同步硝化-反硝化生物脱氮工艺研究进展1.doc

同步硝化-反硝化生物脱氮工艺研究进展一、绪论随着氮素污染的加剧，除氮技术的研究和应用引起了人们的广泛关注。废水脱氮技术可以分为物理化学方法和生物方法两大类。物理化学方法通常只能去除氨氮，常用的物化脱氮方法包括折点加氮法、选择性离子交换法、空气吹脱法和催化氧化法等。生物脱氮技术由于其投资及运转成本低，操作简单且无二次污染，废水达标排放可靠性强等优点，因此成为脱氮的最佳处理方式。传统的生物脱氮处理过程，是首先在好氧条件下，亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸氮，而后硝酸菌将亚硝酸氮进一步氧化为硝酸氮。随后在缺氧条件下，反硝化菌将硝酸氮或亚硝酸氮还原成气态氮或N2O。虽然传统废水生物脱氮工艺在消除氮素污染方面起到了一定作用，但仍存在如下问题：（1） 自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；反硝化菌以有机物作为电子供体，而有机物的存在影响硝化反应的速度；硝化反应与反硝化反应对DO浓度需要差别很大。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求导致了硝化和反硝化两个两个过程在时间和空间上难以统一。（2） 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季。因此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用；（3） 为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同事进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用；（4） 硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，不仅增加了处理费用，而且还可能造成二次污染。同步硝化反硝化（SND）生物脱氮技术的出现为在同一反应器内同时实现硝化、反硝化和除碳提供了可能，这一方法不仅可以克服传统生物脱氮存在的问题，而且还具有下列优点：能缩短脱氮历程；节省碳源；降低动力消耗；提高处理能力；简化系统的设计和操作等。因而具有很大的潜力。近年来国内外的不少实验和报道均证实在污水处理中可能存在许多以前未曾注意到的微生物过程，如厌氧氨氧化、好氧反硝化、异氧硝化及自养硝化细菌的反硝化等，为生物脱氮提供了全新的途径，也奠定了同步硝化反硝化（SND)生物脱氮技术的理论基础。二、同步硝化好氧反硝化机理1. 好氧反硝化化概念的提出最早提出好氧反硝化（acrobic denitrification）的事Robertson和Kuenen，他们在实验室中观察到在氧气存在的条件下发生了反硝化现象。在此之前，反硝化一直被认为是一个严格的厌氧过程，因此反硝化菌作为兼性厌氧优先使用溶解氧呼吸，甚至在浓度低达0.1mg/L时额是如此，这样就阻止了使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。近些年来人们不断的在实际工程中发现好氧条件下的脱氮现象，如Pochana在SBR反应器中观察到了95%的总氮去除率。另外在许多实际运行中的好氧硝化池中常常发现有30%的总氮损失。这些现象充分证实了好氧反硝化确实存在。2. 机理探讨到目前为止，人们对于同步硝化反硝化的反应机理存在不同的观点，对其机理的探讨还未达到令人满意的程度。但综合分析近年来相关的一些研究成果和理论，可以从微环境和生物学及生物化学理论的角度对SND加以解释。（1） 微环境理论由于氧扩散作用达到限制，在微生物絮体内产生DO梯度，从而导致微环境的同步硝化反硝化。微生物絮体外表面DO较高，以好氧异养菌、好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻，且有机物氧化、硝化作用消耗大量氧絮体内部产生缺氧去，反硝化菌占优势。正是由于微生物絮体内缺氧微环境存在，从而导致微环境的SND发生。将曝气池内溶解氧控制在较低水平，将可能提供缺氧或厌氧微环境所占比例，从而促进反硝化作用。实际上，由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境。不过，该模型也存在着一个重大的缺陷，即有机碳源问题。有机碳源既是异氧反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，而在双氧区模型中，污水中厌氧区的反硝化菌得不到电子供体，反硝化速率就降低，SND的脱氮效率也就不会很高。（2） 生物学及生物化学解释通常认为有硝化作用的菌种会在微量分子态氧存在的情况下优先利用氧作为电子受体，而不是亚硝酸盐或硝酸盐。在纯培养条件下的使用表明，当溶解氧浓度大于0.2 mg/L时，反硝化作用就会终止，但好氧反硝化现象的发现表明，即在溶解氧浓度达到1.0 mg/L时，仍在污水处理工艺中观察到了总氮损失现象。HONG W. ZHAO等认为SND现象发生的主要原因可能在于异养硝化和好氧反硝化的发生。因为除此之外不能较好的解释有氧区域的反硝化现象，Robertson等发现有氧区域的反硝化现象，指出了好氧反硝化与异养硝化速率随溶解氧浓度升高而也降低，并假设Thiosphaera Pantotropha和其它一些好氧反硝化菌利用硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为呼吸作用的电子受体，将氨氧化，并将过量能源储存于PHB中。可见，异养型硝化与好氧反硝化的存在可以比较好的解释低氧条件下的SND现象，这打破了传统理论认为的硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点。已知的好氧反硝化菌有Pseudomonas Spp、Alcaligenes facialis、thiosphaera Pantotropha，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，正因为如此，能够直接把氨氮转化成最终气态产物.3. 好氧反硝化菌的分离现状20世纪80年代中期以来，人们在各种不同的环境下诸如土壤、沟渠、池塘、活性污泥、沉积物等分离出了一些好氧反硝化菌SGLY2（不具有硝化作用），而后在好氧条件下和自养硝化菌进行混合培养，进行含氮废水处理的研究。结构显示，氨氮被自养硝化菌氧化，同时伴随硝酸盐氮被异养好氧反硝化菌还原成分子氮，这样将硝化和反硝化就控制在同一个反应器中。总的来说，国外对好氧反硝化菌分离的报道并不多，国内至今未见报道。三、SND的影响因素实现同步硝化反硝化的关键在于对硝化菌和反硝化菌的控制。因此，优化那些有利于硝化菌和反硝化菌同时存在的因素，就可以较好的控制同步硝化反硝化实现的途径。（1） 溶解氧的影响DO浓度对能否实现SND是至关重要的。通过控制DO浓度，调节硝化和反硝化速率都能达到比较合适的水平，最佳的状态时使硝化速率与反硝化速率达到基本一致，以保证完全的硝化反硝化。（2） 有机碳源影响有机碳是微生物能量代谢所需碳的主要来源，为了达到完全的反硝化脱氮，有机碳源起着相当重要的作用。（3） 污泥龄 污泥龄是反应器内微生物的平均停留时间，代表微生物繁殖一代所需的时间。对于系统的硝化反应而言，由于硝化菌的世代周期相对较长，保持长泥龄有益于硝化菌的增殖而使硝化反应较为顺利，但长泥龄又会导致污泥的活性降低。（4） pH 在生物脱氮系统内，硝化菌和反硝化菌对pH的变化都非常敏感。生物硝化过程会使pH下降，而反硝化则会引起pH的升高，因此pH常被用来作为生物硝化和反硝化过程的电化学监控参数。（5） 微生物絮体结构的影响微生物絮体结构也直接影响了污泥絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小和絮体内部物质的传质系数大小。体积较大的污泥颗粒增加了缺氧微环境的比例，结构密实的污泥颗粒的传质阻力大。水中的有机碳源很难渗透至这样的污泥絮体内部，处于内部的微生物难以接触到碳源，影响同步反硝化。因此，只有颗粒大小、密实度适中的污泥才能保证DO和有机碳源在污泥絮体内部的分布有利于同步硝化反硝化。总的说来，影响同步硝化反硝化的因素多且复杂，但就目前的研究成果开看，其关键控制因素主要是DO、C/N、ORP以及污泥的絮体形态，当然pH值、温度、污泥龄等因素也会对其产生一定的影响。四、应用状况目前关于SND已有很多成功应用的报道。如Rittmann等很早就在工业规模的氧化沟中成功地实现了SND，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区内连续进行，通过控制DO浓度可以实现在同一反应器中的SND。在生物脱氮过程中，可能会同时存在全程（NO3-途径）和短程（NO2-途径）硝化反硝化两条生物脱氮途径。显然，控制生物硝化反硝化经历“NO2-途径”对实现SND具有明显的优越性；可减少供气量、有机碳源与投碱量、NO2-具有较高的反硝化速率等。这项技术的优势对废水的生物脱氮处理具有极大的吸引力。利用固定化微生物技术进行同步硝化反硝化是近十多年来生物脱氮领域研究的热点之一。其主要是利用固定化载体将硝化菌和反硝化菌分层包埋或混合包埋，好氧硝化菌集中于外层，厌氧反硝化菌集中在内层，为硝化和反硝化分别提供了适宜的条件。如Dos Santos等以海藻酸钠和K角叉胶为载体分层包埋固定硝化菌和反硝化菌。在好氧条件下，该工艺连续进行。五、结论和展望目前，国内外学者对同步硝化反硝化工艺的作用机理及动力学模型正在做进一步的研究工作。当前对同步硝化反硝化的应用，无论是用宏观环境理论海华丝微环境理论来解释，都还是没有摆脱传统的好氧缺氧微生物脱氮模式，其所说的好氧反硝化，其实质仍然是缺氧环境下的反硝化，不能称之为真正意义上的好氧反硝化，没有发挥出好氧反硝化菌的技术优势。SND脱氮技术的产生为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了可能，具有很大的发展前途，目前在荷兰、丹麦、德国等国已有污水处理工厂在利用同步硝化反硝化脱氮工艺运行。但关于同步硝化反硝化机理的研究仍处在试验阶段，要想使这项技术生产化、实用化，还需加强以下几方面进行研究：