短程硝化反硝化影响因素分析_王鹏

游离亚硝酸（ ＦＮＡ） 是硝酸细菌的真正基质， 也
是 亚 硝 酸 细 菌 和 硝 酸 细 菌 的 真 正 抑 制 剂 ［ ６］ 。 在 水 溶
液中， ＨＮＯ２ 与 ＮＯ２－ 之间存在着如下电离平衡： ＨＮＯ２ ! Ｈ＋ ＋ ＮＯ２－
低 ＤＯ 浓度下的亚硝酸菌大量积累时， 硝酸菌 对 ＤＯ 的亲和力较亚硝酸菌强。亚硝酸菌氧饱和常 数一般为 ０．２ ～０．４ ｍｇ ／Ｌ， 硝酸菌的为 １．２ ～１．５ ｍｇ ／ Ｌ。低 ＤＯ 浓度下， 亚硝酸菌和硝酸菌增值速率均 有不同程度的下降， 当 ＤＯ 的质量浓度为 ０．５ ｍｇ ／Ｌ 时 ， 亚 硝 酸 菌 增 值 速 率 为 正 常 的 ６０％， 而 硝 酸 菌 不 超 过 正 常 的 ３０％。 利 用 这 两 类 菌 动 力 学 特 性 的 差异可以达到淘汰硝酸菌的目的。鲁南等［２］ 发现了 ＤＯ 与亚硝态氮生成率之间的关系（ 如图 ２） 。
Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｓｈｏｒｔ－ ｔｅｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ－ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ； ｎｉｔｒｉｔｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ
脱氮的工艺有很多， 但焦点主要集中在开发一 些能耗和药剂耗用量低、紧凑高效、基建费用低和 脱氮效率高的工艺上。目前， 有两种方法可以实现 这一要求。一是氮化合物通过亚硝酸盐路径除去， 这也是所谓的短程硝化反硝化， 即将氨氮氧化为亚 硝酸盐为止， 通过选择抑制性物质或限制硝酸盐菌 的活性， 使亚硝酸盐有一定积累， 然后对其进行反 硝化来去除氮。短程脱氮不会形成硝酸盐， 因而短 程脱氮和除磷具有较好的共实现基础。二是， 最近 研究发现， 在供氧体受限或缺少有机碳源的厌氧条 件下发生同时硝化反硝化。 １ 短程硝化反硝化的机理
工业用水与废水
Ｖｏｌ ． ３８ Ｎｏ ． ２ Ａｐｒ．， ２００７
ｍｇ ／Ｌ 时 ， 亚 硝 酸 菌 的 增 殖 速 率 约 为 正 常 的 ５０％，
而硝酸菌的增殖速率与正常速率的比值小于 ２０％，
同时必须控制合适的 ＳＲＴ， 把硝酸菌从反应器中及
时淘汰， 才能实现稳定持久的亚硝酸盐积累。
２．３ ｐＨ 值
硝 酸 菌 和 亚 硝 酸 菌 适 宜 生 长 的 ｐＨ 值 范 围 不
同， 亚硝酸菌的适宜 ｐＨ 值在 ７．０ ～８．５。而硝酸菌
的 适 宜 ｐＨ 值 在 ６．０ ～７．５。 反 应 器 中 ｐＨ 值 低 于 ７
则整个硝化反应受抑制， ｐＨ 值升高到 ８ 以上， 则
出水 ＨＮＯ２ 浓度升高。利用两者适宜生长的 ｐＨ 值 不同， 控制混合液中 ｐＨ 值就能控制硝化类型。
ＷＡＮＧ Ｐｅｎｇ１， ＬＩＮ Ｈｕａ－ ｄｏｎｇ１， ２
（ １． Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４５， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｙｏｎｇｃｈｕａｎ Ｇｌｏｂａｌ Ｃｒｅｄｉｔ Ｗａｔｅｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０２１６０， Ｃｈｉｎａ）
由于亚硝酸菌的氧饱和常数（ ＫＮ ＝ ０．２ ～０．４ ｍｇ ／ Ｌ） 远 小 于 硝 酸 菌 的 氧 饱 和 常 数 （ ＫＮ ＝ １．２ ～１．５ ｍｇ ／ Ｌ） ， 当 活 性 污 泥 系 统 中 ＤＯ 的 质 量 浓 度 降 至 ０．３
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ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＷＡＴＥＲ ＆ ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ
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工业用水与废水
Ｖｏｌ ． ３８ Ｎｏ ． ２ Ａｐｒ．， ２００７
短程硝化反硝化影响因素分析
王鹏 １， 林华东 １， ２
（ １．重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 ４０００４５； ２．永川侨立水务有限公司， 重庆 ４０２１６０）
摘 要 ： 通 过 介 绍 短 程 硝 化 反 硝 化 的 脱 氮 机 理 ， 分 析 了 温 度 、ＤＯ 浓 度 、 游 离 氨 浓 度 、 游 离 亚 硝 酸 浓 度 、ｐＨ 值、泥龄及有机物浓度 ７ 个方面对于短程硝化反硝化的影响， 探讨如何控制这些影响因素来达到亚硝酸盐的积 累， 最终实现短程硝化反硝化。提出了一些常用脱氮工艺进行短程硝化反硝化的控制参数， 并展望了今后研究的 发展方向。
和氧化， 硝酸菌wk.baidu.com抑制， 就会产生亚硝酸盐积累。
当 ｐＨ 值高于 ８．０ 时， ＦＡ 占总氨氮浓度的比例
迅速增大， 如果环境中总氨氮浓度不高， 可通过增
大 ｐＨ 值来提高基质的有效性， 但如果总氨氮浓度
较高， 则升高 ｐＨ 值极易诱发氨毒。在生物硝化反
应器的操作中， 对此应予以高度重视。
２．３．２ 游离亚硝酸
阿 伦 尼 乌 斯 方 程 来 描 述 ［ １］ 。
μｍｔ
＝
μｍ２０ ｅｘｐ（ －
Ｅａｃｔ（ ２０ － ｔ） ２９３Ｒ（ ２７３ ＋ ｔ） ６
）
（ １）
式 中 ： μｍｔ — ——温 度 ｔ ℃ 时 的 微 生 物 最 大 比 增 长 速 率， ｄ－１；
μｍ２０ — ——标准温度（ ２０ ℃） 时的微生物最大比 增长速率， ｄ－１；
关键词： 短程硝化反硝化； 影响因素； 亚硝酸盐积累 中图分类号： Ｘ７０３．１ 文献标识码： Ａ 文章编号： !１００９ － ２４５５（ ２００７） ０２ － ００１２ － ０４
Ａｎａ ｌｙｓ ｉｓ ｏｎ ｆａ ｃｔｏｒｓ ａ ｆｆｅ ｃｔｉｎｇ ｓ ｈｏｒｔ－ ｔｅ ｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ－ ｄｅ ｎｉｔｒｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ
硝化反应分为亚硝酸化和硝酸化两个步骤， 这 两步反应是由不同微生物来实施的。两步反应的计
量式和对应微生物如下所示： 亚硝酸化： ２ ＮＨ４＋ ＋ ３ Ｏ２ → ２ ＮＯ２－ ＋ ４ Ｈ＋ ＋ ２ Ｈ２Ｏ 微 生 物 ： 氨 氧 化 菌 Ａｍｍｏｎｉａ ｏｘｉｄｉｚｅｒ （ Ｎｉｔｒｏｓｏ－
ｍｏｎａｓ、Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ、Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕ 等） 。 硝酸化： ２ ＮＯ２－ ＋ Ｏ２ → ２ ＮＯ３－ 微 生 物 ： 亚 硝 酸 氧 化 菌 Ｎｉｔｒｉｔｅ ｏｘｉｄｉｚｅｒ （ Ｎｉｔｒｏ－
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王鹏， 林华东： 短程硝化反硝化影响因素分析
为 ： ＮＨ４＋ → ＨＮＯ２ → Ｎ２。 另 外 ， 在 脱 氮 除 磷 工 艺 中， 回流到厌氧区的处理液中如果有硝酸盐存在，
会对聚磷菌的磷释放过程产生不利影响。
２ 短程硝化反硝化影响因素及控制分析
短程硝化的标志是有稳定和较高的 ＮＯ２－－ Ｎ 积 累， 如何控制硝化停止在 ＮＯ２－ 阶 段 是 实 现 短 程 硝 化的关键。因此控制那些能对硝酸菌和亚硝酸菌产
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｈｏｒｔ－ ｔｅｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ－ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ， ｓｅｖｅｎ ｆａｃｔｏｒｓ： ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＯ， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ ａｍｍｏｎｉａ， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ ｎｉｔｒｏｕｓ ａｃｉｄ， ｐＨ ｖａｌｕｅ， ｓｌｕｄｇｅ ａｇｅ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ， ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ－ ｔｅｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｍｅａｎｗｈｉｌｅ， ｈｏｗ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｓｅ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｎｉｔｒｉｔｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ－ ｔｅｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ － ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｔ ｌａｓｔ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｈｏｒｔ － ｔｅｒｍ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ － ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｍｍｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
ｂａｃｔｅｒ、Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ 等） 。 在生物脱氮中， 亚硝酸盐氧化成硝酸盐， 硝酸
盐再还原成亚硝酸盐是两个多余的反应。避免这两 个环节就可以节省 ２５％ 的氧气和约 ４０％ 的有机碳 源。短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在亚硝酸 化阶段终止， 随后直接实现反硝化， 氮的变化过程
收稿日期： ２００６ － ０８ － ２２； 修回日期： ２００６ － １１ － １０
反应器长期在低 ＤＯ 条件下运行， 会导致氨氧 化菌种在硝化细菌中占有优势， 且能稳定地保持这 种优势， 因而控制 ＤＯ 就成为了简化硝化和反硝化 的一个有效手段。 另外， 氨氧化菌世代周期比亚 硝酸氧化菌短， 短程硝化可以提高微生物浓度和硝 化反应速度， 缩短硝化反应时间［３］。Ｂｅｒｎｅｔ 等在生 物膜反应器中， 控制 ＤＯ 的质量浓度在 ０．５ ｍｇ ／Ｌ 以 下 ， 从 而 使 得 出 水 中 亚 硝 酸 氮 占 总 硝 态 氮 的 ９０％ 以上［４］。一般在硝化反应阶段当 ρ（ ＤＯ） ： ρ（ ＦＡ） 的 值小于 ５ 时会产生 ＮＯ２－－ Ｎ 的大量积累， 大于 ５ 时 则不会出现 ＮＯ２－－ Ｎ 积累。
可 以 满 足 亚 硝 酸 细 菌 对 基 质 的 要 求 ； ＦＮＡ 浓 度 较
低， 可以限制硝酸细菌对基质的需要。
２．３．１ 游离氨
游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制质量浓度分
别为 ０．１ ～１．０ ｍｇ ／Ｌ 和 １０ ～１５０ ｍｇ ／Ｌ。当游离氨的
质量浓度介于两者之间时， 亚硝酸菌能够正常增值
度变化的曲线见图 １。
由图 １ 可知， 温度对亚硝酸细菌和硝酸细菌的 最大比增长速率具有不同的效应， 当温 度 低 于 ２０ ℃时， 硝酸细菌的最大比增长速率大于亚硝酸细 菌 的 ， 而 当 温 度 高 于 ２０ ℃ 时 ， 亚 硝 酸 细 菌 的 最 大比增长速率大于硝酸细菌的。换言之， 当系统温 度较高时， 亚硝酸细菌处于优势地位， 有利于亚 硝 酸 盐 的 积 累 而 实 现 短 程 硝 化 。ＳＨＡＲＯＮ 工 艺 利 用这一点使硝化细菌在竞争中被淘汰。 ２．２ ＤＯ 浓度
１４ ℃ 时 ， 活 性 污 泥 中 硝 化 菌 活 性 受 到 严 重 抑 制 ，
出现 ＨＮＯ２ 积累； １５ ～３０ ℃ 时 ， 硝 化 过 程 形 成 的 ＮＯ２－ 完全被氧化成 ＮＯ３－ ； 温度超过 ３０ ℃ 后又出现 ＮＯ２－ 的积累。在一定温度范围内（ ５ ～４０ ℃） ， 微生 物的最大比增长速率与温度之间的关系可用修正的
研究证明， ｐＨ 值对生物硝化反应器的效能可
产生巨大的影响。合理调控 ｐＨ 值有利于短程硝化
的 实 现 。 陈 际 达 等 ［５］ 研 究 发 现 ， 短 程 硝 化 的 适 宜
ｐＨ 值范围为 ７．５ ～８．５， 最佳 ｐＨ 值约为 ７．９。从基
质 的 角 度 看 ， 在 较 高 的 ｐＨ 值 下 ， ＦＡ 浓 度 较 高 ，
生不同影响作用的影响因素， 可以影响硝化形式，
从而实现亚硝酸盐积累。影响亚硝酸积累的因素主
要有温度、ＤＯ 浓度、游离氨（ ＦＡ） 浓度、游离亚硝
酸（ ＦＮＡ） 浓度、ｐＨ 值、泥龄及有机物浓度。
２．１ 温度
生物 硝 化 反 应 在 ４ ～４５ ℃ 内 均 可 进 行 ， 亚 硝
酸 菌 与 硝 酸 菌 生 长 的 最 适 宜 温 度 不 相 同 。 在 １２ ～
Ｅａｃｔ — ——反应活化能， ｋＪ ／ｍｏｌ； Ｒ— ——气体常数， ８．３１４ Ｊ ／（ ｍｏｌ·Ｋ） 。
令 θ＝ Ｅａｃｔ ／［ ２９３Ｒ（ ２７３＋ ｔ） ６］ （ 式中， θ称为温度 系数） ， 则上式可以写为：
μｍｔ ＝ μｍ２０ ｅｘｐ［ θ（ ｔ － ２０） ］
（ ２）
根据式（ ２） ， 硝化细菌的最大比增长速率随温