短程硝化反硝化生物脱氮技术的探讨
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76 广东化工
Ⅵ .gdchem.com 2010年第6期
第37卷总第206期
短程硝化反硝化生物脱氮技术的探讨
曾小钦
(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063)
【摘要】短程硝化反硝化技术是将硝化反应控制在 硝酸盐阶段,不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化,直接进行反硝化反应。文章阐述了短程
硝化反硝化的形成机理,理论研究进展,系统介绍了短程硝化反硝化影响阻索与控制分析,并探讨了短程硝化反{i}j化生物脱氮技术需深入研究
的要点 【关键词】短程硝化反硝化;亚硝酸积累;生物脱氮 中图分奘号]X [文献标识码】A f文章编号】1007—1865(2010)06-0076-02
Shortcut Nitrification-denitrification in Biological Denitr0genati0n Technology
Zeng Xiaoqin (China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)
Abstract:Shortcut nitrification—denitrification technology means to control nitrification within the stage of nitrite nitrification,without the conversin of nitrite
into nitrate,which wais denitriflcation directly.The paper expatiated on the formation of shortcut nitrifiation—Denitri-fication mechanism and the progress of
theoretical research.It also described the influencing factors and control analysis of shoreut nitrification-denitrification.Finally,it discussed some points of shortcut
nitrification—denitrification technology,which needs in—depth study Keywords:shortcut nitrification—denitrifieation;accumulation ofNO2。;biological denitrogenation
随着中国经济的快速发展,水资源的供需矛盾日趋激化。
现有的污水处理厂对水体富营养化的主要营养盐一氮的去除率 较低,从而导致水体富营养化现象加剧。因此,研究和开发高
效、经济的生物脱氮工艺技术已成为当前热点。在污水的脱氮 处理工艺中,生物法因其工艺简单、处理能力强、运行方式灵
活,近年来已成为城市污水脱氮处理的重要方法,得到广泛应
用。 通常,有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨
(氨化作用),氨在有氧的条件下,经亚硝化微生物的作用转化
为亚硝酸或亚硝酸盐,然后再经硝化微生物的作用转化为硝酸
或者硝酸盐,这就是硝化作用;而反硝化作用是在厌氧的条件
下,反硝化细菌将硝酸盐还原成为HNO2、HNO、NHa 、N2
等物质的作用。短程硝化反硝化技术则是将硝化反应控制在亚 硝酸盐阶段,不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化,就转入反硝化
反应。因此,它可以缩短曝气时间,节省运行费用。短程硝化
反硝化在经济上和技术上均具有较高的可行性。
1短程硝化反硝化的机理
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++302—2N02+4H +2H20
微生物:氨氧化菌Ammonia oxidizer(Nitrosomonas、
Nitrosospira、Nitrosococcu等)
硝酸化:2NO2一+02__+2N03一
微生物:亚硝酸氧化菌Nitrite oxidizer(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约 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,随后直接实现反硝化,整个氮的
变化过程为:NH4 一}IN02一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,从而影响除磷效果。
2短程硝化反硝化理论研究进展
2.1选择抑制理论
早在1 975年,Voet等 就发现NO2-在硝化过程积累的现
象,并首先提出了短程硝化一反硝化的概念,随后Sauter和 Sutherson等先后进行了一些相应的试验 J。】984普度大学的
Alleman根据Anthonisen的间歇试验结果提出了选择抑制理 论l4 j,其核心是根据硝化菌对游离氨的敏感度不同(硝酸菌的
抑制浓度为0.1~1.0 mg/L;亚硝酸菌的抑制浓度10~150 mg/L)
来控制混合菌群对游离氨的接触浓度,使其高于硝酸菌的抑制
浓度,而低于亚硝酸菌的抑制浓度,其中硝酸菌被抑制,而亚
硝酸菌则能正常增殖和氧化,从而获得NO2-的积累。为了证明
选择制,Joanna等L6 在试验中通过控制反应器的pH为8,使混 合液中游离氨浓度保持在1.0~6.0 mgNH3/L,同时在游离亚硝
酸浓度不超过0.04 mgHNO2/L的条件下,实现了短程硝化,并
且积累了300 mgNO2一N/L以上的亚硝酸盐氮,硝化速率大约
为0.06 gN/(gMLss・d)。因此,较高的进水氨氮浓度和pH是造成
游离氨存在的主要原因,其中pH是引起硝酸菌活性抑制的决
定因素。Fzd—Polanco等 应用上向流生物曝气滤池研究了亚硝
酸盐积累现象,尤其是在没有游离氨抑制条件下,开展了温度、
pH和氨氮浓度等因素对亚硝酸盐积累影响的研究。试验结果
表明游离氨抑制效果极大地依赖于反应体系内的pH、温度和 氨氮浓度。在相同的比游离氨浓度下,不同的温度、pH和氨
氮浓度产生不同的亚硝酸盐积累量。当不存在游离氨的抑制且
pH和温度较低时,高氨浓度对亚硝酸菌的活性有促进作用,
使得系统内产生亚硝酸盐积累。
大量试验结果表明,控制反应器内的游离氨浓度在一定的
范围(高于硝酸菌的抑制浓度,低于亚硝酸菌的抑制浓度),可
获得亚硝酸积累;硝酸菌对高游离氨浓度具有不可逆转的适应 性造成了亚硝酸积累的不稳定性。游离氨浓度与反应体系内的
pH、温度和氨氮浓度有关,其中pH的变化对游离氨浓度的影 响最为显著。因此,在考虑采用游离氨抑制来实现短程硝化时,
应注意使反应器内的pH保持在较高的水平;在工艺运行时,
应注意硝酸菌对高游离氨的适应性,采取换泥或其它措施来维
持亚硝酸稳定地积累。 2.2 Sharon工艺
90年代后,欧洲更加严格要求氮的排放标准,特别是许多 研究者建议对城市污水二级处理系统中污泥消化的上清液单
独进行处理。该废水具有高氨氮和低碳源的特点,因此短程硝 化一反硝化的研究再次进入高潮,其中最具代表性的是法国应
用科学研究所的Capdivil和荷兰拉德尔夫特大学的Loodritch 等 J在欧共体环境科学技术的支持下分别对NO2在活性污泥、
固定床和三相流化床的积累途径和可行性进行了研究,特别是
Mulderll ̄l发明的SharonI艺使硝化系统中NO2 的积累接近
1 00%,并且已经应用于荷 ̄Rotterdam和Utrech两座城市污水
二级处理厂的消化液单独生物脱氮处理,Sharont/l工艺的核心
是在高温下(30 ̄35℃)亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌
(收稿日期]2010—03—15 [作者简介]曾小钦(1978一),男,江西吉水人,研究生,助工,主要从事污水处理及综合利用的研究。
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的最小停留时间,利用这一固有特性,控制系统的污泥泥龄介
于亚硝酸菌和硝酸菌最小停留时间之间,则硝酸菌自然被淘
汰。从而维持稳定的亚硝酸积累,证明了短程硝化反硝化的可 能性。实际上,Fdz—PolancolTi和capdivil Ls J都曾经研究过温度对
亚硝酸积累的影响,发现温度的升高有利于NO2-的积累,只是
一般认为升温对实际工程并无意义。Mulder ̄U是利用消化池上
清液本身温度较高的特性而获得试验的成功,但是Sharon3 ̄艺 中的NH4 N出水并不能达到完全氧化(丰要是污泥龄太小),故
在冬季上清液仍需加热升温。 2.3溶解氧控制理论
溶解氧是影响硝化过程的重要因素之一,不少研究者对
此影响进行了研究,包括混合菌群(活性污泥、生物膜)和纯
种菌群,但其出发点大多是考察溶解氧对整个硝化进程的影
响,以及如何提高硝化效率。比利时Geni微生物生态实验室
研究开发的OLANDI艺的技术关键就是控制溶解氧浓度, 使硝化过程仅进行到氨氧化为亚硝酸盐阶段lJl J。研究表明,
OLAND ̄T.艺就是利用了硝酸茵和亚硝酸菌动力学特性上的
差异,实现了淘汰硝酸菌,使亚硝酸 大量积累。Hanaki【1 2]
利用恒化器对低浓度溶解氧(0.5 mg/L)下亚硝酸菌和硝酸茵
的相互作用关系进行研究,发现出水NO2-大量积累,并认为 低溶解氧抑制了硝化进程(抑制了硝酸菌)。Lannbroek等 31
研究纯种的nitrosomonas和nitrobacter混合菌群(两者都是污
水处理中硝化污泥中最常见的属)在低浓度溶解氧在低溶解
氧下的增殖及氧化规律。发现NO2-大量积累,其原因主要是 nitrosomonas对溶解氧的亲和力优于nitrobacter。但由于低浓
度溶解氧下,活性污泥易解体,因此这一研究结果并未引起
重视。Gatrido等在研究空气提升三相生物流化床的硝化特性
时,发现当溶解氧浓度在1~2 mg/L时,出水的NO2-比率高达
50%,且相当稳定,但Garrido等主要是研究高效反应器,对 如何提高出水的NO2-比率并未进行深入研究。Ruiz等lJ 以人
工配制高氨氮废水作为处理对象进行了溶解氧浓度对短程
硝化的影响试验。
3短程硝化反硝化影响因素及控制分析
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
那些能对硝酸茵和亚硝酸菌产生不同影响的因素,便可以控
制硝化形式,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、pH、DO、游离氨和污泥停留时间以及一些
有毒物质。 3.1温度
生物硝化反应在4~45 oC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,活性污泥中硝酸
菌活性受到严重抑制,出现HNO2积累;在15~30℃时,硝化
过程形成的NO2-完全被氧化成NO3一;当温度超过30℃后又出