賈艷萍，賈心倩，劉 印，張德義，田 夢

(東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012)

氮、磷等物質排入江河易導致水體的富營養(yǎng)化，傳統(tǒng)脫氮理論認為，廢水中氨氮必須經硝化反應和反硝化反應過程，才能夠達到脫氮目的，這是因為硝化和反硝化過程中微生物生長的環(huán)境有很大差異，硝化反應需要有氧氣存在的環(huán)境，而反硝化則需在厭氧或缺氧環(huán)境中進行。近年來，國內外學者通過大量的試驗對工程實踐中遇到的現象和問題進行了研究，以傳統(tǒng)的生物法脫氮理論作基礎，發(fā)現硝化反應和反硝化反應可以在同一操作條件下同一反應器內進行，即同步硝化反硝化(簡稱SND)，它使傳統(tǒng)工藝中分離的硝化和反硝化兩個過程合并在同一個反應器中，避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽及硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽這兩個多余的反應，從而可節(jié)省約25%的氧氣和40%以上的有機碳，在反應過程中不需要添加堿度和外加碳源。與傳統(tǒng)工藝相同處理效果情況下減少了20%的反應池體積，需要更低的溶解氧濃度(1.0 mg/L左右)，無混合液的回流以及反硝化攪拌設施[1，2]。因此，SND簡化了生物脫氮工藝流程，減少了運行成本。它突破了傳統(tǒng)的生物脫氮理論，簡化了脫氮反應發(fā)生的條件和順序，強化了生物脫氮過程，使傳統(tǒng)的生物脫氮理論發(fā)生了質的飛躍。

1 同步硝化反硝化作用機理

SND的脫氮機理可以從宏觀環(huán)境理論、微環(huán)境理論和微生物學理論三個方面加以解釋

1.1 宏觀環(huán)境理論

一般來說，反應中所需的DO都是通過曝氣來供給，不同的曝氣裝置會導致反應器內DO的分布狀態(tài)不同。但是在好氧條件下的活性污泥脫氮系統(tǒng)中，無論哪種曝氣裝置都無法保證反應器中的DO在廢水中分布均勻，例如:在SBR反應器中，曝氣并不能保證整個反應器中DO完全處于均勻的混合狀態(tài)，缺氧區(qū)域的存在就為該反應器中成功實現SND提供了可能。

1.2 微環(huán)境理論

微環(huán)境理論是目前解釋SND現象普遍接受的觀點。這種理論認為，微生物個體一般情況下非常微小，所以環(huán)境的微小變化也會不同程度的影響微生物的生存，污泥絮體內部DO濃度的分布如圖1所示。

整個主體相中DO分布均勻，但是當DO向污泥絮體內部進行擴散時受到一定的限制，所以在絮體內部就會產生擴散層、好氧區(qū)、缺氧區(qū)這樣一個DO梯度。微生物絮體的外層區(qū)域即擴散層和好氧區(qū)DO濃度較高，以好氧菌、硝化菌為主，在該區(qū)域有利于硝化反應的進行。隨著DO擴散深入到微生物絮體內部，由于氧的傳遞受阻和擴散層、好氧區(qū)中DO逐漸減少，在絮體內造成缺氧環(huán)境，此時有利于反硝化菌的生長，促進了反硝化的進行。微生物絮體內存在缺氧區(qū)域是實現SND的主要原因，然而缺氧環(huán)境的形成主要取決于DO濃度的大小和絮體的結構。DO濃度過高就會擴散至污泥絮體內部，無法形成缺氧區(qū)域，就不能實現SND;濃度過低滿足不了擴散層、好氧區(qū)硝化反應所需的DO，進而降低脫氮效果。因此，控制DO濃度以及微生物絮體的結構是成功實現SND的關鍵。

圖1 微生物絮體內反應區(qū)和基質濃度的分布示意圖(雙氧區(qū)模型)

1.3 微生物學理論

2 同步硝化反硝化的主要影響因素

SND影響因素主要包括溶解氧(DO)、碳源、污泥濃度、pH值、溫度等。

2.1 溶解氧(DO )

DO濃度是影響SND的重要參數之一。系統(tǒng)中的DO應滿足有機物的氧化及硝化反應，但是溶解氧濃度不能太高。當DO較高時，它對生物絮體的穿透能力逐漸增大，DO擴散至污泥絮體內部，缺氧微環(huán)境很難形成。另外，O2接受電子的能力高于，抑制了反硝化細菌的活性，降低反硝化效果;DO過低，滿足不了硝化反應所需的DO，同樣會影響脫氮效果。可見，在SND工藝中有效地控制DO在適宜的范圍極其重要。Christine Helmer和 Sabine Kunst[5]在 SBR系統(tǒng)中將 DO控制在1 mg/L時，TN去除率最高達到50%。Puznava等[6]在曝氣濾池中通過DO在線控制，使TN去除率達到60－70%。國內關于溶解氧對SND的影響也進行了研究，彭趙旭等[7]采用SBR反應器研究SND時發(fā)現，當DO為0.45 mg/L、C/N為8.32時，可以最大程度地利用原水中的碳源進行SND作用，SND率為42.66%;趙玲與張之源[8]研究復合SBR中SND時發(fā)現，控制DO在3－5 mg/L，SND現象最明顯，可以達到最佳的脫氮效果，此時TN去除率達到80%，而當DO大于5 mg/L或小于3 mg/L時，脫氮效果及反硝化速率明顯下降。以上這些研究說明只有保持適當DO才能實現含碳有機物氧化、硝化和反硝化，硝化速率和反硝化速率越接近，SND效率越高。

2.2 碳源

有機碳源是微生物生長和繁殖所需能量的主要來源，同時也被認為是實現SND的關鍵因素之一。有機碳源濃度過高，異養(yǎng)菌活動旺盛，會抑制硝化反應，硝化不完全必然會影響反硝化效果;碳源不足，導致反硝化過程受阻，同樣SND效果也不好。因此，對于SND體系來說，硝化與反硝化同時發(fā)生，相互制約，使得有機碳源在整個SND反應體系占有不可忽視的地位。

2.3 污泥濃度(MLSS)

污泥濃度也是影響SND的一個重要因素。如果污泥濃度過低，曝氣時絮體表面更新速率加快，DO的擴散阻力降低，很容易進入絮體內部，絮體內缺氧區(qū)域比例的降低不利于反硝化，進而影響SND的效率;污泥濃度過高，如果DO不足就會導致硝化反應受阻，甚至會出現菌類死亡。Pochana等[13]采用動態(tài)微生物絮體模型發(fā)現絮體平均直徑為382 μm時，可實現98.5%的SND;當平均直徑減小到155 μm時，只能達到26.3%的SND。高廷耀等[14]研究表明，活性污泥濃度控制在5000 mg/L左右，溶解氧控制在0.5－1.0 mg/L，可以實現SND;李曉璐等[15]認為在一定的污泥濃度范圍內，隨污泥濃度的降低(即污泥負荷量的增強)，反硝化反應越強，污泥濃度為5200 mg/L(即污泥負荷較重)時反應效果最佳，TN的去除率達到99.1%;齊唯等[16]認為在一定C/N值下污泥濃度的變化影響了氧的傳遞，進而影響了SND。當C/N值為5時，保證了的去除率，但此時的好氧反硝化條件較差，出水殘留較高濃度的，TN去除率只有49.4%;當C/N值增加到10時，污泥濃度增加，氧的傳遞受到限制，大幅度提高了系統(tǒng)的好氧反硝化效率，出水殘留的很低，但相反使的去除率降低;當C/N值增加到15時，污泥濃度繼續(xù)增加，氧的傳遞進一步受到限制，但此時TN去除率基本保持不變，出水濃度依舊很低。

2.4 pH 值

pH是影響SND的又一個重要因素。不同微生物所適應的pH值范圍各不相同，硝化細菌是生物硝化過程的主體，硝化細菌的活性和數量決定了硝化作用的強弱，最適宜的pH值為8.0－8.4;而對于反硝化細菌的生長來說，最適宜的pH值為6.5－7.5，硝化菌和反硝化菌對pH值的變化十分敏感，超出適宜的范圍后兩種細菌的活性會大大降低?？梢姡瑢τ赟ND體系，必須尋找一個適宜的pH值范圍，使硝化反應與反硝化反應均能高效進行，進而得到理想的TN去除率。Hong W Zhao等[17]認為，由于在SND工藝硝化過程中消耗的堿度和反硝化過程中產生的堿度具有一定的互補性，最適pH值為7.5左右;鄒聯沛等[18]通過MBR研究了pH值對SND的影響，通過pH的實際測量值與計算值的對比可知，MBR中實現SND的最佳pH值約為7.2;方茜等[19]考察污泥齡及pH值對SBR反應器SND的影響時發(fā)現，偏高或偏低的pH值均會影響SND過程中的硝化反應和反硝化反應，pH值在中性和略偏堿性的范圍內有利于反應器內SND的發(fā)生;杜馨[20]在SBR－SND脫氮技術的研究中發(fā)現，適宜SND生物脫氮的pH值在7.5－8.0之間，系統(tǒng)在此范圍內運行，出水TN去除率均可達92%以上。

2.5 溫度

溫度在12－14℃或高于30℃時，活性污泥中的硝酸細菌活性會受到嚴重抑制，出現積累。在一般情況下，當溫度在15－30℃時，硝化反應生成的亞硝酸可以完全被氧化為硝酸，而反硝化反應的適宜溫度為20－40℃。綜上可知，亞硝酸菌與硝酸菌具有不同的最適生長溫度。在不影響亞硝酸細菌活性的基礎上，通過調節(jié)溫度抑制硝酸菌實現SND是一種可行的途徑。Hungseok Yoo[21]研究表明，亞硝酸型硝化在22－27℃，或者不低于15℃的情況下都可以實現SND;荷蘭的Delft大學通過控制溫度設計了SHARON工藝[22]，在30－35℃下，該工藝通過控制HRT來淘汰硝酸菌，使亞硝酸菌成為整個硝化過程中的優(yōu)勢菌，從而成功的實現SND。張立秋等[23]研究了常溫(25－27℃)下SBBR中如何實現亞硝酸型SND，考察了ρ(C)/ρ(N)對SBBR系統(tǒng)SND的影響，采用SBBR法處理城市污水實現SND較為適合的ρ(C)/ρ(N)為5－8，亞硝酸鹽的積累率高于85%，TN去除率高于80%;張可方等[24]研究得出，當溫度為21－35℃時，序批式生物膜反應器中能有效實現亞硝酸型SND。

3 結 論

作為一種新興污水生物脫氮理論，同步硝化反硝化解決了傳統(tǒng)生物脫氮工藝中存在的碳源供求矛盾和泥齡控制問題，具有簡化工藝流程、提高脫氮效率、節(jié)省投資等優(yōu)點，必將成為未來污水處理生物脫氮的重要方法之一。由于SND的發(fā)生是一個復雜的過程，需要較為嚴格的微生物生長所需的外部環(huán)境條件，影響其發(fā)生的因素較多，而目前的大部分研究集中在采用SND方式處理模擬廢水上，并取得了大量有價值的數據，而對實際廢水的處理研究的尚少，可在以后的研究中探索SND在實際污水中應用的可行性，得到SND處理實際污水的最佳工藝參數，并通過動力學模型確定SND最佳運行工藝條件，完善活性污泥生物脫氮系統(tǒng)，構建廢水生物脫氮系統(tǒng)的數字化模型，根據數字化模型對整個反應系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，從而提高活性污泥系統(tǒng)生物脫氮處理工藝的效果。

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