短程硝化-反硝化生物脱氮

短程硝化—反硝化生物脱氮袁林江,彭党聪,王志盈(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055)摘要:短程硝化—反硝化生物脱氮法是将硝化控制在形成亚硝酸阶段,阻止亚硝酸的进一步硝化,然后直接进行反硝化。这一方法可以克服传统生物脱氮法存在的问题,其关键是在硝化阶段维持HNO2长久稳定地积累。本文结合国内外研究,对形成HNO2积累的条件和影响因素进行了分析,探讨了实现短程硝化的途径。关键词:生物脱氮;硝化;反硝化;短程硝化—反硝化中图分类号:X703文献标识码:B文章编号:1000-4602(2000)02-0029-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(59878042)近年来国内外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露出的问题和现象进行了大量理论和试验研究,并提出了一些新的观点和方法,其中短程生物脱氮法颇受重视,具有重要的应用价值。1短程硝化—反硝化作用机理长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中,都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使NH+4经历典型的硝化和反硝化过程才能安全地被除去,这条途径也可称之为全程(或完全)硝化—反硝化生物脱氮。实际上从氮的微生物转化过程来看,氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开。对于反硝化菌,无论是NO-2还是NO-3均可以作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经NH+4→HNO2→N2这样的途径完成。早在1975年Voet就发现在硝化过程中HNO2积累的现象并首次提出了短程硝化—反硝化生物脱氮(Shortcutnitrification—denitrifi2cation,也可称为不完全或称简捷硝化—反硝化生物脱氮),随后国内外许多学者对此进行了试验研究。这种方法就是将硝化过程控制在HNO2阶段而终止,随后进行反硝化。传统生物脱氮之所以要将氨完全氧化成硝酸后再进行反硝化,主要是基于以下几方面原因:①如果硝化不完全,形成的亚硝化产物HNO2是“三致”物质,对受纳水体和人是不安全的,所以尽量避免出现HNO2;②HNO2具有一定耗氧性,影响出水COD和受纳水体的DO;③氨自然生物氧化过程中,NH+4→NO-2可释放242.8～351.7kJ/mol的能量,亚硝酸菌从中获取5%～14%能量。氧化NO-2→NO-3释放能量为64.5～87.5kJ/mol,硝酸菌可利用其中5%～10%,是亚硝酸菌有效利用能量的1/4～1/5,要达到相同的能量,硝酸菌氧化NO-2量必须达到亚硝酸菌氧化NH+4量的4～5倍,因而在稳态下不会有HNO2积累,氨会被氧化成硝酸;④亚硝酸菌和硝酸菌虽是两类独立细菌,但在开放体系中这两类菌普遍存在,并生活在一起,彼此有利,因此难以单独存在;⑤氨氧化为亚硝酸的速率较亚硝酸氧化为硝酸速率快,在NH3→HNO3中,亚硝酸的形成是限速步骤,所以通常硝化产物为硝酸,亚硝酸浓度很低。近年来,高氨低碳源废水处理过程中所反映的一系列问题和短程生物脱氮的提出,又促使人们重新审视传统生物脱氮的过程,并围绕短程生物脱氮的可行性进行了大量实验研究和工程实践。短程生物脱氮具有以下特点:①对于活性污泥法,可节省氧供应量约25%,降低能耗;②节省反硝化所需碳源40%,在C/N比一定的情况下提高TN去除率;③·92·中国给水排水2000Vol.16CHINAWATER&WASTEWATERNo.2减少污泥生成量可达50%;④减少投碱量;⑤缩短反应时间,相应反应器容积减少。因此这一方法重新受到了人们的关注。2影响亚硝酸积累的因素由于废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统,如何控制硝化停止在HNO2阶段是实现短程生物脱氮的关键。传统硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸菌协同完成的,由于这两类细菌在开放的生态系统中形成较为紧密的互生关系,将氨氧化为硝酸,因此完全的亚硝酸化是不可能的。短程硝化的标志是稳定且较高的HNO2积累即亚硝酸化率较高[NO-2-N/(NO-2-N+NO-3-N)至少大于50%以上]。影响亚硝酸积累的因素主要有温度、pH、氨浓度、氮负荷、DO、有害物质及泥龄。①温度。生物硝化反应在4～45℃内均可进行,适宜温度为20～35℃,一般低于15℃硝化速率降低,并且低温对硝化产物及两类硝化菌活性影响也不同。12～14℃下活性污泥中硝酸菌活性受到更严重的抑制,出现HNO2积累。15～30℃范围内,硝化过程形成的亚硝酸可完全被氧化成硝酸。温度超过30℃后又会出现HNO2积累。②pH。随着硝化反应的进行,硝化过程产生的酸使废水pH不断下降。亚硝酸菌要求的最适pH在7～8.5之间,硝酸菌为6～7.5。反应器中pH低于7则整个硝化反应会受到抑制。pH升高到8以上,则出水HNO2浓度升高,硝化产物中亚硝酸比率增加,出现HNO2积累。③NH3浓度与氮负荷。废水中氨随pH不同分别以分子态