同時硝化反硝化(SND)脫氮技術研究

馬萬權

(內蒙古晟基置業有限公司,內蒙古呼和浩特010050)

1 引言

SND工藝即同時硝化反硝化工藝,是指在一個反應器中同時存在好氧環境和缺氧環境,硝化和反硝化在同一反應器中進行的現象。

根據傳統的脫氮理論,不可能同時進行硝化反硝化。然而,近10余年來國外有文獻報道了同步硝化反硝化現象,尤其是有氧條件下的反硝化現象確實存在于各種不同的生物處理系統中,如生物轉盤[1]、SBR[2]、氧化溝[3]、CAST[4]工藝等。

2 同步硝化反硝化的優點

2.1 無需酸堿中和

硝化過程中堿度被消耗,而同時的反硝化過程中產生了堿度,SND能有效地保持反應器中pH值穩定,考慮到硝化菌最適pH值范圍很窄,僅為7.5～8.6,因此這一點是很重要的。

2.2 節省反應器容積

SND意味著在同一反應器內,相同的操作條件下,硝化、反硝化應能同時進行,如果能夠保證在好氧池中一定效率的反硝化與硝化反應同時進行,那么對于連續運行的SND工藝污水處理廠,可以省去缺氧池的費用,或減少其容積。

2.3 縮短反應時間

對于僅由一個反應池組成的序批式反應器來講,SND能夠降低實現完全硝化、反硝化所需的時間,同時無需外加碳源。

2.4 N2O的逸出量少

N2O是溫室效應氣體,它造成溫室效應的能力是CO2的200～300倍。東南大學呂錫武等對同步硝化、反硝化工藝(SND)與順序式硝化、反硝化工藝(SQND)脫氮效果的研究中得出,SND工藝N2O逸出量明顯低于SQND工藝的N2O逸出量。

3 同步硝化反硝化機理

3.1 宏觀環境理論

在反應器內部,由于充氧不均衡,混合不均勻,形成反應器內部不同區域缺氧和好氧段,分別為反硝化菌和硝化菌作用提供了優勢環境,此為生物反應大環境,即宏觀環境。事實上,生產規模的生物反應器中,完全均勻的混合狀態并不存在,即使在曝氣階段出現某種程度的反硝化即同步硝化、反硝化的現象也是完全可能的。除了反應器不同空間上的溶氧不均外,反應器在不同時間點上的溶氧變化也可以導致同步硝化、反硝化現象的發生。Hyungseok Yoo[5]研究了SBR反應器在曝氣反應階段,反應器內溶解氧(DO)濃度歷經減小后逐漸升高,并伴隨的同步硝化/反硝化現象。

3.2 微環境理論

微環境理論是從物理學角度對同步硝化反硝化現象進行解釋,該理論考慮活性污泥和生物膜的微環境中各種生態因子(如溶解氧、有機物及其它營養物質)的傳遞與變化(圖1),各類微生物的代謝活動及其相互關系,以及微環境的物理、化學和生物條件或狀態的變化。

圖1 微生物絮體內反應區的分布和底物濃度的變化

微環境理論認為,由于氧擴散的限制,在微生物絮體或者生物膜內產生溶解氧梯度,即微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧濃度高,以好氧硝化菌及氨化菌為主,深入絮體內部,氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗,產生缺氧區,反硝化菌占優,從而形成有利于實現同步硝化反硝化的微環境。目前利用此種理論解釋同步生物脫氮現象已被廣泛接受。

3.3 微生物學理論

過去反硝化被認為是一個嚴格的缺氧過程。經過,一些學者研究發現,如熒光假單胞菌(Pseudomonasaeruginos)、糞產堿菌(A lcaligenes facealis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginos)、致金色假單胞菌(Pseudemonas aureofaciena)等都可以對有機或無機氮化合物進行異養硝化。它們是具有好氧反硝化能力的異氧型硝化菌,也就是說,這些異氧型硝化菌同時也是好氧反硝化菌,它們能夠直接把NH4+轉化為最終氣態產物而逸出。好氧反硝化是這一種屬微生物的內在功能。與自氧菌相比,異氧硝化菌通常傾向于快速增長且有較高的產率,可容忍低一些的溶解氧(DO)濃度和酸性環境,喜歡較高的C/N比。

事實上,同步硝化、反硝化現象往往是以上幾種機理共同作用的結果,實際過程中有可能由一種或幾種作用占優勢,在對發生的現象進行考察的時候,單獨以某種假設來解釋往往會得到矛盾的結果,因此對此應綜合考慮。

4 同步硝化反硝化的影響因素

4.1 活性污泥濃度(M LSS)

生產性實驗表明,將活性污泥濃度控制在5g/L左右,溶解氧控制在0.5～1.0m g/L,可以形成較好的缺氧環境,促進同步硝化反硝化。顆粒內部或生物濾池的擴散局限性和混合不完善的反應器提供了缺氧狀態,反硝化反應就會發生。在傳統活性污泥法中,顆粒粒徑約為0.15mm時對基本的反硝化作用已經足夠了,類似于生物濾池中污泥厚度大約0.1mm。

4.2 DO濃度

溶解氧是直接影響到系統硝化和反硝化程度的最重要的工藝參數之一。系統中的DO首先應足以滿足有機物的氧化及硝化反應的需要,使硝化反應充分;其次DO濃度又不能太高,以便能在微生物絮體內產生DO濃度梯度,促進缺氧微環境的形成,同時使系統中有機底物不致于過度消耗而影響了反硝化碳源的需求。

由于原水水質、污泥濃度、污泥密實程度、微生物存在狀態以及好氧微生物的活動差異等原因,各種處理工藝的溶解氧要求是不同的,文獻中DO的范圍變化也相當大。資料顯示,四槽氧化溝為0.3～0.8mg/L,生物曝氣工藝為1～2m g/L。因此,采取試驗方法確定最佳的SND操作條件是非常必要的。

4.3 溫度

溫度過高,活性污泥中微生物可能會被殺死,影響處理效果。江蘇工業學院王晉等在pH值為6.5,DO濃度為8mg/L時,選擇 20℃、25℃、30℃3個溫度來研究溫度對SND中總氮去除率的影響,結果表明：溫度為30℃時反應效果最佳。

4.4 pH值

保持溫度為30℃,DO為5.5mg/L,王晉等通過實驗考察pH值對總氮去除率的影響,結果表明pH值為7時在整個處理過程中反硝化性能很好,總氮去除率最高,這也是綜合考慮硝化菌和反硝化菌最適pH值得到的結果。

4.5 碳源

反硝化過程需要有足夠的碳源。靜態試驗可以看出有無碳源對同步硝化反硝化的影響。影響好氧同步硝化反硝化的因素包括曝氣量和污泥有機負荷,在控制曝氣量的前提下,污泥有機負荷將直接影響同步硝化反硝化的效果。污泥有機負荷過高,異養菌活動旺盛,勢必抑制硝化反應,硝化不充分必然會影響反硝化;污泥有機負荷過低,有機物大量消耗,必然影響反硝化的碳源需求。高廷耀等在生產性實驗中將污泥有機負荷控制在0.10～0.15kg BOD5/(kgM iss?d)范圍內,在保證BOD5去除的同時,預留了同步反硝化的碳源,保證反硝化順利進行[6]。

4.6 有機物污泥負荷

一般認為,系統的有機物污泥負荷應當低于0.1～0.15kg BOD/(kgM LSS?d)。

5 結語

同步硝化反硝化因為具有諸多優點大大降低了運行費用,具有很大的發展前途。目前,在荷蘭、丹麥、意大利、德國等已有污水廠在利用同時硝化和反硝化工藝運行,國內對同步硝化反硝化的研究尚處于實驗室階段,對其作用機理及動力學模型正在做進一步的研究工作。

[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,朱曉君.生物脫氮工藝中的同步硝化反硝化現象[J].給水排水,1998,24(12),6～9.