亚硝酸型硝化的控制途径

亚硝酸型硝化的控制途径
在简捷硝化反硝化的两个主要反应步骤中，反硝化技术容易控制实现，因此硝化过程中稳定持久的获得NO2-N成为技术关键，实现硝化出水NO2-N高比例的控制技术也成为研究重点。

目前能在一定时间内控制硝化处于亚硝酸阶段的途径有四种：①亚硝酸细菌的纯种分离与固定化技术；②控制温度造成不同增长速率形成“分选压力”的SHARON途径；③游离氨抑制硝酸细菌增长的选择性抑制途径；④控制硝化细菌基质造成两类细菌增长速率不同的氧缺乏竞争途径。

1 纯种分离与固定化技术途径
该途径的机理是利用纯种分离后富集培养的亚硝酸细菌固定化，从而维持反应器内菌群为纯亚硝酸细菌或以亚硝酸细菌为主体，从而实现硝化出水中NO2-N的高比例。

利用固定化微生物技术强化生物脱氮是近10年来生物脱氮领域研究的热点之一，利用固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇(PVA)等将亚硝酸细菌包埋后固定化，装于特别设计的反应器内，可以实现稳定的亚硝酸型硝化，在与反硝化细菌混合包埋固定化的条件下可以实现同步硝化反硝化，日本已出现了处理能力为11300m3/d的工业化装置［1］。

亚硝酸细菌纯种分离后固定化可以获得稳定的NO2-N积累，在技术实践中取得了一定成功，但该技术存在因固定化细菌退化使硝化能
力下降的问题，固定化细菌反应器经过一定时间的运行后需进行固定化细菌的替换或活化。

针对复杂的废水体系，解决经纯种分离后富集培养的亚硝酸细菌对实际高氨废水的适应性问题的关键是对采用混
合菌还是单一高效菌分级处理进行优化，同时降低固定化载体的成本并提高其使用寿命。

2 SHARON 工艺途径
SHARON工艺［2］的理论基础是在高温条件下(＞25℃)，亚硝酸细菌的增长速率高于硝酸细菌，完全混合反应器不进行污泥回流，因而污泥停留时间(SRT)等同于水力停留时间(HRT)，控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间，小于硝酸细菌的世代时间，实现硝酸细菌的“淘洗”，使反应器内主要为亚硝酸细菌。

该工艺的本质是通过控制环境温度造成两类细菌不同的增长速率，利用该动力学参数的不同造成“分选压力”。

此外，文献中也强调了pH值对两类细菌竞争的影响，认为除了温度外，pH值对于亚硝酸细菌与硝酸细菌的竞争以及获得出水中较低的NH4+-N浓度也非常重要。

SHARON工艺的成功在于：①利用了温度这一重要因素，提高了亚硝酸细菌的竞争能力；②利用完全混合反应器在无污泥回流条件下SRT与HRT的同一性，控制HRT实现硝酸细菌的“淘洗”；③实现对pH值的成功控制，较高的pH值不仅抑制了硝酸细菌，也消除了自由亚硝酸(FNA)对亚硝酸细菌的抑制。

该工艺的成功运行表明，亚硝酸型硝化控制因子的探讨是一个系统工程，任何一个控制因子的确定除
了要明确它本身会对两类硝化细菌的动力学特性产生何种影响外，还要将其他影响因素控制在有利于亚硝酸细菌的范围内。

如考察温度的影响时应同时考虑因温度变化导致的游离氨浓度与pH值的变化对亚硝酸型硝化的影响。

3 游离氨的选择性抑制途径
抑制途径的机理是利用特定的抑制因子抑制硝酸细菌而对亚硝酸细菌不抑制或抑制作用较轻，从而使反应器内亚硝酸细菌占优势，实现出水NO2-N高比例。

选择性抑制途径从根本上讲是硝化基质(FA)浓度超过硝酸细菌的转化利用阈值，而低于亚硝酸细菌的转化利用阈值。

其代表性理论是Anthonisen的选择性抑制学说。

Anthonisen及后来国内外许多亚硝酸盐氮积累研究者发现［3、4］：游离氨对两类硝化细菌的抑制作用(毒性)不同，硝酸细菌对游离氨的敏感性要高于亚硝酸细菌，并就FA对两类细菌的抑制浓度阈值进行了研究，通过试验发现0.6mg/L的FA几乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，从而使NO2-N的氧化受阻，出现NO2-N积累；而对亚硝酸菌只有当FA浓度＞5mg/L时才会对其活性产生影响，达到40mg/L 才会严重抑制亚硝酸氮的形成。

从这个结果出发的抑制选择性学说认为，通过调整pH值控制反应器内FA的浓度在抑制硝酸细菌而不抑制亚硝酸细菌的阈值内，可以抑制硝酸细菌的增长而使亚硝酸细菌成为反应器内硝化反应主体，实现亚硝酸型硝化。

为了阐明FA抑制的机理，Turk与Mavinic［5］精心设计了一套试
验系统，该系统由5个串联的完全混合反应器构成以使系统内形成推流流态。

第一个反应器的控制处于反硝化运行，pH值较高，FA浓度控制在抑制硝酸细菌而不抑制亚硝酸细菌的范围内；通过第一个反应器的活性污泥，其中硝酸细菌被认为受到抑制，因此在后续的反应器内应出现亚硝酸氮积累，试验结果却表明亚硝酸氮的积累并不稳定，分析原因是由于硝酸细菌能够逐渐适应不断升高的FA造成的。

Alleman等也在试验中发现了试验时间超过150d后出现硝化出水中NO2-N比例下降的问题。

由于对FA抑制选择学说的机理比较清楚，目前比较统一的认识是，对于高FA浓度，于变异与适应性的原因，硝酸细菌会逐渐适应高浓度FA，因而许多研究者在试验中发现出水中NO2-N比例不稳定的情况，而这是作为控制因素必须避免的。

4 Bernet的基质缺乏竞争途径
Kuai［6］、Hanaki［7］、王志盈［8］等在研究中发现了在低DO的条件下反应器出水中NO2-N浓度上升的现象。

许多研究者进行了利用控制DO实现亚硝酸型硝化的研究。

Bernet提出了基质缺乏竞争学说［9］，该学说的理论基础是两类硝化细菌对氧的亲和力不同，从亚硝酸细菌氧饱和常数低于硝酸细菌这一假设出发，证明了降低DO尤其是在DO＜1.0mg/L条件下对提高亚硝酸细菌的竞争力有利；受DO下降的影响，亚硝酸细菌与硝酸细菌的增长速率均下降，然而硝酸细菌的下降比亚硝酸细菌要快，导致亚硝酸细菌的增长速率超过
硝酸细菌，使生物膜上的细菌以亚硝酸细菌为主体，出现亚硝酸盐氮积累。

为了证明所提学说的正确性和DO作为亚硝酸型硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反应器进行了试验，试验过程分为完全硝化挂膜、一次降低DO、提高DO浓度、二次降低DO浓度等步骤，证明了在DO＜0.5mg/L条件下可以实现亚硝酸型硝化，出水中NO2-N 的比例在90%以上；并且在受到冲击后(DO浓度升高)能迅速恢复，但应该注意的是，试验系统在经过DO浓度升高冲击后，出水中NO2-N 比例下降了10% 。

低DO条件下亚硝酸型硝化的机理目前研究尚不十分透彻，因而存在不同观点，多数研究人员认为DO可以作为亚硝酸型硝化的控制因素，然而亚硝酸细菌和硝酸细菌的不同属在氧亲和力即氧饱和常数方面是有交叉的，亚硝酸细菌的氧饱和常数为0.6～3.6，硝酸细菌的氧饱和常数为0.3～1.7，不同条件下可能出现不同属的硝化细菌占优势，因而Bernet进行理论推导的假设是需要探讨的。

另外，在经过一次DO升高冲击后出水中NO2-N的比例下降了10%，这是否是硝酸细菌对低DO适应性增强造成的(因为氧饱和常数较低的硝酸细菌在反应器内也是存在的)?其下降的原因需要进一步研究。

5 结语
在工程实践中，由于废水的复杂性以及两类细菌在各方面的相似性，亚硝酸细菌与硝酸细菌会同时存在于反应器内；由于微生物的变
异性，采用抑制途径实现亚硝酸型硝化必然会导致微生物对不良环境的适应性，致使系统在运行过程中不耐冲击负荷，并且每次冲击都会使硝酸细菌因适应性增强而竞争性增强，导致系统运行失效。

SHARON工艺的成功运行表明，亚硝酸型硝化的稳定运行是各个影响因素共同作用的结果，控制因素的确定应从两类细菌不同的动力学特性出发并结合工程控制来实现；控制因素的确定应在考虑该因素对亚硝酸型硝化影响的同时，考察该因素变化对其他影响因素的影响以及这些影响因素的变化对亚硝酸型硝化的影响。

对于亚硝酸型硝化的影响因素应进行深入研究，特别是弄清楚其影响机理;同时研究不同的反应器形式与控制因素的合理结合，通过控制并辅以有利的反应器形式或运行方式实现稳定的亚硝酸型硝化。

沿海缺水城市住区海水利用技术
沿海地区是我国人口最多、经济最发达的地区，是我国对外开放的前沿和窗口。

由于经济的持续发展和人民生活水平的提高，对水的需求量越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的严重污染，使本来紧张的水资源的供需矛盾更加尖锐化。

滨海地区14个开放城市，有9个淡水供应不足，年缺水量60多亿立方米，特别是长江以北地区为资源性缺水，水资源严重短缺，其中青岛、烟台、天津、大连等沿海城市的水资源短缺问题严重制约了地区经济和社会的发展。

一些
岛屿，如舟山和长岛等的进一步开发，也受到水资源短缺的限制……
面对水资源的日趋紧缺，向占水总储量96.5%的海水要水，是势在必行的。

海水利用技术包括海水中提取淡水和利用海水代替淡水等技术，即通常所讲的海水淡化和海水直接利用等，是解决沿海地区淡水资源短缺的重要措施。

1.海水淡化与饮用水供应
1.1 国内外概况
从海水中提取淡水的技术和过程称为海水淡化。

海水淡化在国际上是40年代研究开发的，开始以蒸馏法为主，60年代又研究开发了反渗透技术，逐步形成了以蒸馏法和反渗透法（SWRO）为主的海水淡化产业。

蒸馏法以多级闪蒸（MSF）为主，另外有低温多效蒸馏（LT-MED）和低温压汽蒸馏（VC）等。

海水淡化已成为中东和北非地区、加勒比海和地中海中诸多岛屿等经济发展的生命线。

目前世界海水淡化产量为16.4×106m3/d（2000年），虽然MSF占海水淡化量的70%以上，但呈下降趋势，SWRO占14%，呈迅速上升趋势。

基于反渗透膜的进步和能量回收技术的高效，SWRO能耗已降到3kWh/m3，所以具有极强的竞争力。

近几年国际海水淡化招标中，RO法以投资省、成本低、占地少、投产快等优势而屡屡夺标。

我国于1958年开展电渗析（ED）海水淡化的研究，1967-1969
年组织了全国海水淡化会战，奠定了膜法和蒸馏法海水淡化的基础。

经科技攻关，使海水淡化技术（反渗透和低温多效）取得长足的进步。

1987年大港电厂从美国引进二套3000m3／d MSF海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应。

近年来,相继建成数座500-2500 m3/d 反渗透海水淡化厂，对我国沿海地区，特别是发电厂、缺水城镇和岛屿的经济发展，已开始发挥其独特的作用。

1.2海水淡化技术简介
RO主要以高脱盐率的中空纤维膜组件和卷式膜组件为关键部件在压力下进行淡化。

RO海水淡化厂最大规模达20万m3/d，由海水提取系统、预处理系统、反渗透系统、后处理系统、能量回收系统、供电系统和控制监测系统等构成，这可解决城市用水问题。

反渗透中型淡化厂200-2000m3/d很适于岛屿用水的供应。

日产1-20m3的小型RO器适于舰船、渔船、海上钻井平台和岛屿上的个体用户的需求。

由于膜脱盐率高，通量大，以及先进的能量回收装置，单级即可高效地将海水淡化为饮用水。

多级闪蒸厂最大规模达30多万m3/d，由预处理、盐水加热、热回收和排热四单元组成。

适用于大型海水淡化，解决城市用水问题。

但设备动力耗电高，易腐蚀和结垢。

难以适应我国国情。

现代的低温多效蒸发通常在低温段操作（700C以下），腐蚀和结垢较轻，设备寿命长，可利用廉价的铝合金传热管，可利用废热造水以降低成本，是蒸馏法中最具竞争力的。

1.3 海水淡化的经济性
经济性通常据投资费用和操作费用转化为单位脱盐水的成本来
衡量。

目前，最经济的SWRO的成本约为0.5$/m3淡水,若海水淡化与发电、供热和供汽以及海水综合利用相结合，再加上淡化技术本身的发展，其成本会进一步降低。

下面是国内的长岛1000m3/d SWRO示范工程的例子：
长岛1000m3/d SWRO示范工程的总投资732.6（万元），包括取水设备，预处理设备，高压泵，反渗透装置，产品水后处理设备，中央监控设备，仪表、阀门和药剂，土建厂房、设备运输、设计、安装和调试等。

制水成本5.13（元/m3淡水），包括膜更换费，维修费，试剂费用，电费(用电5.0kWh/m3)，折旧费和劳力等。

1.4住区海水淡化的考虑
1.4.1 以城镇为基础的供水作为城镇供水或部分城镇供水, 大、中型的海水淡化厂(每天数万至数十万吨)的淡化水经一定的后处理之后，并入原有的城镇供水系统中。

如中东、北非、冲绳和美国南部等。

1.4.2 以住区为基础的供水对无饮用水源的海岛或靠海的住区,可据实际需求情况，建造中小型海水淡化厂（每天数百至上万吨），也是可考虑的。

如国内的长岛、嵊泗和长海等。

1.4.3 以个别住地为基础的供水对远离城镇供水的个别海边住地，可直接选用小型海水淡化器（每天数吨至上百吨）来解决。

2.海水直接利用与沿海城市节水
2.1 国内外概况
用海水代替淡水的技术和过程就是常讲的海水直接利用。

用海水代替淡水作为工业用水、烟气脱硫、大生活用水和其它杂用水等。

美、欧、日等国家和地区年用海水作为冷却用水都近3千亿立方米。

而我国还不足200亿立方米，与发达国家相差甚远。

海水作工业冷却水，目前国内外都仍以直流冷却为主，且主要用于滨海火电、核电、化工和冶金等企业。

海水直流冷却技术具有深海取水温度低、冷却效果好和系统运行管理简单等优点；但也存在取水量大、工程一次性投资大、排污量大和海体污染明显等问题。

海水循环冷却技术在国外已有应用实例，最大的海水循环量达22 000立方米/小时，在我国尚处于研究阶段,千吨级示范工程正在进行中。

城市生活用水占城市供水的20%左右，而城市冲厕用水占城市生活用水的35%左右。

香港总人口690多万，香港海水冲厕起源于50
年代末，历经40年的发展，海水冲厕已形成体系，占总人口的78.5%。

每天冲厕用水约为52万立方米。

天津、青岛和大连等也有少部分靠海的小区采用海水冲厕。

2.2海水直接利用技术简介
海水冷却分海水直流冷却和海水循环冷却。

直流冷却是指原海水经换热设备进行一次性冷却后，即排放的过程；循环冷却是指原海水经换热设备完成一次冷却、再经冷却塔冷却后，循环使用的过程。

推广海水冷却，应解决海水取水、杀生、净化、防腐、防垢和防附着等问题。

海水直流冷却技术有近80年的发展历史，有关防腐蚀、
防海洋污损生物附着技术已基本成熟。

如大亚湾核电站和天津大港电厂年用直流冷却海水分别为35亿和17亿吨。

关于海水循环冷却系统和相关的防腐、阻垢和防污损生物附着和防盐雾飞溅等技术基本成熟，海水冷却塔技术，国外有专门公司开发，技术也是成熟的。

利用海水作为大生活用水是一项综合技术，它涉及海水取水、前处理、双管路供水、地下和屋顶贮水、卫生洁具、及系统的杀生、防腐、防渗和防生物附着技术；大生活用海水与城市污水系统混合后含盐污水的生化处理技术；合理利用海洋稀释自净能力将大生活用海水进行海洋处置的技术等。

防腐技术和防生物附着技术已基本成熟,大生活用海水技术的重点是高含盐量污水的生化处理技术和海洋处置技术。

2.3 海水直接利用的经济性和社会效益
推广海水直接利用作工业冷却水,社会和经济效益显著。

以威海华能电厂海水冷却系统为例，系统总投资7000万元，为发电容量85×104kw的机组提供18×105m3/d的直流冷却用海水，这包括海水取水设施，预处理设施，杀菌、灭藻和防生物附着，防腐和牺牲阳极保护等。

每kw的电, 冷却用海水投资不足百元.
推广应用海水作为大生活用水，对改善沿海缺水城市的居民的生活质量有重大的现实意义，也是缓解沿海城市淡水紧缺局面的有效措施之一，具有显著的社会效益和经济效益。

2.4住区海水直接利用的考虑
2.4.1 作为住区空调的冷却用水对水资源短缺的旁海住区，其
大型中央空调可考虑选用海水作为空调冷却用水，以节约淡水。

2.4.2作为住区的冲厠用水对新建的旁海住区，有合适条件的可考虑双管路供水系统，如香港那样，用海水冲厠，来节约淡水。

2.4.3作为住区的部分生态用水对新建的旁海住区景观建设中，在合适的有条件的地点可考虑用海水作为景观用水;可用海水的杂用水也尽量用海水。

结语
我国水资源匮乏，又是一海洋大国，沿海城市一半以上缺水，所以海水淡化和海水直接利用应作为解决沿海城镇和岛屿水资源不足
的重要的途径和方法之一。

海水淡化和海水直接利用在国内已有示范和部分工程实践，随着经济的持续发展和人民生活水平的提高，对海水淡化和海水直接利用的认识会进一步提高，对海水淡化和海水直接利用的需求会越来越大，海水淡化和海水直接利用将会为沿海地区经济发展和居民生活质量的改善更好地服务。