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第15卷第5期煤矿环境保护Coa】入五neEll们rolllnell仪Ul份oetcitonVol.15,No.5,2001.......................曰......曰................................曰...........................曰..曰................曰.........................曰........-,.,,.,.,..,.......}综述与专论}废水处理同时硝化/反硝化脱氮技术现状与展望龚云华高廷耀(同济大学环境科学与工程学院,上海2(XX)92)摘要:阐述了废水生物处理同时峭化/反峭化脱氮技术现状及发展,对几种具有同时峭化/反峭化效应的生物反应器与工艺进行了概述和讨论,提出了今后可能的研究方向。关键词:污水;稍化;反稍化;现状中图分类号:x703文献标识码:A文章编号:1006一8759(2oo1)05一0017一05}THEPRESENTSITt)AITONANDEXPECTATIONOFTECHNOLOGn沼FORBIOLOGICALNlrl,KOGENREMOVALFROMWAS飞,EWATERBYSE以ULTANEOUSNITRll,ICATorNANDDENITR肠,CIATorN(SND)GONGYun一huaCAOTing一yao(刀几Uiornn二瓜schoozofoT门留1univesritr户夕诩刀g人diZ以x)92)Abstract:hTepersentsiutationofteehnoloigesforbiologlealnitor罗nermoval仙mwastewaterbysimultaneousniitrifeationanddeniitrifeation(SND)wassunmtiarzedbirefly.eSvealr帅esoferae-otsrandPocresseswhiehhvaeeiffeieneyofSNDweerdise一issed,andhtefuutererseacrhdieretionawsexPeetde.Keywords:awstewater,niitrifeation,denitirifeation,perselltsituation废水生物处理脱氮过程主要包括两个阶段:第一阶段为氨氮转变为亚硝酸根/硝酸根的硝化反应;第二阶段为亚硝酸根/硝酸根转变为氮气的反硝化反应。传统的脱氮理论认为,硝化反应在好氧条件下通过自养型硝化细菌作用发生,而反硝化则在缺氧条件下通过兼性反硝化菌作用实现〔`小,〕。为了提供两种反应所需的不同环境,需将反应区分隔开或通过间歇式反应系统实现批式运行。然而,最近的许多研究表明,在同一反应器中能实现上述两种反应,尤其是好氧条件下,可以发生反硝化反应,这个现象被称为同时硝化/反硝化收稿日期:2001一02一26第一作者简介:龚云华,男,1976年生,毕业于湖南大学,现为同济大学环境科学与工程学院硕士研究生,研究方向为水污染防治,导师为高廷耀教授(sN)D现象比`别。相对于传统的分隔工艺来讲,(SND)具有较为明显的优越性,而引起了污水处理厂的设计师和运行管理人员等的广泛兴趣。在连续运行的污水处理厂中,NSD能保证在同一曝气池中发生程度适当的硝化/反硝化作用,实现一定的脱氮效率。对整个脱氮工艺而言,可以节省缺氧池或至少减少它的容积。通常条件下,通过SND反应器脱氮,亦不需要复杂的好氧/缺氧区组合控制和相关的测控装置川。本文就当前的废水生物处理脱氮工艺中的同时硝化/反硝化研究进展进行了系统概述。1同时硝化/反硝化脱氮技术机理研究同时硝化/反硝化脱氮现象的机理可以从微龚云华等废水处理同时稍化/反峭化脱氮技术现状与展望生物学及生物化学角度和物理学角度加以解释。1.1微生物及生物化学解释生物脱氮的一个关键环节是反硝化过程,在反硝化过程中,亚硝酸根/硝酸根在呼吸链中作为电子受体,被微生物分解为NZ及NO、N必等中间产物。最初,反硝化被认为只有在严格的缺氧条件(状态)下才能发生,氧气的存在对反硝化过程有抑制作用,主要表现在电子受体(02、NoZ一和NO3一)之间的争夺电子能力差异上;但氧对大部分反硝化细菌本身并没有抑制作用,由于反硝化菌是兼性好氧菌,还可以利用溶氧(Do)完成呼吸过程中的某些环节侧。从微生物学及生物化学角度出发,特殊微生物种群的存在被认为是发生同时硝化/反硝化的主要原因,近年来的研究中,有许多新的脱氮系列菌族被鉴定或分离出来,包括起反硝化作用的自养硝化菌(nA~工艺)〔7吸起反硝化作用的异养菌(好氧反硝化)。oRbesrton等(1998)证明好氧反硝化菌也是异养硝化菌,可将氨氮直接转化为气体,如hTi,phaearoPnatotrph等。其它好氧反硝化菌可利用亚硝酸根/硝酸根呼吸(好氧反硝化),在最后阶段,氨氮氧化(异养硝化)与PHB的形成能消耗过量的还原能量;同时指出好氧反硝化与异养硝化速率随溶解氧(Do)浓度升高而降低6[,8二。而nKgeilnal等(1991)则在好氧/厌氧序批式活性污泥系统中观察到硝酸盐对呼吸过程中氧的利用有抑制作用(No3一在1.ogm几时仍有此作用),正是由于其抑制作用,菌胶团可以利用NOx作为电子受体而发生反硝化作用,即使是溶解氧(Do)浓度很高的情况下也如此〔6}。一种名为Mieorvi四laaeordenit五ifea-iotn的新的格兰氏阴性菌在实验室规模的上流式厌氧一好氧滤池中被分离出来,研究证明这类细菌能够稳定地维持促进反硝化反应的能力。研究者从酶的水平上研究了好氧反硝化作用的分子学基础;认为是由一种胞外硝酸盐还原酶引起了好氧反硝化作用,较之缺氧反硝化细菌而言,好氧反硝化菌有较慢的反硝化速率和嗜好某些特定有机物质(如甲醇)等特点(7·,,,。}。目前,对生物化学及脱氮工艺的微生物学研究和解释还不够完善,从微生物学角度和生物化学角度对同时硝化/反硝化现象的认识仍在发展与探索之中。1.2物理学解释对同时硝化/反硝化的物理学解释主要包括硝化/反硝化的微环境理论和反应器内的好氧/缺氧大环境假设,物理学角度的解释是同时硝化/反硝化现象目前被普遍接受的观点〔川。微环境理论认为:在活性污泥絮体中,由于氧的扩散(传递)所限制存在溶解氧(Do)梯度。絮体外表面与气、液相直接接触而溶解氧较高,微生物群体以好氧菌、硝化菌为主;絮体内层由于氧传递受阻以及外部氧被大量消耗而形成了缺氧微环境,反硝化菌占优势。缺氧微环境的形成受水中溶解氧(DO)浓度的高低及微生物絮体结构、尺寸大小影响〔`,6川。生物反应器混合因池型、进水及供氧方式不同而呈现多种形态,在不同的混合形态条件下,如由于曝气装置不同引起的不完全混合形态下,在生物反应器内能形成缺氧/厌氧区段。这种情况有别于缺氧微环境,被称为生物反应器的大环境。在同一生物反应器缺氧/厌氧大环境条件下可以发生反硝化反应,联合一定区段内的好氧环境中有机物去除和氨氮的硝化,实现同时硝化/反硝化脱氮〔,·’2〕。1.3影响同时硝化/反硝化的因素研究表明民’`〕,影响生物同时硝化/反硝化效果的主要因素有:碳源、溶解氧(DO)浓度、微生物絮体结构、尺寸。1.3.1碳源反硝化过程需要利用碳源作为能源和合成细胞成分的物质,因此足够的碳源是保证有效的反硝化反应所需的必要条件。aBmadr(1992)发现在大多数城市污水处理中,TCOD:T凡l为7时,可以实现完全的反硝化反应;伪orsny(1992)认为通常情况下,如果要实现同时脱氮除磷,则CTOD:TNK至少要达到9以上。租angduencoPhana(1999)发现易生物降解COD比例的增加能提高同时硝化/反硝化效果,表明溶解性COD对同时硝化/反硝化有很强的影响作用闭。国内学者认为影响好氧同时硝化/反硝化碳源的因素包括曝气量和污泥有机负荷,在控制曝气量的前提下,污泥有机负荷将直接影响同时硝化/反硝化的效果。生产性试第15卷第5期煤矿环境保护验中污泥有机负荷控制在0.10~O巧kgBODS/(kgM峪.sd)范围内,可保证反硝化顺利进行〔川。1.3.2溶解氧(DO)浓度适当控制反应器中溶解氧(DO)浓度是提高同时硝化/反硝化效果的重要方式。反硝化反应在溶解氧(DO)浓度为零时可取得最佳效果,当溶解氧(DO)浓度高于o.Zgm/L,反硝化效果显著降低,而硝化反应则要求溶解氧(DO)浓度在2.0mg/L以上;低于0.211191〕2/L时,硝化反应几乎不能发生。Mmtch(1996)发现当溶解氧(DO)浓度在0.sgm几时,反硝化速率基本与硝化速率相等,从而可获得有效的同时硝化版硝化效果〔3,4,l3j。1.3.3微生物絮体特性微生物絮体结构、尺寸影响同时硝化/反硝化效果主要是基于从物理学角度出发对同时硝化/反硝化的解释。絮体表面更新速率快慢、反应器的负荷等都是影响絮体结构、尺寸的重要因素,其直接影响到缺氧微环境的形成。进水中悬浮物的浓度、颗粒的大小及比表面积影响絮体的吸附能力和密实度,对缺氧微环境的比例造成影响,从而影响同时硝化/反硝化脱氮效果,在生物反应器不同混合形态条件下,微生物絮体结构、尺寸及群体特性受曝气方式和强度、进水方式等影响,出现大环境条件下不同的同时硝化/反硝化效应〔`,4,6,川。2同时硝化/反硝化反应器与工艺研究目前,生物脱氮已成为污水控制领域研究的热点问题,国内外研究者对同时硝化/反硝化脱氮技术反应器和工艺的研究主要有BSR法、氧化沟工艺、A/O和AA//O工艺、生产规模的连续流工艺以及生物流化床、复合反应器等。BSR工艺及间歇反应器可以通过工艺运行控制实现好氧/厌氧的过程交替,从而在同一反应器中相似操作条件下实现同时硝化/反硝化脱氮功能〔,,6,“〕。H担ngseok长城〕等(1999)〔,,运用l司歇反应器同步硝化/反硝化作用去除合成剂废水中的氮取得了良好的效果,就推荐工艺的重要参数进行了探讨,得出了有效同时硝化/反硝化作用的溶解氧最适浓度0.4一2.smg几,曝气阶段结束时最适溶解氧宜控制在2.0一2.sgm/L,发现溶解氧低于l.omg几时,有反硝化作用发生;间歇运行控制曝气周期长短时可利用反硝化菌与硝化菌世代时间的差异来调整缺氧/好氧和好氧的交替;并指出中性的pH值范围(7一8)有利于同时硝化/反硝化作用。租angduenPcohan。等(1999)[4位用sBR反应器工艺处理屠宰废水时,通过同时硝化/反硝化作用取得了95%的总氮去除率,发现碳源和溶解氧是两个关键的参数,外加乙酸作碳源时,可明显增加同时硝化/反硝化效果。结论认为溶解性有机物(c0D)、溶解氧、活性污泥絮体尺寸是影响同时硝化/反硝化的主要因素;较大的絮体尺寸有利于同时硝化/反硝化,增加反应器中溶解氧浓度对同时硝化/反硝化有负面影响,但在溶解氧升至0.8mg/L前,这种效应并不明显。基于物理学假设的前提,似angduenocPhana等还对同时硝化/反硝化产生的机理作了研究,在实验基础上推导并验证了解释同时硝化/反硝化现象的动力学模型l6[〕。祝经纶研究了低氧曝气SBR工艺中脱氮效果。实现了同时硝化/反硝化效果;李锋等在实验基础上对有氧条件下同时硝化/反硝化进行了动力学模型的推导,很好地模拟了SBR法和推流式反应器中同时硝化/反硝化的效果3[,’6〕;刘德君通过对生产规模的连续流工艺改进、投加脱氮菌种的方法在同一反应器中实现了同时硝化/反硝化脱氮。结果表明.〕,脱氮不用加碱,但需克服有氧条件下反硝化乍用差,需不断补充反硝化菌源。G.T.Dalgger对主产性运行的Ohtal氧化沟工艺中的同时硝化/反硝化现象进行了研究,并探讨了其机理、影响因素、控制方法l2[};发现在反应器中并没有形成明显的缺氧/好氧区域,而测试数据表明有高效脱氮效果,证明同时硝化/反硝化脱氮作用的存在。研究者对此从三个角度作了假设和解释,即反应器缺氧/好氧大环境理论;微生物絮体微环境理论;特定微生物存在的可能性;并利用对氧的控制实现了对同时硝化/反硝化的控制。高