短程硝化反硝化的影响因素分析

短程硝化反硝化的影响因素分析

有很多方法可以去除氮，但重点是在于低能耗和药物的能耗和浪费，以及低基础设施和高氮脱氮效率。目前,有两种方法可以实现这一要求。一是氮化合物通过亚硝酸盐路径除去,这也是所谓的短程硝化反硝化,即将氨氮氧化为亚硝酸盐为止,通过选择抑制性物质或限制硝酸盐菌的活性,使亚硝酸盐有一定积累,然后对其进行反硝化来去除氮。短程脱氮不会形成硝酸盐,因而短程脱氮和除磷具有较好的共实现基础。二是,最近研究发现,在供氧体受限或缺少有机碳源的厌氧条件下发生同时硝化反硝化。1生物脱氮过程硝化反应分为亚硝酸化和硝酸化两个步骤,这两步反应是由不同微生物来实施的。两步反应的计量式和对应微生物如下所示:亚硝酸化: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:亚硝酸氧化菌Nitriteoxidizer(Nitrobacter、Nitrospira等)。在生物脱氮中,亚硝酸盐氧化成硝酸盐,硝酸盐再还原成亚硝酸盐是两个多余的反应。避免这两个环节就可以节省25%的氧气和约40%的有机碳源。短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在亚硝酸化阶段终止,随后直接实现反硝化,氮的变化过程为:NH4+→HNO2→N2。另外,在脱氮除磷工艺中,回流到厌氧区的处理液中如果有硝酸盐存在,会对聚磷菌的磷释放过程产生不利影响。2影响亚硝酸盐积累的因素短程硝化的标志是有稳定和较高的NO2--N积累,如何控制硝化停止在NO2-阶段是实现短程硝化的关键。因此控制那些能对硝酸菌和亚硝酸菌产生不同影响作用的影响因素,可以影响硝化形式,从而实现亚硝酸盐积累。影响亚硝酸积累的因素主要有温度、DO浓度、游离氨(FA)浓度、游离亚硝酸(FNA)浓度、pH值、泥龄及有机物浓度。2.1温度对亚硝酸细菌和硝酸盐细菌最大比增长速率的影响生物硝化反应在4~45℃内均可进行,亚硝酸菌与硝酸菌生长的最适宜温度不相同。在12~14℃时,活性污泥中硝化菌活性受到严重抑制,出现HNO2积累;15~30℃时,硝化过程形成的NO2-完全被氧化成NO3-;温度超过30℃后又出现NO2-的积累。在一定温度范围内(5~40℃),微生物的最大比增长速率与温度之间的关系可用修正的阿伦尼乌斯方程来描述。式中:μmt——温度t℃时的微生物最大比增长速率,d-1;μm20——标准温度(20℃)时的微生物最大比增长速率,d-1;Eact——反应活化能,kJ/mol;R——气体常数,8.314J/(mol·K)。令θ=Eact/[293R(273+t)6](式中,θ称为温度系数),则上式可以写为:根据式(2),硝化细菌的最大比增长速率随温度变化的曲线见图1。由图1可知,温度对亚硝酸细菌和硝酸细菌的最大比增长速率具有不同的效应,当温度低于20℃时,硝酸细菌的最大比增长速率大于亚硝酸细菌的,而当温度高于20℃时,亚硝酸细菌的最大比增长速率大于硝酸细菌的。换言之,当系统温度较高时,亚硝酸细菌处于优势地位,有利于亚硝酸盐的积累而实现短程硝化。SHARON工艺利用这一点使硝化细菌在竞争中被淘汰。2.2硝化反应中亚硝酸盐酶控制do的影响低DO浓度下的亚硝酸菌大量积累时,硝酸菌对DO的亲和力较亚硝酸菌强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4mg/L,硝酸菌的为1.2~1.5mg/L。低DO浓度下,亚硝酸菌和硝酸菌增值速率均有不同程度的下降,当DO的质量浓度为0.5mg/L时,亚硝酸菌增值速率为正常的60%,而硝酸菌不超过正常的30%。利用这两类菌动力学特性的差异可以达到淘汰硝酸菌的目的。鲁南等发现了DO与亚硝态氮生成率之间的关系(如图2)。反应器长期在低DO条件下运行,会导致氨氧化菌种在硝化细菌中占有优势,且能稳定地保持这种优势,因而控制DO就成为了简化硝化和反硝化的一个有效手段。另外,氨氧化菌世代周期比亚硝酸氧化菌短,短程硝化可以提高微生物浓度和硝化反应速度,缩短硝化反应时间。Bernet等在生物膜反应器中,控制DO的质量浓度在0.5mg/L以下,从而使得出水中亚硝酸氮占总硝态氮的90%以上。一般在硝化反应阶段当ρ(DO):ρ(FA)的值小于5时会产生NO2--N的大量积累,大于5时则不会出现NO2--N积累。由于亚硝酸菌的氧饱和常数(KN=0.2~0.4mg/L)远小于硝酸菌的氧饱和常数(KN=1.2~1.5mg/L),当活性污泥系统中DO的质量浓度降至0.3mg/L时,亚硝酸菌的增殖速率约为正常的50%,而硝酸菌的增殖速率与正常速率的比值小于20%,同时必须控制合适的SRT,把硝酸菌从反应器中及时淘汰,才能实现稳定持久的亚硝酸盐积累。2.3ph值对生物硝化反应的调控硝酸菌和亚硝酸菌适宜生长的pH值范围不同,亚硝酸菌的适宜pH值在7.0~8.5。而硝酸菌的适宜pH值在6.0~7.5。反应器中pH值低于7则整个硝化反应受抑制,pH值升高到8以上,则出水HNO2浓度升高。利用两者适宜生长的pH值不同,控制混合液中pH值就能控制硝化类型。研究证明,pH值对生物硝化反应器的效能可产生巨大的影响。合理调控pH值有利于短程硝化的实现。陈际达等研究发现,短程硝化的适宜pH值范围为7.5~8.5,最佳pH值约为7.9。从基质的角度看,在较高的pH值下,FA浓度较高,可以满足亚硝酸细菌对基质的要求;FNA浓度较低,可以限制硝酸细菌对基质的需要。2.3.1ph值对总氨氮浓度的影响游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制质量浓度分别为0.1~1.0mg/L和10~150mg/L。当游离氨的质量浓度介于两者之间时,亚硝酸菌能够正常增值和氧化,硝酸菌被抑制,就会产生亚硝酸盐积累。当pH值高于8.0时,FA占总氨氮浓度的比例迅速增大,如果环境中总氨氮浓度不高,可通过增大pH值来提高基质的有效性,但如果总氨氮浓度较高,则升高pH值极易诱发氨毒。在生物硝化反应器的操作中,对此应予以高度重视。2.3.2ph值对fna占总亚硝态氮浓度比例的影响游离亚硝酸(FNA)是硝酸细菌的真正基质,也是亚硝酸细菌和硝酸细菌的真正抑制剂。在水溶液中,HNO2与NO2-之间存在着如下电离平衡:FNA占总亚硝态氮浓度的比例可计算如下:式中:CFNA——游离亚硝态氮浓度,mol/L;CT,NO2——亚硝态氮总浓度,mol/L;图3为20、25和30℃时,pH值对FNA占总亚硝态氮浓度比例的影响。由图3可知,当pH值从0提高到4时,FNA占总亚硝态氮浓度的比例迅速下降,如果环境中总亚硝态氮浓度不高,可通过降低pH值来提高基质的有效性,但若总亚硝态氮浓度较高,则宜将pH值控制在6以上,以防FNA毒害。另外,图3中的3条曲线几乎重合,因此可以看出在相同的pH值下,温度对FNA的影响较为微弱。2.4导致亚硝酸型硝化一方面,NH3-N的硝化速率比NO2--N的氧化速率快;另一方面,亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的短,因此可以通过缩短水力停留时间,使泥龄介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小水力停留时间之间,使得系统中硝酸菌逐渐被冲洗掉,亚硝酸菌成为系统优势菌,从而形成亚硝酸型硝化。试验表明:水力停留时间小于3h就可以实现亚硝酸盐硝化。2.5do对异养的影响有机物对短程硝化的影响主要表现在异养菌与硝化菌对DO的争夺。当温度和pH值适合,DO和氨供给充足,有机物浓度对硝化作用不造成影响。但当DO不足,有机物浓度高时,由于好氧异养微生物的比增殖速率(30℃时为0.3~0.5h-1)远大于自养硝化微生物的比增殖速率(30℃时为0.085h-1),因而异养菌对水中DO的争夺强于硝化菌,故在DO不足时硝化菌的生长繁殖会受到抑制。有试验表明:有机负荷为0.25kg[COD]/(kg[MLSS]·d)时,可以实现较高的亚硝酸盐积累。3do/n质量浓度对亚硝酸盐国际排放的影响(1)A/O工艺中,长期控制DO在一个较低的水平,使其质量浓度在0.3~0.7mg/L,可以对亚硝酸盐氧化菌(NOB)进行淘洗,从而实现稳定的亚硝酸盐积累,平均亚硝态氮积累率为85%,有时甚至超过95%。(2)MBR反应器中,当温度小于15℃或大于30℃以及当pH值大于8时,NO2--N都开始积累,m(NO2--N)/m(NOx--N)已大于50%,而当pH值为9时,m(NO2--N)/m(NOx--N)已达到67%。DO的质量浓度小于1.0g/L有利于NO2--N的积累。随着氨氮负荷逐渐上升,NO2--N也有积累的趋势,一般可控制氨氮负荷在0.03~0.05kg/(m3·d)。(3)SBR工艺中,在温度为21~25℃、进水氨氮的质量浓度为300mg/L、曝气量为70~80L/h的条件下可实现短程硝化,亚硝态氮积累率大于90%。高、低溶解氧交替环境是实现短程硝化的关键条件。在pH值变化不大的情况下,增加进水氨氮质量浓度会提高亚硝酸盐的积累率,但也会延长反应时间。游离氨质量浓度为0.724mg/L时,也会对硝酸菌产生抑制的。(4)对于两段曝气生物滤池,控制A段水力负荷在22m3/(m2·d),气水体积比为6:1的条件下,当B段反应器的气水体积比为2:1时,B段具有明显的同步硝化反硝化特征,当气水比较低时主要进行短程的同步硝化反硝化。(5)CAST工艺中,进水低m(C)/m(N)条件下,在低DO下可实现长期稳定的亚硝酸盐积累。当DO的质量浓度为0.5mg/L时,系统内的亚硝化率可达80%以上,氨氮去除率大于90%;当DO的质量浓度小于0.5mg/L时,氨氮去除率下降;当DO的质量浓度大于1mg/L时,短程硝化过程向全硝化转化。4短程硝化反硝化的未来研究当今,全球普遍强调可持续发展模式,这要求污水处理工艺不能再以治污作为处理的惟一目的,必须同时考虑污水所含污染物的资源化和能源化问题,并且所采用的技术必须以低能耗、高效率为前提。因此,污水处理工艺的应用和研究必须满足提高效率、节省能耗的要求。而传统生物脱氮由于消耗有机物和能源多,势必将被短程硝化反硝化,或被更节约能耗的短程硝化型的SND或ANAMMOX的工艺所替代。为此以后需要对以下几个问题进行研究:(1)加强和深化短程硝化机理的研究,尤其是低溶解氧下短程硝化机理的研究。(2)对大量的城市污水来说,一般属于低温低氨污水,要使废水保温在30~35℃难以实现。因此,对低温低氨的城市污水如何实现短程硝化反硝化值得进一步研究。(3)由于许多因素的控制需要耗能或者难度较大(如温度的控制