硝化反硝化脱氮机理及影响因素研究.doc

同时硝化反硝化脱氮机理及影响原因研究
贾艳萍* 通讯联络人
贾艳萍（1973-）, 女, 博士, 副教授, 关键从事废水生物处理理论与工艺研究。E-mail: jiayanping 电话:
资助项目: 东北电力大学博士科研开启基金（BSJXM-12）
贾心倩 马姣
（东北电力大学化学工程学院, 吉林 吉林 13）
摘要: 本文结合中国外研究, 从宏观环境理论、 微环境理论以及微生物学理论三方面说明了同时硝化反硝化脱氮机理, 并对同时硝化反硝化影响原因进行了综述, 提出了该技术以后研究方向。
关键词: 同时硝化反硝化; 脱氮机理; 影响原因
引言
氮、 磷等物质排入江河易造成水体富营养化, 传统脱氮理论认为, 废水中氨氮必需经硝化反应和反硝化反应过程, 才能够达成脱氮目, 这是因为硝化和反硝化过程中微生物生长环境有很大差异, 硝化反应需要有氧气存在环境, 而反硝化则需在厌氧或缺氧环境中进行。多年来, 中国外学者经过大量试验对工程实践中碰到现象和问题进行了研究, 以传统生物法脱氮理论作基础, 发觉硝化反应和反硝化反应能够在同一操作条件下同一反应器内进行, 即同时硝化反硝化(简称SND), 它使传统工艺中分离硝化和反硝化两个过程合并在同一个反应器中, 避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸盐这两个多出反应, 从而可节省约25%氧气和40%以上有机碳, 在反应过程中不需要添加碱度和外加碳源。与传统工艺相同处理效果情况下降低了20%反应池体积, 需要更低溶解氧浓度（1.0mg/L左右）, 无混合液回流以及反硝化搅拌设施[1,2]。所以, SND简化了生物脱氮工艺步骤, 降低了运行成本。它突破了传统生物脱氮理论, 简化了脱氮反应发生条件和次序, 强化了生物脱氮过程, 使传统生物脱氮理论发生了质飞跃。
1 同时硝化反硝化作用机理
SND脱氮机理能够从宏观环境理论、 微环境理论和微生物学理论三个方面加以解释
1.1 宏观环境理论
通常来说, 反应中所需DO都是经过曝气来供给, 不一样曝气装置会造成反应器内DO分布状态不一样。不过在好氧条件下活性污泥脱氮系统中, 不管哪种曝气装置都无法确保反应器中DO在废水中分布均匀, 比如: 在SBR反应器中, 曝气并不能确保整个反应器中DO完全处于均匀混合状态,缺氧区域存在就为该反应器中成功实现SND提供了可能。
1.2 微环境理论
微环境理论是现在解释SND现象普遍接收见解。这种理论认为, 微生物个体通常情况下非常微小, 所以环境微小改变也会不一样程度影响微生物生存, 污泥絮体内部DO浓度分布如图1-1所表示。
主
体
相
扩
散
层
好
氧
区
缺
氧
区

图1-1 微生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图（双氧区模型）
Fig. 1-1 The distribution schematic diagram of concentration in microbial flocks reactive zone and substrate
(dioxygen zone model)
整个主体相中DO分布均匀, 不过当DO向污泥絮体内部进行扩散时受到一定限制, 所以在絮体内部就会产生扩散层、 好氧区、 缺氧区这么一个DO梯度。微生物絮体外层区域即扩散层和好氧区DO浓度较高, 以好氧菌、 硝化菌为主, 在该区域有利于硝化反应进行。伴随DO扩散深入到微生物絮体内部, 因为氧传输受阻和扩散层、 好氧区中DO逐步降低, 在絮体内造成缺氧环境, 此时有利于反硝化菌生长, 促进了反硝化进行。微生物絮体内存在缺氧区域是实现SND关键原因, 然而缺氧环境形成关键取决于DO浓度大小和絮体结构。DO浓度过高就会扩散至污泥絮体内部, 无法形成缺氧区域, 就不能实现SND; 浓度过低满足不了扩散层、 好氧区硝化反应所需DO, 进而降低脱氮效果。所以, 控制DO浓度以及微生物絮体结构是成功实现SND关键。
1.3 微生物学理论
作为一个自养型好氧微生物, 硝化细菌关键经过氧化NH4+-N和NO2--N来取得能量供本身生长和繁殖。80年代以来, 很多生物科学家经过研究发觉很多菌类都能够对含氮化合物进行异养硝化, 异养型硝化细菌不仅生长速率快, 产量高, 而且要求溶解氧浓度比自养型硝化菌低。另外, 在大量试验室研究中发觉了好氧反硝化细菌存在[3,4]。异养型硝化细菌和好氧反硝化细菌发觉打破了传统生物脱氮理论。所以从微生物学角度来说, SND生物脱氮也是可能。
2 同时硝化反硝化关键影响原因
SND影响原因关键包含溶解氧（DO）、 碳源、 污泥浓度、 pH值、 温度等。
2.1 溶解氧（DO）
DO浓度是影响SND关键参数之一。系统中DO应满足有机物氧化及硝化反应, 不过溶解氧浓度不能太高。当DO较高时, 它对生物絮体穿透能力逐步增大, DO扩散至污泥絮体内部, 缺氧微环境极难形成。另外, O2接收电子能力高于NO2--N和NO3--N, 抑制了反硝化细菌活性, 降低反硝化效果; DO过低, 满足不了硝化反应所需DO, 一样会影响脱氮效果。可见, 在SND工艺中有效地控制DO在适宜范围极其关键。Christine Helmer和Sabine Kunst[5]在SBR系统中将DO控制在1mg/L时, TN去除率最高达成50%。Puznava等[6]在曝气滤池中经过DO在线控制, 使TN去除率达成60-70%。中国相关溶解氧对SND影响也进行了研究, 彭赵旭等[7]采取SBR反应器研究SND时发觉, 当DO为0.45mg/L、 C/N为8.32时, 能够最大程度地利用原水中碳源进行SND作用, SND率为42.66%; 赵玲与张之源[8]研究复合SBR中SND时发觉, 控制DO在3-5mg/L, SND现象最显著, 能够达成最好脱氮效果, 此时TN去除率达成80%, 而当DO大于5mg/L或小于3mg/L时, 脱氮效果及反硝化速率显著下降。以上这些研究说明只有保持合适DO才能实现含碳有机物氧化、 硝化和反硝化, 硝化速率和反硝化速率越靠近, SND效率越高。
2.2 碳源
有机碳源是微生物生长和繁殖所需能量关键起源, 同时也被认为是实现SND关键原因之一。有机碳源浓度过高, 异养菌活动旺盛, 会抑制硝化反应, 硝化不完全肯定会影响反硝化效果; 碳源不足, 造成反硝化过程受阻, 一样SND效果也不好。所以, 对于SND体系来说, 硝化与反硝化同时发生, 相互制约, 使得有机碳源在整个SND反应体系占有不可忽略地位。
在污水处理中COD/NH4+-N存在一个最适范围, 在该范围中氨氮降解能够达成一个较高水平。假如COD/NH4+-N过高, 有利于硝化菌同化作用而不利于氨氮去除, 进而影响脱氮效果; COD/NH4+-N过低, 有机物在絮体好氧区域被大量消耗, 不能满足反硝化对碳源需要。中国外学者相关碳源对SND影响进行了研究, 如Shinya Matsumoto等[9]采取膜生物反应器研究了C/N对SND影响, 在温度为23±0.5℃条件下, 当C/N由3.0提升到5.2, TN去除率高于70%;Y.C.Chiu等[10]研究了C/N对SBR工艺SND脱氮效果影响。在低C/N比下, 因为碳源不足造成了SND不平衡, 当初始COD/NH4+-N比为11.1时, SBR工艺实现了SND, NH4+-N和COD去除率靠近100%, 而且无NO2--N积累。中国相关有机碳源对SND影响也进行了研究。如周丹丹等[11]利用SBR反应器探讨了COD对同时硝化反硝化影响, 结果表明: TN去除率伴随COD/TN增加而增加, 当COD/TN为10.05时, TN去除率最高可达70.39%。张可方等[12]采取SBR工艺处理城市污水, 研究C/N对SND脱氮效率影响: C/N越高, 出水NO3--N浓度越低, SND效果越好。
2.3 污泥浓度(MLSS)
污泥浓度也是影响SND一个关键原因。假如污泥浓度过低, 曝气时絮体表面更新速率加紧, DO扩散阻力降低, 很轻易进入絮体内部, 絮体内缺氧区域百分比降低不利于反硝化, 进而影响SND效率; 污泥浓度过高, 假如DO不足就会造成硝化反应受阻, 甚至会出现菌类死亡。Pochana等[13]采取动态微生物絮体模型发觉絮体平均直径为382μm时, 可实现98.5%SND; 当平均直径减小到155μm时, 只能达成26.3%SND。高廷耀等[14]研究表明, 活性污泥浓度控制在5000mg/L左右, 溶解氧控制在0.5-1.0mg/L, 能够实现SND;李晓璐等[15]认为在一定污泥浓度范围内, 随污泥浓度降低（即污泥负荷量增强）, 反硝化反应越强, 污泥浓度为5200mg/L(即污泥负荷较重)时反应效果最好, TN去除率达成99.1%; 齐唯等[16]认为在一定C/N值下污泥浓度改变影响了氧传输, 进而影响了SND。当C/N值为5时, 确保了NH4+-N去除率, 但此时好氧反硝化条件较差, 出水残留较高浓度NOx--N, TN去除率只有49.4%; 当C/N值增加到10时, 污泥浓度增加, 氧传输受到限制, 大幅度提升了系统好氧反硝化效率, 出水残留NOx--N很低, 但相反使NH4+-N去除率降低; 当C/N值增加到15时, 污泥浓度继续增加, 氧传输深入受到限制, 但此时TN去除率基础保持不变, 出水NOx--N浓度依旧很低。
2.4 pH值
pH是影响SND又一个关键原因。不一样微生物所适应pH值范围各不相同, 硝化细菌是生物硝化过程主体, 硝化细菌活性和数量决定了硝化作用强弱, 最适宜pH值为8.0-8.4; 而对于反硝化细菌生长来说, 最适宜pH值为6.5-7.5, 硝化菌和反硝化菌对pH值改变十分敏感, 超出适宜范围后两种细菌活性会大大降低。可见, 对于SND体系, 必需寻求一个适宜pH值范围, 使硝化反应与反硝化反应均能高效进行, 进而得到理想TN去除率。Hong W Zhao等[17]认为, 因为在SND工艺硝化过程中消耗碱度和反硝化过程中产生碱度含有一定互补性, 最适pH值为7.5左右; 邹联沛等[18]经过MBR研究了pH值对SND影响, 经过pH实际测量值与计算值对比可知, MBR中实现SND最好pH值约为7.2; 方茜等[19]考察污泥龄及pH值对SBR反应器SND影响时发觉, 偏高或偏低pH值均会影响SND过程中硝化反应和反硝化反应, pH值在中性和略偏碱性范围内有利于反应器内SND发生; 杜馨[20]在SBR-SND脱氮技术研究中发觉, 适宜SND生物脱氮pH值在7.5-8.0之间, 系统在此范围内运行, 出水TN去除率均可达92%以上。
2.5 温度
温度在12-14℃或高于30℃时, 活性污泥中硝酸细菌活性会受到严重抑制, 出现NO2--N积累。在通常情况下, 当温度在15-30℃时, 硝化反应生成亚硝酸能够完全被氧化为硝酸, 而反硝化反应适宜温度为20-40℃, 综上可知, 亚硝酸菌与硝酸菌含有不一样最适生长温度。在不影响亚硝酸细菌活性基础上, 经过调整温度抑制硝酸菌实现SND是一个可行路径。Hungseok Yoo[21]研究表明, 亚硝酸型硝化在22-27℃, 或者不低于15℃情况下都能够实现SND; 荷兰Delft大学经过控制温度设计了SHARON工艺[22], 在30-35℃下, 该工艺经过控制HRT来淘汰硝酸菌, 使亚硝酸菌成为整个硝化过程中优势菌, 从而成功实现SND。张立秋等[23]研究了常温（25-27℃）下SBBR中怎样实现亚硝酸型SND, 考察了ρ(C)/ ρ(N)对SBBR系统SND影响, 采取SBBR法处理城市污水实现SND较为适合ρ(C)/ρ(N)为5-8, 亚硝酸盐积累率高于85%, TN去除率高于80%; 张可方等[24]研究得出, 当温度为21-35℃时, 序批式生物膜反应器中能有效实现亚硝酸型SND。
3 结束语
作为一个新兴污水生物脱氮理论,同时硝化反硝化处理了传统生物脱氮工艺中存在碳源供求矛盾和泥龄控制问题, 含有简化工艺步骤、 提升脱氮效率、 节省投资等优点, 必将成为未来污水处理生物脱氮关键方法之一。因为SND发生是一个复杂过程, 需要较为严格微生物生长所需外部环境条件, 影响其发生原因较多, 而现在大部分研究集中在采取SND方法处理模拟废水上, 并取得了大量有价值数据, 而对实际废水处理研究尚少, 可在以后研究中探索SND在实际污水中应用可行性, 得到SND处理实际污水最好工艺参数, 并经过动力学模型确定SND最好运行工艺条件, 完善活性污泥生物脱氮系统, 构建废水生物脱氮系统数字化模型, 依据数字化模型对整个反应系统进行优化设计, 从而提升活性污泥系统生物脱氮处理工艺效果。

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The Study on Nitrogen Removal Mechanism and Affecting Factors of Simultaneous Nitrification and Denitrification
JIA Yan-ping * , JIA Xin-qian, MA Jiao
(1.School of Chemical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 13, China）
Abstract: According to the latest research both at home and abroad,the nitrogen removal mechanism of simultaneous nitrification and denitrification is briefly introduced from three aspects including macroenvironment theory, microenvironment theory and microbiology theory.The paper also expounds the affecting factors of simultaneous nitrification and denitrification and gives the research direction of simultaneous nitrification and denitrification finally.
Keywords: Simultaneous nitrification and denitrification; Nitrogen removal mechanism; Affecting factors