同步硝化反硝化SND

同步硝化反硝化SND

根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行，或者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；实际上，较早的时期，在一些没有明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中，人们就层多次观察到氮的非同化损失现象，在曝气系统中也曾多次观察到氮的消失。

在这些处理系统中，硝化和反硝化反应往往发生在同样的处理条件及同一处理空间内，因此，这些现象被称为同步硝化/反硝化（SND）。

一、同步硝化反硝化的优点

对于各种处理工艺中出现的SND现象已有大量的报道，包括生物转盘、连续流反应器以及序批示SBR反应器等等。与传统硝化-反硝化处理工艺比较，SND 具有以下的一些优点：

1、能有效地保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；

2、减少传统反应器的容积，节省基建费用；

3、对于仅由一个反应池组成的序批示反应器来讲，SND能够降低实现硝化-反硝化所需的时间；

4、曝气量的节省，能够进一步降低能耗。

因此SND系统提供了今后降低投资并简化生物除氮技术的可能性。

二、同步硝化反硝化的机理

1、宏观环境

生物反应器中的溶解氧DO主要是通过曝气设备的充氧而获得，无论何种曝气装置都无法使反应内氧气在污水中充分混匀。最终形成反应器内部不同区域缺氧和好氧段，分别为反硝化菌和硝化菌的作用提供了优势环境，造成了事实上硝化和反硝化作用的同时进行。除了反应器不同空间上的溶氧不均外，反应器在不同时间点上的溶氧变化也可以导致同步硝化/反硝化现象的发生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反应器在曝气反应阶段，反应器内DO浓度历经减小后逐渐升高，并伴随的同步硝化/反硝化现象。

2、微环境理论

缺氧微环境理论是目前已被普遍接受的一种机理，被认为是同步硝化/反硝化发生的主要原因之一。这一理论的基本观点认为：在活性污泥的絮体中，从絮体表面至其内核的不同层次上，由于氧传递的限制原因，氧的浓度分布是不均匀的，微生物絮体外表面氧的浓度较高，内层浓度较低。在生物絮体颗粒尺寸足够大的情况下，可以在菌胶团内部形成缺氧区，在这种情况下，絮体外层好氧硝化菌占优势，主要进行硝化反应，内层为异样反硝化菌占优势，主要进行反硝化反应（如图）。除了活性污泥絮凝体外，一定厚度的生物膜中同样可存在溶氧梯度，使得生物膜内层形成缺氧微环境。

3、生物学解释

传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成，反硝化只能在缺氧条件下进行，近年来，好氧反硝化菌和异样硝化菌的存在已经得到了证实。

三、同步硝化反硝化影响因素

实现SND的关键在于对硝化反硝化菌的培养和控制，目前国内外研究认为对影响硝化反硝化菌的因素如下。

1、溶解氧

DO的影响对同步硝化反硝化至关重要，研究表明，通过控制DO浓度，使硝化速率与反硝化速率达到基本一致才能达到最佳效果。

2、有机碳源

有机碳源对整个同步硝化反硝化体系的影响尤为重要。研究表明，有机碳源含量低则反硝化满足不了要求；有机碳源含量高则不利于氨氮去除。

3、微生物絮体结构

微生物絮体结构不但影响生物絮体内DO的扩散，而且影响碳源的分布，絮体结构大小、密实度适中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮体的同步硝化反硝化能力随活性污泥絮体大小的增加而提高。

4、pH值

同步硝化反硝化值在7.5左右时最合适。硝化菌最适pH为8.0~8.4，而反硝化菌最适pH为6.5~8.0.

5、温度

同步硝化反硝化温度在10~20℃时最适。硝化菌在20~25℃时性能减退，亚硝化反之。25℃时亚硝化性能最高。25℃后，亚硝酸菌受游离氨的抑制明显。

四、同步硝化反硝化主流工艺——MBBR

MBBR是结合悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的高效新型反应器，基本设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的活性载体，悬浮填料能与污水频繁多次接触，逐渐在填料表面生长出生物膜( 挂膜) ，强化了污染物、溶解氧和生物膜的传质效果，即而 MBBR 被称为“移动的生物膜”。基于迄今SND机理研究，综合微环境和生物学理论，MBBR生物膜内SND可能存在的反应模式是，分布于生物膜好氧层的好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧反硝化细菌与分布于生物缺氧层的厌氧氨氧化菌、自养型亚硝酸细菌和反硝化细菌相互协作，最终达到脱氮目的。

MBBR是依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，不仅提供了宏观和微观的好氧和厌氧环境，还解决了自养硝化菌、异养反硝化菌与异养细菌的DO之争和碳源之争。故MBBR可实现硝化和反硝化两个过程的动力学平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的条件，能实现MBBR同步硝化反硝化脱氮。

MBBR同步硝化反硝化控制因素

实现 MBBR 同步硝化反硝化的关键技术是控制 MBBR 内硝化和反硝化的反应动力学平衡，解决自养硝化菌和异养细菌的DO之争及反硝化菌和异养细菌的碳源之争等，故实现其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧浓度、温度和酸碱度等。

1、填料

MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一个载体的外形为直径10mm、高8mm 的小圆柱体，圆柱体中有十字支撑，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的0.95，即在一个充满水和填料的容器中，每一个填料中水占的体积为95%。考虑到填料旋转以及总容器容积，填料的填充比被定义为载体所占空问的比例，为了达到最好的混合效果，填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的，一般为

700m2/m3。当生物膜在载体内部生长时，实际有效利用的比表面积约为

500m2/m3。

此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长，形成较稳定的生物膜，并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时，例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时，采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料，当已有较好的预处理或用于硝化时，采用比表面积大的生物填料。

2、溶解氧(DO)

DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素，通过对DO浓度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区，这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。

从理论上讲，当DO质量浓度过于高时，DO能穿透到生物膜内部，使其内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO浓度很低，就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低)，但由于DO供应不足，MBBR工艺硝化效果下降，使得出水氨氮浓度上升，从而导致出水TN上升，影响最终的处理效果。

通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值：当DO质量浓度在2mg/L以上时，DO对MBBR硝化效果的影响不大，氨氮的去除率可达97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO质量浓度在1.0mg/L左右时，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮浓度有明显上升。另外，曝气池内DO也不宜过高，溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活