短程硝化反硝化生物脱氮技术概述

短程硝化反硝化生物脱氮技术概述韩超男/新疆市政建筑设计研究院有限公司[摘要]首先阐述了传统硝化反硝化脱氮过程；其次重点介绍了短程硝化反硝化生物脱氮机理，过程实现的控制因素；最后提出了短程硝化反硝化脱氮的研究前景。[关键词]短程硝化反硝化；生物脱氮随着水体受到氮素污染越来越严重，废水脱氮日益受到人们的重视。其中生物脱氮技术将有机氮和氨氮通过硝化反硝化过程去除具有无可比拟的发展前景。其中传统的生物脱氮技术认为要完全去除水中的氨态氮就必须要经过完整的硝化与反硝化过程，即以硝酸盐作为硝化的终点和反硝化的起点，这主要是基于要防止对环境危害较大的亚硝酸盐的积累以及对好氧硝化菌和兼性厌氧反硝化菌不能在同一个反应器里同时大量存在的认识导致的。而现在的大量研究表明，好氧硝化菌和兼性厌氧反硝化菌是可以在同一个反应器里共同起作用的。因为在整体和每一单元填料表面所附着的生物膜上都存在基质和溶解氧的浓度梯度分布，这就为各种生态类型的微生物在生物膜内不同部位占据优势生态位提供了条件。由于短程硝化反硝化脱氮比传统的脱氮技术具有很多的优点，因此引起了国内外研究者的广泛关注，对影响短程硝化反硝化的因素以及实现和维持短程硝化反硝化的工艺控制进行了大量的研究。1传统硝化反硝化脱氮机理1.1硝化反应硝化反应是由一类自养耗氧微生物完成的，包括两个步骤：第一步为亚硝化过程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步为硝化过程，由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，都利用无机碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作为碳源，从NH3、NH4+或NO2-的氧化反应中获取能量。亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期较短，生长率较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝酸菌受到抑制时，有可能出现NO2-积累的情况。1.2反硝化反应反硝化反应是由一群异养性微生物完成的生物化学过程，它的主要过程是在缺氧的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原成气态氮。反硝化细菌多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3-作为电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物则作为碳源和电子供体提供能量，并得到氧化稳定。反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化时通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2-和NO3-还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是N2。而同化作用是反硝化菌将NO2-和NO3-还原成为NH3-N,供新细胞合成使用，使氮成为细胞质的成分，此过程可成为同化反硝化。反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体。当环境中缺乏有机物时，微生物还可以消耗自身的原生质，进行所谓的内源反硝化。反应式如下：C5H7O2N+4NO3-→5CO2+NH3+2N2+4OH-可见内源反硝化的结果是细胞原生质的减少，并会有NH3的生成，因此废水处理中均不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。2短程硝化反硝化脱氮传统的全程硝化反硝化，一直是国内外广泛采用的废水脱氮工艺，能有效地去除废水中的氮，并且若不经过完全硝化产生HNO2，有一定的好氧性和毒性，影响出水COD和受纳水体的溶解氧，对受纳水体和人是不安全的，应避免出现HNO2。另外，氨在自然生物氧化过程中，NH4+→NO2-可释放242.8~351.7kJ/moL的能量，亚硝酸盐从中获取5%~10%的能量。NH4-→NO3-可释放64.5~87.5kJ/moL的能量，硝酸菌从中可获取5%~10%的能量，是亚硝化菌有效利用能量的四分之一到五分之一，要达到相同的能量，硝酸菌氧化NO2-量必须达到亚硝酸菌氧化NH4+量的4~5倍，因而在稳定状态下不会有HNO2积累，氨会被氧化成硝酸。但NO3-的生成不仅延长了脱氮反应历程，还造成了能源和外加碳源的浪费。实际上，氨被氧化为硝酸盐是由两类独立的细菌(即亚硝酸菌和硝酸菌)催化完成的，它们的亲缘关系并不密切，生理特征存在着明显的差异；对于反硝化菌，无论NO2-还是NO3-都可以作为最终受氢体，因此，生物脱氮也可以经NH4+→NO2-→N2的途径完成，这就是短程硝化反硝化生物脱氮技术。2.1短程硝化反硝化机理短程硝化反硝化生物脱氮也可称为亚硝酸型生物脱氮，它是通过控制特殊的环境条件抑制硝酸菌的生长，使系统中的亚硝酸菌成为优势菌种，从而将废水中NH4+-N的氧化控制在NO2-阶段，形成NO2-的积累，阻止亚硝酸的进一步硝化，然后直接进行反硝化，形成NH4+→NO2-→N2的脱氮过程。其中反硝化菌直接以NO2--N为最终受氢体进行反硝化脱氮的过程。2.2短程硝化反硝化技术特点1)短程硝化反硝化由于节省了氧化NO2--N为NO3--N的步骤，所以提高了硝化反应速率，缩短硝化反应时间，减小反应池容积，节省基建投资。2)将NH4+-N的氧化控制在NO2--N阶段然后直接进行反硝化，可以节省25％的供氧量，40％左右的有机碳源，并且在硝化过程减少产泥24％～33％，反硝化过程中减少产泥50％。3)在短程硝化反硝化脱氮方式中，虽然在脱氮反应初期存在来自阻碍作用的NO2--N段停滞期，但NO2--N的还原速率仍然比NO3--N的还原速率大。4)全程硝化反应中的限制因子是亚硝化单胞菌属增长速度，其最适宜的pH值(7.8-8.8)与维持短程硝化方式所需要的pH值范围是一致的，因此，在短程硝化中它承受的极限污泥负荷范围要比全程硝化大。3短程硝化反硝化过程实现的控制因素如何控制不同作用的影响因素，可以影响硝化形式，从而实现亚硝酸盐积累。影响短程硝化的因素主要有温度、DO浓度、pH值、游离氨浓度(FA)、泥龄及有毒物质。3.1温度生物硝化反应在4℃～45℃内均可进行：在12℃～14℃下，活性污泥中硝酸菌活性受到严重抑制，出现HNO2积累；15℃～30℃下，硝化过程形成的NO2-可完全被氧化成NO3-；温度超过30℃后又出现NO2-的积累。3.2DO浓度亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2mg/L～0.4mg/L，硝酸菌为1.2mg/L～1.5mg/L，低DO下亚硝酸菌大量积累。3.3pH值亚硝酸菌的适宜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低于7，则整个硝化反应受抑制pH升高到8以上，则出水HNO2浓度升高。3.4游离氨游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制浓度分别0.1mg/L~1.0mg/L和10mg/L~150mg/L。当游离氨的浓度介于两者之间时，亚硝酸菌能够正常增殖和氧化，硝酸菌被抑制，发生亚硝酸的积累。3.5有毒物质有毒物质一般是指酚、氰及重金属离子等，主要存在于工业废水中，由于硝酸菌对环境较为敏感，废水中的毒性物质对亚硝酸盐氧化过程有明显的抑制作用。相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境的适应性慢，因而在接触有害物质的初期会受到抑制，出现亚硝酸积累。但是毒性物质由于对人体和环境的有害性，不适合投加到水中。3.6泥龄亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的世代周期短，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停留时间之间，系统中硝酸菌就会逐渐被冲洗掉，亚硝酸菌成为系统优势菌，从而形成亚硝酸型硝化。4短程硝化反硝化研究展望短程硝化反硝化脱氮技术与传统生物脱氮相比，工艺操作、反应器构造、运行费用等都具有很大的优越性。并且有降低能耗、节省碳源、污泥产量少等特点，且对于含氨较高和碳源不足的废水具有很大的应用价值。但同时也存在一定的问题。对影响亚硝酸积累的因素，理论解释还不充分，稳定的维持亚硝酸积累的途径有待于进一步认识与解决。该技术毕竟发展的实践尚短，很多的技术工艺还仅限于实验室阶段，真正在工程应用中的很少，难以大规模推广应用。随着研究的深入，以及人们对短程硝化反硝化的机理有一个比较清楚的认识之后，结合影响亚硝酸盐积累的因素综合考虑，若能发展一种能在常温下，适宜DO以及pH值条件下能稳定运行的短程硝化反硝化生物脱氮技术，将具有十分广阔的前景。