短程硝化生物脱氮新技术的影响因素研究综述袁苍霞

建筑与预算CONSTRUCTIONANDBUDGET2015年第9期DOI:10.13993/j.cnki.jzyys.2015.09.013一直以来，无论是在研究传统生物脱氮理论还是在实际工程中，多数认为必须经历典型的、完整的过程才能实现废水中氮素的去除，即通过全程硝化-反硝化（有机氮→NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→NO→N2O→N2)来完成生物脱氮的过程。人们对此观点持肯定态度的原因主要有以下几点［1］：①亚硝酸盐产物HNO2是“三致”物质，对水体生物和人类都存在安全隐患。因此，在生物脱氮的过程中应严格控制HNO2的产生。②HNO2极易氧化，影响出水COD浓度，排放后会消耗受纳水体中的DO，导致水质变差。③亚硝化细菌和硝化细菌属于同一种属，共同生活在同一生长环境中，很难将它们分开。④氨氮氧化速率较亚硝酸盐氧化速率慢，前者是硝化过程的限速步骤，因此在传统生物脱氮过程中很难有NO2--N的大量存在。实际上，从氮素的微生物转化过程来看，亚硝化和硝化是两个不同的反应，由两类相互独立的菌种分别催化完成，而参与作用的亚硝化细菌和硝化细菌因其世代周期、生长速率等的不同可以互相分开。近年来，人们通过引进分子生物学技术，以16SrRNA序列为基础，对两类菌群进行了全面的谱系分析，经研究发现两者本质上亲缘关系相距很远。此外，硝化阶段生成的NO2--N和NO3--N均可作为反硝化细菌的最终受氢体。因此，能否通过控制反应条件使得NO2--N直接进行反硝化过程引发了人们的思考。由于短程硝化过程受多方面因素控制，因此可以根据两类菌群在动力学特征和生理机制上存在的固有差异，通过控制分子态短程硝化生物脱氮新技术的影响因素研究综述袁苍霞（沈阳市市政工程设计研究院，辽宁沈阳110015）摘要：短程硝化是一种备受关注的新型生物脱氮技术，具有缩短反应时间、简化工艺流程、降低动力消耗和剩余污泥产量、节省运行成本、降低投加中和剂的费用等诸多优势。从分子态游离氨浓度、pH值、温度、溶解氧浓度、污泥龄、运行模式、有机碳源等方面探讨了实现NO2-N稳定积累的基本途径。关键词：短程硝化；生物脱氮新技术；硝化细菌；亚硝化细菌；NO2-N积累中图分类号：TU文献标志码：B文章编号：1673-0402（2015）09-0047-05收稿日期：2015-06-06作者简介：袁苍霞（1982-），女，硕士研究生，工程师，主要从事市政给排水管道设计、市政泵站施工图设计、污水处理厂设计、垃圾填埋场设计工作。E-mail：[e-mail]2015年第9期总第233期游离氨（FA）浓度、pH值、温度、溶解氧（DO）浓度、污泥龄（SRT）等诸多环境因素对硝化细菌产生不同程度的抑制作用来富集亚硝化细菌，进而达到NO2--N积累的目的。1分子态游离氨（FA）浓度1984年，Alleman等［2］根据亚硝化细菌与硝化细菌对FA浓度的敏感程度不同提出了选择抑制理论，其原理是通过控制FA浓度高于硝化细菌的抑制浓度（0.1~1.0mg·L-1）但却低于亚硝化细菌的抑制浓度（10~150mg·L-1），使得亚硝化细菌能够正常增殖，而硝化细菌的活性被抑制，从而产生NO2--N积累。随后，Turk等［3］对选择抑制理论进行了验证，进一步表明通过控制FA浓度短期内NO2--N积累率可维持在50%~70%，但硝化细菌对高FA浓度逐渐产生不可逆转的适应性，因此不能长期稳定的维持NO2--N积累。王志盈等［4］利用下向流内循环生物流化床也得出相似结论，在系统运行初期，由于硝化细菌对环境有一定的适应性和生长滞后性，暂时出现NO2--N积累，但伴随着硝化细菌的适应与繁殖，NO2--N被完全氧化，虽然高FA浓度对硝化细菌的氧化速率有抑制作用，但这种通过选择抑制获得的NO2--N积累效果不具有稳定性。魏琛等［5］研究认为，将FA浓度控制在7~10mg·L-1左右是最适合的，此时亚硝化细菌的活性并没有被完全抑制，当抑制条件减弱或生长环境适宜时，亚硝化细菌的活性能够很快得到恢复。2pH值Alleman等［2］通过控制pH值和FA浓度成功实现了亚硝化过程，并得出pH值是引起硝化细菌活性抑制的决定性因素，其中亚硝化细菌和硝化细菌的最适pH值分别为7.9~8.2和7.2~7.6。王学刚等［6］采用SBR法处理高氨氮生活污水得出，当pH值在8.0~8.5时，NH4+-N去除率大于80%，NO2--N积累率大于90%。于德爽等［7］研究表明，在中温环境中短程硝化过程的最佳pH值为7.5~8.8，NO2--N平均积累率可达95%以上。傅金祥等［8］研究得到，在20℃下当维持pH值在7.5以上时，NO2--N积累率始终保持在51%以上；当pH值继续下降后，短程硝化系统遭到破坏。3温度当温度在15~30℃之间时，硝化细菌的活性要高于亚硝化细菌，生成的NO2--N被完全氧化成NO3--N；当温度高于40℃时，亚硝化细菌的活性大幅下降。目前，国内外关于短程硝化反应适宜温度的说法较多。Yoo等［9］研究认为，短程硝化工艺的最佳温度范围为22~27℃，或者至少不能低于15℃。Hellinga等［10］研究表明，能够实现短程硝化过程的适宜温度范围为30~35℃，在常温（5~20℃）下，NH4+-N通常被氧化为NO3--N，中高温（20~35℃）有利于出水中NO2--N的积累，温度过高会导致微生物的酶蛋白变性和反应速率下降，并得出维持稳定短程硝化反应的临界温度为28~29℃。尚会来等［11］在温度为（28±1）℃条件下实现了短程硝化，并且在低温（10℃）下仍然获得了较好的NO2--N积累效果。于德爽等［7］指出在20~30℃范围内亚硝化细菌的比增长速率随着温度升高而提高，由20℃时的0.0113d-1逐步提升到30℃时的0.0366d-1。王学刚等［6］认为在常温（25℃）条件下亦可实现典型的短程硝化过程。4溶解氧（DO）浓度有研究表明［12］，当DO=2.7~5.7mg·L-1时，NO2--N积累量没有受到明显影响；当DO=0.7~1.4mg·L-1时，NO2--N积累量会随着——482015年第9期总第233期DO浓度的降低而显著增加；当DO0.5mg·L-1时，NO2--N积累量和氨的氧化率均有所降低，一般认为需将DO浓度控制在0.5~1.0mg·L-1之间。Garrido等［13］在研究空气提升三相生物流化床的硝化特性时发现，当DO=1.0~2.0mg·L-1时，NO2--N积累率高达50%且相当稳定。Cecen等［14］研究认为，DO浓度的高低与进水NH4+-N浓度相关，但NO2--N积累程度并不是由O2/NH4+-N比决定，而是由O2/NH3-N比决定。且O2/NH3-N比需高于5.0，否则硝化细菌的活性将不能受到抑制。Bermet等［15］发现在DO浓度由0.5mg·L-1升高到5.0mg·L-1的过程中，NO2--N积累量逐渐降低，而DO浓度重新降至0.5mg·L-1时，NO2--N再次积累。Chuang等［16］研究发现，NO2--N积累能力随DO浓度的下降而提高且最适DO浓度为0.2mg·L-1，此时的氨氧化速率高达1.46kg·m-3·d-1。胡筱敏等［18］在低DO下成功快速启动了SBR短程硝化工艺。试验结果表明，当DO=0.5~0.7mg·L-1时，NH4+-N氧化速率与NO2--N积累速率之间的差距最小，说明此时短程硝化反应最彻底，出水NO2--N积累率超过90%。白璐等［18］经研究表明，当DO=0.3mg·L-1时NO2--N积累率可达80%以上，此后再提高曝气量也没有破坏短程硝化系统。5污泥龄（SRT）SRT过低容易造成菌种的大量流失，将会导致系统负荷过高，反应器的处理能力迅速下降，短程硝化性能也会恶化。目前，国内外对于SRT影响亚效果的研究还较少，并且研究结果也一直存在争议。Li等［19］在超长SRT（60~80d）和低DO（0.3mg·L-1）条件下，仍能稳定实现短程硝化过程，NO2--N积累高达95%~99%。Joss等［20］通过将SRT从30d降低到4d，使NO3--N浓度从250~350mg·L-1减少到小于20mg·L-1，有效实现了短程硝化过程。这期间MLSS从4500mg·L-1降至1000mg·L-1，可见低污泥浓度并不影响NO2--N积累。雷鸣等［21］研究表明，长SRT不能建立长期稳定的短程硝化系统，试验过程中必须保证污泥的不断更新才能使短程硝化过程的稳定进行，且一旦SRT低于25d，污泥浓度会不断下降，不能保证系统正常运行。6其他Kornaros等［22］提出缺氧/好氧交替运行会形成NO2--N积累，利于筛选出亚硝化细菌。由缺氧环境转入好氧环境时，亚硝化细菌能够立即以最大生长速率进行增殖，而硝化细菌需要一定时间恢复才能够达到其最大生长速率。Guisasola等［23］研究了无机碳源（TIC）对硝化菌群的影响。试验结果表明，当TIC浓度低于3mmol.·L-1时，亚硝化细菌的生长速率开始受到限制，同时发现即使当TIC浓度非常低（0.1mmol.·L-1）时，硝化细菌的生长速率仍未受到限制。由于实际城市污水厂的曝气池中通常含有充足的碱度，并且异养菌也会产生CO2，因此TIC一般不会受限。而对于处理污泥消化液等高氨氮废水时，则会出现TIC不足的情况，需要考虑TIC浓度对微生物代谢活性的影响。马斌等［24］通过生物强化策略，即定期向城市污水硝化系统定期投加成熟的短程硝化污泥，同时控制反应器内DO浓度不宜过高，可以稳定维持和快速重建短程硝化系统。吕永涛等［25］在SBR反应器中对维持初始DO浓度不变的条件下有机物对亚硝化反应的影响进行研究。结果表明，低浓度有机物（CODCr≤150mg·L-1）对亚硝化细菌的活性影响不大，系统内主要反应为亚硝化；高浓度有机（CODCr=400mg·L-1）环境下，NH4+-N降解速率略有下降，NO2--N积累率降幅较大。解——492015年第9期总第233期庆林等［26］研究得出，当投加有机碳源浓度为50~80mg·L-1时不会对亚硝化系统产生影响，且能实现较高的NH4+-N去除率和稳定的NO2--N积累率。7结束语由于污水生物处理反应器均为开放的混合培养系统，两类菌群形成了较紧密的共生关系，并且NO2--N具有较强的还原性，因此如何实现稳定持久的NO2--N积累成为国内外学者研究的重点和热点。此外，由于短程硝化工艺的控制条件比较苛刻，目前对于一些现象的理论解释还不够充分，认识有所不同，还需要对菌种的微生物学特性、反应机理等方面有待深入。参考文献［1］运长龙，马晨曦，张文静.亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺及其应用的研究进展［J］.辽宁化工，2013，42(6):722-725.［2］AllemanJE.Elevatednitriteoccurrenceinbiologicalwastewatertreatmentsystems［J］.WaterScienceTechnology，1984，17(1):409-419.［3］TurkO，MavinicDC.Maintainingnitritebuild-upinasystemacclimatedtofreeammonia［J］.WaterResearch，1989，23(11):1383-1388.［4］王志盈，刘超翔，彭党聪，等.高氨浓度下生物流化床内亚硝化过程的选择特性研究［J］.西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2000，32(1):1-4.［5］魏琛，罗固源.FA和pH值对低C/N污水生物亚硝化的影响［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(3):124-127.［6］王学刚，刘富军，邓靖.SBR工艺短程硝化反硝化脱氮试验研究［J］.工业安全与环保，2011，37(10):1-3.［7］于德爽，彭永臻，张相忠，等.中温短程硝化反硝化的影响因素研究［J］.中国给水排水，2003，19(1):40-42.［8］傅金祥，韩晋英，齐建华，等.常温下pH对短程硝化反硝化的影