亞硝酸型硝化的控制途徑

1、亞硝酸型硝化的控制途徑 在簡捷硝化反硝化的兩個主要反應步驟中，反硝化技術容易控制實現(xiàn)，因此硝化過程中穩(wěn)定持久的獲得NO2-N成為技術關鍵，實現(xiàn)硝化出水NO2-N高比例的控制技術也成為研究重點。目前能在一定時間內(nèi)控制硝化處于亞硝酸階段的途徑有四種：亞硝酸細菌 的純種分離與固定化技術；控制溫度造成不同增長速率形成“分選壓力”的SHARON途徑；游離氨抑制硝酸細菌增長的選擇性抑制途徑；控制硝化細菌基質(zhì)造成兩類細菌增長速率 不同的氧缺乏競爭途徑。 1 純種分離與固定化技術途徑該途徑的機理是利用純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細菌固定化，從而維持反應器內(nèi)菌群為純亞硝酸細菌或以亞硝酸細菌為主體，從而實現(xiàn)硝化出水

2、中NO2-N的高比例。利用固定化微生物技術強化生物脫氮是近10年來生物脫氮領域研究的熱點之一，利用固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)等將亞硝酸細菌包埋后固定化，裝于特別設計的反應器內(nèi)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸型硝化，在與反硝化細菌混合包埋固定化的條件下可以實現(xiàn)同步硝化反硝化，日本已出現(xiàn)了處理能力為11300m3/d的工業(yè)化裝置1。亞硝酸細菌純種分離后固定化可以獲得穩(wěn)定的NO2-N積累，在技術實踐中取得了一定成功，但該技術存在因固定化細菌退化使硝化能力下降的問題，固定化細菌反應器經(jīng)過一定時間的運行后需進行固定化細菌的替換或活化。針對復雜的廢水體系，解決經(jīng)純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細菌對實際高氨廢

3、水的適應性問題的關鍵是對采用混合菌還是單一高效菌分級處理進行優(yōu)化，同時降低固定化載體的成本并提高其使用壽命。2 SHARON 工藝途徑SHARON工藝2的理論基礎是在高溫條件下(25)，亞硝酸細菌的增長速率高于硝酸細菌，完全混合反應器不進行污泥回流，因而污泥停留時間(SRT)等同于水力停 留時間(HRT)，控制HRT大于亞硝酸細菌的世代時間，小于硝酸細菌的世代時間，實現(xiàn)硝酸細菌的“淘洗”，使反應器內(nèi)主要為亞硝酸細菌。該工藝的本質(zhì)是通過控制環(huán)境溫度造成 兩類細菌不同的增長速率，利用該動力學參數(shù)的不同造成“分選壓力”。此外，文獻中也強調(diào)了pH值對兩類細菌競爭的影響，認為除了溫度外，pH值對于亞硝酸

4、細菌與硝酸細菌的競爭 以及獲得出水中較低的NH4+-N濃度也非常重要。SHARON工藝的成功在于：利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細菌的競爭能力；利用完全混合反應器在無污泥回流條件下SRT與HRT的同一性，控制HRT實現(xiàn)硝酸細菌的“淘洗”；實現(xiàn)對pH值的成功控制，較高的pH值不僅抑制了硝酸細菌，也消除了自由亞硝酸(FNA)對亞硝酸細菌的抑制。該工藝的成功運行表明，亞硝酸型硝化控制因子的探討是一個系統(tǒng)工程，任何一個控制因子的確定除了要明確它本身會對兩類硝化細菌的動力學特性產(chǎn)生何種影響外，還要將其他影響因素控制在有利于亞硝酸細菌的范圍內(nèi)。如考察溫度的影響時應同時考慮因溫度變化導致的游離氨濃度與

5、pH值的變化對亞硝酸型硝化的影響。3 游離氨的選擇性抑制途徑抑制途徑的機理是利用特定的抑制因子抑制硝酸細菌而對亞硝酸細菌不抑制或抑制作用較輕，從而使反應器內(nèi)亞硝酸細菌占優(yōu)勢，實現(xiàn)出水NO2-N高比例。選擇性抑制途徑從根本上 講是硝化基質(zhì)(FA)濃度超過硝酸細菌的轉(zhuǎn)化利用閾值，而低于亞硝酸細菌的轉(zhuǎn)化利用閾值。其代表性理論是Anthonisen的選擇性抑制學說。Anthonisen及后來國內(nèi)外許多亞硝酸鹽氮積累研究者發(fā)現(xiàn)3、4：游離氨對兩類硝化細菌的抑制作用(毒性)不同，硝酸細菌對游離氨的敏感性要高于亞硝酸細菌，并就FA對兩類細菌的抑制濃度閾值進行了研究，通過試驗發(fā)現(xiàn)0.6mg/L的FA幾乎就可以

6、全部抑制硝酸菌的活性，從而使NO2-N的氧化受阻，出現(xiàn)NO2-N積累；而對亞硝酸菌只有當FA濃度5mg/L時才會對其活性產(chǎn)生影響，達到40mg/L才會嚴重抑制亞硝酸氮的形成。從這個結(jié)果出發(fā)的抑制選擇性學說認為，通過調(diào)整pH值控制反應器內(nèi)FA的濃度在抑制硝酸細 菌而不抑制亞硝酸細菌的閾值內(nèi)，可以抑制硝酸細菌的增長而使亞硝酸細菌成為反應器內(nèi)硝化反應主體，實現(xiàn)亞硝酸型硝化。為了闡明FA抑制的機理，Turk與Mavinic5精心設計了一套試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5個串聯(lián)的完全混合反應器構(gòu)成以使系統(tǒng)內(nèi)形成推流流態(tài)。第一個反應器的控制處于反硝化運行，pH值較高，F(xiàn)A濃度控制在抑制硝酸細菌而不抑制亞硝酸細菌的范圍

7、內(nèi)；通過第一個反應器的活性污泥，其中硝酸細菌被認為受到抑制，因此在后續(xù)的反應器內(nèi)應出現(xiàn)亞硝酸氮積累，試驗結(jié)果卻表明亞硝酸氮的積累并不穩(wěn)定，分析原因是由于硝酸細菌能夠逐漸適應不斷升高的FA造成的。Alleman等也在試驗中發(fā)現(xiàn)了試驗時間超過150d后出現(xiàn)硝化出水中NO2-N比例下降的問題。由于對FA抑制選擇學說的機理比較清楚，目前比較統(tǒng)一的認識是，對于高FA濃度，于變異與適應性的原因，硝酸細菌會逐漸適應高濃度FA，因而許多研究者在試驗中發(fā) 現(xiàn)出水中NO2-N比例不穩(wěn)定的情況，而這是作為控制因素必須避免的。4 Bernet的基質(zhì)缺乏競爭途徑Kuai6、Hanaki7、王志盈8等在研究中發(fā)現(xiàn)了在低D

8、O的條件下反應器出水中NO2-N濃度上升的現(xiàn)象。許多研究者進行了利用控制DO實現(xiàn)亞 硝酸型硝化的研究。Bernet提出了基質(zhì)缺乏競爭學說9，該學說的理論基礎是兩類硝化細菌對氧的親和力不同，從亞硝酸細菌氧飽和常數(shù)低于硝酸細菌這一假設出發(fā)，證明了降低DO尤其是在DO1.0mg/L條件下對提高亞硝酸細菌的競爭力有利；受DO下降的影響，亞硝酸細菌與硝酸細菌的增長速率均下降，然而硝酸細菌的下降比亞硝酸細菌要快，導致亞硝酸細菌的增長速率超過硝酸細菌，使生物膜上的細菌以亞硝酸細菌為主體，出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累。為了證明所提學說的正確性和DO作為亞硝酸型硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反應器進行了試驗

9、，試驗過程分為完全硝化掛膜、一次降低DO、提高DO濃度、二次降低DO濃度等步驟，證明了在DO0.5mg/L條件下可以實現(xiàn)亞硝酸型硝化，出水中NO2-N的比例在90%以上；并且在受到?jīng)_擊后(DO濃度升高)能迅速恢復，但應該注意的是，試驗系統(tǒng)在經(jīng)過DO濃度升高沖擊后，出水中NO2-N比例下降了10% 。低DO條件下亞硝酸型硝化的機理目前研究尚不十分透徹，因而存在不同觀點，多數(shù)研究人員認為DO可以作為亞硝酸型硝化的控制因素，然而亞硝酸細菌和硝酸細菌的不同屬在 氧親和力即氧飽和常數(shù)方面是有交叉的，亞硝酸細菌的氧飽和常數(shù)為0.63.6，硝酸細菌的氧飽和常數(shù)為0.31.7，不同條件下可能出現(xiàn)不同屬的硝化細

10、菌占優(yōu)勢，因而Bernet進行理 論推導的假設是需要探討的。另外，在經(jīng)過一次DO升高沖擊后出水中NO2-N的比例下降了10%，這是否是硝酸細菌對低DO適應性增強造成的(因為氧飽和常數(shù)較低的硝酸細菌在反應器內(nèi)也是存在的)?其下降的原因需要進一步研究。5 結(jié)語在工程實踐中，由于廢水的復雜性以及兩類細菌在各方面的相似性，亞硝酸細菌與硝酸細菌會同時存在于反應器內(nèi)；由于微生物的變異性，采用抑制途徑實現(xiàn)亞硝酸型硝化必然會導致微生物對不良環(huán)境的適應性，致使系統(tǒng)在運行過程中不耐沖擊負荷，并且每次沖擊都會使硝酸細菌因適應性增強而競爭性增強，導致系統(tǒng)運行失效。SHARON工藝的成功運行表明，亞硝酸型硝化的穩(wěn)定運行是各個影響因素共同作用的結(jié)果，控制因素的確定應從兩類細菌不同的動力學特性出發(fā)并結(jié)合工程