污水處理廠短程硝化反硝化技術(shù)應(yīng)用研究

污水處理廠短程硝化反硝化技術(shù)應(yīng)用研究

短程硝化反硝化技術(shù)是控制在亞硝酸鹽階段的硝化反應(yīng)，不進行亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，直接反硝化反應(yīng)。與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)相比，短程硝化反硝化具有以下優(yōu)點：在好氧階段，氧氣消耗少，氧耗過大。在貧困地區(qū)，節(jié)省40%的外部碳儲量。亞硝酸鹽反硝化反應(yīng)是亞硝酸鹽反硝化反應(yīng)率的1.5.2倍。對于經(jīng)濟和技術(shù)來說，短期硝化反硝化具有較高的可行性。特別是在處理高氨氮質(zhì)量濃度與低c-c1比值的廢水時，sharon技術(shù)是第一個成功實施短期硝化和反硝化技術(shù)并成功應(yīng)用的技術(shù)。然而，sharon技術(shù)的運營條件（如高氮含量）限制了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。如何在更一般的條件下和期間處理城市污水的過程中實現(xiàn)短程硝化反硝化技術(shù)是各國科學(xué)家廣泛研究的問題。到目前為止，已經(jīng)成功實施了短程硝化反硝化的報道，而且在連續(xù)性條件下也很少。本文從微生物、工藝方法、狀態(tài)、在線檢測、模糊控制等方面進行了探討和探討，為更好地應(yīng)用和開發(fā)該技術(shù)提供了基礎(chǔ)。1硝化細菌的親緣關(guān)系硝化作用是一個序列反應(yīng),先由亞硝化菌把氨氧化為亞硝酸鹽,再由硝化細菌把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽.迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)一種硝化細菌能夠單獨把氨直接氧化為硝酸鹽.從進化譜系上看,亞硝化細菌和硝化細菌之間的親緣關(guān)系并不密切,所有分離的亞硝酸鹽都歸入β-Proteobacteria綱或γ-Proteobacteria綱.所有分離的硝酸細菌都歸于α-Proteobacteria綱,γ-Proteobacteria綱或δ-Proteobacteria綱或Nitrospira門,除了γ-Proteobacteria綱中Nitrosococcus與Nitrococcus的少數(shù)菌株具有相對較近的親緣關(guān)系外,其他絕大多數(shù)菌株的親緣關(guān)系都相距很遠,亞硝化菌與硝化菌彼此為鄰并無進化譜系上的必然性,它們完全可以獨立生活.2短程硝化反硝化的重要控制因素2.1最佳溫度的確定20℃條件下,亞硝化細菌和硝化菌的比增長速率μmax分別為0.801d-1和0.788d-1.兩個菌群的反應(yīng)活化能分別為68kJ/mol和44kJ/mol,它們對溫度變化的敏感性也呈現(xiàn)明顯的不同,見圖1.溫度低于20℃時,亞硝化細菌的μmax小于硝化細菌,而溫度大于20℃時,亞硝化細菌的μmax超過硝化細菌,因此,升高溫度不但能加快亞硝化細菌的生長速率,同時還能擴大亞硝化細菌和硝化細菌的生長速率上的差距,有利于篩選亞硝化細菌,淘汰硝化細菌.目前在短程硝化反硝化生物脫氮工藝中,國內(nèi)外學(xué)者對于最佳溫度持有不同的看法.在純培養(yǎng)條件下AOB和NOB的最佳溫度分別為35℃和38℃.Hyungseok等認(rèn)為實現(xiàn)短程硝化的最佳溫度為22～27℃,或者至少不能低于15℃.他們觀點的理論根據(jù)是在該溫度范圍內(nèi)亞硝酸菌的活性最強,而在15℃以下硝酸菌的活性變?yōu)樽顝?另外Balmelle等的研究結(jié)果與Hyungseok的一致,同樣認(rèn)為實現(xiàn)短程硝化的最佳溫度為25℃.這一結(jié)果與上面談到的SHARON工藝和國內(nèi)學(xué)者提出的臨界溫度相距甚遠.SHARON工藝是在35℃的條件下運行.從比增長速率的角度考慮,只有在溫度高于25℃時,氨氧化菌在與亞硝酸鹽氧化菌的競爭中才能勝出.而在溫度低于15℃時情況恰好相反.SHARON工藝是在高溫下(高于25℃)利用氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌比增長速率的不同從而實現(xiàn)短程硝化反硝化.但現(xiàn)在很多研究都證實在常溫或低溫條件下,在處理城市污水的過程中也發(fā)生了穩(wěn)定而高效的短程硝化.2.2u3000泥齡控制下的短程硝化反應(yīng)由于亞硝化菌的世代時間(倍增時間)小于硝化細菌,在懸浮生長系統(tǒng)中,控制泥齡即可洗出硝化細菌而保留亞硝化細菌,實現(xiàn)短程硝化反硝化反應(yīng).在不同溫度、不同SRT條件下硝化菌和亞硝化菌生長曲線的變化見圖1.Pollice等人發(fā)現(xiàn),在32℃條件下,隨著泥齡的縮短,由40d降為10d,亞硝酸鹽量逐漸增多.在Sharon工藝水力停留時間HRT等于污泥停留時間SRT,故通過直接調(diào)節(jié)HRT即可實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反應(yīng).VanKampen等人根據(jù)Sharon工藝生產(chǎn)性應(yīng)用的經(jīng)驗,推薦將泥齡控制在1～2.5d.但現(xiàn)在許多關(guān)于穩(wěn)定短程硝化反硝化的研究都是在長污泥齡(大于12d)的條件下獲得的.由圖1可以看出,當(dāng)溫度超過25℃后,亞硝酸菌和硝酸菌二者的最小SRT就相差不大,換句話說,當(dāng)溫度超過25℃后,過度地升高溫度以獲得穩(wěn)定的短程是沒有必要的,這也解釋了為什么關(guān)于最佳溫度值的報道不一致.筆者認(rèn)為保持溫度大于等于25℃即可,因為水的比熱較大(4.183kJ/(kg·K),20℃),對廢水升溫在經(jīng)濟上不可行.2.3硝化過程中ph和orp的變化規(guī)律生物脫氮工藝運行中,由于運行條件的改變,也會使硝化反應(yīng)的兩個階段硝化效率發(fā)生變化.而曝氣時間的長短與亞硝化菌的積累率成反比關(guān)系.間歇曝氣是比較有效的積累亞硝酸菌的方法.采用在反應(yīng)器底部連續(xù)進水也是有效實現(xiàn)亞硝酸菌積累的方法.研究發(fā)現(xiàn),為了兼顧氨氧化速率和亞硝酸鹽的積累,DO質(zhì)量濃度控制在1.0～1.5mg/L范圍內(nèi),供氧方式采用間隙曝氣有利于實現(xiàn)亞硝化細菌的大量積累.彭永臻教授采用曝氣控制策略實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化反應(yīng),然而溫度卻從32℃降為21℃.SBR反應(yīng)器硝化過程中pH和ORP的變化特點如圖2所示.在理論上,亞硝酸鹽氧化至硝酸鹽的過程不產(chǎn)生氫離子,因此,也不會引起pH的變化.采用在線控制技術(shù),以pH的變化特征點以及導(dǎo)數(shù)變化情況作為輸入控制參數(shù),及時地控制曝氣時間和曝氣量,可以有效地實現(xiàn)短程硝化反應(yīng).而長時間的運行結(jié)果可選擇性地積累氨氧化菌而洗出亞硝酸鹽氧化菌,這也是一種直接的種群優(yōu)化的過程.2.4do的臨界值亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4mg/L,而硝酸菌為1.2～1.5mg/L,這就意味著亞硝酸細菌對氧的親和力和耗氧速率均高于硝酸細菌.因此,當(dāng)反應(yīng)體系中的溶解氧質(zhì)量濃度成為限制性因素時,即在較低的DO質(zhì)量濃度下,亞硝酸菌的增殖速率加快,補償了由于低氧所造成的代謝活動下降,使得氨氮氧化為亞硝酸氮的過程未受到明顯影響.而在低DO條件下,硝酸菌代謝能力大幅度下降,其氧化亞硝酸氮的能力大為減弱,從而造成體系中亞硝酸氮的積累.雖然許多學(xué)者均報道了在低DO質(zhì)量濃度可抑制硝酸菌的生長,產(chǎn)生亞硝酸菌的積累,但關(guān)于DO的臨界值的報道卻不一致.Hanaki曾報道將溶解氧控制在0.5mg/L時,亞硝酸菌的增殖速率加快了近1倍,補償了由于低溶解氧所造成的代謝活性的下降,而硝酸菌的增殖速率在低溶解氧(0.5mg/L)沒有任何提高,從而導(dǎo)致亞硝酸鹽的大量積累.Garrido發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度為1.5mg/L時,氨氧化速率和亞硝酸鹽積累量都達到最大值.Ruiz曾報道將反應(yīng)器中的DO質(zhì)量濃度恒定為0.7mg/L,可以達到65%的亞硝化率和98%的氨氧化率,低于0.5mg/L氨氮開始積累,然而DO高于1.7mg/L就會導(dǎo)致全程的硝化反應(yīng).DO質(zhì)量濃度為1.4mg/L時,會達到75%的亞硝化率和95%的氨氧化率.盡管關(guān)于DO的臨界值的報道不太一致,但可以看出所有的短程都是在ρ(DO)<1.5mg/L的條件下獲得的,而超過此值,亞硝酸鹽積累將得到破壞.另一方面還應(yīng)注意低溶解氧所帶來的硝化效率降低和活性污泥解體以及引發(fā)絲狀菌膨脹等問題.采用在線控制的方法為DO質(zhì)量濃度的控制提供了新的思路.利用在硝化過程中的凸點和凹點(如圖2中A點和B點所示),判別硝化反應(yīng)的進行程度,從而避免了高DO質(zhì)量濃度和過量曝氣的發(fā)生.2.5ph值污水中的pH從以下幾個方面影響短程硝化反硝化反應(yīng).2.5.1游離氨l濃度游離氨質(zhì)量濃度與pH的關(guān)系如下:ρFA=1714×[NH+4?N]×10pHKb/Kw+10pH.ρFA=1714×[ΝΗ4+-Ν]×10pΗΚb/Κw+10pΗ.其中ρFA是以NH3(mg/L)表示的游離氨質(zhì)量濃度,[NH4+-N]是以N(mg/L)表示的氨氮質(zhì)量濃度,Kb是氨的平衡方程式的電離常數(shù),Kw是水的電離常數(shù).游離氨的抑制作用對兩類硝化細菌是不同的.通過pH控制游離氨的質(zhì)量濃度而實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累已被許多研究學(xué)者所證實.在pH=8.5、t=20℃時,最佳的游離氨質(zhì)量濃度在5mg/L左右.在高于等于7mg/L時游離氨就會對亞硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用.當(dāng)質(zhì)量濃度為20mg/L時亞硝化反應(yīng)幾乎停止.游離氨對硝酸菌只是簡單抑制,并沒有殺死,經(jīng)過一段培養(yǎng)和馴化后,硝酸菌又會恢復(fù)活性.單純地通過控制FA來實現(xiàn)短程硝化還不夠穩(wěn)定,但綜合考慮其他因素后即可實現(xiàn).2.5.2提高ph值pH與亞硝酸分配比的關(guān)系可由下式表示:HNO2/％=1001+[Ka]/10?pH.ΗΝΟ2/％=1001+[Κa]/10-pΗ.在正常的生物處理系統(tǒng)中,NO2-是亞硝氮的主要存在形式,提高pH可以降低HNO2的分配百分比.提高pH可增加NH3的分配比,同時減少HNO2分配比,有利于亞硝化細菌的富集.Joanna的研究結(jié)果表明亞硝酸的臨界質(zhì)量濃度值為0.04mg/L,超過此值對氨化反應(yīng)會有所抑制.2.5.3亞硝酸鹽生抑制作用YangandAlleman曾報道游離羫氨,亞硝酸菌硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物,與低效率的硝化反應(yīng)有關(guān),而且會對硝酸菌產(chǎn)生抑制作用.Stuven等人發(fā)現(xiàn),在高氨負(fù)荷[0.7kg/(m3·d)]下,即使反應(yīng)系統(tǒng)中存在硝酸細菌,也不會產(chǎn)生硝酸鹽,直至氨被耗盡.只有在氨氧化活性消失2～5d后,亞硝酸鹽才能被氧化.Stuven等人推測,氨之所以抑制硝酸細菌活性是因為亞硝酸細菌產(chǎn)生了羥胺,其劇毒.羫氨可能發(fā)生聚集的硝化系統(tǒng)為高NH3/NH4+質(zhì)量濃度,不充足的氧和高pH.2.5.4硝化細菌生長速率的影響在氨質(zhì)量濃度和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度分別為130和300mg/L的條件下,pH對硝化細菌生長速率的影響見圖3.當(dāng)pH大于7.0時,亞硝化細菌的生長速率明顯高于硝酸細菌,兩者的最小SRT相差懸殊,易于通過控制SRT淘汰硝酸細菌.但當(dāng)pH小于6.3時,亞硝化細菌的生長速率低于硝酸細菌,難于通過控制SRT淘汰硝酸細菌.2.6生長型氨酸鹽的特點氨氮既能作為基質(zhì)加快氨氧化反應(yīng),又能作為抑制劑抑制亞硝化細菌和硝化細菌的活性.研究表明亞硝酸菌可分為兩類,慢速生長型和快速生長型,分別適合于生長的基質(zhì)質(zhì)量濃度較低和較高的條件下,見圖4.在傳統(tǒng)工藝中,為保證出水達標(biāo),通常將氨質(zhì)量濃度控制在較低的水平,裝置內(nèi)富集的一般是慢速生長型亞硝化細菌,而在短程硝化反硝化中,通常將氨質(zhì)量濃度控制在較高的水平,富集的顯然是快速生長型硝化細菌.這也證明了為什么在處理高氨氮廢水時較易實現(xiàn)短程硝化反應(yīng),而在處理普通城市污水時,不易實現(xiàn)和控制穩(wěn)定的短程硝化反應(yīng).2.7有機物的影響對硝化反應(yīng)有抑制作用的物質(zhì)有:過高質(zhì)量濃度的NH3、重金屬、有毒有害物質(zhì)以及有機物.重金屬會對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制,如Ag、Hg、Ni、Cr和Zn等,其毒性作用由強到弱;當(dāng)pH由高到低時,毒性由弱到強.鋅、銅和鉛等重金屬對硝化反應(yīng)的兩個階段都有抑制,但抑制程度不同.某些有機物如苯胺、鄰甲酚和苯酚等對硝化細菌具有毒害或抑制作用,因為催化硝化反應(yīng)的酶內(nèi)含CuI-CuII電子對,凡是與酶中的蛋白質(zhì)競爭Cu或直接嵌入酶結(jié)構(gòu)的有機物,均會對硝化細菌發(fā)生抑制作用.這些有機物對硝化菌的抑制作用要比亞硝化菌強,所以會在對含這類物質(zhì)的污水生物脫氮中產(chǎn)生亞硝酸鹽積累現(xiàn)象.氧化劑也會對硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響.采用氯酸鉀作為抑制劑時,當(dāng)濃度為1mmol/L至10mmol/L時,硝化菌被完全抑制,同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)亞氯酸鹽濃度為3mmol/L時,在這個環(huán)境下的亞硝化反應(yīng)的速率與不加入氯酸鹽的反應(yīng)速率是完全相同的;而硝化菌則被完全抑制了.不同于以往的抑制作用,氯酸鹽的抑制作用具有選擇性.氯、二氧化氯和溴等被廣泛應(yīng)用于給水處理中的消毒劑都可以選擇性地抑制硝化菌,且具有經(jīng)濟上的可行性.在處理含海水的污水過程中,一定濃度的鹽度有助于實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累.3fa與其他抑制劑的作用機理通過對以上影響因素的探討可以發(fā)現(xiàn),要獲得穩(wěn)定的亞硝酸鹽的積累可以通過單純地控制某一個參數(shù)獲得.但是在一些影響參數(shù)未得到明確證實的條件下,有些控制參數(shù)如pH、基質(zhì)質(zhì)量濃度和FA質(zhì)量濃度等都有很強的聯(lián)系,而且在現(xiàn)有的結(jié)論也存在一定出入的條件下,應(yīng)該對這些影響因素進行綜合考慮.還應(yīng)結(jié)合具體的實際情況加以考慮,例如通過調(diào)控溫度的方法在處理普通城市污水時就顯得不切實際,因為水的比熱比較高.各種抑制劑的抑制原理和抑制作用還有所不同.FA和氯酸鹽均可通過抑制硝酸菌的生長而達到積累亞硝化菌的目的,但與FA不同,氯酸鹽只抑制硝酸菌而不抑制亞硝化菌.而且這種抑制作用是不可恢復(fù)的.FA和其他抑制劑的作用機理是不同的,FA只是選擇性抑制,而抑制劑則是選擇性殺死,這還有待進一步的研究.4穩(wěn)定的短程硝化反應(yīng)1)在本文中對比于傳統(tǒng)硝化反硝化的優(yōu)勢,對短程硝化反硝化反應(yīng)的一些影響因素以及如何獲得和維持穩(wěn)定的短程硝化反硝化反應(yīng)的方法進行了探討.從微生物的種群類別的角度證明了分離亞硝化菌和硝化菌的可行性.對比于DO、SRT、底物質(zhì)量濃度等,溫度、pH、抑制劑等均可實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反應(yīng),但其運行費用和經(jīng)濟可