短程硝化反硝化生物脱氮吴春容

广东化工2009年第9期·134·期短程硝化反硝化生物脱氮吴春容(深圳市新环机械工程设备有限公司，广东深圳518033)[摘要]对传统的完全硝化反硝化脱氮工艺和短程硝化反硝化的脱氮工艺进行了比较，分析了短程硝化反硝化脱氮工艺的优缺点以及要实现短程硝化反硝化所需要的条件，并介绍了一些国内外研究学者在这方面的研究进展，探讨实现短程硝化反硝化的工艺参数控制以及在实际工程应用中的价值。[关键词]短程硝化反硝化；生物脱氮；工艺参数控制；生产应用[中图分类号]X5[文章标识码]A[文章编号]1007-1865(2009)09-0134-02BiologicalNitrogenRemovalbyShortRangeNitrationandDenitrificationWuChunrong(ShenZhenNew-environmentalMechanicalEngineering&EquipmentCo.,Ltd.,Shenzhen518033,China)Abstract:comparisonbetweenthetraditionalcompletelyprocessofnitrationanddenitrificationwithshortrangenitrationanddenitrificationwasmadeinthepaper.Theadvantageanddisadvantageofshortrangenitrationanddenitrificationanditsimplementationconditionswereanalyzed.Theresearchprogressinnitrationanddenitrificationwasalsointroducedbyresearchesinhomeandabroad.Theprocessparameterscontrolofshortrangenitrationanddenitrificationanditspricewerediscussed.Keywords:shortrangenitrationanddenitrification；biologicaldenitrification；processparameterscontrol；productionapplication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，其中生物脱氮技术由于其无可比拟的优势获得了长足的发展。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[1]。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参数进行了大量的研究。1短程硝化反硝化脱氮的技术优势所谓短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在NO-2阶段，阻止NO-2进一步氧化为NO-3，直接以NO-2作为电子最终受氢体进行反硝化，因此整个生物脱氮过程可以通过NH+4—NO-2—N2完成。由于短程硝化反硝化比全程硝化减少了NO-2—NO-3和NO-3—NO-2，这使短程硝化反硝化具有以下优点：(1)在硝化阶段减少了NO-2—NO-3的过程，耗氧量至少能降低25%，减少了能耗。(2)在反硝化阶段减少了NO-3—NO-2的过程，有机碳源的用量一般能减少40%，在C/N一定的情况下还能提高TN的去除率，降低了运行费用。(3)简化了反应过程，使反应时间缩短，提高了脱氮效率，同时还可减少反应器容积，降低投资运行费用。(4)硝化与反硝化在同一容器中进行，硝化产生的酸度与反硝化产生的碱度相互抵消，可以节约大量涌来调节pH的酸和碱。(5)减少污泥生成量50%左右，降低了后续处理的费用。2影响短程硝化反硝化的因素2.1温度温度对生物反应影响很大，升高温度，一方面可以加快酶促反应，另一方面也可加快酶变性失活。生物硝化反应在4～45℃内均可进行，亚硝酸菌和硝酸菌生长的最适宜温度各不相同。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NO-2可完全被氧化成NO-３；温度超过30℃后又出现NO-2的积累。Hellinga等认为，在常温(5~20℃)下，由于亚硝酸菌的生长速率小于硝酸菌，前者产生的亚硝酸盐很容易被后者继续氧化成硝酸盐，因此在这个温度范围运作的传统工艺生物脱氮，只能进行全程硝化-反硝化反应[2]。考虑温度升高所需能耗以及高温下影响反应速率，认为操作温度以30~35℃为宜。2.2DO浓度亚硝酸菌与硝酸菌都是绝对好氧菌，在溶解氧充足的条件下，亚硝酸菌与硝酸菌硝化速率相匹配，两类菌群基本平衡。Hanaki研究表明，在低溶解氧下，亚硝酸菌和硝酸菌增殖速率均下降[3]。Laanbroek等进一步研究发现，低DO下亚硝酸菌大量积累是由于亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸菌强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4mg/L，硝酸菌为1.2~1.5mg/L。低DO下，亚硝酸菌和硝酸菌增殖速率均有不同程度下降，当DO为0.5mg/L时，亚硝酸菌增殖速率为正常的60%，而硝酸菌不超过正常的30%[4]。利用这两类菌动力学特性的差异可以达到淘汰硝酸菌的目的。2.3pHpH对亚硝化反应的影响有两个方面：一方面是亚硝化菌生长要求合适的pH环境；另一方面是pH对游离氨浓度有重大影响，从而影响亚硝酸菌的活性。一般来说，两类菌适宜生长的pH范围不同，亚硝酸菌的适宜pH在7.0~8.5，而硝酸菌的适宜pH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。试验表明，pH大于8.3时，亚硝酸菌活性较高，亚硝酸盐产生速率较快，最大值出现在pH为8.0附近。pH在7.4~8.3时，亚硝酸盐占产物的比例高于90%[5]。因此，利用两者最适宜pH的不同，控制混合液中的pH就能控制硝化类型及硝化产物。2.4游离氨(FA)游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制浓度分别0.1~1.0mg/L[收稿日期]2009-07-15[作者简介]吴春容(1979-)，女，湖北人，本科，技术员，主要从事污水处理工艺设计工作。2009年第9期广东化工第36卷总第197期·135·和10~150mg/L。徐冬梅等发现0.6mg/L的FA几乎可以抑制硝酸菌的活性，从而使HNO2氧化受阻，出现HNO2积累只有当FA达到了5mg/L以上时才会对亚硝酸菌活性产生影响，当达到了40mg/L才会严重抑制亚硝酸的形成[6]。另外，氨氮负荷过高时，在系统运行初期有利于繁殖较快的亚硝酸菌增长，使亚硝酸产生量大于氧化量出现积累#进水负荷过大所造成的HNO2积累也与水中总氨氮中FA浓度增加有关，冲击负荷也会造成HNO2积累。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，就会发生亚硝酸的积累。2.5污泥龄由于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(HRT)，使污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。Pollic等在考察充氧方式对序批式反应器硝化性能的影响时发现，随着泥龄的缩短(由84d缩短到3d)，反应器内的污泥(以VSS计)质量浓度逐渐降低(由0.72g/L降到0.10g/L)，污泥氨的负荷(由0.55g/g提高到5.0g/g)和污泥氨氧化活性[3.2mg/(gh)提高到37.9mg/(gh)]逐渐升高[7]。VanKempen等根据Sharon工艺生产性应用的经验,推荐将污泥控制在1~2.5d[8]。2.6有毒物质硝化菌对环境比较敏感，相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境适应性慢，因而在接触有害物质的初期会受抑制，出现亚硝酸积累。对硝化反应产生抑制作用的物质有：重金属、高浓度的NH+4-N、高浓度的NOX-N、有机底物及络合阳离子等。3控制工艺条件实现短程硝化反硝化3.1控制温度实现短程硝化反硝化目前通过控制温度实现短程硝化反硝化的例子是荷兰Delft技术大学开发的SHARON(SinglereactionforHighactivityAmmoniaRemovaloverNitrite)工艺[9]，用于处理厌氧硝化污泥分离液。该工艺巧妙的运用了亚硝酸菌和硝酸菌的不同生长速率，即在较高温度下硝酸菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的生长速率。因此，通过控制HRT就可以自然淘汰掉硝酸菌，使反应器中的亚硝酸菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，并通过间歇式曝气到达反硝化目的。该工艺正常运行后，Dokhaven污水处理厂的排放水质量明显改善，TKN和氨质量浓度分别从7.5mg/L和3.8mg/L降到3.8mg/L和2.2mg/L，总氮排放量减少近一半。但是，SHARON要求较高的温度，而使大量的废水升温并保持温度，能量的消耗非常巨大，对于大规模推广使用还存在一定的困难。国内的支霞辉，王红武等[10]研究了在常温条件下实现废水短程硝化反硝化生物脱氮的条件表明：在常温(25℃)，pH8.5时，通过提高进水氨氮质量浓度可以使亚硝化率达到80%以上。此外，于德爽，彭永臻等[11]研究了通过中温条件下生活污水的SBR法短程硝化反硝化试验发现,当温度为20～30℃时控制进水的pH值可造成硝化过程中亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率达95%以上，并得出在温度为20、25和30℃时亚硝化菌的比增长的速率分别为0.0113、0.0190、0.0366d-1。由此可以看出，通过维持较高的温度可以实现短程硝化反硝化，但能量消耗过大，反应条件要求苛刻；如果要实现在常温或中温条件下实现短程硝化反硝化则需要通过控制其它的反应参数配合，如控制pH，进水氨氮质量浓度等。3.2控制DO实现短程硝化反硝化在低溶解氧条件下，硝酸菌与亚硝酸菌的增殖速率均下降，但硝酸菌的下降速率更快，利用这两类菌动力学特性的差异可以在活性污泥系统和生物膜上逐渐达到淘汰硝酸菌的目的。只是在悬浮系统中，低氧下活性污泥很易解体和发生丝状膨胀。低氧下，不但存在对硝酸菌的淘汰还存在对硝酸菌活性的抑制，从而使反应器中的亚硝酸菌占主导地位。目前，在国外通过控制溶解氧实现短程硝化反硝化的工艺有OLAND工艺和CANON工艺。OLAND工艺是由比利时Gent微生物生态实验室开发。在缺氧状态，由于缺乏电子供体O2，NH+4氧化不得不以NO-2作为电子供体产生N2。羟胺对NH+4和NO-2的去除有促进作用，此间至少有AMO和HAO两种酶参与反应。但该工艺的机理尚未研究清楚。与传统工艺相比，OLAND工艺可以节省电子供体，碱度和氧气。CANON工艺是在一个好氧反应器中限制溶解氧的情况下，部分硝化和厌氧氨氧化的结合，硝化菌氧化氨成亚硝酸盐消耗了反应器中的氧，造成缺氧环境有利于氨的厌氧化的发生。环境中的氨氮与溶解氧是决定CANON工艺的两个关键因素，目前该工艺还未在工程上得到应用。国内的高大文，彭永臻等研究了交替好氧/缺氧短程硝化反硝化生物脱氮的方法实现与控制，并在此基础上提出了过程控制模式[12-13]。研究表明，实时控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺无论从硝化速率、反硝化速率还是从硝化时间、反硝化时间上均优于实时控制传统SBR法短程硝化反硝化脱氮和预先设定时间控制交替好氧P缺氧短程硝化反硝化脱氮两种工艺。其硝化速率和反硝化速率分别是预先设定时间控制交替好氧P缺氧短程硝化反硝化工艺的1.