon工艺的基础。比较反应式（5－1）和（5－2）可知，由于Sharon工艺只有氨氧化反应，没有亚硝酸盐氧化反应，耗氧量可比传统硝化工艺降低25％，供氧设备也可相应压缩。比较反应式（5－3）和（5－4）可知，由于Sharon工艺的还原反应起始于亚硝酸盐而不是硝酸盐，甲醇消耗量可比传统反硝化工艺节省40％，运输工具，贮存容器和投加设备也可相应的减少。因此，Sharon工艺的经济性甚好，既能节约基建投资，也能降低运行费用。微生物学原理

1.基质专一性和物种远缘性硝化作用是一个序列反应，先由亚硝酸细菌把氨氧化成亚硝酸盐（式（5－5）），再由硝酸细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐（式（5－6））。迄今为止，还没有发现一种细菌能够把氨直接氧化成硝酸盐。硝化细菌的这种基质专一性是研究和开发短程硝化工艺的重要依据。NH4++1.5O2－－－NO2-+H2O+2H+（5－5）NH4++0.5O2－－－NO3-（5－6）硝酸细菌亚硝酸细菌微生物学原理

2.倍增时间的差异性细菌完成一次分裂（个体数目增加一倍）所需的时间叫做倍增时间（doublingtime）细菌种类不同，比生长速率也不同，表现出来的倍增时间相差很大。

Sharon工艺涉及硝化细菌和反硝化细菌，前者的倍增时间远远长于后者（相差10倍以上），常常成为生物脱氮过程的“瓶颈”。通过操作控制，选留生长快的种群，淘汰生长慢的种群，这是Sharon工艺克服“瓶颈”效应的法宝。微生物学原理

3.生长对基质浓度的依赖性比生长速率的物理意义是单位时间内由单位细菌增殖而来的细菌数量。比生长速率常数并非是一个真正的常数，它受基质浓度的制约。比生长速率与限制性基质浓度呈正相关Sharon工艺在高基质浓度下运作，各种硝化细菌都以最大速率生长，对基质浓度适应性好且生长更快的菌群将取得竞争优势。微生物学原理

4.生长与代谢的相关性氨氧化反应和反硝化反应分别是亚硝酸细菌和反硝化细菌赖以生存的产能反应，基质代谢与细菌生长直接相关。在Sharon工艺中，加快了细菌特别是亚硝酸细菌的生长速率，就等于提高了基质转化速率。因此，富集快生型菌群并促进其生长，对基质高速转化具有重要意义。反应工程学原理在分批培养中，由于基质消耗和产物积累营养条件与环境条件都会恶化，细菌的对数生长难以持续。如果连续添加新鲜培养基补充营养物质，同时排除等量混合液消除有害产物，细菌的对数生长就能维持。这种培养补料和出料的培养方法称为连续培养（continuousculture）。连续培养经常被放置在恒化器（chemostat）中进行.Sharon工艺的工作原理类同于连续培养，Sharon工艺的反应装置类似于恒化器。反应工程学原理1.恒化器中培养液的稀释率在恒化培养中，新鲜培养基以不变的流速输入恒化器，并立即与该装置内的培养液充分混合。经过混合的培养液以相同的流速输出恒化器。在恒化器内，培养液的体积不变，其更换速率与新鲜培养基的输入速率以及培养液的总体积有关。当培养液的总体积不变时，更换速率与新鲜培养基的输入速率成正比。连续流（培养基连续流进和流出恒化器）和全混合（恒化器内培养液均匀一致）是恒化器的水力特征，稀释率表征了单位时间内恒化器中流体的更换次数。稀释率的倒数是流体在恒化器内的平均水力停留时间（hydraulicretentiontime,HRT）。从化学反应的角度看，HRT表征了流体中基质在恒化器内的平均反应时间。所需的HRT越短，表明恒化器的反应潜力越大。反应工程学原理2.恒化器中细菌浓度的变化假设新鲜培养基输入后，恒化器内没有细菌生长，那么装置内原有的细菌将随混合液的输出而流失。对于恒化器，净生长速率等于生长速率与流失速率之差净生长速率＝生长速率-流失速率由于全混合，恒化器内的细菌浓度均匀一致，装置内的细菌浓度与流出液中的细菌浓度相等。恒化器内细菌浓度的变化反映了细菌生长速率与流体带出速率的相对大小。细菌是恒化器进行生物反应的主角，恒化器反应潜力的大小与细菌的活性和数量密切相关，恒化器内细菌浓度的变化势必影响恒化器的工作效能。反应工程学原理3.恒化器中基质浓度的变化在一定条件下，细菌浓度的增加与基质的消耗成正比在连续培养中，浓度为So的限制性基质以一定速率输入恒化器，经过细菌利用，大部分基质被消耗，剩余基质以浓度S输出恒化器。恒化器内的基质浓度变化为基质变化＝基质流入量-细菌对基质的消耗量-基质流失量由于全混合，恒化器内的基质浓度均匀一致，装置内的基质浓度与流出液中的基质浓度相等。恒化器内基质浓度的变化反映了细菌代谢速率与流体带出速率的协同作用。基质是恒化器进行生物反应的原料，代谢所致的基质转化率直接反映了恒化器的工作效能。Sharon工艺的实施策略1.稀释率对细菌的筛选作用采用恒化器混合培养多种细菌时，稀释率对不同细菌具有淘汰作用。设定一个稀释率后，各种细菌在恒化器中的命运取决于自身的生长速率，如果最大比生长速率小于设定的稀释率，则该种群被洗出恒化器。所设定的比生长速率越高，被保留在恒化器内的种群越少，这些种群的比生长速率越高。根据最小因子定律，生物生长受制于相对数量最少的营养物质（限制性营养物质）。改善营养条件（例如，提高限制性基质浓度），将会促进细菌生长，从而在某种程度上影响细菌的归宿在传统硝化工艺中，为了保证出水达标，通常将氨浓度控制在较低的水平，装置内富集的一般是慢生型亚硝酸细菌；而在Sharon工艺中，通常将氨浓度控制在较高的水平，装置内富集的显然是快生型亚硝酸细菌。Sharon工艺的实施策略SHARON工艺的成功还在于:巧妙地应用了硝化菌(Nitrobacter)和亚硝化菌(Nitrosomonas)的不同生长速率,即在较高温度下，硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌的生长速率。

因此,在完全混合反应器中通过控制温度和停留时间,可以将硝化菌从反应器中冲洗出去(washout)，使反应器中亚硝化菌占绝对优势,从而使氨氧化控制在亚硝化阶段。同时通过间歇曝气，可以达到反硝化的目的。Sharon工艺的实施策略2.反应器内不持留菌体反应器的反应潜力主要取决于反应速率和反应时间。在生物反应器中，反应速率主要取决于生物活性和生物数量。Sharon工艺要将硝化作用终止于亚硝酸盐阶段，必须抑止硝酸细菌的活性，最有效的办法是将硝酸细菌清除出反应系统。如果采用现有的高效生物反应器，很难实现对硝酸细菌的清除，这是因为这些反应器在持留生物体时不能区分亚硝酸细菌和硝酸细菌。鉴此，Sharon工艺创新性地选用了不持留生物体的连续流全混合反应器（恒化器），利用两个菌群的生长速率上的差异，通过调控稀释达到了清除硝酸细菌的目的。在恒化器的运行中，通过调控稀释率，不仅清除了生长相对缓慢的硝酸细菌，也淘汰了慢生型亚硝酸细菌，留下的亚硝酸细菌生长较快。此外，通过对营养条件和环境条件的优化，特别是通过提高基质浓度和操作温度，促进了亚硝酸细菌的生长，有效地保证了反应所需的菌体数量。Sharon工艺的实施策略3.利用反硝化产生的碱度传统硝化－反硝化工艺有两种实施方法。一种是把硝化与反硝化反应放置于两个反应器内进行。在这种方法中，为了节约处理成本，通常把反硝化反应器的部分出水回流到硝化反应器内，以回收碱度。另一种方法是把硝化与反硝化反应放置在一个反应器内进行。这样可以充分利用反硝化作用产生的碱度，来中和硝化作用产生的酸度。但是，当进水含有较多的有机物时，异养型细菌的生长速率远远高于硝化细菌，前者可严重干扰后者的作用。Sharon工艺的实施策略3.利用反硝化产生的碱度Sharon工艺采用一个反应器进行硝化和反硝化反应，从空间上为反应器实现内部酸碱平衡创造了条件。Sharon工艺改变了传统硝化－反硝化工艺“先完成硝化再进行反硝化”的工作模式，通过间歇供氧，使硝化与反硝化反应交替进行，也从时间上为反应器实现内部酸碱平衡创造了条件。由于及时就地利用反硝化产生的碱度，反应器内的pH始终被保持在有利于生物脱氮的范围（7－8.5）。Sharon工艺还通过反应器的合理选型，有意识的强化了对混合液CO2的吹脱，驱除了部分酸度，减少甚至摆脱了对外源碱性物质的依赖。Sharon工艺的技术要点pH控制好氧好氧厌氧厌氧甲醇甲醇7.5<pH<8.57.5<pH<8.5间歇供氧对反应器pH的调控作用循环周期2h水力停留时间36hSharon工艺的技术要点Sharon工艺的核心是使硝化过程终止于亚硝酸盐阶段。在实施上，不仅要抑制亚硝酸盐氧化，还要促进氨氧化，只有这样，才能使该工艺经济高效。温度控制pH控制溶解氧浓度控制基质浓度和负荷控制泥龄控制Sharon工艺的技术要点1.温度控制温度对生物反应有很大的影响。对于硝化反应，文献来源不同，所报道的温度范围和适宜温度差距很大。总的来说，硝化反应的温度范围为4－45oC，适宜温度为20－30oC，温度低于15oC或高于40oC硝化速率降低。在常温（5－20oC）下，由于亚硝酸细菌的生长速率小于硝酸细菌，前者产生的亚硝酸盐很容易被后者继续氧化成硝酸盐，因此在这个温度范围运作的传统生物脱氮工艺，只能进行全程硝化－反硝化反应。提升反应器的运行温度（20－35oC），利用亚硝酸细菌和硝酸细菌不同的温度效应，有助于富集亚硝酸细菌从而实现短程硝化。需要指出的是，温度并非越高越好，温度超过40oC会导致反应速率的下降;另外，废水升温需要能量，温度越高，能耗越大综合考虑各种因素，Sharon工艺的操作温度以30－35oC为宜。Sharon工艺的技术要点2.pH控制适宜的pH范围在硝化工艺中pH是一个非常重要的调控参数。一般而论，硝化反应的pH范围为5.5－10.0，适宜pH为6.5－9.0。pH低于6.5或高于9.0，硝化速率降低。其中，亚硝酸细菌与硝酸细菌适宜生长的pH范围略有差异，分别为7.0－8.5和6.5－7.5。根据两种硝化细菌最适pH的差异，调控反应系统的pH可以取得定向选择反应产物的效果。实验表明，pH大于7.4时，亚硝酸盐占产物的比例高于90％。Sharon工艺的pH控制在7.4－8.3之间Sharon工艺的技术要点2.pH控制pH的影响在Sharon工艺中硝化与反硝化反应交替进行，硝化阶段不加碱中和酸度，每个硝化(80min)和反硝化（40min）循环的pH变化高达一个单位（图5－6）。这样大的pH变化在城市污水（氨浓度只有30－50mg/L）处理中是少见的。因此，除了考虑适宜的pH范围之外，还需要考虑pH波动对Sharon工艺的影响。pH对Sharon工艺的影响主要体现在两个方面，其一是pH超出硝化细菌的耐受限度，其二是pH影响基质的有效性或抑制剂的毒性。第一个问题相对比较简单，很容易通过工艺上的调控措施加以解决。第二个问题相对比较复杂，具体情况需做具体分析。Sharon工艺的技术要点pH对NH3分配百分比的影响在正常的生物处理系统中，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较高的情况下，提高pH的效应更为显著。pH对HNO2分配百分比的影响在正常的生物处理系统中，NO2-是亚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较低的情况下，降低pH的效应更为显著。pH对硝化细菌生长速率的影响在要求基质去除率较高（装置内的基质浓度较低）的情况下，提高pH可增加NH3分配百分比，同时减少HNO2

分配百分比，有利于富集亚硝酸细菌，淘汰硝酸细菌，从而保证Sharon工艺的正常运作。但是提高pH需要消耗化学试剂（甲醇或NaOH）。Sharon工艺的技术要点3.溶解氧浓度控制硝化细菌是好氧性细菌，硝化反应是需氧性反应，它们的生长和代谢都离不开氧的有效供给。在恒化器混合培养中，溶解氧浓度对亚硝酸细菌和硝酸细菌的生长速率具有很大的影响，对两种细菌的细胞产率也有很大的影响。因此在Sharon工艺中，溶解氧浓度是一个理想的调控参数。为了兼顾氨氧化速率和亚硝酸盐积累，在Sharon工艺中溶解氧浓度宜控制在1.0－1.5mg/L范围;供氧方式可采用间歇曝气。Sharon工艺的技术要点4.基质浓度和负荷控制作为一种新型的生物脱氮工艺，人们希望Sharon工艺能够适应较宽的基质浓度范围，承受较高的容积负荷。这主要取决于硝化细菌的潜质及其发掘程度。基质浓度控制Sharon工艺采用全混合反应器，装置内的基质浓度与出水浓度相等，是出水基质浓度而不是进水基质浓度决定了基质转化速率。为了保证一定的基质转化速率，出水浓度不能设置得太低。这一特性决定了该工艺实用场合，即用于预处理，而不是达标处理。此外，由于基质抑制效应取决于装置内的基质浓度，而进水基质浓度与装置内的基质浓度存在较大的差异，所以Sharon工艺能够处理的废水浓度可明显高于基质抑制浓度。Sharon工艺常用的污泥（以VSS计）氨负荷为0.02－1.67kg/(kg.d)。Sharon工艺的技术要点5泥龄控制泥龄是指活性污泥在反应器内的平均停留时间，也即反应器内污泥完全更新一次所需的时间。在恒化器中，泥龄与水力停留时间相等。在确保洗出硝酸细菌的前提下，应尽可能延长水力停留时间，使生物脱氮达到较高的程度，并使反应器稳定运行。VanKempen等人根据Sharon工艺生产性应用的经验，推荐将泥龄控制在1－2.5d。实验室小型试验1.实验废水的水质特点第一个Sharon工艺的实验室由荷兰Delft工业大学完成，试验的目的是为鹿特丹Dokhaven污水处理厂探索一种新型生物脱氮工艺，以解决该厂厌氧硝化污泥分离液的脱氮问题。Dokhaven污水处理厂厌氧硝化污泥分离液的理化指标废水的典型特征是可降解的有机物不多，氮化物主要以氨形式存在，碱度和温度较高。这些水质特点为Sharon工艺的研发提供了难得的良好条件。实验室小型试验1.实验废水的水质特点指标指标值指标指标值COD浓度/(mg/L)810SS浓度/(mg/L)56BOD浓度/(mg/L)230HCO3-浓度/(mg/L)4080凯氏氮浓度/(mg/L)1053HCO3-/N之比(mol/mol)1.1氨浓度/(mg/L)1000pH8.1－8.4总磷浓度/(mg/L)27温度/0C30消化污泥分离液的年平均值实验室小型试验2.小试装置及其运试Sharon工艺的实验室装置是一个1.5L的发酵罐实验条件为:以好氧活性污泥作为接种污泥以厌氧消化污泥分离液作为试验废水控制温度35oC

水力停留时间1.5d

反应器工作方式“硝化－反硝化－硝化”交替运行循环周期2h,其中曝气80min，缺氧40min。曝气期间，氨浓度逐渐下降，亚硝酸盐浓度逐渐升高;pH明显降低;停止曝气并添加甲醇后，亚硝酸盐浓度下降，pH迅速回升。连续运试两年的结果表明，Sharon工艺运行稳定，氨去除率保持在80－85％之间。实验室小型试验2.小试装置及其运试与传统硝化工艺相比，

Sharon工艺具有如下鲜明的特点:传统硝化工艺一般用于处理城市污水，进水氨浓度通常在30－50mg/L，产物主要是硝酸盐，亚硝酸盐很少;Sharon工艺被用于处理厌氧消化污泥分离液，进水氨浓度高达1000mg/L，产物主要（高于90％）是亚硝酸盐，硝酸盐很少。这就要求硝化细菌具有耐受高浓度氨和亚硝酸盐的能力。传统硝化工艺一般采用常温操作，运行温度极少超过30oC;Sharon工艺的运行温度控制在35oC。较高的温度有利于富集最适生长温度偏高的菌群。传统硝化工艺重视对菌体的持留，泥龄较长（如5－10d）;Sharon工艺采用全混合反应器，泥龄较短（如1－2.5d）。工艺放大1.反应器设计项目

参数值

项目

参数值

反应器容积/m3

1800设计氮负荷/(kg/d)

540设计流量/(m3/h)

31.5最大氮负荷

830最大流量/(m3/h)

50好氧段HRT/d

1.0进水氨浓度/(g/L)

1.0-1.5缺氧段HRT/d0.5-1.4供氧能力/(kg/h)

600Dokhaven污水处理厂Sharon反应器的设计参数工艺放大2.技术经济分析Dokhaven污水处理厂以原有的污泥浓缩池（容积为1800m3）改建为Sharon反应器，设计参数为：HRT1.3d,氨负荷1200kg/d，进水氨浓度1000mg/L，转化率85％。在此条件下，Sharon工艺的技术经济分析见表5－4。脱氮处理的单价为1.7美元/kg，其中，动力耗电支出占35％，甲醇支出占25％。虽然处理费用因地而异，但与同类废水的其它工艺相比（表5－5），Sharon工艺显示了明显的经济竞争力。Sharon工艺的转化效率（氨去除率）和单位处理费用都与废水中的氨浓度有关。当进水氨浓度从5000mg/L降低到250mg/L时，氨去除率由97％跌落到50％;单位处理费用先由8.2美元/kg减少至1.7美元/kg，再回升至5.4美元/kg。在氨浓度低于500mg/L的情况下，由于设备折旧费所占的比例增加，单位处理费用升高。在氨浓度高于2000mg/L的情况下，单位处理费用几乎与曝气费用同步增长。就处理费用而言，氨浓度宜控制在500－2000mg/L。工艺放大2.技术经济分析项目年累计费用/美元单价/(美元/kg)占总费用的比例/%基建投资+维护费+开发费2260.635电费（90％以上用于曝气）2250.635甲醇1620.425NaOH320.15总计6451.7100Sharon工艺技术经济分析[40]工艺放大2.技术经济分析产生产生投加能源操作费用估计化学污泥生物污泥化学药剂消耗难易程度（欧元/kg）空气吹脱法是否需要一般一般6.0蒸气吹脱法是否需要高复杂8.0MAP/CAFR工艺是否需要低复杂6.0膜－生物反应器否是需要高一般2.8生物膜气提式反应器否低需要一般一般5.7Sharon工艺否低需要一般简单1.5表5－5用于处理消化污泥压滤液低各种技术比较Sharon工艺的应用

1.Sharon工艺的应用场合Sharon工艺是应荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂的要求而研发的，它没有经过中间实验，直接从实验室规模（1.5L）放大到生产规模（1800m3）。Dokhaven污水处理厂的工艺流程如图5－21所示。其中Sharon工艺用于处理厌氧消化污泥分离液。Sharon工艺在Dokhaven污水处理厂取得成功后，已推广应用于荷兰Utrecht污水处理厂，处理对象相同（厌氧消化污泥分离液）。Sharon工艺的应用进水除碳曝气池沉淀池硝化曝气池沉淀池污泥消化池污泥脱水Sharon废弃污泥出水AB图5－21Dokhaven污水处理厂流程1.Sharon工艺的应用场合Sharon工艺的应用效果1进水2细格栅3沉砂池4A段曝气池5中间沉淀池

6回流污泥7剩余污泥回流8浮滓去除9污泥调节池

10B段曝气池1