短程硝化反硝化的影響因素分析

短程硝化反硝化的影響因素分析

有很多方法可以去除氮，但重點是在于低能耗和藥物的能耗和浪費，以及低基礎設施和高氮脫氮效率。目前,有兩種方法可以實現(xiàn)這一要求。一是氮化合物通過亞硝酸鹽路徑除去,這也是所謂的短程硝化反硝化,即將氨氮氧化為亞硝酸鹽為止,通過選擇抑制性物質(zhì)或限制硝酸鹽菌的活性,使亞硝酸鹽有一定積累,然后對其進行反硝化來去除氮。短程脫氮不會形成硝酸鹽,因而短程脫氮和除磷具有較好的共實現(xiàn)基礎。二是,最近研究發(fā)現(xiàn),在供氧體受限或缺少有機碳源的厭氧條件下發(fā)生同時硝化反硝化。1生物脫氮過程硝化反應分為亞硝酸化和硝酸化兩個步驟,這兩步反應是由不同微生物來實施的。兩步反應的計量式和對應微生物如下所示:亞硝酸化:2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H2O微生物:氨氧化菌Ammoniaoxidizer(Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcu等)。硝酸化:2NO2-+O2→2NO3-微生物:亞硝酸氧化菌Nitriteoxidizer(Nitrobacter、Nitrospira等)。在生物脫氮中,亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽,硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽是兩個多余的反應。避免這兩個環(huán)節(jié)就可以節(jié)省25%的氧氣和約40%的有機碳源。短程硝化反硝化就是將硝化過程控制在亞硝酸化階段終止,隨后直接實現(xiàn)反硝化,氮的變化過程為:NH4+→HNO2→N2。另外,在脫氮除磷工藝中,回流到厭氧區(qū)的處理液中如果有硝酸鹽存在,會對聚磷菌的磷釋放過程產(chǎn)生不利影響。2影響亞硝酸鹽積累的因素短程硝化的標志是有穩(wěn)定和較高的NO2--N積累,如何控制硝化停止在NO2-階段是實現(xiàn)短程硝化的關鍵。因此控制那些能對硝酸菌和亞硝酸菌產(chǎn)生不同影響作用的影響因素,可以影響硝化形式,從而實現(xiàn)亞硝酸鹽積累。影響亞硝酸積累的因素主要有溫度、DO濃度、游離氨(FA)濃度、游離亞硝酸(FNA)濃度、pH值、泥齡及有機物濃度。2.1溫度對亞硝酸細菌和硝酸鹽細菌最大比增長速率的影響生物硝化反應在4~45℃內(nèi)均可進行,亞硝酸菌與硝酸菌生長的最適宜溫度不相同。在12~14℃時,活性污泥中硝化菌活性受到嚴重抑制,出現(xiàn)HNO2積累;15~30℃時,硝化過程形成的NO2-完全被氧化成NO3-;溫度超過30℃后又出現(xiàn)NO2-的積累。在一定溫度范圍內(nèi)(5~40℃),微生物的最大比增長速率與溫度之間的關系可用修正的阿倫尼烏斯方程來描述。式中:μmt——溫度t℃時的微生物最大比增長速率,d-1;μm20——標準溫度(20℃)時的微生物最大比增長速率,d-1;Eact——反應活化能,kJ/mol;R——氣體常數(shù),8.314J/(mol·K)。令θ=Eact/[293R(273+t)6](式中,θ稱為溫度系數(shù)),則上式可以寫為:根據(jù)式(2),硝化細菌的最大比增長速率隨溫度變化的曲線見圖1。由圖1可知,溫度對亞硝酸細菌和硝酸細菌的最大比增長速率具有不同的效應,當溫度低于20℃時,硝酸細菌的最大比增長速率大于亞硝酸細菌的,而當溫度高于20℃時,亞硝酸細菌的最大比增長速率大于硝酸細菌的。換言之,當系統(tǒng)溫度較高時,亞硝酸細菌處于優(yōu)勢地位,有利于亞硝酸鹽的積累而實現(xiàn)短程硝化。SHARON工藝利用這一點使硝化細菌在競爭中被淘汰。2.2硝化反應中亞硝酸鹽酶控制do的影響低DO濃度下的亞硝酸菌大量積累時,硝酸菌對DO的親和力較亞硝酸菌強。亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4mg/L,硝酸菌的為1.2~1.5mg/L。低DO濃度下,亞硝酸菌和硝酸菌增值速率均有不同程度的下降,當DO的質(zhì)量濃度為0.5mg/L時,亞硝酸菌增值速率為正常的60%,而硝酸菌不超過正常的30%。利用這兩類菌動力學特性的差異可以達到淘汰硝酸菌的目的。魯南等發(fā)現(xiàn)了DO與亞硝態(tài)氮生成率之間的關系(如圖2)。反應器長期在低DO條件下運行,會導致氨氧化菌種在硝化細菌中占有優(yōu)勢,且能穩(wěn)定地保持這種優(yōu)勢,因而控制DO就成為了簡化硝化和反硝化的一個有效手段。另外,氨氧化菌世代周期比亞硝酸氧化菌短,短程硝化可以提高微生物濃度和硝化反應速度,縮短硝化反應時間。Bernet等在生物膜反應器中,控制DO的質(zhì)量濃度在0.5mg/L以下,從而使得出水中亞硝酸氮占總硝態(tài)氮的90%以上。一般在硝化反應階段當ρ(DO):ρ(FA)的值小于5時會產(chǎn)生NO2--N的大量積累,大于5時則不會出現(xiàn)NO2--N積累。由于亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)(KN=0.2~0.4mg/L)遠小于硝酸菌的氧飽和常數(shù)(KN=1.2~1.5mg/L),當活性污泥系統(tǒng)中DO的質(zhì)量濃度降至0.3mg/L時,亞硝酸菌的增殖速率約為正常的50%,而硝酸菌的增殖速率與正常速率的比值小于20%,同時必須控制合適的SRT,把硝酸菌從反應器中及時淘汰,才能實現(xiàn)穩(wěn)定持久的亞硝酸鹽積累。2.3ph值對生物硝化反應的調(diào)控硝酸菌和亞硝酸菌適宜生長的pH值范圍不同,亞硝酸菌的適宜pH值在7.0~8.5。而硝酸菌的適宜pH值在6.0~7.5。反應器中pH值低于7則整個硝化反應受抑制,pH值升高到8以上,則出水HNO2濃度升高。利用兩者適宜生長的pH值不同,控制混合液中pH值就能控制硝化類型。研究證明,pH值對生物硝化反應器的效能可產(chǎn)生巨大的影響。合理調(diào)控pH值有利于短程硝化的實現(xiàn)。陳際達等研究發(fā)現(xiàn),短程硝化的適宜pH值范圍為7.5~8.5,最佳pH值約為7.9。從基質(zhì)的角度看,在較高的pH值下,FA濃度較高,可以滿足亞硝酸細菌對基質(zhì)的要求;FNA濃度較低,可以限制硝酸細菌對基質(zhì)的需要。2.3.1ph值對總氨氮濃度的影響游離氨對硝酸菌和亞硝酸菌的抑制質(zhì)量濃度分別為0.1~1.0mg/L和10~150mg/L。當游離氨的質(zhì)量濃度介于兩者之間時,亞硝酸菌能夠正常增值和氧化,硝酸菌被抑制,就會產(chǎn)生亞硝酸鹽積累。當pH值高于8.0時,FA占總氨氮濃度的比例迅速增大,如果環(huán)境中總氨氮濃度不高,可通過增大pH值來提高基質(zhì)的有效性,但如果總氨氮濃度較高,則升高pH值極易誘發(fā)氨毒。在生物硝化反應器的操作中,對此應予以高度重視。2.3.2ph值對fna占總亞硝態(tài)氮濃度比例的影響游離亞硝酸(FNA)是硝酸細菌的真正基質(zhì),也是亞硝酸細菌和硝酸細菌的真正抑制劑。在水溶液中,HNO2與NO2-之間存在著如下電離平衡:FNA占總亞硝態(tài)氮濃度的比例可計算如下:式中:CFNA——游離亞硝態(tài)氮濃度,mol/L;CT,NO2——亞硝態(tài)氮總濃度,mol/L;圖3為20、25和30℃時,pH值對FNA占總亞硝態(tài)氮濃度比例的影響。由圖3可知,當pH值從0提高到4時,FNA占總亞硝態(tài)氮濃度的比例迅速下降,如果環(huán)境中總亞硝態(tài)氮濃度不高,可通過降低pH值來提高基質(zhì)的有效性,但若總亞硝態(tài)氮濃度較高,則宜將pH值控制在6以上,以防FNA毒害。另外,圖3中的3條曲線幾乎重合,因此可以看出在相同的pH值下,溫度對FNA的影響較為微弱。2.4導致亞硝酸型硝化一方面,NH3-N的硝化速率比NO2--N的氧化速率快;另一方面,亞硝酸菌的世代周期比硝酸菌的短,因此可以通過縮短水力停留時間,使泥齡介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小水力停留時間之間,使得系統(tǒng)中硝酸菌逐漸被沖洗掉,亞硝酸菌成為系統(tǒng)優(yōu)勢菌,從而形成亞硝酸型硝化。試驗表明:水力停留時間小于3h就可以實現(xiàn)亞硝酸鹽硝化。2.5do對異養(yǎng)的影響有機物對短程硝化的影響主要表現(xiàn)在異養(yǎng)菌與硝化菌對DO的爭奪。當溫度和pH值適合,DO和氨供給充足,有機物濃度對硝化作用不造成影響。但當DO不足,有機物濃度高時,由于好氧異養(yǎng)微生物的比增殖速率(30℃時為0.3~0.5h-1)遠大于自養(yǎng)硝化微生物的比增殖速率(30℃時為0.085h-1),因而異養(yǎng)菌對水中DO的爭奪強于硝化菌,故在DO不足時硝化菌的生長繁殖會受到抑制。有試驗表明:有機負荷為0.25kg[COD]/(kg[MLSS]·d)時,可以實現(xiàn)較高的亞硝酸鹽積累。3do/n質(zhì)量濃度對亞硝酸鹽國際排放的影響(1)A/O工藝中,長期控制DO在一個較低的水平,使其質(zhì)量濃度在0.3~0.7mg/L,可以對亞硝酸鹽氧化菌(NOB)進行淘洗,從而實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累,平均亞硝態(tài)氮積累率為85%,有時甚至超過95%。(2)MBR反應器中,當溫度小于15℃或大于30℃以及當pH值大于8時,NO2--N都開始積累,m(NO2--N)/m(NOx--N)已大于50%,而當pH值為9時,m(NO2--N)/m(NOx--N)已達到67%。DO的質(zhì)量濃度小于1.0g/L有利于NO2--N的積累。隨著氨氮負荷逐漸上升,NO2--N也有積累的趨勢,一般可控制氨氮負荷在0.03~0.05kg/(m3·d)。(3)SBR工藝中,在溫度為21~25℃、進水氨氮的質(zhì)量濃度為300mg/L、曝氣量為70~80L/h的條件下可實現(xiàn)短程硝化,亞硝態(tài)氮積累率大于90%。高、低溶解氧交替環(huán)境是實現(xiàn)短程硝化的關鍵條件。在pH值變化不大的情況下,增加進水氨氮質(zhì)量濃度會提高亞硝酸鹽的積累率,但也會延長反應時間。游離氨質(zhì)量濃度為0.724mg/L時,也會對硝酸菌產(chǎn)生抑制的。(4)對于兩段曝氣生物濾池,控制A段水力負荷在22m3/(m2·d),氣水體積比為6:1的條件下,當B段反應器的氣水體積比為2:1時,B段具有明顯的同步硝化反硝化特征,當氣水比較低時主要進行短程的同步硝化反硝化。(5)CAST工藝中,進水低m(C)/m(N)條件下,在低DO下可實現(xiàn)長期穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。當DO的質(zhì)量濃度為0.5mg/L時,系統(tǒng)內(nèi)的亞硝化率可達80%以上,氨氮去除率大于90%;當DO的質(zhì)量濃度小于0.5mg/L時,氨氮去除率下降;當DO的質(zhì)量濃度大于1mg/L時,短程硝化過程向全硝化轉(zhuǎn)化。4短程硝化反硝化的未來研究當今,全球普遍強調(diào)可持續(xù)發(fā)展模式,這要求污水處理工藝不能再以治污作為處理的惟一目的,必須同時考慮污水所含污染物的資源化和能源化問題,并且所采用的技術必須以低能耗、高效率為前提。因此,污水處理工藝的應用和研究必須滿足提高效率、節(jié)省能耗的要求。而傳統(tǒng)生物脫氮由于消耗有機物和能源多,勢必將被短程硝化反硝化,或被更節(jié)約能耗的短程硝化型的SND或ANAMMOX的工藝所替代。為此以后需要對以下幾個問題進行研究:(1)加強和深化短程硝化機理的研究,尤其是低溶解氧下短程硝化機理的研究。(2)對大量的城市污水來說,一般屬于低溫低氨污水,要使廢水保溫在30~35℃難以實現(xiàn)。因此,對低溫低氨的城市污水如何實現(xiàn)短程硝化反硝化值得進一步研究。(3)由于許多因素的控制需要耗能或者難度較大(如溫度的控制