短程与同步硝化反硝化

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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no2-n的亚硝化过程;第二步是由硝化菌将no2-n氧化为氧化为no3-n 的过程；然后通过反硝化作用将产生的 NO3N 经由 NO2-N 转化为 N2，NO2-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 NO2-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+ no2- NO3- no2- n2硝化阶段反硝化阶段传统生物脱氮途径nh4+ no2- n2硝化阶段反硝化阶段短程硝化-反

2、硝化生物脱氮途径 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 no2- no3-和no3-一 no2-两步反应，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%。

3、短程硝化反硝化反应过程在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

4、是氨离子和亚硝酸，这有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，从而淘汰硝酸菌

5、，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 气系统中也曾多次观察到氮的消失。在

6、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术的可能性。2、同步硝化/反硝

7、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已被普遍接受的一种机理,被认为是同步硝化 /反硝 化

8、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。2.3 生物学解释 传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成，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

9、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。3.4、pH 值同步硝化反硝化值在7.5左右时最合适。硝化菌最适pH为8.08.4，而反硝化菌最适 pH 为 6.58.0.3.5 温度同步硝化反硝化温度在1020C时最适。硝化菌在2025C时性能减退，亚 硝化反之。25C时亚硝化性能最高。25C后，亚硝酸菌受游离氨的抑制明显。