短程硝化脫氮技術(shù)研究進(jìn)展

尹國(guó)策，魏佳音，何林錕

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)，出臺(tái)了許多政策以及制定了諸多污水的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求污水廠各個(gè)出水指標(biāo)均要達(dá)到一級(jí)A類標(biāo)準(zhǔn)，這其中就包括氨氮（NH3-N）和總氮（TN）。國(guó)內(nèi)外多數(shù)水廠均采用全程硝化脫氮工藝，即先通過(guò)氨化作用將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3、NH4+，然后進(jìn)行硝化反應(yīng)的第一步，將NH3、NH4+轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（NO2-）；然后進(jìn)行第二步，將NO2-轉(zhuǎn)為硝酸鹽（NO3-），最后進(jìn)行反硝化反應(yīng)將NO3-轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

這種傳統(tǒng)工藝存在運(yùn)行能耗高，水力時(shí)間長(zhǎng)，總氮的去除率不高等特點(diǎn)。因此，只有對(duì)常規(guī)的生物脫氮工藝進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)生物脫氮功能，才能解決氨氮排放達(dá)標(biāo)問(wèn)題，而短程硝化技術(shù)對(duì)于生物脫氮技術(shù)具有較高的切實(shí)性。

1 短程硝化機(jī)理與特點(diǎn)

1.1 短程硝化機(jī)理

短程硝化脫氮技術(shù)是利用氨氧化菌（AOB）和硝酸菌（NOB）在動(dòng)力學(xué)特性上存在的固有差異，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NH2--N 階段，然后進(jìn)行反硝化反應(yīng)。該工藝的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)控制環(huán)境條件，抑制硝酸菌（NOB）的同時(shí)，使氨氧化菌（AOB）成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而實(shí)現(xiàn)NH2--N 的大量積累。

1.2 短程硝化特點(diǎn)

短程硝化原理：

對(duì)比上述幾個(gè)方程式可以得出：

（1）短程硝化只需將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，可節(jié)省25%的供氧量，降低了運(yùn)行成本；

（2）短程反硝化則是直接將上一步轉(zhuǎn)化的亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑴p少了40%的外加碳源。另外，在降低了運(yùn)行能耗的同時(shí)，還使低碳氮比高效率脫氮成為可能。

氨氧化菌（AOB）與硝酸菌（NOB）主要指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1，由表1 可以得出：

表1 AOB 菌與NOB 菌主要指標(biāo)對(duì)比

（1）AOB 的世代期比NOB 短，所以污泥齡短，易提高反應(yīng)器微生物濃度；

（2）硝化和反硝化速率提高，降低了反應(yīng)器的水力停留時(shí)間，節(jié)省反應(yīng)器的有效容積與占地面積；

（3）通過(guò)表觀系數(shù)計(jì)算，在硝化過(guò)程中可減少產(chǎn)泥24%～33%，在反硝化過(guò)程中可減少產(chǎn)泥50%，節(jié)省了污水處理中的污泥處理費(fèi)用。

2 短程硝化的控制因素

常規(guī)的硝化反應(yīng)分兩步進(jìn)行，而短程硝化只進(jìn)行第一步，即不允許NO2--N 被繼續(xù)氧化為NO3--N，這樣就可以實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。影響短程硝化過(guò)程的因素有溫度、溶解氧、pH 值、游離氨以及抑制劑等。

2.1 溫度

短程硝化過(guò)程中存在著非常復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這其中就包括系統(tǒng)中多種酶的轉(zhuǎn)化以及多種過(guò)程產(chǎn)物。從生理特性上來(lái)講，每個(gè)生物反應(yīng)都有一個(gè)最佳反應(yīng)溫度[1]。因此可以通過(guò)調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)的溫度來(lái)控制AOB和NOB 的生長(zhǎng)速率，從而對(duì)AOB 進(jìn)行篩選，對(duì)NOB進(jìn)行淘汰。

在目前的研究中，研究者們對(duì)短程硝化中AOB 的最佳生長(zhǎng)溫度說(shuō)法不一。袁林江等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在12～14 ℃以及高于30 ℃時(shí)，NOB 的生長(zhǎng)完全被抑制，AOB 生長(zhǎng)速率較快，表現(xiàn)為亞硝酸鹽的積累。在15～30 ℃時(shí)，NOB 的活性又上升，短程硝化過(guò)程消失。彭永臻[3]控制反應(yīng)器溫度在30～32 ℃時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了生活污水的短程硝化脫氮；而高景峰等[4]在處理啤酒廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)短程硝化的最適溫度為28～29 ℃。

2.2 溶解氧（DO）

AOB 和NOB 均是嚴(yán)格的好氧菌，由于二者對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)力和親和力的差異，所以能夠通過(guò)控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的濃度來(lái)調(diào)控二者的生長(zhǎng)速率，然后淘汰NOB。一般認(rèn)為在較低的溶解氧濃度下，AOB 的生長(zhǎng)速率大于NOB。至少應(yīng)使DO 在0.5 mg/L 以上才能很好的進(jìn)行硝化作用，否則硝化作用會(huì)受到抑制。

楊慶等[5]調(diào)控溶解氧濃度為0.5 mg/L 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間的短程硝化，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，短程硝化會(huì)被破壞。這就需要不斷的調(diào)控反應(yīng)器中的溶解氧濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)短程硝化過(guò)程。

2.3 pH 值

AOB 和NOB 均有其最適的pH 環(huán)境，AOB 的最適pH 值為7.0～8.5，NOB 的最適pH 值為6.0～7.5[6]。當(dāng)pH值大于7.0 時(shí)，AOB 的生長(zhǎng)速率會(huì)明顯大于NOB，兩者的最小SRT 較大，更易于通過(guò)控制SRT 淘汰NOB 菌群；但當(dāng)pH 值小于6.3 時(shí)，AOB 的生長(zhǎng)速率低于NOB，難以通過(guò)控制SRT 淘汰NOB。另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)的pH 值會(huì)隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行而降低。

2.4 游離氨（FA）

游離氨是AOB 生長(zhǎng)所需物質(zhì)，過(guò)高的游離氨會(huì)抑制AOB 與NOB 的生長(zhǎng)，但對(duì)NOB 菌群的抑制更為明顯。因此可以通過(guò)控制游離氨的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化過(guò)程。

WANG 等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)，游離氨濃度為210 mg/L時(shí)，NOB 的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)小于AOB。韓曉宇等[8]發(fā)現(xiàn)不斷升高反應(yīng)器內(nèi)的游離氨濃度，也可以實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。因此調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)的FA 濃度，可以造成對(duì)AOB和NOB 的抑制差異，是實(shí)現(xiàn)短程硝化的有效手段。

2.5 抑制劑

重金屬鹽、有毒有害物質(zhì)和一些有機(jī)物質(zhì)都影響硝化反應(yīng)。例如，重金屬中的鋅和鉛對(duì)硝化過(guò)程兩階段都有抑制作用，但抑制程度不同。苯酚、苯胺等有機(jī)化合物對(duì)NOB 的抑制作用遠(yuǎn)大于AOB。因此可以向反應(yīng)器中添加重金屬、有機(jī)物等抑制劑，使亞硝酸鹽在反應(yīng)器中積累，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化。

3 短程硝化難點(diǎn)

可以通過(guò)調(diào)控上述諸多控制因素使亞硝酸鹽達(dá)到積累，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化過(guò)程。但在實(shí)際操作時(shí)，仍存在諸多問(wèn)題與難點(diǎn)：

（1）從溫度方面來(lái)說(shuō)，大多數(shù)生活污水或廢水難以達(dá)到并維持28～35 ℃的水溫，如果堅(jiān)持用溫度來(lái)控制短程硝化過(guò)程，勢(shì)必會(huì)增加運(yùn)行能耗。另外，目前控制短程硝化的最適溫度說(shuō)法不一，在實(shí)際中仍需要調(diào)控探究。

（2）從溶解氧方面來(lái)講，反應(yīng)器中過(guò)低的溶解氧會(huì)使硝化反應(yīng)速率減緩，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而會(huì)使反應(yīng)池體的容積增大，增加了水廠的占地面積。另外，反應(yīng)器中較低的溶解氧可能會(huì)發(fā)生絲狀菌膨脹的狀況，會(huì)嚴(yán)重影響脫氮過(guò)程。

（3）從pH 值方面來(lái)講，在短程硝化過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)的pH 值會(huì)不斷降低，這就需要不斷的向反應(yīng)器內(nèi)投加堿度，增加了運(yùn)行成本。另外AOB 和NOB 的最佳生長(zhǎng)pH 值范圍非常接近并且二者有交叉部分，這說(shuō)明，用pH 值來(lái)調(diào)控短程硝化過(guò)程有一定的難度。

（4）從抑制劑的方面來(lái)講，向反應(yīng)器內(nèi)加入抑制劑后，要精確的掌握排泥周期才能及時(shí)淘汰反應(yīng)器內(nèi)的NOB。否則NOB 可能會(huì)發(fā)生變異，適應(yīng)了加有抑制劑的環(huán)境，這樣短程硝化過(guò)程會(huì)被直接破壞掉。

4 結(jié)論與展望

本文就短程硝化的優(yōu)勢(shì)、機(jī)理進(jìn)行了闡述，同時(shí)也指出了短程硝化的調(diào)控因素以及難點(diǎn)，希望能夠?yàn)橹蟮难芯刻峁┮欢◣椭ｋm然短程硝化技術(shù)還有一些問(wèn)題有待于解決，實(shí)際工程應(yīng)用也并不多，但其具有的潛力卻是無(wú)限的。為了更好的研究利用短程硝化技術(shù)，可以從以下幾個(gè)方向入手：（1）短程硝化反硝化SBR快速啟動(dòng)的研究；（2）實(shí)時(shí)控制參數(shù)的探索與穩(wěn)定性驗(yàn)證；（3）微生物群落分析。