同步硝化反硝化SND
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同步硝化反硝化SND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(迪)。
一、同步硝化反硝化的优点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:1、能有效地保持反应器中pH稳定,减少或取消碱度的投加;2、减少传统反应器的容积,节省基建费用;3、对于仅由一个反应池组成的序批示反应器来讲,SND能够降低实现硝化一反硝化所需的时间;4、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。
二、同步硝化反硝化的机理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。
HyungseokYoo 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、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。
生活污水同步硝化反硝化脱氮研究一、本文概述随着城市化进程的加速和人口规模的不断扩大,生活污水的处理和脱氮问题日益凸显,成为环境保护领域的重要研究课题。
其中,同步硝化反硝化(SND)作为一种高效、节能的脱氮技术,受到了广泛关注。
本文旨在探讨生活污水同步硝化反硝化脱氮的研究现状、影响因素、技术优化以及实际应用前景,以期为生活污水的有效处理和氮素减排提供理论支持和实践指导。
本文将对同步硝化反硝化脱氮的基本原理进行介绍,阐述其在生活污水处理中的应用优势及限制因素。
通过综述国内外相关研究成果,分析影响同步硝化反硝化脱氮效果的关键因素,如微生物群落结构、环境条件、碳源种类等。
在此基础上,探讨如何通过技术优化和创新,提高同步硝化反硝化脱氮的效率和稳定性。
结合实际案例,分析同步硝化反硝化脱氮在生活污水处理中的实际应用效果,展望其未来的发展前景和研究方向。
通过本文的研究,旨在为生活污水的脱氮处理提供科学依据和技术支持,推动相关领域的技术进步和可持续发展。
二、同步硝化反硝化脱氮技术的研究进展随着环境保护意识的提高和污水处理技术的发展,同步硝化反硝化脱氮技术(SND)作为一种高效、节能的污水处理方法,受到了广泛关注。
近年来,关于SND技术的研究进展主要体现在反应机理、影响因素以及工艺优化等方面。
在反应机理方面,研究者们通过深入探究SND过程中微生物的群落结构、代谢途径以及电子传递链等关键要素,揭示了SND技术的生物学本质。
这些研究不仅为SND技术的应用提供了理论基础,也为后续的优化和改进提供了方向。
在影响因素方面,温度、pH值、溶解氧浓度、碳氮比等因素对SND过程的影响得到了广泛研究。
通过调控这些因素,可以有效地提高SND技术的脱氮效率。
例如,适当提高反应温度可以加速微生物的代谢活动,从而提高SND速率;而控制适当的溶解氧浓度则可以避免硝化和反硝化过程之间的竞争,实现两者的协同进行。
在工艺优化方面,研究者们通过改进反应器结构、优化曝气方式、引入外源碳源等手段,不断提高SND技术的处理效果和运行稳定性。
短程硝化反硝化与同步硝化反硝化短程硝化反硝化与同步硝化反硝化1. 简介短程硝化反硝化和同步硝化反硝化是两种常见的废水处理方法,它们在去除氨氮和硝酸盐方面具有独特的优势。
本文将详细介绍这两种技术的原理、应用领域,并对其效果和限制进行评估。
2. 短程硝化反硝化2.1 硝化反硝化原理短程硝化反硝化是一种将硝化和反硝化两个过程耦合起来,实现废水中氨氮的高效去除的技术。
在短程硝化反硝化过程中,废水中的氨氮首先经过硝化作用被氧化为硝态氮,然后立即发生反硝化作用将硝态氮还原为氮气排出。
2.2 应用领域短程硝化反硝化广泛应用于城市污水处理厂、工业废水处理厂等领域。
它在处理高浓度氨氮废水以及有限操作空间的情况下具有明显的优势。
由于其反应迅速、体积小、投资少的特点,使得短程硝化反硝化成为一种非常经济有效的废水处理方法。
2.3 效果和限制短程硝化反硝化的主要优势在于处理效果显著,能够快速去除废水中的氨氮,达到废水排放标准。
然而,由于该技术对废水中的氨氮浓度要求较高,处理低浓度氨氮废水时效果不明显。
短程硝化反硝化还对温度和pH值等环境因素较为敏感。
3. 同步硝化反硝化3.1 硝化反硝化原理同步硝化反硝化是指在同一处理单元中同时进行硝化和反硝化过程的一种废水处理技术。
该技术通过优化废水处理工艺,加强好氧和厌氧条件下微生物的协同作用,实现氨氮和硝态氮的同时去除。
3.2 应用领域同步硝化反硝化广泛应用于生活污水处理、工业废水处理以及农业废水处理等领域。
由于同步硝化反硝化能够同时去除氨氮和硝态氮,使得废水处理过程更加高效,减少了处理单元的占地面积,降低了处理成本,因而受到了广泛的关注和应用。
3.3 效果和限制同步硝化反硝化的主要优势在于处理效果稳定,同时可以实现氨氮和硝态氮的全面去除。
然而,该技术对微生物的选择性较高,因此在操作和维护时需要严格控制环境因素,以确保微生物的正常生长和活性。
同步硝化反硝化对废水中COD和其他有机物的降解效果较差,需要配合其他技术进行。
影响同步硝化反硝化的因素鲍艳卫,张雁秋中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州(221008)E-mail:ffbyw@摘要:同步硝化反硝化(Simultanous Nitrificati0n and Denitrification. 简称SND)是硝化和反硝化两个阶段在同一构筑物内同时实现的过程。
结合国内外的研究分析了同步硝化反硝化的影响因素,以实现同步硝化反硝化的途径,为今后SND的脱氮提供依据。
关键词:同步硝化反硝化;脱氮机理;影响因素随着城市化和工业化程度的不断提高以及化肥和农药的广泛使用,氮磷营养物质引起的水体富营养化问题日益突出。
大量的有机物和氮磷营养物进入江河湖海,使水环境污染和水体富营养化日益严重。
控制氮、磷的排入是防止水体富营养化的有效途径。
因此水环境污染和水体富营养化问题的日益突出迫使越来越多的国家和地区制定严格的氨氮和磷的排放标准,要达到这些排放标准,许多废水处理设施需要考虑脱氮除磷问题,脱氮是当今水污染控制领域研究的热点和难点之一。
近几年来,废水生物脱氮技术更是取得了突破性进展,通过对脱氮微生物的生物的深入研究,提出了一些新工艺,其中的同步硝化反硝化工艺成为当今研究的热点之一。
1. 同步硝化反硝化现象传统的生物脱氮是由两个阶段完成的,即好氧条件下的硝化阶段和厌氧条件下的反硝化反应。
这两种反应一般是作为两个独立的阶段分别在不同反应器中或者用时间和空间上的好氧和厌氧条件来运行。
对于生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的现象,在实际运行中发现好氧硝化池中常有30﹪的总氮损失[1],不少研究者进行了大量的实验研究,证明了同步硝化/反硝化现象(Simultaneous Nitrification and Denitrification,简称SND)[2-4],尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在与各种不同的生物处理系统,如氧化沟[5]、生物转盘[5,6]、SBR[7]等生物处理系统中,在有氧条件下均发生了反硝化反应。
同步硝化反硝化处理氨氮废水过程中气态脱氮产物的研究
同步硝化反硝化处理氨氮废水过程中气态脱氮产物的研究
采用密闭的间歇式反应器对高质量浓度氨氮废水在同步硝化反硝化(SND)生物脱氮过程中产生的3种氮氧化物气体(NO,NO2和N2O)进行跟踪测试.结果表明,在由反应器排出的气体中,ρ(NO2)不高于实验室背景值,在脱氮产物中可忽略不计,而ρ(NO)和ρ(N2O)要高于背景值10倍以上.对于该脱氮系统,在低ρ(DO)和高pH的条件下产生的N2O 相对较少.ρ(DO)为1.5~3.0 mg/L时,以NO和N2O形式脱除的氮分别占脱氮总量的0.58%和6.53%;ρ(DO) 为2.5~4.0 mg/L时,分别为0.48%和39.34%.此外,还分析了可实施的N2O控逸途径.
作者:汪苹王斌刘军 WANG Ping WANG Bin LIU Jun 作者单位:北京工商大学,化学与环境工程学院,北京,100037 刊名:环境科学研究ISTIC PKU英文刊名:RESEARCH OF ENVIRONMENTAL SCIENCES 年,卷(期):2005 18(5) 分类号:X511 X703.1 关键词:SND 脱氮 NO N2O NO2。
同步硝化反硝化生物脱氮技术摘要:本文论述了同步硝化反硝化(SND)工艺同传统的生物脱氮技术相比具有的优势,从生物学和物理学角度探讨其反应机理,综述影响同步硝化反硝化反应的如DO、碳源、温度、碱度、游离氨(FA)、pH、氧化还原电位(ORP)、水力停留时间(HRT)和污泥絮体结构等因素,最后介绍该工艺的研究现状以及存在的问题。
关键词:同步硝化反硝化;生物脱氮;反应机理;因素前言废水中的氮的去除方法有物化法和生化法两种,生化法被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法。
目前,废水的脱氮处理大多采用生化法。
废水生物脱氮技术经过几十年的发展,无论是在理论认识还是在工程实践方面,都取得了很大的进步。
传统的生物脱氮理论认为,氨氮的去除通过硝化和反硝化两个阶段完成,由于硝化菌和反硝化菌对环境条件的要求不同,这两个过程不能同时发生,而只能序列式进行,即硝化反应发生在好氧条件下,由自养菌以氧作为电子受体,把NH3和NH4+氧化成NO2-和NO3-;反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下,通过异养菌以NO2-和NO3-作为电子受体,将其还原成气态物质排出。
由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开,形成分级硝化反硝化工艺。
先后出现了后置反硝化、前置反硝化、A/O和A2/O 工艺以及各种改进工艺如UCT、JBH和AAA等,这些都是典型的传统的硝化反硝化工艺[1]。
然而,生物脱氮技术的新发展却突破了传统理论的认识。
近年来的许多研究表明,硝化反应不仅只由自养菌完成,某些异养菌也可以进行硝化作用[2];反硝化不只在厌氧条件下进行,在好氧情况下也有TN减少的现象,这种好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌,能把NH3−N直接氧化成含氮气态物,这种TN减少的现象并非真正意义上的反硝化[3.4];反硝化不一定需要碳源,一些自养菌也能进行反硝化反应[5]。
这些新的发现使硝化和反硝化反应在时间和空间上同时进行成为可能,由此产生了同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification,简称SND)生物脱氮技术。
用ORP 作为氧化沟同步硝化反硝化控制参数侯红勋1,陈伦强1,王淑莹1,Takashi Mino 2,Hiroyasu Satoh 2(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100022;2.Institute of Environmental Studies ,University of Tokyo ,Tokyo ,113-8656Japan )摘 要:同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification ,简称SND )是氧化沟工艺实现优良脱氮效果的主要原因,为了较好实现SND ,采用ORP 作为氧化沟工艺SND 的控制参数.采用缺氧2厌氧2氧化沟模型对市政污水进行了生物脱氮研究.U ORP 在-30~30mV ,NH +4和NO -3的含量均比较低,发生了较好的SND ;U ORP 在30mV 以上,出水的总无机氮(TIN )中95%以上为NO -3,该状况下硝化效果良好,U ORP 在-30mV 以下,硝化不充分,出水的TIN 中78%以上为NH +4;U ORP 在-30~30mV ,TN 的去除率在88%以上,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除的99%以上;氧化沟中的NH +4和NO -3之比的对数与U ORP 有着很好的相关性,相关系数R =-0197.关键词:污水处理;脱氮;氧化沟;同步硝化反硝化中图分类号:X 70311文献标识码:A 文章编号:0254-0037(2006)12-1093-04收稿日期:2005211228.基金项目:国家自然科学基金项目(50521140075);国家自然科学基金资助(20377003).作者简介:侯红勋(1977-),男,河南南阳人,博士生. 同步硝化反硝化为硝化和反硝化两种生物反应在同一反应器中进行的微生物反应现象.近年来有许多关于SND 的研究报道[1],Hyungseok [2]和Rikke [3]用SBR 反应器研究发现SND 的发生,Bertanza [4]研究了传统时曝气工艺中的SND ,K oji [5]研究了厌氧、缺氧、好氧工艺中的SND ,Xiaodi [6]则通过氧化沟工研究了SND ,多停留在SND 现象的观察分析,而对于SND 进行有效的控制方面研究较少.在实现SND 的环境中,DO 变化较快,且变化幅度大,可以作为辅助控制参数;连续流中p H 值相对稳定,且变化幅度小,受进水水质影响小,不能有效反映SND ;而在连续流中ORP 相对稳定,与水中的ρ(O 2)∶ρ(OH -),ρ(NO -3)∶ρ(NH +4)有较好的相关性,ORP 能很好的反映活性污泥絮体内部的微观好氧缺氧比例[8].本研究通过ORP 和DO 综合控制氧化沟中的曝气量,在DO 较低情况下,ORP 能够反映活性污泥宏观和微观生态环境,定性反映活性污泥中的ρ(O 2)∶ρ(OH -),ρ(NO -3)∶ρ(N H +4),从而通过ORP 来控制系统的SND.1 试验材料与方法111 试验装置图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of oxidation ditch system 试验装置由进水水箱、带前置缺氧、厌氧选择区的氧化沟反应器和二沉池组成,有效容积分别为200、280和95L ,试验装置示意图如图1所示.前置缺氧区、厌氧区和氧化沟的容积分别为7、21和252L ,水力停留时间(HR T )分别为015、115和18h.试验模型内平均流速约为1cm/s ,循环一次需时5~7min.在氧化沟前端的缺氧区实现前置反硝化,U ORP 在-100mV 以下,而在氧化沟内,通过严格第32卷第12期2006年12月北京工业大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.32No.12Dec.2006控制曝气量,使沟中硝化反应实现的同时进行反硝化反应.在氧化沟中没有严格缺氧段也能实现总氮损失.进水由储水箱经蠕动泵与回流污泥混合进入前置缺氧区,混合液经厌氧区流入氧化沟,缺氧区和厌氧区分别设搅拌器进行搅拌,氧化沟内设曝气装置和搅拌推流装置使活性污泥在氧化沟内循环流动,泥水经二沉池分离后上清液排出系统,大部分污泥回流入前置缺氧区,剩余污泥定期排放.在氧化沟的出水口处设置DO 、ORP 、p H 在线测定仪.112 活性污泥和试验用水该研究在北京市某大型氧化沟工艺污水处理厂进行,接种污泥来自该水厂的回流污泥,试验用水取自该水厂的曝气沉砂池.中试用水为城市市政污水.原水中ρCOD ,ρBOD ,ρ(N H +4),ρTN 和ρTP 分别为260~430、160~230、3515~5112、5514~6618和711~810mg/L.p H 为714~715,ρMLSS 为515~610g/L ,ρVSS为219~315g/L ,温度17~24℃.2 试验结果与讨论氧化沟工艺为传统的污水处理工艺,实现SND 生物脱氮更是得天独厚的.主要因为该工艺HR T 通常为14~30h ,较长的HR T 使氧化沟中底物浓度较低,需要相对较低的DO 浓度.通常氧化沟工艺平均DO 在015mg/L 以下,形成好氧-缺氧的DO 梯度,产生了一个很好的好氧-缺氧微环境,在絮体外缘进行了好氧硝化反应,同时在絮体深层进行缺氧反硝化反应.氧化沟中,曝气池HR T 为18h.污水在沟中快速循环,稳定状态下,在沟内2个曝气头之间的DO 梯度和ORP 梯度不明显.DO 在0106~115mg/L ,相对变化幅度较大;而稳定状态下U ORP 受曝气和水流流态影响较小,在氧化沟中相对比较稳定,通常在-50~50mV ,相对变化幅度较小(总体变化幅度为-400~400mV ),故采用U ORP 作为SND 的控制参数.图2 不同ORP 状态下的NH +4,NO -3和TIN 的变化Fig.2 Variations of NH +4,NO -3and TIN in the effluent during different ORP conditions 曝气量对试验结果的影响较大,试验过程采用转子流量计对曝气量进行微调,使ORP 稳定在较小范围内.经过连续3个月试验,缓慢调节曝气量,连续检测氧化沟出水的N H +4,NO -3,NO -2等指标,通过在线ORP 仪、DO 仪和p H 仪反馈信息对曝气量进行微调.检测出水中的N H +4,NO -3(本研究中ρ(NO -2)很低,在110mg/L 以下).TIN (N H +4、NO -2和NO -3之和)与ORP 的变化关系图如图2所示.由图2可知,U ORP 在30mV 以上时,氧化沟内曝气量充分,硝化比较充分,出水中的总无机氮中95%以上为NO -3.U ORP 在-30mV 以下时,氧化沟曝气量不足,硝化不充分,出水中的TIN 中78%以上为N H +4.U ORP 在-30~30mV 区域内,SND 在该状态下能顺利进行,出水N H +4和NO -3均较低.该状态是一个过渡状态,相对难以控制.若曝气量或者进水负荷在一定时间有较大变化,该状态就会向2种状态转化.氧化沟工艺HR T 较长,抗冲击负荷能力较强,这一状态能够被稳定控制.本研究工艺生物脱氮的反硝化分2部分,一个是在前置缺氧区(选择区)的反硝化过程,另一个是在氧化沟内宏观的缺氧区反硝化和微观缺氧反硝化过程,前者为常规的反硝化,后者为SND.在曝气充分的情况下,氧化沟出水含有部分NO -3,部分NO -3随回流污泥回到前置缺氧区通过类似于A/O 工艺的缺氧反硝化被还原为氮气去除;在曝气不充足的状态下,氧化沟中产生的NO -3大部分在曝气池产生的过程中即被还原,沟中NO -3保持在较低的水平下,此时系统的反硝化大部分发生在氧化沟曝气池中.图3为不同ORP 状态下SND 对于全部反硝化的贡献所占的比例以及总氮的去除率.4901北 京 工 业 大 学 学 报2006年U ORP 在-30~30mV ,TN 的去除率在88%以上,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除的99%以上.SND 作用对TN 去除的百分比在80%以上,SND 对TN 去除平均占系统TN 去除作用的90%.回流至前置缺氧区的NO -3含量较低;曝气量加大,ORP 升高,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除份额减少,一部分NO -3回流至前置缺氧段反硝化,部分NO -3排入水体;曝气量较小时,ORP 较低,系统反硝化充分,N H +4不完全硝化,出水有N H +4超标风险.U ORP 在-80~100mV ,O 2/OH -保持相对稳定,对ORP 的影响不大,ORP 主要受N H +4和NO -3的影响.试验期间,氧化沟末端的DO 在011~015mg/L ,p H 值为714~718.氧化沟的HR T 较长,对各种物质都有较强的缓冲能力,加上严格控制曝气量,使SND 在一个较为稳定的状态,这种状态下,DO 变化幅度不大,且浓度比较低,出水口处距离曝气点相对较远,所以出水口处的DO 更能够保持在比较稳定的状态下,同时连续流过程中,出口处的p H 值也维持在较窄的变化范围内,保持相对稳定,O 2/OH -对系统ORP 的影响不大.氧化沟中的N H +4和NO -3之比的对数与U ORP 有着很好的相关性lg (ρ(N H +4)/ρ(NO -3))=-01030×U ORP -01017(1)式中相关系数R =-0.97,lg (ρ(N H +4)/ρ(NO -3))与ORP 的相关关系如图4所示.图3 TN 的去除率和SND 对TN 去除的百分比Fig.3 Rste of TN removal and the percent of SND toTN 图4 lg (ρ(NH +4)/ρ(NO -3))与ORP 的关系Fig.4 Rclation between lg (ρ(NH +4)/ρ(NO -3))and ORPU ORP 与lg (ρ(N H +4)/ρ(NO -3))有着较好的相关性,说明U ORP 可以很好指示SND 的进行状况.实际运行中,将ORP 和DO 仪结合使用,同时参考运行过程中N H +4和NO -3的变化情况,来指导实际水厂运行.3 结论本研究用ORP 作为氧化沟工艺SND 的控制参数对该工艺SND 进行了探讨.1)U ORP 在30mV 以上,出水中的TIN 中95%以上为NO -3,该状况下硝化效果良好;U ORP 在-30mV 以下,硝化不充分,出水中的TIN 中78%以上为N H +4,U ORP 越低,硝化越不充分;U ORP 在-30~30mV ,N H +4和NO -3的含量均比较低,此时发生了较好的SND ;2)通过对不同U ORP 状态下SND 对于全部反硝化的贡献所占的比例以及总氮的去除率进行研究发现,U ORP 在-30~30mV 时,TN 的去除率在88%以上,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除的99%以上.SND 作用对TN 去除的百分比在80%以上;3)U ORP 在-70~80mV ,O 2/OH -保持相对稳定,对U ORP 的影响不大,ORP 主要受N H +4和NO -3的影响.氧化沟中的N H +4和NO -3的对数与U ORP 有着很好的相关性,相关系数R =-0197.参考文献:[1]HOLMAN J B ,WAREHAM D G.COD ,ammonia and dissolved oxygen time profiles in the simultaneous nitrification/deni 2trifacation process[J ].Biochemical Engineering Journal 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used as a control2 ling parameter.This paper finds that:1)U ORP can indicate SND,if U ORP is between-30mV to30mV, SND progress favorably,but if U ORP is more than30mV,nitrification can be produced enough,denitrifica2 tion is low,if U ORP is lower than-30mV,the result is the reverse to U ORP more than30mV.2)If the U ORP is between-30mV to30mV,the rate of total inorganic nitrogen is more than88%,the NO-3being removed is about99%of the total NO-3being removed.3)The logarithm of the ratio of N H+4-N to NO-3is a linear correlation,R is-0197.K ey w ords:wastewater treatment;nitrogen removal;oxidation ditch;simultaneous nitrification and denitrifi2 cation。
同步硝化反硝化研究进展摘要:同步硝化反硝化工艺同传统的生物脱氮工艺相比,可以节省碳源,减少曝气量,减少设备运行费用等优点,具有很大的研究应用前途。
本文结合国内外研究,介绍其主要机理,分析同步硝化反硝化实现条件和影响因素,并且提出了研究展望。
关键词:同步硝化反硝化;微环境;生物脱氮;好氧反硝化Study Progress on Simultaneous Nitrificationand DenitrificationAbstract:Simultaneous nitrification and denitrification (SND) has some obvious merits in comparison with traditional method for nitrogen removal. This method could reduce energy consumption and construction cost. The paer made a summary on current domesticand foreign study status of simultaneous nitrification and denitrification (SND) in waste water treatment, and made a theoretical explanation for the phenomenom of nitrification and denitrification.The author alsosummarized the practice and influencing facts of SND process and put forward some suggestions for futher study of SND.Key words: Simultaneous nitrification and denitrification;Microbiology;Biological nitrogen removal;Aerobic denitrification前言:根据传统生物脱氮理论,脱氮途径一般包括硝化和反硝化2个过程,硝化过程是氨通过亚硝酸盐向硝酸盐的自养型转换,主要是由化能无机营养菌—硝化细菌完成的,反硝化过呈程则被认为是在严格的厌氧条件下完成的。
同步硝化反硝化SND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)。
一、同步硝化反硝化的优点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:1、能有效地保持反应器中pH稳定,减少或取消碱度的投加;2、减少传统反应器的容积,节省基建费用;3、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;4、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。
二、同步硝化反硝化的机理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、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)。
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。
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了证实。
三、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。
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。
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、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。
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8.0~8.4,而反硝化菌最适pH为6.5~8.0.5、温度同步硝化反硝化温度在10~20℃时最适。
硝化菌在20~25℃时性能减退,亚硝化反之。
25℃时亚硝化性能最高。
25℃后,亚硝酸菌受游离氨的抑制明显。
四、同步硝化反硝化主流工艺——MBBRMBBR是结合悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的高效新型反应器,基本设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的活性载体,悬浮填料能与污水频繁多次接触,逐渐在填料表面生长出生物膜( 挂膜) ,强化了污染物、溶解氧和生物膜的传质效果,即而 MBBR 被称为“移动的生物膜”。
基于迄今SND机理研究,综合微环境和生物学理论,MBBR生物膜内SND可能存在的反应模式是,分布于生物膜好氧层的好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧反硝化细菌与分布于生物缺氧层的厌氧氨氧化菌、自养型亚硝酸细菌和反硝化细菌相互协作,最终达到脱氮目的。
MBBR是依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态,进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜,充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性,不仅提供了宏观和微观的好氧和厌氧环境,还解决了自养硝化菌、异养反硝化菌与异养细菌的DO之争和碳源之争。
故MBBR可实现硝化和反硝化两个过程的动力学平衡,具有同步硝化反硝化非常良好的条件,能实现MBBR同步硝化反硝化脱氮。
MBBR同步硝化反硝化控制因素实现 MBBR 同步硝化反硝化的关键技术是控制 MBBR 内硝化和反硝化的反应动力学平衡,解决自养硝化菌和异养细菌的DO之争及反硝化菌和异养细菌的碳源之争等,故实现其主要控制因素有:碳氮比、溶解氧浓度、温度和酸碱度等。
1、填料MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。
通常填料由聚乙烯塑料制成,每一个载体的外形为直径10mm、高8mm 的小圆柱体,圆柱体中有十字支撑,外壁有突出的竖条状鳍翅,填料中空部分占整个体积的0.95,即在一个充满水和填料的容器中,每一个填料中水占的体积为95%。
考虑到填料旋转以及总容器容积,填料的填充比被定义为载体所占空问的比例,为了达到最好的混合效果,填料的填充比最大为0.7。
理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的,一般为700m2/m3。
当生物膜在载体内部生长时,实际有效利用的比表面积约为500m2/m3。
此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长,形成较稳定的生物膜,并且容易形成流化状态。
当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时,例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时,采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料,当已有较好的预处理或用于硝化时,采用比表面积大的生物填料。
2、溶解氧(DO)DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素,通过对DO浓度的控制,可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区,这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。
从理论上讲,当DO质量浓度过于高时,DO能穿透到生物膜内部,使其内部难以形成缺氧区,大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐,使得出水TN仍然很高;反之,如果DO浓度很低,就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区,生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低),但由于DO供应不足,MBBR工艺硝化效果下降,使得出水氨氮浓度上升,从而导致出水TN上升,影响最终的处理效果。
通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值:当DO质量浓度在2mg/L以上时,DO对MBBR硝化效果的影响不大,氨氮的去除率可达97%-99%,出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下;DO质量浓度在1.0mg/L左右时,氨氮的去除率在84%左右,出水氨氮浓度有明显上升。
另外,曝气池内DO也不宜过高,溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快,从而使微生物缺乏营养,活性污泥易于老化,结构松散。
此外,DO过高,过量耗能,在经济上也是不适宜的。
因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理,所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。
有研究表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。
在曝气的作用下,水随填料一起流化,水流紊动程度较无填料时大,加速了气液界面的更新和氧的转移,使氧的转移速率提高。
随着填料数量的增多,填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。
但加入填料量为60%时,填料在水中的流化效果变差,水体紊动程度也降低,使得氧的传递速率下降,氧的利用率降低。
所以针对不同类型的水质,控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。
3、水力停留时间(HRT)合适的水力停留时间(HRT)是确保净化效果和工程投资经济性的重要控制因素。
水力停留时间的长短将直接影响到水中有机物与生物膜的接触时间,进而影响微生物对有机物的吸附和降解效率,所以针对不同的污水类型找出经济而合理的HRT是非常关键的问题之一。
另外还有试验结果表明:在中低氨氮负荷条件下,随HRT的减少,氨氮填料表面负荷逐步升高,同时去除率维持原有水平或有一定增长;当氨氮负荷升至高水平后,随着HRT的减少,氨氮去除率逐步降低。
这些针对HRT的实验研究结果为今后MBBR法的推广应用奠定了基础,但同时也有许多需要改进之处,比如试验只是单纯的考虑HRT本身的影响,没有把其他因素与HRT的关系有机的结合起来,在研究中将HRT和其他因素有机的结合起来进行探讨,不仅找到实验最重要的影响因素,同时实验过程中各因素之间的相互影响、相互制约关系也得到了很好地体现。
所以针对影响因素的研究我们需要更全面更综合的考虑。
4、水温在影响微生物生理活动的各项因素中,温度的作用非常重要。
温度适宜,能够促进、强化微生物的生理活动;温度不适宜,能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。
温度不适宜还能够导致微生物形态和生理特性的改变,甚至可能使微生物死亡。
而微生物的最适温度是指在这一温度条件下,微生物的生理活动强劲、旺盛,表现在增殖方面则是裂殖速度快、世代时间短。
MBBR法主要是通过生物膜中各种类型微生物的新陈代谢来达到对污水中有机污染物的降解,所以生物膜生长的好坏将直接关系到废水处理的最终结果,尤其对于硝化菌、反硝化菌而言,它们的生长周期长,且对环境的变化非常敏感,硝化菌的适宜温度是20℃-30℃,反硝化菌的适宜温度是20℃-40℃,温度低于15℃时,这两类细菌的活性均降低,5~C是完全停止,所以温度的变化将直接影响这类细菌的生长。
相关实验结果表明,氨氮填料表面负荷的变化基本与水温的变化趋势一致。
水温低时填料表面负荷低,水温高时填料表面负荷约达到水温低时的15倍。
由此可见,硝化细菌受温度影响大,低温条件下活性较弱。
5、pH值微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关,只有在适宜的酸碱度条件下,微生物才能进行正常的生理活动。
pH值过大的偏离适宜数值,微生物的酶系统的催化功能就会减弱,甚至消失。
不同种属的微生物生理活动适应的pH值,都有一定的范围,在这一范围内,还可分为最低pH值、最适pH值和最高pH值。
在最低或最高的pH环境中,微生物虽然能够成活,但生理活动微弱,易于死亡,增殖速率大为降低。
参与污水生物处理的微生物,一般最佳的pH值范围,介于6.5-8.5之间。
MBBR法作为生物膜法与活性污泥法相结合的工艺,同样依赖于微生物的生长以达到有机物降解的目的。