賈艷萍，賈心倩，劉 印，張德義，田 夢(mèng)

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

氮、磷等物質(zhì)排入江河易導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為，廢水中氨氮必須經(jīng)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)過(guò)程，才能夠達(dá)到脫氮目的，這是因?yàn)橄趸头聪趸^(guò)程中微生物生長(zhǎng)的環(huán)境有很大差異，硝化反應(yīng)需要有氧氣存在的環(huán)境，而反硝化則需在厭氧或缺氧環(huán)境中進(jìn)行。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)工程實(shí)踐中遇到的現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)行了研究，以傳統(tǒng)的生物法脫氮理論作基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可以在同一操作條件下同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，即同步硝化反硝化(簡(jiǎn)稱SND)，它使傳統(tǒng)工藝中分離的硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程合并在同一個(gè)反應(yīng)器中，避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽及硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽這兩個(gè)多余的反應(yīng)，從而可節(jié)省約25%的氧氣和40%以上的有機(jī)碳，在反應(yīng)過(guò)程中不需要添加堿度和外加碳源。與傳統(tǒng)工藝相同處理效果情況下減少了20%的反應(yīng)池體積，需要更低的溶解氧濃度(1.0 mg/L左右)，無(wú)混合液的回流以及反硝化攪拌設(shè)施[1，2]。因此，SND簡(jiǎn)化了生物脫氮工藝流程，減少了運(yùn)行成本。它突破了傳統(tǒng)的生物脫氮理論，簡(jiǎn)化了脫氮反應(yīng)發(fā)生的條件和順序，強(qiáng)化了生物脫氮過(guò)程，使傳統(tǒng)的生物脫氮理論發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 同步硝化反硝化作用機(jī)理

SND的脫氮機(jī)理可以從宏觀環(huán)境理論、微環(huán)境理論和微生物學(xué)理論三個(gè)方面加以解釋

1.1 宏觀環(huán)境理論

一般來(lái)說(shuō)，反應(yīng)中所需的DO都是通過(guò)曝氣來(lái)供給，不同的曝氣裝置會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)DO的分布狀態(tài)不同。但是在好氧條件下的活性污泥脫氮系統(tǒng)中，無(wú)論哪種曝氣裝置都無(wú)法保證反應(yīng)器中的DO在廢水中分布均勻，例如:在SBR反應(yīng)器中，曝氣并不能保證整個(gè)反應(yīng)器中DO完全處于均勻的混合狀態(tài)，缺氧區(qū)域的存在就為該反應(yīng)器中成功實(shí)現(xiàn)SND提供了可能。

1.2 微環(huán)境理論

微環(huán)境理論是目前解釋SND現(xiàn)象普遍接受的觀點(diǎn)。這種理論認(rèn)為，微生物個(gè)體一般情況下非常微小，所以環(huán)境的微小變化也會(huì)不同程度的影響微生物的生存，污泥絮體內(nèi)部DO濃度的分布如圖1所示。

整個(gè)主體相中DO分布均勻，但是當(dāng)DO向污泥絮體內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)受到一定的限制，所以在絮體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散層、好氧區(qū)、缺氧區(qū)這樣一個(gè)DO梯度。微生物絮體的外層區(qū)域即擴(kuò)散層和好氧區(qū)DO濃度較高，以好氧菌、硝化菌為主，在該區(qū)域有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。隨著DO擴(kuò)散深入到微生物絮體內(nèi)部，由于氧的傳遞受阻和擴(kuò)散層、好氧區(qū)中DO逐漸減少，在絮體內(nèi)造成缺氧環(huán)境，此時(shí)有利于反硝化菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)了反硝化的進(jìn)行。微生物絮體內(nèi)存在缺氧區(qū)域是實(shí)現(xiàn)SND的主要原因，然而缺氧環(huán)境的形成主要取決于DO濃度的大小和絮體的結(jié)構(gòu)。DO濃度過(guò)高就會(huì)擴(kuò)散至污泥絮體內(nèi)部，無(wú)法形成缺氧區(qū)域，就不能實(shí)現(xiàn)SND;濃度過(guò)低滿足不了擴(kuò)散層、好氧區(qū)硝化反應(yīng)所需的DO，進(jìn)而降低脫氮效果。因此，控制DO濃度以及微生物絮體的結(jié)構(gòu)是成功實(shí)現(xiàn)SND的關(guān)鍵。

圖1 微生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)和基質(zhì)濃度的分布示意圖(雙氧區(qū)模型)

1.3 微生物學(xué)理論

2 同步硝化反硝化的主要影響因素

SND影響因素主要包括溶解氧(DO)、碳源、污泥濃度、pH值、溫度等。

2.1 溶解氧(DO )

DO濃度是影響SND的重要參數(shù)之一。系統(tǒng)中的DO應(yīng)滿足有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)，但是溶解氧濃度不能太高。當(dāng)DO較高時(shí)，它對(duì)生物絮體的穿透能力逐漸增大，DO擴(kuò)散至污泥絮體內(nèi)部，缺氧微環(huán)境很難形成。另外，O2接受電子的能力高于，抑制了反硝化細(xì)菌的活性，降低反硝化效果;DO過(guò)低，滿足不了硝化反應(yīng)所需的DO，同樣會(huì)影響脫氮效果?？梢?jiàn)，在SND工藝中有效地控制DO在適宜的范圍極其重要。Christine Helmer和 Sabine Kunst[5]在 SBR系統(tǒng)中將 DO控制在1 mg/L時(shí)，TN去除率最高達(dá)到50%。Puznava等[6]在曝氣濾池中通過(guò)DO在線控制，使TN去除率達(dá)到60－70%。國(guó)內(nèi)關(guān)于溶解氧對(duì)SND的影響也進(jìn)行了研究，彭趙旭等[7]采用SBR反應(yīng)器研究SND時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DO為0.45 mg/L、C/N為8.32時(shí)，可以最大程度地利用原水中的碳源進(jìn)行SND作用，SND率為42.66%;趙玲與張之源[8]研究復(fù)合SBR中SND時(shí)發(fā)現(xiàn)，控制DO在3－5 mg/L，SND現(xiàn)象最明顯，可以達(dá)到最佳的脫氮效果，此時(shí)TN去除率達(dá)到80%，而當(dāng)DO大于5 mg/L或小于3 mg/L時(shí)，脫氮效果及反硝化速率明顯下降。以上這些研究說(shuō)明只有保持適當(dāng)DO才能實(shí)現(xiàn)含碳有機(jī)物氧化、硝化和反硝化，硝化速率和反硝化速率越接近，SND效率越高。

2.2 碳源

有機(jī)碳源是微生物生長(zhǎng)和繁殖所需能量的主要來(lái)源，同時(shí)也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)SND的關(guān)鍵因素之一。有機(jī)碳源濃度過(guò)高，異養(yǎng)菌活動(dòng)旺盛，會(huì)抑制硝化反應(yīng)，硝化不完全必然會(huì)影響反硝化效果;碳源不足，導(dǎo)致反硝化過(guò)程受阻，同樣SND效果也不好。因此，對(duì)于SND體系來(lái)說(shuō)，硝化與反硝化同時(shí)發(fā)生，相互制約，使得有機(jī)碳源在整個(gè)SND反應(yīng)體系占有不可忽視的地位。

2.3 污泥濃度(MLSS)

污泥濃度也是影響SND的一個(gè)重要因素。如果污泥濃度過(guò)低，曝氣時(shí)絮體表面更新速率加快，DO的擴(kuò)散阻力降低，很容易進(jìn)入絮體內(nèi)部，絮體內(nèi)缺氧區(qū)域比例的降低不利于反硝化，進(jìn)而影響SND的效率;污泥濃度過(guò)高，如果DO不足就會(huì)導(dǎo)致硝化反應(yīng)受阻，甚至?xí)霈F(xiàn)菌類死亡。Pochana等[13]采用動(dòng)態(tài)微生物絮體模型發(fā)現(xiàn)絮體平均直徑為382 μm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)98.5%的SND;當(dāng)平均直徑減小到155 μm時(shí)，只能達(dá)到26.3%的SND。高廷耀等[14]研究表明，活性污泥濃度控制在5000 mg/L左右，溶解氧控制在0.5－1.0 mg/L，可以實(shí)現(xiàn)SND;李曉璐等[15]認(rèn)為在一定的污泥濃度范圍內(nèi)，隨污泥濃度的降低(即污泥負(fù)荷量的增強(qiáng))，反硝化反應(yīng)越強(qiáng)，污泥濃度為5200 mg/L(即污泥負(fù)荷較重)時(shí)反應(yīng)效果最佳，TN的去除率達(dá)到99.1%;齊唯等[16]認(rèn)為在一定C/N值下污泥濃度的變化影響了氧的傳遞，進(jìn)而影響了SND。當(dāng)C/N值為5時(shí)，保證了的去除率，但此時(shí)的好氧反硝化條件較差，出水殘留較高濃度的，TN去除率只有49.4%;當(dāng)C/N值增加到10時(shí)，污泥濃度增加，氧的傳遞受到限制，大幅度提高了系統(tǒng)的好氧反硝化效率，出水殘留的很低，但相反使的去除率降低;當(dāng)C/N值增加到15時(shí)，污泥濃度繼續(xù)增加，氧的傳遞進(jìn)一步受到限制，但此時(shí)TN去除率基本保持不變，出水濃度依舊很低。

2.4 pH 值

pH是影響SND的又一個(gè)重要因素。不同微生物所適應(yīng)的pH值范圍各不相同，硝化細(xì)菌是生物硝化過(guò)程的主體，硝化細(xì)菌的活性和數(shù)量決定了硝化作用的強(qiáng)弱，最適宜的pH值為8.0－8.4;而對(duì)于反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，最適宜的pH值為6.5－7.5，硝化菌和反硝化菌對(duì)pH值的變化十分敏感，超出適宜的范圍后兩種細(xì)菌的活性會(huì)大大降低?？梢?jiàn)，對(duì)于SND體系，必須尋找一個(gè)適宜的pH值范圍，使硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)均能高效進(jìn)行，進(jìn)而得到理想的TN去除率。Hong W Zhao等[17]認(rèn)為，由于在SND工藝硝化過(guò)程中消耗的堿度和反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的堿度具有一定的互補(bǔ)性，最適pH值為7.5左右;鄒聯(lián)沛等[18]通過(guò)MBR研究了pH值對(duì)SND的影響，通過(guò)pH的實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比可知，MBR中實(shí)現(xiàn)SND的最佳pH值約為7.2;方茜等[19]考察污泥齡及pH值對(duì)SBR反應(yīng)器SND的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，偏高或偏低的pH值均會(huì)影響SND過(guò)程中的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，pH值在中性和略偏堿性的范圍內(nèi)有利于反應(yīng)器內(nèi)SND的發(fā)生;杜馨[20]在SBR－SND脫氮技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，適宜SND生物脫氮的pH值在7.5－8.0之間，系統(tǒng)在此范圍內(nèi)運(yùn)行，出水TN去除率均可達(dá)92%以上。

2.5 溫度

溫度在12－14℃或高于30℃時(shí)，活性污泥中的硝酸細(xì)菌活性會(huì)受到嚴(yán)重抑制，出現(xiàn)積累。在一般情況下，當(dāng)溫度在15－30℃時(shí)，硝化反應(yīng)生成的亞硝酸可以完全被氧化為硝酸，而反硝化反應(yīng)的適宜溫度為20－40℃。綜上可知，亞硝酸菌與硝酸菌具有不同的最適生長(zhǎng)溫度。在不影響亞硝酸細(xì)菌活性的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度抑制硝酸菌實(shí)現(xiàn)SND是一種可行的途徑。Hungseok Yoo[21]研究表明，亞硝酸型硝化在22－27℃，或者不低于15℃的情況下都可以實(shí)現(xiàn)SND;荷蘭的Delft大學(xué)通過(guò)控制溫度設(shè)計(jì)了SHARON工藝[22]，在30－35℃下，該工藝通過(guò)控制HRT來(lái)淘汰硝酸菌，使亞硝酸菌成為整個(gè)硝化過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)菌，從而成功的實(shí)現(xiàn)SND。張立秋等[23]研究了常溫(25－27℃)下SBBR中如何實(shí)現(xiàn)亞硝酸型SND，考察了ρ(C)/ρ(N)對(duì)SBBR系統(tǒng)SND的影響，采用SBBR法處理城市污水實(shí)現(xiàn)SND較為適合的ρ(C)/ρ(N)為5－8，亞硝酸鹽的積累率高于85%，TN去除率高于80%;張可方等[24]研究得出，當(dāng)溫度為21－35℃時(shí)，序批式生物膜反應(yīng)器中能有效實(shí)現(xiàn)亞硝酸型SND。

3 結(jié) 論

作為一種新興污水生物脫氮理論，同步硝化反硝化解決了傳統(tǒng)生物脫氮工藝中存在的碳源供求矛盾和泥齡控制問(wèn)題，具有簡(jiǎn)化工藝流程、提高脫氮效率、節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來(lái)污水處理生物脫氮的重要方法之一。由于SND的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要較為嚴(yán)格的微生物生長(zhǎng)所需的外部環(huán)境條件，影響其發(fā)生的因素較多，而目前的大部分研究集中在采用SND方式處理模擬廢水上，并取得了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，而對(duì)實(shí)際廢水的處理研究的尚少，可在以后的研究中探索SND在實(shí)際污水中應(yīng)用的可行性，得到SND處理實(shí)際污水的最佳工藝參數(shù)，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型確定SND最佳運(yùn)行工藝條件，完善活性污泥生物脫氮系統(tǒng)，構(gòu)建廢水生物脫氮系統(tǒng)的數(shù)字化模型，根據(jù)數(shù)字化模型對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高活性污泥系統(tǒng)生物脫氮處理工藝的效果。

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