短程硝化反硝化工艺

短程硝化反硝化工艺简析

广东石油化工学院化工与环境工程学院环境08-1 冼真文

摘要 :指出短程硝化反硝化工艺是目前国内外生物脱氮技术研究应用的热点 ,通过介绍短程硝化反硝化工艺原理 ,分析了不同工艺稳定亚硝态氮积累实现短程硝化的工艺控制措施 ,对短程硝化反硝化工艺今后的研究和应用进行了展望。

关键词 :短程硝化反硝化；氨氧化细菌；硝化；反硝化

短程硝化反硝化工艺是目前国内外生物脱氮技术研究应用的热点。在生物脱氮硝化过程中,氨氧化细菌将氨氮氧化为亚硝态氮,亚硝酸盐氧化细菌将亚硝态氮氧化为硝态氮。控制硝化反应条件 ,使硝化反应只进行到亚硝态氮阶段并实现稳定的亚硝态氮积累,是各种短程硝化反硝化工艺稳定运行的关键。短程硝化反硝化工艺主要包括SHARON,OLAND 和CANON工艺 ,同时国内外专家学者也对SBR ,A/ O,MBR,曝气生物滤池等工艺的短程硝化反硝化进行了深入研究。

1 短程硝化反硝化原理

传统的脱氮工艺是将NH4+氧化成NO2-,再氧化成NO3-；起作用的分别是亚硝酸菌和硝酸菌，统称为硝化菌，可得如下结论：亚硝化过程产生的能量比硝化过程产生的能量多，因而前者反应速率较后者快；亚硝化过程中产生大量的H+,使系统pH值降低，而硝化过程对系统的pH值无影响；亚硝化过程和硝化过程好氧比为3:1；亚硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的时代周期短，生长较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件。当硝酸菌受到抑制的时候，将会出现NO2-的积累。

很显然，在传统的硝化-反硝化脱氮过程中，在反硝化菌的作用下，反硝化过程既可从硝酸盐开始，也可以从亚硝酸盐开始。但由NO2-转化为NO3-，然后由NO3-再转化为NO2-的重复转化过程中，要消耗更多的溶解氧和有机碳源。如果在实际过程中，控制这一转化过程，使NH4+全部或绝大部分转化为NO2-而不是NO3-，由NO2-直接进行反硝化，称此过程为短程硝化-反硝化，经过环境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化过程在许多反应器都得以实现。与传统脱氮工艺过程相比，短程硝化-反硝化体现出以下优势。节能：硝化阶段，供氧量节省近25%，降低能耗；节约外加碳源：从NO2-到N2要比从NO3-到N2的反硝化过程中，减少40%的有机碳源；可以缩短水力停留时间：在高氨环境下，NH4+的硝化速率和NO2-的反硝化速率均比NO2-的氧化速率和NO3-的反硝化速率快，因此水力停留时间可以缩短，反应器的容积也相应减小；可减少剩余污泥产量：亚硝酸菌表观产率系数为0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表观产率系数为0.02~0.07 g VSS/g N，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表观产率系数分别为0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短程硝化反硝化过程中可以减少产泥24~33%，在反硝化过程中可少产

泥50%。

2 影响亚硝酸盐积累的因素

由于废水生物处理反应器均未开放的非纯种培养系统，如何控制硝化停止亚硝化阶段是实现短程生物脱氮的关键。传统硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸菌协同完成的，由于这两类细菌在开放的生态系统中形成较为紧密的互生关系，将氨氧化为硝酸，因此完全的亚硝酸化是不可能的。短程硝化的标志是稳定且较高的亚硝酸积累，积压硝化率较高（至少大于50%）。影响亚硝酸积累的因素主要有温度、pH、氨浓度、氮负荷、DO、有害物质及泥龄。

温度：生物硝化反应在4～45℃内均可进行，适宜温度为20～35℃，一般低于15℃硝化速率降低，并且低温对硝化产物及两类硝化菌活性影响也不同。12～14℃下活性污泥中硝酸菌活性受到严重抑制，出现亚硝酸积累。15～30℃范围内，硝化过程中形成的亚硝酸可完全被氧化成硝酸。温度超过30℃后又会出现HNO2积累[7]。

pH值：随着硝化的进行，硝化过程产生的酸使废水pH不断降低。亚硝酸菌要求的最适pH在7~8.5之间，硝酸菌为6~7.5。反应器中pH低于7则整个硝化反应会受到抑制。PH升高到8以上，则HNO2浓度升高，硝化产物中亚硝酸比例增加，出现HNO2积累。

NH3浓度与氮负荷：废水中氨随pH不同分别以分子态和离子态形式存在。分子态游离氨（FA）对硝化作用有明显的抑制作用，而离子化的氨不具这种特性[10]。硝化杆菌属比亚硝化单胞菌属（硝化过程中常见的两个菌属）更易受到FA的抑制，抑制亚硝酸菌的浓度为10~150mg/L，抑制硝酸菌的浓度为0.1~1.0mg/L。0.6mg/l的FA几乎就可以全部抑制亚硝酸菌的活性，从而使氧化受阻，出现积累[8]。pH升高，FA浓度增大，造成HNO2积累。另外，氨氮负荷过高时，在系统初期有利于繁殖较快的亚硝酸菌的增长，使HNO2产生量大于氧化量，出现HNO2积累。

DO：亚硝酸菌和硝酸菌均是严格好氧菌，在生物膜和活性污泥反应器中当膜的厚度和活性污泥的尺度较大时，形成氧扩散梯度。因此，在活性污泥法和生物硝化系统中，尽管混合液中的溶解氧浓度可能较高，但絮体或生物膜内部溶解氧的浓度由于扩散受阻，可能已达到限制其增长和硝化浓度。因此，在实际的硝化系统中，需要维持的溶解氧浓度应由反应器内形成的絮体大小、生物膜的厚度以及相应的混合强度来决定。絮体越大或生物膜越厚，混合强度越小，则扩散能力越差，相应的混合液所需维持的溶解氧浓度就必须越高，否则硝化过程将受到抑制。在通常情况下，多数研究者建议，在活性污泥法中要维持正常的硝化效果，一般至少应使DO在0.5mg/l以上，否则硝化作用会受到抑制。

有害物质：硝化菌对环境较为敏感。废水中酚、氰及重金属离子等有害物质对硝化过程有明显的抑制作用。相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境适应性慢，因而在接触有害物

质的初期会受到抑制，出现HNO2积累。

泥龄：亚硝酸菌的世代时间较硝酸菌短，在悬浮处理系统中如泥龄介于硝酸菌和亚硝酸菌的最小停留时间之间时，系统中的硝酸菌会逐渐被淘汰掉，使亚硝酸菌成为系统中优势菌种，硝化产物为HNO2。

3 几种短程硝化反硝化工艺

SHARON工艺是1997年由荷兰Delft技术大学Mulder 等研发的新型脱氮工艺,用来处理城市污水二级处理系统中污泥硝化上清液和垃圾滤出液等高氨氮废水。该工艺的核心是利用高温30 ℃～35 ℃下,氨氧化细菌的生长速率明显高于亚硝酸盐氧化细菌的生长速率,氨氧化细菌的HRT 小于亚硝酸盐氧化细菌的HRT 等特性来控制工艺污泥龄,使其介于氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的HRT 之间,从而使氨氧化细菌得到积累而亚硝酸盐氧化细菌被自然淘汰 ,从而维持稳定的NO-2-N积累,然后进行反硝化。

OLAND工艺是1998年由比利时Gent 大学开发的一种限制性自养型亚硝化工艺,在限制供氧的条件下,自养型的亚硝酸细菌将以氧为电子受体,把部分氨氧化成亚硝酸盐,然后,再以氨作为电子供体,把亚硝酸盐还原为N2。该工艺的技术核心是控制DO 浓度,由氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的氧饱和常数分别为0. 3 mg/ L和1.1 mg/ L,在低DO 浓度下亚硝酸盐氧化细菌的活性会显著减弱 ,使氨氧化细菌生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌,从而逐步淘汰亚硝酸盐氧化细菌,使NO2--N 大量积累。

CANON 工艺是2002 年首先由荷兰Delft 工业大学提出的在限氧条件下通过利用好氧和厌氧氨氧化菌的共生系统实现一体化完全自养脱氮的新工艺。该工艺是在单个反应器或生物膜内通过控制溶解氧同时实现短程硝化和厌氧氨氧化的脱氮过程。首先在限氧条件下( < 0. 5 %空气饱和度),得到了好氧和厌氧氨氧化菌的混培物,好氧氨氧化菌先将氨氮氧化为亚硝酸盐,然后厌氧氨氧化菌再将亚硝酸盐转化为氮气。CANON 工艺中,NH4+ -N与DO 浓度是两个关键性因素。

SBR 工艺的短程硝化成为国内学者的研究焦点。当温度为21 ℃～35 ℃进水氨氮浓度为300 mg/ L左右,控制曝气量使DO浓度为0 mg/ L～1. 0 mg/ L 的条件下可实现SBR 工艺的短程硝化,亚硝态氮稳定积累且积累率大于90 %的关键是控制高、低DO 浓度交替进行。在p H 值变化不大的情况下,增加进水氨氮浓度会提高亚硝态氮的积累率,但将导致反应时间延长,而采用p H值实时控制短程硝化反硝化过程不仅可以合理分配曝气和搅拌时间 ,且可提高硝化速率,缩短反应时间。

A/ O 工艺是生物脱氮常规工艺。主要应用于生活污水的处理,由于生活污水自身低氨氮( < 100 mg/ L) 的特点 ,一般不会出现高FA 浓度和高p H 值情况,且平均水温在20 ℃左右 ,因此,在处理生活污水时DO 浓度是A/ O 工艺实现短程硝化反硝化的主要控制因子 ,控制好氧区DO 浓度在0. 5 mg/ L,则亚硝酸氮平均积累率可达85 %或更高。在UASB2A/ O 工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的研究中,FA 和FNA