短程硝化反硝化工艺的运行条件

短程硝化反硝化工艺的运行条件李星星、短程硝化反硝化的脱氮机理及优势短程硝化反硝化生物脱氮工艺（ Short Cut Nitrificat ion and Denitrification- -SCND） 可称为亚硝酸型生物脱氮，它是通过控制特殊的环境条件抑制硝酸菌的 生长，使系统中的亚硝酸菌成为优势菌种，从而将废水中N H4+-N的氧化控制在 N02-阶段，形成N02-的积累，然后反硝化菌直接以N 02-N为最终氢受体进行 反硝化脱氮，及经过NH4+-NO2-fN2的途径完成。短程硝化反硝化由于节省了氧化N02N为N03N的步骤，所以提高了硝 化反应速率，缩短硝化反应时间，减小反应池容积，节省基建投资。可以节省 25%的供氧量，40%左右的有机碳源，并且在硝化过程减少产泥24%33%，反 硝化过程中减少产泥50%。二、短程硝化反硝化运行参数研究1、温度；生物硝化反应在4C45C内均可进行，适宜温度为20C35C, 一般低于15C硝化菌受到严重抑制，速率降低。15C25 C下活性污泥中亚硝 酸菌活性较硝酸菌差，不会发生亚硝酸盐的积累。温度超过25 C时会发生亚硝 酸盐的积累，且当温度超过30C后可获得更高的亚硝酸盐积累。升高温度不仅 能加快亚硝酸菌的生长速率，还能扩大亚硝酸菌和硝酸菌在生长速率上的距 离。高温条件下，硝化菌的生长速度明显低于亚硝化菌，有利于实现短程硝 化；但是大多数城市污水都属于低温低氨水，如果将大量的水升温、保温在 3035C会增加污水处理成本。故短程硝化反硝化主要用来处理城市污水二级 处理系统中污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高温高氨废水，利用高温（30C 35C ）下亚硝化菌的增殖速率高于硝酸菌的生理特征，通过控制HRT大于亚硝 酸细菌的世代时间并且小于硝酸菌的世代时间，淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌， 从而稳定地实现短程硝化反硝化生物脱氮。2、PH值；当pH值较低时，水中较多的是氨离子和亚硝酸，有利于硝化过 程，因此无亚硝酸盐的积累。当pH值较高时，废水中游离氨所占比例增加，而 分子态游离氨氮对硝化菌的抑制要强于亚硝化菌，故有可能积累亚硝酸盐；对 适合于亚硝酸菌生长的最佳pH值尚无定论，但普遍认为硝酸菌适宜的pH值为 6.07.5，而亚硝酸菌适宜的pH值为7.08.5。于德爽等在中温（20-30C ）条 件下，通过控制进水的PH值为7.5-8.8来实现亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率 达到95%以上。由于硝化过程消耗的碱度和反硝化过程产生的碱度是不平衡的，因此整个 反应过程的碱度是逐渐降低的，要想实现亚硝态氮的积累，必须在反应过程中投加碱性物质或者使用高pH值废水；3、DO；亚硝酸菌氧饱和常数一般为0. 2mg/L0. 4mg/L，而硝酸菌氧饱和 常数为1.2mg/L1.5mg/L，在较低DO环境中硝酸菌受到严重抑制，亚硝酸菌占 优势地位，亚硝酸盐积累率较高；在低DO （v1.0mg/L）时，亚硝化菌和硝化菌 的增长速率都会由于溶解氧的下降而下降，但是硝化菌的下降要比亚硝化菌快（当DO为0.5mg/L时，亚硝化菌增值速率为正常值的60%，而硝化菌不超过正 常值的30%），使亚硝化菌成为主体，实现亚硝态氮的累积。Bernet利用生物膜反应器进行试验，结果表明，在DOv0.5mg/L的条件下可 以实现短程硝化，出水NO2 -N的比例在90%以上。Keisuke等的研究结果也 表明，当溶解氧浓度低于0.5mg/L时，反应器中氨氧化菌的亚硝化速率并未受 到影响。同时应该注意的是，低溶解氧虽能实现亚硝酸盐的积累，但易引起活 性污泥易发生解体和丝状菌膨胀。4、污泥龄；由于亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的世代时间短（相差10倍 以上），因此，若泥龄介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小世代时间之间时，系统中 硝酸菌会逐渐被淘汰，使亚硝酸菌成为优势菌，从而形成亚硝酸型硝化，维持 稳定的亚硝酸氮的积累。当污泥龄很长时如35d，亦能发生短程硝化反硝化，此时硝化菌和反硝化菌 可长期共存；发生短程硝化反硝化的原因主要因为泥龄太长所产生的微生物代 谢产物抑制了硝化菌生长，而非硝化菌的减少。5、分子态游离氨影响（FA）；现有研究表明，对于氨氧化细菌来说，FA才 是其真正的底物，而不是NH4+。FA对硝酸细菌的抑制浓度为0.1mg/L1.0mg /L,对亚硝化细菌的抑制浓度为10mg/L150mg/L，较高浓度FA有利于亚硝酸盐 的积累。6、投加抑制剂；无机氮化物；硝酸菌对游离氨的敏感性要高于亚硝酸 菌，当硝化基质（FA）浓度超过硝酸菌的抑制浓度阈值而低于亚硝酸菌的抑制 浓度阈值时，就会使反应器的亚硝酸菌占优势，实现亚硝酸盐的积累。他的试 验结果显示，0.6mg/L的游离氨几乎可以全部抑制硝酸菌的活性，而只有当游 离氨浓度大于5mg/L时才会对亚硝酸菌的活性产生影响，达到40mg/L才会严重 抑制亚硝酸盐氮的生成。Nthonisen等研究认为游离氨浓度在0.11.0mg/L时就会 抑制硝化菌活性，而当浓度达到10150mg/L时才会抑制亚硝化菌活性。游离氨 一般控制在510mg/L范围内，有利于实现短程硝化。当废水中NH3浓度较高、pH值偏于碱性时，易形成亚硝酸型硝化，在相反 条件下，则形成硝酸型硝化的倾向很大。另外氨氮负荷过高时，在系统进行初 期有利于繁殖较快的亚硝酸菌增长，使亚硝酸产生量大于消耗量而出现积累。 但是硝化菌对游离氨具有适应性，即游离氨浓度对硝化菌的抑制浓度随反应时 间变化可以不断提高，因此由此实现的短程硝化在长时间内是不稳定的。 毒性物质；有毒物质一般是指酚、氰及重金属离子等，主要存在于工业 废水中，由于硝酸菌对环境较为敏感，废水中的毒性物质对亚硝酸盐氧化过程 有明显的抑制作用。相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境的适应性慢，因而在接触 有害物质的初期会受到抑制，出现亚硝酸积累。但是毒性物质由于对人体和环 境的有害性，不适合主动投加到水中。 杀菌类物质；氯酸盐和亚氯酸盐是常见的氧化剂，广泛应用于水处理 中，其灭菌效率高且本身无毒或低毒。通过加氯抑制丝状菌生长是控制污泥膨 胀的一种常规方法，在使用这种方法时，经常会发生亚硝态氮的积聚，Cotteux 和Duchene研究了这种现象。他们在他们在二沉池至反应池之间设一个接触池， 向其中通氯，每天每kg MLVSS通氯药剂量为（4.60.2）g，结果在2个反应器（回 流比不同）中硝态氮质量浓度都小于1 mg/L，氨氮的氧化产物以亚硝态氮的形式 存在。Hynens等发现，在废水中加入5mmol/L的氯酸钠可抑制硝化菌的活性， 而对亚硝化菌无影响。但氯酸盐有时也会对亚硝酸菌产生影响，因此这种方法 需要严格控制抑制剂的用量，否则会对系统产生不可恢复的破坏。 盐类物质；增加水中盐度对硝化菌的增殖有明显的抑制而对亚硝化菌没 有影响；三、工艺实例1、SHA RON工艺；温度保持在30C40C之间，pH维持在7.48.3之间， DO控制在1.0mg/L1.5mg/L之间，完全混合反应器，泥龄控制在1 d2.5d之间， 进水氨氮浓度高达1 000mg/L以上；2、OLAND工艺；OLAND工艺的技术关键在于严格控制反应器中的DO 浓度。其特点：利用了硝酸细菌对氧的亲和力小于亚硝酸细菌的特性，通过将 反应器中的DO浓度控制在较低的水平，使硝酸细菌被自然淘汰，而亚硝酸细菌 不断增殖，由此实现短程硝化，以提供下一步反应所需的亚硝酸盐；只提供微 量的氧（DO在0.1mg/L0.8mg/L之间，在大部分情况下低于0.5mg/L），由于缺 氧，亚硝酸细菌能以亚硝酸盐为电子受体去氧化氨。由于DO浓度易于控制，因 此操作较为方便。利用该工艺进行生物脱氮，可比全程硝化反硝化工艺耗氧减 少63%，并完全免用反硝化所需的有机物质。3、通过曝气时间控制实现SCND； Turk在1986年研究硝化过程中发现，当 反应器从缺氧环境转变为好氧环境时，亚硝酸盐的氧化速率落后于氨的氧化速 率，导致亚硝氮明显的积累。但随着好氧时间的延长，积累的亚硝氮会完全转 变为硝酸盐氮。实验发现，若连续曝气使DO保持在2.0mg/L左右，氨被氧化， 亚硝酸盐和硝酸盐同时积累；间歇曝气（每20mi n曝气1 Omin）可以使DO浓度在曝 气期间达到2mg/L，停止曝气5min后降至0.01mg/L，在这种运行方式下，氨被 氧化，亚硝酸盐被积累，而硝酸盐产量很少。这些都说明通过曝气时间控制可 以实现亚硝氮积累。四、控制缺陷1、通过控制温度的实现途径只适合于特定的废水，即高温高氨废水，而大 部分的城市废水都属于低温低氨废水，尤其是冬季和北方的城市，因此将其保 持在高温，必然会增加污水处理成本；2、控制低溶解氧水平的实现方式容易发生污泥解体和丝状菌膨胀问题；3、控制pH值的实现方式需要在反应过程中投加碱性物质或使用高pH值 废水，也会增加污水处理成本和控制难度；4、由于亚硝酸盐氧化菌对FA浓度的适应性，使得通过控制游离氨浓度来 实现亚硝酸盐积累的方式不能长久稳定；消毒剂的用量也需要严格控制，否则 会对系统产生不可恢复的破坏；5、泥龄是与氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的增长速度相关的，温度、pH值 等环境因素的变化都会引起这两种菌增长速度的变化，因此泥龄并不是固定 的，需要根据具体情况不断调整，这也会增加泥龄控制的难度及工艺的稳定 性；