同时硝化反硝化(SND)脱氮技术研究

马万权

(内蒙古晟基置业有限公司,内蒙古呼和浩特010050)

1 引言

SND工艺即同时硝化反硝化工艺,是指在一个反应器中同时存在好氧环境和缺氧环境,硝化和反硝化在同一反应器中进行的现象。

根据传统的脱氮理论,不可能同时进行硝化反硝化。然而,近10余年来国外有文献报道了同步硝化反硝化现象,尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统中,如生物转盘[1]、SBR[2]、氧化沟[3]、CAST[4]工艺等。

2 同步硝化反硝化的优点

2.1 无需酸碱中和

硝化过程中碱度被消耗,而同时的反硝化过程中产生了碱度,SND能有效地保持反应器中pH值稳定,考虑到硝化菌最适pH值范围很窄,仅为7.5～8.6,因此这一点是很重要的。

2.2 节省反应器容积

SND意味着在同一反应器内,相同的操作条件下,硝化、反硝化应能同时进行,如果能够保证在好氧池中一定效率的反硝化与硝化反应同时进行,那么对于连续运行的SND工艺污水处理厂,可以省去缺氧池的费用,或减少其容积。

2.3 缩短反应时间

对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲,SND能够降低实现完全硝化、反硝化所需的时间,同时无需外加碳源。

2.4 N2O的逸出量少

N2O是温室效应气体,它造成温室效应的能力是CO2的200～300倍。东南大学吕锡武等对同步硝化、反硝化工艺(SND)与顺序式硝化、反硝化工艺(SQND)脱氮效果的研究中得出,SND工艺N2O逸出量明显低于SQND工艺的N2O逸出量。

3 同步硝化反硝化机理

3.1 宏观环境理论

在反应器内部,由于充氧不均衡,混合不均匀,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作用提供了优势环境,此为生物反应大环境,即宏观环境。事实上,生产规模的生物反应器中,完全均匀的混合状态并不存在,即使在曝气阶段出现某种程度的反硝化即同步硝化、反硝化的现象也是完全可能的。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[5]研究了SBR反应器在曝气反应阶段,反应器内溶解氧(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。

3.2 微环境理论

微环境理论是从物理学角度对同步硝化反硝化现象进行解释,该理论考虑活性污泥和生物膜的微环境中各种生态因子(如溶解氧、有机物及其它营养物质)的传递与变化(图1),各类微生物的代谢活动及其相互关系,以及微环境的物理、化学和生物条件或状态的变化。

图1 微生物絮体内反应区的分布和底物浓度的变化

微环境理论认为,由于氧扩散的限制,在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度,即微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高,以好氧硝化菌及氨化菌为主,深入絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗,产生缺氧区,反硝化菌占优,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。目前利用此种理论解释同步生物脱氮现象已被广泛接受。

3.3 微生物学理论

过去反硝化被认为是一个严格的缺氧过程。经过,一些学者研究发现,如荧光假单胞菌(Pseudomonasaeruginos)、粪产碱菌(A lcaligenes facealis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginos)、致金色假单胞菌(Pseudemonas aureofaciena)等都可以对有机或无机氮化合物进行异养硝化。它们是具有好氧反硝化能力的异氧型硝化菌,也就是说,这些异氧型硝化菌同时也是好氧反硝化菌,它们能够直接把NH4+转化为最终气态产物而逸出。好氧反硝化是这一种属微生物的内在功能。与自氧菌相比,异氧硝化菌通常倾向于快速增长且有较高的产率,可容忍低一些的溶解氧(DO)浓度和酸性环境,喜欢较高的C/N比。

事实上,同步硝化、反硝化现象往往是以上几种机理共同作用的结果,实际过程中有可能由一种或几种作用占优势,在对发生的现象进行考察的时候,单独以某种假设来解释往往会得到矛盾的结果,因此对此应综合考虑。

4 同步硝化反硝化的影响因素

4.1 活性污泥浓度(M LSS)

生产性实验表明,将活性污泥浓度控制在5g/L左右,溶解氧控制在0.5～1.0m g/L,可以形成较好的缺氧环境,促进同步硝化反硝化。颗粒内部或生物滤池的扩散局限性和混合不完善的反应器提供了缺氧状态,反硝化反应就会发生。在传统活性污泥法中,颗粒粒径约为0.15mm时对基本的反硝化作用已经足够了,类似于生物滤池中污泥厚度大约0.1mm。

4.2 DO浓度

溶解氧是直接影响到系统硝化和反硝化程度的最重要的工艺参数之一。系统中的DO首先应足以满足有机物的氧化及硝化反应的需要,使硝化反应充分;其次DO浓度又不能太高,以便能在微生物絮体内产生DO浓度梯度,促进缺氧微环境的形成,同时使系统中有机底物不致于过度消耗而影响了反硝化碳源的需求。

由于原水水质、污泥浓度、污泥密实程度、微生物存在状态以及好氧微生物的活动差异等原因,各种处理工艺的溶解氧要求是不同的,文献中DO的范围变化也相当大。资料显示,四槽氧化沟为0.3～0.8mg/L,生物曝气工艺为1～2m g/L。因此,采取试验方法确定最佳的SND操作条件是非常必要的。

4.3 温度

温度过高,活性污泥中微生物可能会被杀死,影响处理效果。江苏工业学院王晋等在pH值为6.5,DO浓度为8mg/L时,选择 20℃、25℃、30℃3个温度来研究温度对SND中总氮去除率的影响,结果表明：温度为30℃时反应效果最佳。

4.4 pH值

保持温度为30℃,DO为5.5mg/L,王晋等通过实验考察pH值对总氮去除率的影响,结果表明pH值为7时在整个处理过程中反硝化性能很好,总氮去除率最高,这也是综合考虑硝化菌和反硝化菌最适pH值得到的结果。

4.5 碳源

反硝化过程需要有足够的碳源。静态试验可以看出有无碳源对同步硝化反硝化的影响。影响好氧同步硝化反硝化的因素包括曝气量和污泥有机负荷,在控制曝气量的前提下,污泥有机负荷将直接影响同步硝化反硝化的效果。污泥有机负荷过高,异养菌活动旺盛,势必抑制硝化反应,硝化不充分必然会影响反硝化;污泥有机负荷过低,有机物大量消耗,必然影响反硝化的碳源需求。高廷耀等在生产性实验中将污泥有机负荷控制在0.10～0.15kg BOD5/(kgM iss◦d)范围内,在保证BOD5去除的同时,预留了同步反硝化的碳源,保证反硝化顺利进行[6]。

4.6 有机物污泥负荷

一般认为,系统的有机物污泥负荷应当低于0.1～0.15kg BOD/(kgM LSS◦d)。

5 结语

同步硝化反硝化因为具有诸多优点大大降低了运行费用,具有很大的发展前途。目前,在荷兰、丹麦、意大利、德国等已有污水厂在利用同时硝化和反硝化工艺运行,国内对同步硝化反硝化的研究尚处于实验室阶段,对其作用机理及动力学模型正在做进一步的研究工作。

[1]M asuda S,W atanabe Y,Ishigu ro M.Bio-filn properties and simultaneous nitrification and denitrifecation in aerobic rotating biological contactors[J].Water Sci.Tech.,1991.(23)：1 335～1 363.

[2]Elisabeth V Munch,Paul Lant,Jurg Keller.Simu ltaneous nitrification and denitrificati-on in benchscale sequen cing batch reactor[J].W ater Res,1996,30(2)：277～ 284.

[3]Bruce E R,W ayne E L.Simultaneous denitrification w ith nitrification in single-channel oxidation ditches[J].WPCF,1985,57(4)：179～ 182.

[4]Mervyn C Goronszy,Gunnar Demouiin,Mark New land.Aerated nitrification in full-scale activated sludge facilities[J].Wat Sci Tech,1997,35(10)：103～ 110.

[5]Hyungseok Yoo,Kyu-Hong Ahn,Hyung-Jib Lee.Nitrogen removal from syn thetic waste-water by sim ultaneous nitrifection(SND)via nitrite in an intermittently-aerated reaction[J].Wat.Res.,1999,33(1)：145～ 154.

[6]高廷耀,周增炎,朱晓君.生物脱氮工艺中的同步硝化反硝化现象[J].给水排水,1998,24(12),6～9.