短程硝化反硝化工艺的运行条件

短程硝化反硝化工艺的运行条件李星星一、短程硝化反硝化的脱氮机理及优势短程硝化反硝化生物脱氮工艺(ShortCutNitrificationandDenitrification--SCND)可称为亚硝酸型生物脱氮，它是通过控制特殊的环境条件抑制硝酸菌的生长，使系统中的亚硝酸菌成为优势菌种，从而将废水中NH4+-N的氧化控制在NO2－阶段，形成NO2－的积累，然后反硝化菌直接以NO2－-N为最终氢受体进行反硝化脱氮，及经过NH4＋→NO2－→N2的途径完成。短程硝化反硝化由于节省了氧化NO2－-N为NO3－-N的步骤，所以提高了硝化反应速率，缩短硝化反应时间，减小反应池容积，节省基建投资。可以节省25%的供氧量，40%左右的有机碳源，并且在硝化过程减少产泥24%～33%，反硝化过程中减少产泥50%。二、短程硝化反硝化运行参数研究1、温度；生物硝化反应在4℃~45℃内均可进行，适宜温度为20℃~35℃，一般低于15℃硝化菌受到严重抑制，速率降低。15℃~25℃下活性污泥中亚硝酸菌活性较硝酸菌差，不会发生亚硝酸盐的积累。温度超过25℃时会发生亚硝酸盐的积累，且当温度超过30℃后可获得更高的亚硝酸盐积累。升高温度不仅能加快亚硝酸菌的生长速率，还能扩大亚硝酸菌和硝酸菌在生长速率上的距离。高温条件下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌，有利于实现短程硝化；但是大多数城市污水都属于低温低氨水，如果将大量的水升温、保温在30～35℃会增加污水处理成本。故短程硝化反硝化主要用来处理城市污水二级处理系统中污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高温高氨废水，利用高温（30℃～35℃）下亚硝化菌的增殖速率高于硝酸菌的生理特征，通过控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间并且小于硝酸菌的世代时间，淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌，从而稳定地实现短程硝化反硝化生物脱氮。2、PH值；当pH值较低时，水中较多的是氨离子和亚硝酸，有利于硝化过程，因此无亚硝酸盐的积累。当pH值较高时，废水中游离氨所占比例增加，而分子态游离氨氮对硝化菌的抑制要强于亚硝化菌，故有可能积累亚硝酸盐；对适合于亚硝酸菌生长的最佳pH值尚无定论，但普遍认为硝酸菌适宜的pH值为6.0～7.5，而亚硝酸菌适宜的pH值为7.0～8.5。于德爽等在中温（20-30℃）条件下，通过控制进水的PH值为7.5-8.8来实现亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率达到95%以上。由于硝化过程消耗的碱度和反硝化过程产生的碱度是不平衡的，因此整个反应过程的碱度是逐渐降低的，要想实现亚硝态氮的积累，必须在反应过程中投加碱性物质或者使用高pH值废水；3、DO；亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2mg/L~0.4mg/L，而硝酸菌氧饱和常数为1.2mg/L~1.5mg/L，在较低DO环境中硝酸菌受到严重抑制，亚硝酸菌占优势地位，亚硝酸盐积累率较高；在低DO（1.0mg/L）时，亚硝化菌和硝化菌的增长速率都会由于溶解氧的下降而下降，但是硝化菌的下降要比亚硝化菌快（当DO为0.5mg/L时，亚硝化菌增值速率为正常值的60%，而硝化菌不超过正常值的30%），使亚硝化菌成为主体，实现亚硝态氮的累积。Bernet利用生物膜反应器进行试验，结果表明，在DO0.5mg/L的条件下可以实现短程硝化，出水NO2－-N的比例在90%以上。Keisuke等的研究结果也表明，当溶解氧浓度低于0.5mg/L时，反应器中氨氧化菌的亚硝化速率并未受到影响。同时应该注意的是，低溶解氧虽能实现亚硝酸盐的积累，但易引起活性污泥易发生解体和丝状菌膨胀。4、污泥龄；由于亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的世代时间短（相差10倍以上），因此，若泥龄介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小世代时间之间时，系统中硝酸菌会逐渐被淘汰，使亚硝酸菌成为优势菌，从而形成亚硝酸型硝化，维持稳定的亚硝酸氮的积累。当污泥龄很长时如35d，亦能发生短程硝化反硝化，此时硝化菌和反硝化菌可长期共存；发生短程硝化反硝化的原因主要因为泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝化菌生长，而非硝化菌的减少。5、分子态游离氨影响(FA)；现有研究表明，对于氨氧化细菌来说，FA才是其真正的底物，而不是NH4+。FA对硝酸细菌的抑制浓度为0.1mg/L~1.0mg/L，对亚硝化细菌的抑制浓度为10mg/L~150mg/L，较高浓度FA有利于亚硝酸盐的积累。6、投加抑制剂；①无机氮化物；硝酸菌对游离氨的敏感性要高于亚硝酸菌，当硝化基质（FA）浓度超过硝酸菌的抑制浓度阈值而低于亚硝酸菌的抑制浓度阈值时，就会使反应器的亚硝酸菌占优势，实现亚硝酸盐的积累。他的试验结果显示，0.6mg/L的游离氨几乎可以全部抑制硝酸菌的活性，而只有当游离氨浓度大于5mg/L时才会对亚硝酸菌的活性产生影响，达到40mg/L才会严重抑制亚硝酸盐氮的生成。Nthonisen等研究认为游离氨浓度在0.1~1.0mg/L时就会抑制硝化菌活性，而当浓度达到10~150mg/L时才会抑制亚硝化菌活性。游离氨一般控制在5～10mg/L范围内，有利于实现短程硝化。当废水中NH3浓度较高、pH值偏于碱性时，易形成亚硝酸型硝化，在相反条件下，则形成硝酸型硝化的倾向很大。另外氨氮负荷过高时，在系统进行初期有利于繁殖较快的亚硝酸菌增长，使亚硝酸产生量大于消耗量而出现积累。但是硝化菌对游离氨具有适应性，即游离氨浓度对硝化菌的抑制浓度随反应时间变化可以不断提高，因此由此实现的短程硝化在长时间内是不稳定的。②毒性物质；有毒物质一般是指酚、氰及重金属离子等，主要存在于工业废水中，由于硝酸菌对环境较为敏感，废水中的毒性物质对亚硝酸盐氧化过程有明显的抑制作用。相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境的适应性慢，因而在接触有害物质的初期会受到抑制，出现亚硝酸积累。但是毒性物质由于对人体和环境的有害性，不适合主动投加到水中。③杀菌类物质；氯酸盐和亚氯酸盐是常见的氧化剂，广泛应用于水处理中，其灭菌效率高且本身无毒或低毒。通过加氯抑制丝状菌生长是控制污泥膨胀的一种常规方法，在使用这种方法时，经常会发生亚硝态氮的积聚，Cotteux和Duchene研究了这种现象。他们在他们在二沉池至反应池之间设一个接触池，向其中通氯，每天每kgMLVSS通氯药剂量为(4.6±0.2)g，结果在2个反应器(回流比不同)中硝态氮质量浓度都小于1mg/L，氨氮的氧化产物以亚硝态氮的形式存在。Hynens等发现，在废水中加入5mmol/L的氯酸钠可抑制硝化菌的活性，而对亚硝化菌无影响。但氯酸盐有时也会对亚硝酸菌产生影响，因此这种方法需要严格控制抑制剂的用量，否则会对系统产生不可恢复的破坏。④盐类物质；增加水中盐度对硝化菌的增殖有明显的抑制而对亚硝化菌没有影响；三、工艺实例1、SHARON工艺；温度保持在30℃~40℃之间，pH维持在7.4~8.3之间，DO控制在1.0mg/L~1.5mg/L之间，完全混合反应器，泥龄控制在1d~2.5d之间，进水氨氮浓度高达1000mg/L以上；2、OLAND工艺；OLAND工艺的技术关键在于严格控制反应器中的DO浓度。其特点：利用了硝酸细菌对氧的亲和力小于亚硝酸细菌的特性，通过将反应器中的DO浓度控制在较低的水平，使硝酸细菌被自然淘汰，而亚硝酸细菌不断增殖，由此实现短程硝化，以提供下一步反应所需的亚硝酸盐；只提供微量的氧(DO在0.1mg/L~0.8mg/L之间，在大部分情况下低于0.5mg/L)，由于缺氧，亚硝酸细菌能以亚硝酸盐为电子受体去氧化氨。由于DO浓度易于控制，因此操作较为方便。利用该工艺进行生物脱氮，可比全程硝化反硝化工艺耗氧减少63%，并完全免用反硝化所需的有机物质。3、通过曝气时间控制实现SCND；Turk在1986年研究硝化过程中发现，当反应器从缺氧环境转变为好氧环境时，亚硝酸盐的氧化速率落后于氨的氧化速率，导致亚硝氮明显的积累。但随着好氧时间的延长，积累的亚硝氮会完全转变为硝酸盐氮。实验发现，若连续曝气使DO保持在2.0mg/L左右，氨被氧化，亚硝酸盐和硝酸盐同时积累；间歇曝气(每20min曝气10min)可以使DO浓度在曝气期间达到2mg/L，停止曝气5min后降至0.01mg/L，在这种运行方式下，氨被氧化，亚硝酸盐被积累，而硝酸盐产量很少。这些都说明通过曝气时间控制可以实现亚硝氮积累。四、控制缺陷1、通过控制温度的实现途径只适合于特定的废水，即高温高氨废水，而大部分的城市废水都属于低温低氨废水，尤其是冬季和北方的城市，因此将其保持在高温，必然会增加污水处理成本；2、控制低溶解氧水平的实现方式容易发生污泥解体和丝状菌膨胀问题；3、控制pH值的实现方式需要在反应过程中投加碱性物质或使用高pH值废水，也会增加污水处理成本和控制难度；4、由于亚硝酸盐氧化菌对FA浓度的适应性，使得通过控制游离氨浓度来实现亚硝酸盐积累的方式不能长久稳定；消毒剂的用量也需要严格控制，否则会对系统产生不可恢复的破坏；5、泥龄是与氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的增长速度相关的，温度、pH值等环境因素的变化都会引起这两种菌增长速度的变化，因此泥龄并不是固定的，需要根据具体情况不断调整，这也会增加泥龄控制的难度及工艺的稳定性；