废水处理工艺中同步硝化反硝化研究进展杨殿海

废水处理工艺中同步硝化/反硝化研究进展杨殿海jS7an岁ZajEn犷iro刀rnc,J勿]5〔.1口nces废水处理工艺中同步硝化/反硝化研究进展StudyProgressonSimultaneousNitrifieationandDenitrifieationinWastewaterTreatment杨殿海王峰夏四清(同济大学污染拉制与资源化研完国家重点实验室,上海200092)aYngDianhaiWangeFngXiaSiqing(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,oTngjiUniversiyt,ShanghiaZ以”92)摘要与传统脱氮工艺相比.同步硝化/反硝化(sN)D工艺由于具有可降低能耗、减少基建费用等明显的优点.正受到越来越多的关注。在广泛查阅近期国内外相关研究成果的基础上.结合目前的工作.从同步硝化/反硝化现象发生的机理及工艺控制因案两个方面进行分析和阐述.并简要介绍了这一课题未来的研究方向。指出反应器溶氧不均、活性污泥絮凝颗粒中缺权微环境的形成以及某些好氧反硝化菌和异养硝化菌的存在是同步硝化/反硝化现象的主要原因。同步硝化/反硝化的过程往往伴随着亚硝酸盐的积累现象.部分同步硝化/反硝化过程很可能是通过亚硝酸盐途径进行的。对于同步硝化/反硝化的工艺控制.目前主要通过控制碳源、活性污泥絮凝颗粒的大小`溶解级、以及氧化还原电极电位(。即)进行的。反应中可溶性CO(DSCO0)的含量对于反硝化过程的进行具有重要的意义;碳源投加方式的改变、可改善同步硝化/反硝化的效果。絮凝颗粒的密度`尺寸与溶解氧的水平共同影响了絮体内部缺叙微环境的形成;同时在工艺过程中.控制溶解氧水平的变化可以取得较好的脱氮效果。对于氧化还原电极电位(ORp)控制的范围往往取决于污水的性质.同时也可结合其他一些指标(如pH、释放气体中N。浓度)作为综合的控制手段。关键词:同步硝化/反硝化好氧反硝化异养硝化缺氧微环境1概述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进行;实际上,较早的时期,在一些没有很明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中,人们就曾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(SimultaneousNitriifcationandDenitriifcation,以下简称sND)。对于各种处理工艺中出现的SND现象已有大量的报道,包括连续流反应器、生物转盘、聚合高分子电解质的细菌包埋工艺、流化床反应器以及序批式SBR反应器川等等。与传统硝化、反硝化处理工艺比较,SND具有以下的一些优点:(l)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式反应器来讲,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[2一41。2同步硝化/反硝化的机理研究目前,对于同步硝化/反硝化的反应机理至今还没有很深人地认识与了解,初步形成的几种解释包括二反应器溶氧分布不均理论、缺氧微环境理论和生物学理论。2.1反应器溶氧分布不均理论反应器溶氧不均解释认为在反应器的内部,由于充氧不均衡,混合不均匀,形成反应器内部不同区域国家高科技研究发展计戈,」(863项目),编号2002AA60lO23。第一作者杨殿海,男,l%5年生,1996年毕业于同济大学,副教授。一878一君脚,`袖叶带2003年第22卷第12期引2刀刀召力a,’IE了F厅口刀功enat15七i己nc巴s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[5]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。2.2缺氧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,内层为异养反硝化菌占优势,主要进行反硝化反应(如图1)16一s】。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。絮体中溶解氧剖面溶解氧大顺粒絮体小颗粒絮体圈1生物絮体内00浓度分布示意图Figure1DissolvedoxygenProfileinsideafloe2.3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,好氧反硝化菌和异养硝化菌的存在已经得到了证实。在好氧条件下很多硝化菌可以进行反硝化作用,例如在低浓度氧状态下,硝化菌europea和entropha可以进行反硝化作用;同样,研究者[,]发现许多异养菌也能完成有机氮和无机氮(氨氮)的硝化过程,而这些异养菌中的大部分具有在缺氧或好氧条件下的反硝化能力,即这些异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌。目前,研究得较多的好氧硝化/反硝化菌是孙10印人。。ra夕antotr即ha,该过程的好氧硝化反硝化可能是通过两步反应的,氨氮先被氧化成亚硝酸,后被还原成氮气从水中去除。.24其他此外,很多学者在研究中发现【’,’“,川,SND过程往往伴随着亚硝酸盐的积累现象。根据传统的硝化理论,在硝化过程中,硝酸菌对于能量的利用效率远远低于亚硝酸菌利用能量的效率,因此不应有太多NO牙积累。在DO较高的情况下,硝化过程中硝酸盐的含量应比亚硝酸盐的含量要高。导致SND过程中亚硝酸盐积累的原因可能是:(1)自由氨(FA)对于硝酸菌的抑制作用。^nthonisenl,o]发现F^对于硝酸菌及亚硝酸菌均有抑制作用,而硝酸菌对于FA的抑制作用更为敏感;并且这一作用在FA浓度仅0.1一1.omg/L时就可实现。(2)低DO浓度的影响。亚硝酸积累的另一个原因是由于亚硝酸菌对氧的亲和力较硝酸菌强。亚硝酸菌对于氧的饱和常数一般为0.2一0.4mg/L,而硝酸菌氧的饱和常数约为1.2一l.smg/;L因此当废水中DO浓度较低时,亚硝酸菌与硝酸菌将对氧进行争夺,导致硝酸菌因无法得到生长所需的氧而使活性受到抑制。(3)环境转换对于亚硝酸菌和硝酸菌的影响。有研究发现I川,当活性污泥从缺氧段进人好氧段时,亚硝酸菌的活性会很快从缺氧状态下恢复过来,而硝酸菌活性的恢复需要一段时间才能逐步达到。因此在好氧段的开始阶段,硝酸化速率会滞后于亚硝酸化速率,导致亚硝酸盐积累。需要指出的是,能够产生亚硝酸盐积累的环境往往有利于促进SND的发生,这是因为较低的DO浓度可以促进絮体中缺氧微环境的形成,有利于反硝化反应的进行。通过亚硝酸盐的SND同时也具有以下的优势:(l)在反硝化段将节省40%的COD消耗;(2)反硝化速率将提高63%;(3)硝化段的氧消耗率将减小25%左右;(4)好氧段污泥产生量减少约50%。事实上,同步硝化/反硝化现象往往是以上几种机理共同作用的结果,实际过程中有可能由一种或几种作用占优势,在对发生的现象进行考察的时候,单独以某种假设来解释往往会得到矛盾的结果,因此对此应综合考虑。同步硝化/反硝化工艺的控制因素理解及控制SND的关键是要了解工艺设计及运一879一废水处理工艺中同步硝化/反硝化研究进展杨殿海5九a7kI叻ajIE,F汀口刀刃朗atjs百ences行参数将如何影响SND,这也是整个SND研究的基本目标。目前,对SND生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、生物转盘反应器(RBC)、序批式反应器(SBR)、生物流化床等反应器系统,其中又以序批式反应器中SND工艺控制因素的研究最为集中。一般来说,对于SND的主要控制因素有:碳源、溶解氧、絮凝体特性等。3.1碳源要达到反硝化过程的进行,有机碳源被认为是最为重要的控制因素之一。有资料表明[’2〕,在城市污水处理过程中,要得到完全的反硝化,TCODT/KN应达到7。有学者认为`’]反硝化过程,COD加应在3.5一4.5的范围内。为加强SND的效果,往往在处理过程中投加外碳源。HongWZhao[’31在间歇曝气完全混合(IACM)反应器中投加乙酸和甲醇,发现能够明显强化IACM反应池中的硝化和反硝化作用。Klangduen和Jurgl”]在对sBR反应器中sND的研究中发现尽管在进水中的TCODT/KN为5一20,理论上应可以满足反硝化过程的需要,但实际上氮、磷的去除率并不高,后使用乙酸作为外加碳源,进行比较实验后认为,保证可溶性COD(SCOD)的含量对于反硝化过程具有十分重要的意义,SCOD的添加可有效地提高SND的效率。对于碳源的投加方式,一些学者也进行了研究。传统的碳源投加方式往往是一次性在曝气的开始段投加,胡宇华等[’峪}认为采用易降解的有机物作为碳源时,难以保证反应后期的C加比维持在反应所需水平,因此,在SBR系统中试验了分批补料的方式,在保证总的有机碳源需求充足的条件下,通过影响化学反应平衡可使氨氮浓度最终趋于0。Hong和Donald等[”1发现如在间歇曝气(IA)工艺的前置厌氧段投加有机碳源,部分碳源会被有效存储,用于后续的反硝化反应。分析认为,在碳源或氧源受限的条件下,很多细胞都会合成高聚物质,如聚-刀一梭基丁酸(PHB),作为碳源和能量物质存储起来。这种现象有的类似于生物除磷过程中在厌氧段除磷菌释磷同时摄取有机碳源的现象。李军等t’6]也研究了序批式生物膜法处理工艺中的有机物过量存储现象,在试验中发现反硝化的有机碳源主要来自厌氧段中过量储存的有机碳源。3.2絮凝体特性絮凝体结构,主要指活性污泥颗粒的浓度、大小等,这些特性直接影响着缺氧微环境形成以及稳定程度。如果活性污泥浓度较低,由于曝气的搅动、湍动加剧,将会使活性污泥絮体表面更新速率加快,很难形成缺氧微环境,因而难以产生反硝化作用。有的试验采用省去初沉池的办法,使进人曝气池的混合液内悬浮小颗粒增加,在曝气池中起到悬浮裁体的作用,大量吸附有机质,增大了生物絮体的密实度,可有效增大缺氧微环境的比例,提高了系统的脱氮能力。但是生物絮体的密实度不应过大,以防止水中的污染物质难以渗透至絮凝体内部,使絮凝体内部的微生物难以接触到碳源,影响了同步反硝化。有研究表明6I],将活性污泥浓度控制在sg/L左右,溶解氧控制在0.5一1.omg/L,可以形成较好的缺氧微环境,促进同步硝化/反硝化。一般认为,絮凝颗粒越大,溶解氧进人絮凝颗粒的阻力越大,容易在絮凝颗粒内层形成缺氧微环境,Andreadaiks[’7〕指出的适宜大小为10一70林m。Klangduen和Jurg[”]在实验中证实了絮凝颗粒尺寸的减小可明显地影响SND的作用,并测出SND适宜的污泥絮凝体尺寸为50一110林m。3.3溶解氧通过控制DO浓度,调节硝化和反硝化速率都能达到比较合适的水平,最佳的状态是使硝化速度与反硝化速度达到基本一致,以保证完全的硝化/反硝化。需要指出的是,由于反硝化反应主要发生在生物絮体内部的微缺氧区,所以水中的主体DO浓度的确定与絮体的尺寸大小有直接的关系。有研究表明[”1,当Do浓度大于2.6mgL/时,溶解氧能完全穿透活性污泥絮体。同时,反应器形式、污泥浓度等因素也对DO的控制有很大的影响,因此文献中DO的范围变化也相当大。根据Muu。h[`]的研究,Do浓度可控制在大约0.smg/L左右。邹联沛等【’“]研究膜生