同步硝化反硝化綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上同步硝化反硝化研究進(jìn)展摘要:同步硝化反硝化工藝同傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比,可以節(jié)省碳源,減少曝氣量,減少設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn),具有很大的研究應(yīng)用前途。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究,介紹其主要機(jī)理，分析同步硝化反硝化實(shí)現(xiàn)條件和影響因素，并且提出了研究展望。關(guān)鍵詞:同步硝化反硝化;微環(huán)境;生物脫氮;好氧反硝化Study Progress on Simultaneous Nitrificationand DenitrificationAbstract: Simultaneous nitrification and denitrification (SND) has some obviou

2、s merits in comparison with traditional method for nitrogen removal. This method could reduce energy consumption and construction cost. The paer made a summary on current domesticand foreign study status of simultaneous nitrification and denitrification (SND) in waste water treatment, and made a the

3、oretical explanation for the phenomenom of nitrification and denitrification.The author alsosummarized the practice and influencing facts of SND process and put forward some suggestions for futher study of SND.Key words: Simultaneous nitrification and denitrification;Microbiology;Biological nitrogen

4、 removal; Aerobic denitrification前言：根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論,脫氮途徑一般包括硝化和反硝化2個(gè)過(guò)程,硝化過(guò)程是氨通過(guò)亞硝酸鹽向硝酸鹽的自養(yǎng)型轉(zhuǎn)換,主要是由化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌硝化細(xì)菌完成的,反硝化過(guò)呈程則被認(rèn)為是在嚴(yán)格的厭氧條件下完成的。硝化和反硝化2個(gè)過(guò)程需要在2個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行,或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。然而,最近幾年國(guó)外有不少實(shí)驗(yàn)和報(bào)道證明存在同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification, 簡(jiǎn)稱SND),尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于不同的生物處理系統(tǒng)

5、中, 如生物轉(zhuǎn)盤、SBR、氧化溝、CAST、MBR、SMBR等工藝。在SND工藝中,硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物,因此,整個(gè)反應(yīng)過(guò)程加快,水力停留時(shí)間可縮短,反應(yīng)器容積也可相應(yīng)減小。在廢水脫氮工藝中,有機(jī)物氧化、硝化和反硝化在反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn),既提高脫氮效果,又節(jié)約了曝氣和混合液回流所需的能源。另外在SND工藝中,反硝化反應(yīng)中所釋放出的堿度可部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所需要的堿,使系統(tǒng)的pH值相對(duì)穩(wěn)定,在反應(yīng)過(guò)程中,碳源對(duì)硝化反應(yīng)有促進(jìn)作用,同時(shí)也為反硝化提供了碳源,減少或使系統(tǒng)無(wú)需添加外碳源。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者也越來(lái)越多的關(guān)注SND技術(shù)的發(fā)展,并且進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)性的研究和應(yīng)用。1同步硝化反硝化

6、的機(jī)理研究1.1微環(huán)境理論微環(huán)境理論是從物理學(xué)角度對(duì)同步硝化反硝化現(xiàn)象進(jìn)行解釋,該理論考慮活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種生態(tài)因子(如溶解氧、有機(jī)物、NO2- 或NO3-等物質(zhì))的傳遞與變化,各類微生物的代謝活動(dòng)及其相互關(guān)系,以及微環(huán)境的物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的變化。微環(huán)境理論認(rèn)為:由于微生物個(gè)體形態(tài)非常微小,一般屬微米級(jí),影響生物的生存環(huán)境也是微小的,而宏觀環(huán)境的變化往往會(huì)導(dǎo)致微觀環(huán)境的變化或不均勻分布,從而影響微生物群體或類型的活動(dòng)狀態(tài),并在某種程度上出現(xiàn)宏觀環(huán)境與不一致的現(xiàn)象。同步硝化反硝化微環(huán)境理論是建立在好氧硝化和缺氧反硝化相互獨(dú)立的理論之上,主要強(qiáng)調(diào)DO濃度和污泥絮凝體尺寸或生物

7、膜厚度的作用。許多研究表明,溶解氧控制在0.5mg/L1.0mg/L時(shí),可以在活性污泥或生物膜體系中獲得較高程度的同步硝化反硝化作用,而在相同溶解氧濃度下,同步硝化反硝化程度受污泥絮凝體尺寸和生物膜厚度影響。1.2微生物學(xué)理論在用生物轉(zhuǎn)盤處理垃圾滲濾液時(shí),用機(jī)械方法使生物膜均質(zhì),以破壞可能存在的厭氧區(qū),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在氧的濃度為1mg/L且未加碳源的條件下,有近90%的氨氮去除,但只有少量的硝酸鹽產(chǎn)生,也未發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。他們推測(cè)在生物膜上生長(zhǎng)著一群自氧型微生物可以進(jìn)行好氧反硝化,但也不排除存在異養(yǎng)型硝化菌的可能性。20 世紀(jì)80 年代以來(lái),生物科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)微生物如熒光假單胞菌( Pseudo

8、monas flures2 cens)、糞產(chǎn)堿(Alcaligenes facealis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginos)、致金色假單胞菌(Pseudomonasaureofaciena)等都可以對(duì)有機(jī)或無(wú)機(jī)氮化合物進(jìn)行異養(yǎng)硝化。與自養(yǎng)型硝化菌相比較,異養(yǎng)型硝化菌的生長(zhǎng)速率快、細(xì)胞產(chǎn)量高,要求的溶解氧濃度低,能忍受更酸性的生長(zhǎng)環(huán)境。反硝化一般是反硝化細(xì)菌在缺氧或低溶解氧條件下利用有機(jī)物的氧作為能量來(lái)源,以我NO2-和NO3-作為無(wú)氧呼吸時(shí)的電子受體而實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行硝化細(xì)菌純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)以及處理垃圾滲透液的研究中均發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化現(xiàn)象的存在。好氧

9、反硝化細(xì)菌和異養(yǎng)硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn),打破了傳統(tǒng)理論認(rèn)為的硝化反應(yīng)只能由自養(yǎng)型細(xì)菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進(jìn)行的觀點(diǎn)。而且Robertson認(rèn)為好氧反硝化菌也能進(jìn)行異養(yǎng)硝化,這樣反硝化菌就可以在有微量氧存在的條件下直接把氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物去除,就此提出了好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的工作模型,如圖2所示。Thiosphaera pantotropha 以及其他好氧反硝化菌利用硝酸鹽/亞硝酸鹽的呼吸作用(好氧反硝化)、氨氧化(異氧硝化)以及最后一步中聚羥丁酸(PHB)的形成作為過(guò)量還原能量的轉(zhuǎn)換。同時(shí), Robertso指出好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的反應(yīng)速率隨溶解氧濃度的增加而減小。2影響同步硝化反硝化的因素

10、 2.1溶解氧(DO)控制系統(tǒng)的溶解氧在一定范圍內(nèi),對(duì)獲得高效的同步硝化反硝化具有極其重要的意義。系統(tǒng)中的DO首先應(yīng)足以滿足有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)的需要,使硝化反應(yīng)充分,其次DO濃度又不能太高,以便能在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO濃度梯度,促進(jìn)缺氧微環(huán)境的形成,同時(shí)使系統(tǒng)中有機(jī)底物不致于過(guò)度消耗而影響了反硝化碳源的需求。對(duì)不同的水質(zhì)和不同粒徑、密實(shí)度的污泥絮體, DO濃度的控制也會(huì)有所不同。資料表明,各種不同構(gòu)筑物發(fā)生SND的DO濃度范圍也各異:四槽式氧化溝為0.3mg/L0.8mg/L,半間歇式活性污泥法工藝為0.3mg/L.5 mg/L,附著生長(zhǎng)反應(yīng)器系統(tǒng)中為1.0mg/L2.0mg/L等,大多生

11、產(chǎn)實(shí)驗(yàn)性的結(jié)果為0.5mg/L1.0mg/L。對(duì)于不同的水質(zhì)和不同的工藝,實(shí)現(xiàn)SND的具體DO濃度水平需要在實(shí)踐中確定?？梢钥隙? SND系統(tǒng)中的DO比傳統(tǒng)生物脫氮工藝中的DO低得多,屬于低DO下的硝化反硝化脫氮工藝,這顯然具有重要的實(shí)踐意義。 2.2污泥有機(jī)負(fù)荷(F/M)污泥有機(jī)負(fù)荷是影響同步硝化反硝化效果的另一關(guān)鍵因素,有機(jī)負(fù)荷增加會(huì)降低氨氮的去除率。溶解氧濃度低而污泥負(fù)荷相對(duì)高時(shí),微生物生存的微環(huán)境中缺氧微環(huán)境占有較大比例,硝化反應(yīng)受到抑制;隨著污泥有機(jī)負(fù)荷的降低,微生物生存的微環(huán)境形成好氧、缺氧微環(huán)境共存并達(dá)到平衡,同時(shí)硝化反硝化取得較好的效果;污泥有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步降低,微生物生存的微環(huán)

12、境中好氧微環(huán)境占有優(yōu)勢(shì),反硝化反應(yīng)受到抑制,總氮的去除率下降。同濟(jì)大學(xué)周仰原在實(shí)驗(yàn)中得出曝氣池內(nèi)溶解氧濃度為0.5mg/L時(shí),達(dá)到最佳同步硝化反硝化效果的污泥有機(jī)負(fù)荷為0.3kgCOD/kgMLSS·d,而曝氣池內(nèi)溶解氧濃度為0.3 mg/L時(shí),達(dá)到最佳同步硝化反硝化效果的污泥有機(jī)負(fù)荷為0.15kgCOD/kgMLSS·d。2.3有機(jī)碳源有機(jī)碳源作為生物生長(zhǎng)代謝必需的物質(zhì)和能量來(lái)源,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)完全生物反硝化的最關(guān)鍵因素之一。對(duì)于同步硝化反硝化體系,由于硝化與反硝化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生,相互制約,使得有機(jī)碳源對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系的影響尤為重要。對(duì)于同步硝化反硝化體系來(lái)說(shuō),存在一個(gè)碳源的濃

13、度范圍,使得氨氮的降解能達(dá)到一個(gè)較高的水平。有機(jī)碳源濃度過(guò)低,滿足不了反硝化的需要,濃度過(guò)高,使得硝化菌的同化作用占優(yōu)而不利于氨氮的去除。胡宇華得出的同步硝化反硝化C:N:P的最佳范圍(60140):5:1,保證99.5%的氨氮去除率的有機(jī)碳源濃度為400mg/L1000mg/L。李叢娜的實(shí)驗(yàn)表明,增加有機(jī)物濃度,提高C/N比,可提高同步硝化反硝化效果。在碳源的投加方式上,一些學(xué)者也進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的碳源投加方式往往是一次性在曝氣的開(kāi)始段投加,胡宇華等認(rèn)為采用易降解的有機(jī)物作為碳源,難以保證反應(yīng)后期的C/N比維持在反應(yīng)所需水平,因此,在SBR系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)了分批補(bǔ)料的方式,獲得了很好的氨氮去除效果

14、。2.4氧化還原電極電位(ORP)ORP是影響SND的重要因素之一,通過(guò)控制系統(tǒng)中的ORP在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可以獲得較好的效果。一般情況下,較高ORP有利于SND 的發(fā)生。一些研究表明,ORP與DO、PH等有著密切的關(guān)系,通過(guò)控制ORP,可以間接控制DO濃度,進(jìn)而控制SND。C Collivignavelli等研究了ORP對(duì)SND的影響,認(rèn)為最佳范圍應(yīng)當(dāng)根據(jù)進(jìn)水的特征來(lái)確定。系統(tǒng)中高ORP值促進(jìn)了完全反硝化反應(yīng)的進(jìn)行,出水中NO3- 較高,而低ORP值會(huì)使得出水中NH3濃度升高。G Bertanza在延時(shí)曝氣污水廠的改造過(guò)程中研究了ORP與DO的雙重控制對(duì)SND的影響,認(rèn)為較高的ORP有利于氮的去

15、除,最佳ORP為150mv200mv。許多的研究都認(rèn)為通過(guò)測(cè)量ORP和DO的雙重控制比單純測(cè)量DO的控制言效果要好得多,這是因?yàn)椴粌H涉及到濃度水平,還涉及到有利于SND實(shí)現(xiàn)的其他因素；ORP值不僅是由O2/OH-的平衡決定,而且還由NO3-/NH4+(通常起主導(dǎo)作用)及NO2-/NH4+ 等決定。2.5絮凝體結(jié)構(gòu)絮凝體結(jié)構(gòu),主要指活性污泥顆粒的濃度、大小等,這些特性直接影響著缺氧微環(huán)境形成以及穩(wěn)定程度。如果活性污泥濃度較低,由于曝氣的攪動(dòng)、湍動(dòng)加劇,將會(huì)使活性污泥絮凝體表面更新速率加快,很難形成缺氧微環(huán)境,因而難以產(chǎn)生反硝化作用。有的實(shí)驗(yàn)采用省去初沉池的辦法,使進(jìn)入曝氣池的混合液內(nèi)懸浮小顆粒增

16、加,在曝氣池中起到懸浮載體的作用,大量吸附有機(jī)質(zhì),增大了系統(tǒng)的脫氮能力。但是生物絮凝體的密實(shí)度不應(yīng)過(guò)大,以防止水中的污染物質(zhì)難以滲透至絮凝體內(nèi)部,使絮凝體內(nèi)部的微生物難以接觸到碳源,影響了同步反硝化。有研究表明,將活性污泥濃度控制在5g/L左右,溶解氧控制0.5mg/L1.0mg/L,可以形成較好的缺氧微環(huán)境,促進(jìn)同步硝化反硝化。一般認(rèn)為,絮凝體粒徑越大,溶解氧進(jìn)入絮凝體的阻力越大, 容易在絮凝體內(nèi)部形成缺氧微環(huán)境,Pochana等采用動(dòng)態(tài)微生物絮體模型的研究表明:絮體平均直徑為382m時(shí),可實(shí)現(xiàn)98.5%的SND,當(dāng)平均直徑減小到155m 時(shí), 只能達(dá)到26.3%的SND。而Andreada

17、kis指出的適宜大小為10m70m。Klangduen和Jurg在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了絮凝體的減小可明顯影響SND的作用,并測(cè)出SND適宜的污泥絮凝體尺寸為50m110m。2.6pH值硝化菌對(duì)pH值的變化十分敏感，其生長(zhǎng)適宜的pH值為8.0-8.4之間。與此同時(shí)，對(duì)反硝化反應(yīng)最適宜的pH值是6.5-7.5，pH值高于8或者低于6時(shí)；反硝化速率將大為下降?？紤]到硝化和反硝化兩過(guò)程中堿度消耗與產(chǎn)生的相互性，同步硝化與反硝化的最適的: pH值應(yīng)為7.5左右2.7污泥齡(SRT)對(duì)于硝化菌來(lái)講,由于其增長(zhǎng)速率緩慢,世代周期長(zhǎng),要有效地截留硝化細(xì)菌,就應(yīng)該保證足夠長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間,但是污泥停留時(shí)間太長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致系

18、統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷過(guò)低,許多微生物由于得不到所需要的營(yíng)養(yǎng)會(huì)死亡,微生物的內(nèi)源呼吸作用也會(huì)增強(qiáng),這一方面可以補(bǔ)充污泥絮凝體內(nèi)部反硝化所需要的碳源,但是另一方面這些微生物代謝產(chǎn)物又有可能對(duì)硝化菌或反硝化菌產(chǎn)生抑制作用。并且過(guò)長(zhǎng)的污泥齡( SRT)可能導(dǎo)致污泥絲狀膨脹。S GLU等對(duì)MBR研究表明, SRT控制在30 d50 d實(shí)現(xiàn)碳和氮的同時(shí)去除的效果最好,在更低的SRT下,活性污泥會(huì)隨著剩余污泥的排除而流失,出水TN濃度相應(yīng)增加;而SRT更高, TN去除效率并沒(méi)有增加,但活性污泥混合液中積累的惰性溶解性有機(jī)物比例相應(yīng)增加,對(duì)膜污染影響更大。張鵬在活性污泥法系統(tǒng)中對(duì)同步硝化反硝化影響因素C/N比和DO濃度

19、正交實(shí)驗(yàn)研究表明,在SRT分別為30d、45d和60d時(shí), SRT為45d時(shí)的同步硝化反硝化效果最好。3同步硝化反硝化的應(yīng)用狀況3.1 采用SBR滯后期的工藝提出這種工藝的是韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院的環(huán)境研究中心。采用SBR，乙酸作為碳源，碳（COD）氮比為5：110：1，曝氣時(shí)間為72min,沉淀時(shí)間為48min,出水時(shí)間24min，在曝氣初期最小溶解氧濃度為0.4mgL，然后逐漸增大，在后期達(dá)到最大溶解氧的濃度為2.0-2.5mgL。該工藝碳的去除率為95%以上，氮的去除率也大于90%，曝氣時(shí)間為72min,正是利用了硝化桿菌30h的滯后期。3.2 單一反應(yīng)器通過(guò)亞硝酸鹽去除氨氮工藝（SHARON

20、）Delft技術(shù)大學(xué)在1997年提出了此工藝，其基本原理是使硝化反應(yīng)停留在亞硝酸階段，為了抑制亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，該工藝采用了高溫措施。因?yàn)樵诟邷貤l件下硝化桿菌同亞硝化單胞桿菌相比，增長(zhǎng)的速度明顯較低，這樣在完全混合反應(yīng)器里控制較短的水力停留時(shí)間，提供較高的溫度就可以將硝化桿菌去掉。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比，氧氣和甲醇分別節(jié)約了25%和40%。3.3 單一反應(yīng)器通好氧氨化工藝Linping Kual用SBR反應(yīng)器處理含氮濃度高的廢水實(shí)驗(yàn)中，在只提供微量氧DO在0.10.8mgL之間，大部分情況下低于0.5mgL并且不加碳源的情況下，將氨氮一步去除， 好氧氨化的反應(yīng)過(guò)程如下：4 同步硝化反硝化的研

21、究展望同步硝化反硝化技術(shù)的產(chǎn)生為今后污水處理降低投資并簡(jiǎn)化生物脫氮過(guò)程提供了可能性,目前同步硝化反硝化的研究在以下方面值得做進(jìn)一步深入的研究:(1)、由于SND的形成原因較為復(fù)雜,對(duì)于SND的機(jī)理性研究還應(yīng)進(jìn)一步深入,特別是微生物學(xué)的研究,進(jìn)一步研究SND的影響因素,建立SND中硝化和反硝化的動(dòng)力學(xué)模型；(2)、由于絮凝體微缺氧區(qū)的形成往往會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象,導(dǎo)致SND的處理效果會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),應(yīng)進(jìn)一步研究SND 顆粒污泥的培養(yǎng)方法,穩(wěn)定和提高SND的處理效果,完善SND過(guò)程的控制手段,提供工廠化的控制方案；(3)、研究發(fā)現(xiàn)兼性反硝化菌很強(qiáng)的生物攝/放磷能力,如何將脫氮除磷有機(jī)的結(jié)合起來(lái),探索一種

22、可持續(xù)城市污水生物處理技術(shù)成為研究熱點(diǎn)；(4)、同步硝化反硝化中將硝化過(guò)程控制在亞硝化階段可節(jié)省大量的碳源,如何調(diào)控反應(yīng)條件保持持久穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累也是近期研究的難點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1 Masuda S,Watanabe Y, IshiguroM. Bio-film properties and simultaneous nitrification and denitrification in aerobic rotating biological contactors J. Wat SciTech, 1991, 23:1355-1363.2 Elisabeth V Munch. Simulta

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