DO對同步硝化反硝化的影響

2014-11-28 13:33:44柴同志謝小龍喬新明

綠色科技 2014年1期

柴同志　謝小龍　喬新明

摘要：結合近年來國內外同步硝化反硝化的最新研究成果，闡明了溶解氧濃度對幾種常見工藝同步硝化反硝化效果的影響，并提出了今后在同步硝化反硝化的微生物特性、脫氮除磷一體化等方面的研究發展方向。

關鍵詞：同步硝化反硝化；DO；污水

收稿日期：20131213

作者簡介：柴同志（1988—），男，山東棗莊人，助理工程師，主要從事市政給排水設計工作。中圖分類號：X703.1文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）01014303

1引言

城市污水生物脫氮工藝中通常發生有機物的好氧氧化、硝化和反硝化3種不同的生物反應。根據傳統的脫氮理論，硝化與反硝化反應不能同時發生，硝化反應在好氧條件下進行，而反硝化反應在缺氧條件下完成[1]。然而近年來國內外研究表明，硝化和反硝化可在同一反應器內進行，即同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrific- ation and Denitrification，簡稱SND） [2～9]。由于在同一個反應器中同時完成硝化和反硝化兩個過程，這不僅能夠節省反應器體積，縮短反應時間，同時無需酸堿中和，為生物脫氮新工藝的開發提供了一種新的思路[10]。

硝化反應和有機物氧化需要氧，而反硝化則需要厭（兼）氧環境[11]，因此，適宜的DO（溶解氧）濃度是實現同步硝化反硝化過程的重要因素[12]。本文將結合近年來國內外最新研究成果，就DO對幾種常見水處理工藝中同步硝化反硝化的影響加以綜述。

2各工藝中同步硝化反硝化脫氮

2.1SBR工藝

李飛等[13]在傳統SBR反應器中加一隔板，在反應器內形成A+n次A/O-SBR系統（圖1），為同步硝化反硝化作用提供良好的好氧和缺氧厭氧條件，研究結果表明：C/N為12，ρ（DO）為10～20mg/L、好氧區與缺氧厭氧區體積比為1∶1時，反應器內高效穩定地實現了同步硝化反硝化脫氮過程。經改良的SBR工藝具有反應器體積小、反應時間短、無需酸堿中和劑，還可減少污泥產量80%以上等優點。張可方等[14]以模擬的城市污水為處理對象，在序批式活性污泥反應器（SBR）內，研究DO、C/N等因素對同步硝化反硝化脫氮效率的影響。研究表明：采用連續曝氣工藝，在進水COD=200mg/L，NH+4-N=30mg/L條件下，控制DO在05～15mg/L范圍內時，出水TN濃度為198～63mg/L，TN的平均去除率在80%以上，能較好的實現SND，升高或降低DO濃度，都會使SND效果下降，最佳DO濃度為05mg/L，此時TN去除率達到9374%，并可推斷出在反應系統內存在好氧反硝化菌。周丹丹等[15]利用SBR反應器，探討了溶解氧（DO）和有機碳源（COD）對同步硝化好氧反硝化的影響，認為溶解氧和有機碳源是同步硝化好氧反硝化過程中的關鍵因素。當DO低于05mg/L時硝化作用受到抑制；本試驗中，當DO濃度分別為05mg/L，06mg/L時，總氮的去除率分別為513%和4523%。05～06mg/L的DO濃度范圍能夠滿足硝化作用的需要又不嚴重抑制好氧反硝化作用；在適合于同步脫氮的DO范圍內，容易出現亞硝酸鹽的積累，而硝酸鹽氮的濃度較小。這是因為同步生物脫氮是經由短程硝化反硝化途徑所致。張朝升等[11]研究了不同溶解氧下序批式活性污泥反應器（SBR）的短程同步硝化反硝化過程特征及處理效果。試驗結果表明，溶解氧濃度是實現短程同步硝化反硝化的一個重要控制參數。在試驗階段，常溫下控制溶解氧在05～10mg/L，可以實現短程同步硝化反硝化，可保證氨氮的去除率達到95%～97%，總氮的去除率達到82%～85%。張小玲等[16]研究了低溶解氧下序批式反應器（SBR）的同步硝化反硝化現象，碳源投加方式對總氮去除率影響顯著。當進水NH+4-N為300mg/L、COD為400～600mg/L時，采用半連續投加方式可保證總氮去除率達到80%。此外，彭喜花等[17]還報道了DO濃度對一體化SBR反應器中同步硝化反硝化脫氮效率的影響。

圖1改良的SBR工藝原理

在SBR中培養馴化活性污泥，還可以通過厭氧-好氧運行方式同時實現有機物氧化、硝化、反硝化及除磷過程的統一，即單級生物同步脫氮除磷。運行結果表明，當DO為15～20mg/L時，TN及TP去除率均能達到90%以上[18]。該方法在同一個反應器內達到同步脫氮除磷的目的，不僅減少了脫氮除磷反應器的體積，而且實現了“一碳兩用”，節約了碳源，減少了污泥產量，降低了氧氣消耗量，經濟效益不容忽視。

2.2SBBR工藝

榮宏偉等[19]報道了序批式生物膜反應器（SBBR）中同步硝化反硝化脫氮效率的影響，試驗結果表明：DO是影響SBBR工藝實現同步硝化反硝化的一個重要因素，將DO控制在28～40mg/L的范圍內，可以取得較好同步硝化反硝化效果，總氮去除率可達67%以上。通過好氧反應過程中溶解氧在生物膜內反應擴散模型以及掃描電鏡對生物膜的形態結構觀察探討了同步硝化反硝化的機理，認為SBBR工藝同步硝化反硝化主要是由微環境引起的，生物膜在好氧條件下能創造缺氧微環境，DO濃度直接影響生物膜內部好氧區與缺氧區比例的大小，進而影響硝化和反硝化的效果。

2.3MBBR工藝

王學江等[20]發現當溶解氧（DO）質量濃度為2mg/L、水力停留時間為8h、懸浮填料填充率為50%時，MBBR工藝可通過同步硝化反硝化實現90%以上的脫氮效果。生物膜內DO質量濃度梯度造成好氧和缺氧區是實現同步硝化和反硝化的關鍵。該工藝能在同一個反應器中實現同時硝化和反硝化，并達到兩個過程的動力學平衡，大大簡化了生物法脫氮的工藝流程，提高了生物脫氮的效率，并節省投資。田淼等[21]也考察了MBBR反應器中不同曝氣量對同步硝化反硝化反應速率的影響。

2.4MBR工藝endprint

陳超等[22]考察了在膜生物反應器（MBR）中不同溶解氧（DO）對于同步硝化反硝化效果的影響。結果表明：將試驗條件控制在TN容積負荷為035kgN/（m3d）、HRT為6h、SRT為30d、pH值為7～8、溫度為25～28℃、C/N為9時：在反應器DO的質量濃度為06mg/L條件下，可獲得625%的NH+4-N去除率、911%的反硝化率和583%的SND率；在反應器DO的質量濃度為10mg/L條件下，可獲得908%的NH+4-N去除率、904%的反硝化率和825%的SND率；在反應器DO的質量濃度為14mg/L時，可獲得933%的NH+4-N去除率、770%的反硝化率和721%的SND率。從研究結果可以看出，隨著DO的增大，硝化率逐漸上升，反硝化率逐漸下降，SND率先上升后下降，這說明DO的升高有助于提高硝化能力，但由于無碳源或碳源不足，使得反硝化能力下降；在DO較低時SND率受到硝化率的限制，而在DO較高時受到反硝化率的限制，造成SND率發生波動。

李紹峰等[23]研究發現COD在250mg/L左右，C/N為10：1，MLSS為3500mg/L，HRT為85h的相對穩定條件下，當DO為06～08mg/L時，總氮去除率達667%，取得了最好的TN去除效果，DO過高或過低都會影響同步硝化反硝化的進行。研究結果還表明由于好氧反應器中缺氧區的存在，控制操作條件可以實現SND，同時也存在著短程SND的現象，實現SND可能是幾種作用機制的共同結果。此外，鄒聯沛等[24]也報道了DO對MBR系統中同步硝化反硝化的影響。

2.5氧化溝工藝

閆駿等[25]在改良的Orba l氧化溝中試系統中，考察了溶解氧濃度對同步硝化反硝化（ SND）的影響。結果表明，當外溝溶解氧濃度為03mg /L時，約有2997mg/L的總氮在氧化溝的外溝通過SND去除，外溝對COD的實際去除量為903mg/L，外溝的SND主要是利用微生物內貯有機碳源或生物吸附碳源進行的。控制氧化溝的外、中、內溝溶解氧濃度分別為03、05和20mg/L時，系統的SND率和總氮去除率最高。在優化的溶解氧條件下，系統對總氮的平均去除率和平均SND率分別為660%和426%，分別比優化前提高了138%和243%。

2.6OGO工藝

范寅等[26]考察了DO濃度對OGO系統同步硝化反硝化脫氮的影響，研究發現當好氧區中段DO濃度為20mg/L左右時，系統對TN的去除效果最好，平均去除率達到7480%，此時外環中同步硝化反硝化的效果也較好，外環同步硝化反硝化對TN的平均去除量占系統對TN去除量的4889%（圖2）。

圖2工藝試驗流程

此外，還有報道DO濃度對多孔生物粒子流化床系統[27]、螺旋升流式反應器（SUFR）[28]和生物接觸氧化法[29]同步硝化反硝化的影響。

3各工藝中同步硝化反硝化除磷

羅思音[30]針對碳源偏低的城市污水，采用序批式活性污泥法研究DO對短程同步硝化反硝化除磷工藝的影響，試驗表明：控制DO最佳濃度（05～10mg/L）可在同一個反應器內既實現短程同步硝化反硝化反應又達到反硝化除磷的效果，COD的去除率達到93%～94%，NH+4-N的去除率為97%～98%，TN的去除率達到85%～96%，TP的去除率為91%～93%。TP的去除是好氧除磷和反硝化除磷雙重作用的結果。

4結語

同步硝化反硝化可以使廢水處理周期縮短、處理空間縮小、處理能耗降低；并且在處理過程中避免一部分NO-2-N氧化成NO-3-N，再還原成NO-2-N這一多余的反應，可以節省DO和有機碳，從而使處理費用大為減少；另外，反硝化過程產生的堿度可以在一定程度上彌補硝化過程消耗的堿度，使脫氮操作中pH控制大大簡化。同步硝化反硝化并不否認傳統的生物脫氮理論，而是進一步豐富了生物脫氮理論[31]。除了DO這一主要影響因素外，C/N、pH值[32]、有機碳源[33]、氧化還原電位（ORP）[9，34]、活性污泥絮狀體[35]、活性污泥濃度[36]等因素均可以對同步硝化反硝化效果產生影響。楊麒等[37]還從宏觀環境理論、微環境理論和微生物學理論方面對同步硝化反硝化的產生機理進行了闡述。

盡管國內外已對該理論開展了一系列研究，今后在以下兩個方面還值得作進一步深入的研究：①如何將脫氮除磷有機的結合起來，探索一種可持續城市污水生物處理技術。②闡明同步硝化反硝化反應的機理及微生物特性，為今后研究及工程化應用提供科學依據。

2014年1月綠色科技第1期參考文獻：

[1] 李叢娜，呂錫武，稻森悠平.同步硝化反硝化脫氮研究[J].給水排水，2001，27（1）：22～24.

[2] Mnch e v ，Lant P，Keller J.Simultaneous Nitrification and Denitrificaion in Bench-scale Sequencing Batch Reactors[J].Water Research，1996，30（2）：277～284.

[3] Gupta A B，Gupta S K.Simultaneous Carbon and Nitrogen Removal From High Strength Domestic Wastewater in An Aerobic RBC Biofilm[J].Water Research，2001，35（5）：1714～1722.

[4] Mat Uzaka E，Nomura N，Toshiaki N K，et al.A Simple Screening Procedure for Heterotrophic Nitrifying Bacteria with Oxygen-tolerant Denitrification Activity[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2003，95（4）：409～411.endprint

[5] Kim J K，Park K J，Cho K S，et al.Aerobic Nitrification-denitrification by Heterotrophic Bacillus Srains[J].Bioresource Technology，2005，96（17）：1897～1906.

[6] Joo H S，Hirai M，Shoda M.Piggery Wastewater Treatment Using Alcaligenes faecalis Strain No.4 with Heterotrophic Nitrification and Aerobic Denitrification[J].Water Research，2006，40（16）：3029～3036.

[7] Gao S Y，Peng Y Z，WANG S Y，et al.Novel Strategy of Nitrogen Removal From Domestic Wastewater Using Pilot Orbal Oxidation Ditch[J].Journal of Environmental Sciences，2006，1（9/10）：833～839.

[8] Wang X J，Xia S Q，Chen L，et al.Nutrients Removal From Municipal Wastewater by Chemical Precipitation in a Moving Bed Biofilm Reactor[J].Process Biochemistry，2006，41（4）：824～828.

[9] Modin O，Fukushi K，Yamamoto K.Denitrification with Methane as External Carbon Source[J].Water Research，2007，41（6）：2726～2738.

[10] 張龍，肖文德，李偉，等.SBR 系統中同時硝化反硝化生物脫氮研究[J].環境工程，2005，23（4）：29～32.

[11] 張朝升，章文菁，方茜，等.DO對好氧顆粒污泥短程同步硝化反硝化脫氮的影響[J].環境工程學報，2009，3 （3）：413～416.

[12] 馮葉成，王建龍，錢易.同時硝化反硝化的試驗研究[J].上海環境科學，2002，21（9）：527～5297，59.

[13] 李飛，張雁秋，李曉紅，等.同步硝化反硝化影響因素的研究[J].江蘇環境科技，2006，19（4）：16～18.

[14] 張可方，杜馨，張朝升，等.DO C/N 對同步硝化反硝化影響的試驗研究[J].環境科學與技術，2007，30（6）：3～5.

[15] 周丹丹，馬放，董雙石，等.溶解氧和有機碳源對同步硝化反硝化的影響[J].環境工程學報，2007，1（4）：25～28.

[16] 張小玲，李斌，楊永哲，等.低DO 下的短程硝化及同步硝化反硝化[J].中國給水排水，2004，20（5）：13～16.

[17] 彭喜花，吳劍，劉雪梅.一體化工藝中同步硝化反硝化脫氮的研究[J].江蘇農業科學，2010，（6）： 541～ 543.

[18] 林金鑾，張可方，方茜，等.DO對同步硝化反硝化協同除磷的影響[J].化工環保，2009，29 （2）：109～112.

[19] 榮宏偉，張朝升，彭永臻，等.DO對SBBR工藝同步硝化反硝化的影響研究[J].環境科學與技術，2009，32（8）：16～19.

[20] 王學江，夏四清，陳玲，等.DO對MBBR同步硝化反硝化生物脫氮影響研究[J].同濟大學學報：自然科學版，2006，34（4）：514～517，538.

[21] 田淼，張永祥，張粲，等.DO 與MBBR 反應器同步硝化反硝化脫氮關系研究[J].中國水運，2010，10（5）：124～126.

[22] 陳超，徐國勛，曾林慧，等.DO對膜生物反應器中同步硝化反硝化的影響[J].上海理工大學學報，2009，31 （6）：581～584.

[23] 李紹峰，崔崇威，黃君禮，等.DO和HRT對MBR同步硝化反硝化影響研究[J].哈爾濱工業大學學報，2007，39 （6）：887～890.

[24] 鄒聯沛，張立秋，王寶貞，等.MBR 中DO 對同步硝化反硝化的影響[J].中國給水排水，2001，17（6）：10～14.

[25] 閆駿，王淑瑩，高守有，等.低溶氧下低C /N值生活污水的同步硝化反硝化[J].中國給水排水，2007，23（3）：44～48.

[26] 范寅，羅固源，張園.DO濃度對OGO系統同步硝化反硝化脫氮的影響[J].三峽環境與生態，2010，3（3）：1～4，7.

[27] 陳雷，于艷，郭莉莉，等.多孔生物粒子流化床中DO 和COD對同步硝化反硝化的影響[J].吉林建筑工程學院學報，2007，24（3）：12～14，18.

[28] 張瑞雪，向來，季鐵軍.DO濃度對SUFR系統同步硝化反硝化的影響[J].中國給水排水，2007，23（7）：70～73.

[29] 徐偉鋒，孫力平，古建國，等.DO 對同步硝化反硝化影響及動力學[J].城市環境與城市生態，2003，16（1）：8～10.

[30] 羅思音.DO對短程同步硝化反硝化除磷工藝的影響[J].水科學與工程技術，2011，（5）：18～20.

[31] 劉軍，潘登，王斌，等.SBR 工藝中DO 和C/ N 對同步硝化反硝化的影響[J].北京工商大學學報：自然科學版，2003，21 （2）：7～10.

[32] 彭趙旭，彭永臻，左金龍.同步硝化反硝化的影響因素研究[J].給水排水，2009，35（5）：167～171.

[33] Chui P C，Terashima Y，Tay J H，et al.Nitrogen Removal in A Submerged Filter with No Effluent Recirculation [ J].Water Science Technology，2000，42（3～4）：51～58.

[34] Balmelle B，Nguyen K M，Capdeville B，et al.Study of Factors Controlling Nitrite Build-Up in Biological Process of Water Nitrification[ J].Water Research，1992，26（5～6 ）：1017～1025.

[35] 劉峻嶺，吳正高，趙宗升.同步硝化反硝化影響因素的研究[J].環境科學與管理，2006，31（8）：166～168.

[36] 呂錫武，李叢娜，稻森悠平.溶解氧及活性污泥濃度對同步硝化反硝化的影響[J].城市環境與城市生態，2001，14（1）：33～35.

[37] 楊麒，李小明，曾光明，等.同步硝化反硝化機理的研究進展[J].微生物學通報，2003，30（4）：88～91.endprint