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工藝即同時硝化反硝化工藝,是指在一個反應器中同時存在好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境,硝化和反硝化在同一反應器中進行的現(xiàn)象。

根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論,不可能同時進行硝化反硝化。然而,近10余年來國外有文獻報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

2.1 無需酸堿中和

硝化過程中堿度被消耗,而同時的反硝化過程中產(chǎn)生了堿度,SND能有效地保持反應器中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,因此這一點是很重要的。

2.2 節(jié)省反應器容積

SND意味著在同一反應器內(nèi),相同的操作條件下,硝化、反硝化應能同時進行,如果能夠保證在好氧池中一定效率的反硝化與硝化反應同時進行,那么對于連續(xù)運行的SND工藝污水處理廠,可以省去缺氧池的費用,或減少其容積。

2.3 縮短反應時間

對于僅由一個反應池組成的序批式反應器來講,SND能夠降低實現(xiàn)完全硝化、反硝化所需的時間,同時無需外加碳源。

2.4 N2O的逸出量少

N2O是溫室效應氣體,它造成溫室效應的能力是CO2的200～300倍。東南大學呂錫武等對同步硝化、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 同步硝化反硝化機理

3.1 宏觀環(huán)境理論

在反應器內(nèi)部,由于充氧不均衡,混合不均勻,形成反應器內(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)勢環(huán)境,此為生物反應大環(huán)境,即宏觀環(huán)境。事實上,生產(chǎn)規(guī)模的生物反應器中,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。除了反應器不同空間上的溶氧不均外,反應器在不同時間點上的溶氧變化也可以導致同步硝化、反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。Hyungseok Yoo[5]研究了SBR反應器在曝氣反應階段,反應器內(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)境理論是從物理學角度對同步硝化反硝化現(xiàn)象進行解釋,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、有機物及其它營養(yǎng)物質(zhì))的傳遞與變化(圖1),各類微生物的代謝活動及其相互關系,以及微環(huán)境的物理、化學和生物條件或狀態(tài)的變化。

圖1 微生物絮體內(nèi)反應區(qū)的分布和底物濃度的變化

微環(huán)境理論認為,由于氧擴散的限制,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 微生物學理論

過去反硝化被認為是一個嚴格的缺氧過程。經(jīng)過,一些學者研究發(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)等都可以對有機或無機氮化合物進行異養(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。

事實上,同步硝化、反硝化現(xiàn)象往往是以上幾種機理共同作用的結(jié)果,實際過程中有可能由一種或幾種作用占優(yōu)勢,在對發(fā)生的現(xiàn)象進行考察的時候,單獨以某種假設來解釋往往會得到矛盾的結(jié)果,因此對此應綜合考慮。

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)性實驗表明,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,促進同步硝化反硝化。顆粒內(nèi)部或生物濾池的擴散局限性和混合不完善的反應器提供了缺氧狀態(tài),反硝化反應就會發(fā)生。在傳統(tǒng)活性污泥法中,顆粒粒徑約為0.15mm時對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首先應足以滿足有機物的氧化及硝化反應的需要,使硝化反應充分;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,促進缺氧微環(huán)境的形成,同時使系統(tǒng)中有機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、污泥密實程度、微生物存在狀態(tài)以及好氧微生物的活動差異等原因,各種處理工藝的溶解氧要求是不同的,文獻中DO的范圍變化也相當大。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被殺死,影響處理效果。江蘇工業(yè)學院王晉等在pH值為6.5,DO濃度為8mg/L時,選擇 20℃、25℃、30℃3個溫度來研究溫度對SND中總氮去除率的影響,結(jié)果表明：溫度為30℃時反應效果最佳。

4.4 pH值

保持溫度為30℃,DO為5.5mg/L,王晉等通過實驗考察pH值對總氮去除率的影響,結(jié)果表明pH值為7時在整個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)試驗可以看出有無碳源對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負荷,在控制曝氣量的前提下,污泥有機負荷將直接影響同步硝化反硝化的效果。污泥有機負荷過高,異養(yǎng)菌活動旺盛,勢必抑制硝化反應,硝化不充分必然會影響反硝化;污泥有機負荷過低,有機物大量消耗,必然影響反硝化的碳源需求。高廷耀等在生產(chǎn)性實驗中將污泥有機負荷控制在0.10～0.15kg BOD5/(kgM iss?d)范圍內(nèi),在保證BOD5去除的同時,預留了同步反硝化的碳源,保證反硝化順利進行[6]。

4.6 有機物污泥負荷

一般認為,系統(tǒng)的有機物污泥負荷應當?shù)陀?.1～0.15kg BOD/(kgM LSS?d)。

5 結(jié)語

同步硝化反硝化因為具有諸多優(yōu)點大大降低了運行費用,具有很大的發(fā)展前途。目前,在荷蘭、丹麥、意大利、德國等已有污水廠在利用同時硝化和反硝化工藝運行,國內(nèi)對同步硝化反硝化的研究尚處于實驗室階段,對其作用機理及動力學模型正在做進一步的研究工作。

[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.