对同时硝化反硝化研究进展的分析

文章编号:100926825(2008)2720203202对同时硝化反硝化研究进展的分析收稿日期:2008205224作者简介:王萍(19742),女,重庆大学城市建设与环境工程学院硕士研究生,讲师,贵州大学土建学院,贵州贵阳550003蒋绍阶(19682),男,副教授,重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045王萍蒋绍阶摘要:通过对比传统生物脱氮理论,提出同时硝化反硝化技术的优点,结合国内外研究现状,主要从微环境理论和生物化学方面进行综述,并指明好氧反硝化今后的研究方向,以达到提高系统处理能力和效率的目的。关键词:生物脱氮,好氧反硝化,同时硝化反硝化,微环境中图分类号:X703文献标识码:A0引言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。而生物脱氮又被公认为是目前废水脱氮处理中经济、有效的方法之一。传统的生物脱氮处理过程,首先是在好氧条件下,亚硝酸菌先是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。近几十年来,尽管生物脱氮技术有了很大发展,但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同DO浓度的反应器中进行,或者是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行,条件控制复杂,两者难以在时间和空间上统一,设备庞大,基建投资和运行费用增加。近年来国内外有不少试验和报道证明存在同时硝化反硝化现象(SimultaneousNitrificationandDenitrification,简称SND,又称同时硝化反硝化),尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统,如生物转盘,SBR,氧化沟工艺等。显然,如果能在同一反应器中使两类不同性质的微生物同时工作形成同时硝化反硝化,这样硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物,避免了培养过程中硝酸盐的积累对硝化细菌的抑制,加速硝化反应的进程,活性污泥法脱氮工艺将更加简化而效能却大为提高,因此具有相当大的优越性。1SND理论到目前为止,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。1.1微环境理论由于氧扩散作用的限制,在微生物絮体内产生DO梯度,从而导致微环境的同时硝化反硝化。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,絮体内部产生缺氧区,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,将可能提高缺氧或厌氧微环境所占比例,从而促进反硝化作用。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。同时由于实际生产中反应器的混合不均,可在生物反应器内形成好氧及缺氧区,此为系统的大环境,即宏观环境;正是由于系统中好氧及缺氧大环境的同时存在,使得SND能够部分地进行。事实上,在生产规模的生物反应器中,整个反应器均处于完全混合状态的情况基本上不存在,因此,SND也就有可能发生。1.2生物学及生物化学解释由于好氧反硝化菌以及好氧反硝化酶系的存在,使得好氧同步硝化反硝化有了生物学的解释。20世纪80年代Roberson和Kuenen在反硝化和除硫系统出水中首次分离出好氧反硝化菌,如:ThiosphaeraPantotropha,PseudomonasSp,Alcaligenesfaecalis等,打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的观点,为好氧反硝化的解释提供了生物学的依据。研究表明反硝化在好氧条件下也能发生,同样,硝化反应在氧浓度较低时也能够发生。因此,SND也就成为可能。2SND影响因素影响SND的控制因素多且复杂,主要有微生物絮体的结构特征、DO浓度、有机碳源、ORP(氧化还原电位)等。2.1微生物絮体结构特征的影响微生物絮体的结构特征即活性污泥絮体粒径的大小及密实度等直接影响了SND。微生物絮体粒径及密实度的大小一方面直接影响了絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小,另一方面还影响了絮体内部物质的传质效果,进而影响了絮体内部微生物对有机底物及营养物质获取的难易程度。絮体粒径的大小,对特定的反应器系统而言,应当有一个最佳粒径范围,才能创造微生物絮体内好氧区与缺氧区的最佳比例。较大粒径的絮体可以导致内部较大缺氧区的存在,并有利于反硝化的进行;但粒径过大、絮体过密,也会导致絮体内物质的传质受阻,进而会影响絮体内微生物的代谢活动。2.2DO浓度的影响DO浓度是影响系统中SND的重