同時(shí)硝化反硝化(SND)脫氮技術(shù)研究

馬萬權(quán)

(內(nèi)蒙古晟基置業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古呼和浩特010050)

1 引言

SND工藝即同時(shí)硝化反硝化工藝,是指在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)存在好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境,硝化和反硝化在同一反應(yīng)器中進(jìn)行的現(xiàn)象。

根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論,不可能同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化。然而,近10余年來國(guó)外有文獻(xiàn)報(bào)道了同步硝化反硝化現(xiàn)象,尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)中,如生物轉(zhuǎn)盤[1]、SBR[2]、氧化溝[3]、CAST[4]工藝等。

2 同步硝化反硝化的優(yōu)點(diǎn)

2.1 無需酸堿中和

硝化過程中堿度被消耗,而同時(shí)的反硝化過程中產(chǎn)生了堿度,SND能有效地保持反應(yīng)器中pH值穩(wěn)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(diǎn)是很重要的。

2.2 節(jié)省反應(yīng)器容積

SND意味著在同一反應(yīng)器內(nèi),相同的操作條件下,硝化、反硝化應(yīng)能同時(shí)進(jìn)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(yīng)同時(shí)進(jìn)行,那么對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的SND工藝污水處理廠,可以省去缺氧池的費(fèi)用,或減少其容積。

2.3 縮短反應(yīng)時(shí)間

對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講,SND能夠降低實(shí)現(xiàn)完全硝化、反硝化所需的時(shí)間,同時(shí)無需外加碳源。

2.4 N2O的逸出量少

N2O是溫室效應(yīng)氣體,它造成溫室效應(yīng)的能力是CO2的200～300倍。東南大學(xué)呂錫武等對(duì)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(jī)理

3.1 宏觀環(huán)境理論

在反應(yīng)器內(nèi)部,由于充氧不均衡,混合不均勻,形成反應(yīng)器內(nèi)部不同區(qū)域缺氧和好氧段,分別為反硝化菌和硝化菌作用提供了優(yōu)勢(shì)環(huán)境,此為生物反應(yīng)大環(huán)境,即宏觀環(huán)境。事實(shí)上,生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中,完全均勻的混合狀態(tài)并不存在,即使在曝氣階段出現(xiàn)某種程度的反硝化即同步硝化、反硝化的現(xiàn)象也是完全可能的。除了反應(yīng)器不同空間上的溶氧不均外,反應(yīng)器在不同時(shí)間點(diǎn)上的溶氧變化也可以導(dǎo)致同步硝化、反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。Hyungseok Yoo[5]研究了SBR反應(yīng)器在曝氣反應(yīng)階段,反應(yīng)器內(nèi)溶解氧(DO)濃度歷經(jīng)減小后逐漸升高,并伴隨的同步硝化/反硝化現(xiàn)象。

3.2 微環(huán)境理論

微環(huán)境理論是從物理學(xué)角度對(duì)同步硝化反硝化現(xiàn)象進(jìn)行解釋,該理論考慮活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種生態(tài)因子(如溶解氧、有機(jī)物及其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))的傳遞與變化(圖1),各類微生物的代謝活動(dòng)及其相互關(guān)系,以及微環(huán)境的物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的變化。

圖1 微生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)的分布和底物濃度的變化

微環(huán)境理論認(rèn)為,由于氧擴(kuò)散的限制,在微生物絮體或者生物膜內(nèi)產(chǎn)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(nèi)部,氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗,產(chǎn)生缺氧區(qū),反硝化菌占優(yōu),從而形成有利于實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的微環(huán)境。目前利用此種理論解釋同步生物脫氮現(xiàn)象已被廣泛接受。

3.3 微生物學(xué)理論

過去反硝化被認(rèn)為是一個(gè)嚴(yán)格的缺氧過程。經(jīng)過,一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),如熒光假單胞菌(Pseudomonasaeruginos)、糞產(chǎn)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(duì)有機(jī)或無機(jī)氮化合物進(jìn)行異養(yǎng)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(shí)也是好氧反硝化菌,它們能夠直接把NH4+轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物而逸出。好氧反硝化是這一種屬微生物的內(nèi)在功能。與自氧菌相比,異氧硝化菌通常傾向于快速增長(zhǎng)且有較高的產(chǎn)率,可容忍低一些的溶解氧(DO)濃度和酸性環(huán)境,喜歡較高的C/N比。

事實(shí)上,同步硝化、反硝化現(xiàn)象往往是以上幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果,實(shí)際過程中有可能由一種或幾種作用占優(yōu)勢(shì),在對(duì)發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行考察的時(shí)候,單獨(dú)以某種假設(shè)來解釋往往會(huì)得到矛盾的結(jié)果,因此對(duì)此應(yīng)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(chǎn)性實(shí)驗(yàn)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(huán)境,促進(jìn)同步硝化反硝化。顆粒內(nèi)部或生物濾池的擴(kuò)散局限性和混合不完善的反應(yīng)器提供了缺氧狀態(tài),反硝化反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。在傳統(tǒng)活性污泥法中,顆粒粒徑約為0.15mm時(shí)對(duì)基本的反硝化作用已經(jīng)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(tǒng)硝化和反硝化程度的最重要的工藝參數(shù)之一。系統(tǒng)中的DO首先應(yīng)足以滿足有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)的需要,使硝化反應(yīng)充分;其次DO濃度又不能太高,以便能在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO濃度梯度,促進(jìn)缺氧微環(huán)境的形成,同時(shí)使系統(tǒng)中有機(jī)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(zhì)、污泥濃度、污泥密實(shí)程度、微生物存在狀態(tài)以及好氧微生物的活動(dòng)差異等原因,各種處理工藝的溶解氧要求是不同的,文獻(xiàn)中DO的范圍變化也相當(dāng)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(yàn)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(huì)被殺死,影響處理效果。江蘇工業(yè)學(xué)院王晉等在pH值為6.5,DO濃度為8mg/L時(shí),選擇 20℃、25℃、30℃3個(gè)溫度來研究溫度對(duì)SND中總氮去除率的影響,結(jié)果表明：溫度為30℃時(shí)反應(yīng)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(shí)驗(yàn)考察pH值對(duì)總氮去除率的影響,結(jié)果表明pH值為7時(shí)在整個(gè)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(jié)果。

4.5 碳源

反硝化過程需要有足夠的碳源。靜態(tài)試驗(yàn)可以看出有無碳源對(duì)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(jī)負(fù)荷,在控制曝氣量的前提下,污泥有機(jī)負(fù)荷將直接影響同步硝化反硝化的效果。污泥有機(jī)負(fù)荷過高,異養(yǎng)菌活動(dòng)旺盛,勢(shì)必抑制硝化反應(yīng),硝化不充分必然會(huì)影響反硝化;污泥有機(jī)負(fù)荷過低,有機(jī)物大量消耗,必然影響反硝化的碳源需求。高廷耀等在生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)中將污泥有機(jī)負(fù)荷控制在0.10～0.15kg BOD5/(kgM iss?d)范圍內(nèi),在保證BOD5去除的同時(shí),預(yù)留了同步反硝化的碳源,保證反硝化順利進(jìn)行[6]。

4.6 有機(jī)物污泥負(fù)荷

一般認(rèn)為,系統(tǒng)的有機(jī)物污泥負(fù)荷應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.1～0.15kg BOD/(kgM LSS?d)。

5 結(jié)語

同步硝化反硝化因?yàn)榫哂兄T多優(yōu)點(diǎn)大大降低了運(yùn)行費(fèi)用,具有很大的發(fā)展前途。目前,在荷蘭、丹麥、意大利、德國(guó)等已有污水廠在利用同時(shí)硝化和反硝化工藝運(yùn)行,國(guó)內(nèi)對(duì)同步硝化反硝化的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段,對(duì)其作用機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型正在做進(jìn)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(xiàn)象[J].給水排水,1998,24(12),6～9.