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氧化沟同时硝化反硝化的生物脱氮机理周少奇1,范家明1,吴宋标2,黄庆明1,银玉容1,史伟1(1.华南理工大学环境科学工程系,广州510640;2.中国石化广州分公司污水处理厂,广州510726摘要:氧化沟是一种得到广泛应用的有机废水生物反应器,简要介绍了氧化沟生物废水处理技术的特点和典型工艺,并就氧化沟的硝化反硝化脱氮功能和同时硝化反硝化进行了讨论,运用电子计量学方法,推导并讨论了同时硝化反硝化反应的计量方程式。关键词:氧化沟;废水生物处理;同时硝化反硝化;电子计量学中图分类号:X17文献标识码:A文章编号:10036504(200206000303氧化沟(Oxidationditch,又名连续循环曝气器(continuousloopreactor,是延时曝气活性污泥法的一种变形。氧化沟最初应用于荷兰,由于该工艺造价低,易维护,管理方便,而且处理效果好而稳定,因此很快在世界各国得到广泛应用,如今,它已成为一种重要的污水生物处理技术,不仅用于城市污水处理,而且用于工业污水的生化处理。近年来,生物脱氮被公认为是目前废水脱氮处理中经济、有效的方法之一。生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段,分别由硝化菌和反硝化菌完成,即硝化反应在好氧条件下自由养菌完成,反硝化反应在厌/缺氧条件下由异养菌完成。近几十年来,尽管生物脱氮技术有了很大发展,但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同DO浓度的反应器中进行,或者是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,一个过程分成两个系统,条件控制复杂,两者难以在时间和空间上统一,脱氮效果差,设备庞大,投资高。显然,如果两个过程能够在同一个反应器中同时进行,则可节省更多的占地面积,还可避免NO2氧化成NO3及NO3再还原成NO2这两个多余的反应,从而可节省约25%的O2和40%以上的有机碳;另外,微生物硝化过程中好氧、耗碱度、无需COD,而反硝化过程则与之相反并互补:厌氧、产生碱度、需消耗大量的COD[1]。所以,如能在同一个反应器中实现同时硝化、反硝化并达到两个过程的动力学平衡,将大大简化生物法脱氮的工艺流程、提高生物脱氮的效率,并节省投资。为此国内外正在积极研究开发能同时硝化反硝化(SimultaneousNitrificationDenitrification-SND的生物脱氮技术。研究成果表明:氧化沟具有较好的同时硝化反硝化脱氮功能。本文就其SND脱氮的机理进行较深入的探讨。基金项目:广州市环保示范性研究项目资助作者简介:周少奇(1965-,男,博士后,教授。1996~1997年在香港大学土木系环境工程学科作博士后,已发表论文近70篇。1氧化沟的类型与特点[2~8]氧化沟技术自问世以来,经过几十年的发展和改进,在工艺、构造、曝气设备上都有很大的发展和进步。推出了不同类型的氧化沟,如:奥伯尔(orbal氧化沟、卡罗塞(carrousel氧化沟、射流曝气氧化沟、帕斯维氧化沟、跌水曝气氧化沟。氧化沟的基本特性如下:(1强的完全混合能力保持完全混合的前提是在沟中流速为0.3m/s的情况下,循环于渠道中的水量可能是进水量的30~50倍,而数量相当于进水量的出水连续不断地从溢流堰排出。与此同时,进水与渠道中的混合液混合,从而得到大规模的稀释,具有完全混合式的特点。(2沟中的推流运动氧化沟的某些沟段局部发挥推流式操作的特点和长处,在某个沟段混合液的溶解氧含量可减少至零或接近零,这样可促进反硝化作用。反硝化的程度取决于混合液固体的内源呼吸率和厌氧段的长度。反硝化不仅可以把氮去除,而且重新利用硝酸盐中的氧,从而满足一部分需氧量,减少氧的供给量,降低了能耗;还可以恢复在硝化过程中消耗的一部分碱度,减少了控制硝化pH值所需的药量。(3高的固体悬浮能力通过对流循环的混合过程,保持动量守恒,由此产生在低能量密度下使固体悬浮的能力。氧化沟的主要优点是:生物量高;水力停留时间和污泥停留时间长易使氧化沟系统保持高的稳定性和可靠性。它把短程的推流式和整体上的完全混合式工艺独特地结合在一起,使工艺更趋简单,且便于操作,耐冲击,污泥量少,出水水质稳定,安全可靠。3氧化沟的同时硝化反硝化作用机理3.1氧化沟同时硝化反硝化脱氮的结构基础氧化沟为弯曲的沟渠式循环管道,有较深的工作水深,一般采用转刷曝气器供氧并同时提供废水推流的动力。这样易使沟渠内形成不同的溶氧梯度,在空氧化沟同时硝化反硝化的生物脱氮机理周少奇,等间上产生好氧区和厌氧区,对于多沟式氧化沟,还可形成更为明显的好氧反应和厌氧反应区。如三渠道Orbal氧化沟:在串联的渠道上可形成典型的溶解氧梯度,外沟、中沟、内沟的溶解氧分别为0~0.5mg/L、0.5~1.5mg/L、1.5~2.5mg/L,即012分布。消化和反硝化大部分都是在外沟接近零的溶解氧的情况下进行。由于外沟中氧的吸收率较高,而外、中、内沟的池容比约为503317,因此,虽然在该沟反应池中提供90%的总需氧量,但溶解氧含量保持在接近零的水平上。中沟、内沟尽管供氧量低,但由于耗氧量低,故可保持较高的溶解氧水平。由于外沟的反硝化作用和溶解氧含量接近零,而该沟的供氧量占总供氧量的90%左右,因此,奥伯尔系统的供氧量可节省约30%。3.2氧化沟同时硝化反硝化脱氮的微生物学基础[9~10]目前,对SND生物脱氮的机理可以从微生物学菌种和微生物生理生态两个方面对SND加以解释。近年来,好氧反硝化菌和异养硝化菌等的发现,打破了硝化反应只能由自养菌完成和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的传统认识。对于好氧反硝化、低DO下的硝化、异养硝化、自养反硝化等现象,从生物学上的发现和进展已经给出令人满意的答案。许多好氧反硝化菌如Thiosphaerapantotropha、PseudomonasSpp.、Alcaligenesfaecalis等同时也是异养硝化菌,并因此能够直接地把NH4+转化为最终气态产物而逸出[2]。正是由于好氧反硝化菌、低DO下的硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等有别于传统硝化菌和反硝化菌的存在,使得SND能够进行。从微生物生理生态角度而言,系统中存在适合于SND进行的环境而导致了SND现象的发生。从宏观角度上来说,由于氧化沟内存在好氧区及缺氧区,使得传统的硝化菌和反硝化菌能够起作用而产生SND现象。此外,从微观角度解释SND的微环境理论是目前已被普遍接受的观点,活性污泥絮体双氧区模型可以较好地解释同时硝化反硝化生物脱氮现象。该理论研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质(如DO、有机物等传递的变化,各类微生物的代谢活动及其相互作用,从而导致微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变。微环境理论认为[3~5]:由于氧扩散的限制,在微生物絮体内产生DO梯度,如图1所示。微生物絮体的外表面DO较高,以好氧菌、硝化菌为主;深入絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗,产生缺氧微区,反硝化菌占优势;正是由于微生物絮体内缺氧微环境的存在,导致了SND的发生。由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性,以及物质传递的变化等因素的相互作用,在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境;一般而言,即使是在好氧性环境占主导地位的微生物系统中,也会存在不同状态的微环境,系统中各种微环境的存在相应地导致了部分SND的发生。由于缺氧微环境的形成有赖于系统中DO浓度的高低以及微生物的絮体结构特征,因此,控制系统中的DO浓度及微生物的絮体结构对能否进行SND及其发生的程度至关重要。图1微生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图(双氧区模型3.3氧化沟同时硝化反硝化脱氮的生化反应机理由于氧化沟内的溶解氧浓度不同,可以根据DO的高低控制SND的代谢途径。当DO溶度较高时,SND可通过NO3途径,当DO溶度偏低时,SND可通过NO2途径。即:NO3途径:NH4+!NO2!NO3!NO2!N2(1NO2途径:NO4+!NO2!N2(2采用笔者提出的∀电子计量学#方法[11~12],氧化沟内SND脱氮的生化反应计量方程式为NO3途径:5+2fs40NO4++1-fs4O2+fs4HCO3=fs20C5H7O2N+8NO3+5-4fs20++5+6fs402O(31(COD+28-23fsNO3=fsC5H7O2N+1-fs2+(其它(4NO2途径:10+3fs60NH4++1-fs4O2+fs4HCO3=fs20C5H7O2N+6NO2+5-3fs++10+9fs2O(54(COD+26-23fs78NO2=fs26C5H7O2N+1-fs62+(其它(6(下转第19页环境科学与技术第25卷第6期2002年11月沸点范围132~180∃,低沸点挥发性卤代烃不干扰氯苯化合物的测定,更高沸点的有机化合物如六六六、滴滴涕在气液相平衡时不进入液上空间,因此也不干扰氯苯化合物的测定。2.9顶空法测定水中氯苯类化合物和其他方法的比较水中氯苯类化合物的测定方法主要是有机溶剂萃取法,各方法测定氯苯类化合物技术指标列于表4。表4不同方法测定水中氯苯类化合物的比较化合物顶空法萃取法[2]检测限(g/L精密度(CV%检测限(g/L精密度(CV%一氯苯208.7%%1,3%二氯苯0.056.132.5~10.21,4%二氯苯0.104.253.6~10.31,2%二氯苯0.052.725.9~9.71,2,4%三氯苯0.016.316.5~11.1表4结果表明,顶空气相色谱法灵敏度除一氯苯外,二氯苯和三氯苯比萃取法高40~100倍。顶空法测定氯代苯定性定量更为可靠,未检出时所报1/2检出限值更接近真实值。3结论毛细管柱顶空气相色谱测定水中二氯苯、三氯苯灵敏度高于现行萃取法40~100倍,干扰少,适用性强。但一氯苯灵敏度提高不显著,有待进一步研究。[参考文献][1]周文敏,傅德黔,孙宗光.水中优先控制污染物黑名单[J].中国环境监测,1990,6(4:1~3.[2]国家环保局&水和废水监测分析方法∋编委会.水和废水监测方法(第三版[M].北京:中国环境科学出版社,1989,389~392.[3]候定远,夏豪国,王逸虹,等.直接进水样技术在水和废水重点控制有机污染物快速测定中的应用[J].中国环境监测,1999年特刊,13~16.(收修改稿日期:20020722(上接第4页式中fs是电子供体用于细胞合成的分量。根据(3式可算出将1mgNH4+N氧化成NO3N的最大需氧量为4.57mg,最大碱度消耗量为5.1mg(以CaCO3计,由(5式可算出将1mgNH4+N氧化成NO2N的最大需氧量为3.429mg,最大碱度消耗量为4.12mg(以CaCO3计,可见,经过NO2途径进行硝化可节省25%的氧和19.2%的减度。在厌氧条件下,异养菌以COD为电子供体,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体进行反硝化。由(4式可以算出:还原1mg的NO3至少需要消耗2.86mg的COD,由(6式可知,还原1mg的NO2至少需要消耗1.71mg的COD。经过NO2途径进行反硝化可节省40%的COD。因此,当有机废水COD/NH4+N比较高时,宜控制氧化沟的曝气使SND经过NO3途径脱氮,反之,当有机废水COD/NH4+N比较低时,宜控制氧化沟的曝气使SND经过NO2途径实现脱氮并节省大量费用。4结束语氧化沟工艺作为一种先进的污水生物处理技术,在我国将具有广阔的推广应用前景,但国外的先进工艺和技术、设备往往是专利,特别是曝气设备,国内在这方面的技术水平与国际先进水平还有较大的差距,因此,应加速对国外氧化沟技术的研究和吸收,结合我国的实际情况,运用微生物生化反应∀电子计量学#基础上的SND脱氮理论。提高我国的氧化沟设计和应用水平,开发自己的专利产品,为我国的环保事业服务。[参考文献][1]周少奇,方汉平.低COD/N%NH4+比废水的同时硝化反硝化生物处理策略[J].环境污染与防治.2000,22(1:18~21.[2]DaiggerGT,LittletonHX.Orbal氧化沟同时硝化反硝化及生物除磷的机理研究.中国给水排水.1999,15(3:1~7[3]颜秀勤,张悦,郑兴灿,等